第四篇 第二章 天然气深冷处理

第二章天然气深冷处理

第一节天然气深冷工艺方法及工艺

一、低温分离工艺所采用的方法

目前，世界各国广泛采用低温分离法来提取天然气中的液烃，该方法可在脱凝析油的同时还能脱去天然气中的水份。

冷凝分离法是利用在一定压力下天然气中各组分的挥发度不同，将天然气冷却至露点温度以下，得到一部分富含较重烃类的天然气液，并使其与气体分离的过程。分离出的天然气液又往往利用精馏的方法进一步分离成所需要的液烃产品。通常，这种冷凝分离过程又是在几个不同温度等级下完成的。

此法的特点是需要向气体提供足够的冷量使其降温。按照提供冷量的制冷系统不同，冷凝分离法可分为冷剂制冷法、直接膨胀制冷法和联合制冷法三种。

1．冷剂制冷法冷剂制冷法也称为外加冷源法。它是由独立设置的冷剂制冷系统向原料气提供冷量，其制冷能力与原料气无直接关系。根据原料气的压力、组成及天然气液的回收深度，制冷剂可以分别是氨、丙烷及乙烷，也可以是乙烷、丙烷等烃类混合物，而后者又称为混合制冷剂。制冷循环可以是单级或多级串联，也可以是阶式制冷循环。采用丙烷作制冷剂的冷凝分离法凝析油回收原理流程见图2-1。

图2-1 采用丙烷作冷剂的冷凝分离法NGL回收原理流程

（1）适用范围。在下列情况下可采用冷剂制冷法：

①以控制外输气露点为主，并同时回收部分凝液的装置。通常，原料气的冷冻温度应低于外输气所要求的露点温度5℃以上。

②原料气较富，但其压力和外输气压力之间没有足够压差可供利用，或为回收凝液必须将原料气适当增压，所增压力和外输气压力之间没有压差可供利用，而且采用制冷剂制冷又可经济地达到所要求的凝液收率。

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（2）制冷剂选用的依据。制冷剂选用的

主要依据是原料气的冷冻温度和制冷系统单

位制冷量所耗的功率，并应考虑以下因素：

①氨适用于原料气冷冻温度高于-25℃

~-30℃时的工况。

②丙烷适用于原料气冷冻温度高于-35℃

~-40℃时的工况。

③以乙烷、丙烷为主的混合冷剂适用于原

料气冷冻温度低于-35~-40℃时的工况。

④能使用凝液作制冷剂的场合应优先使

用凝液。

天然气采用制冷剂法回收液烃时在相图

上的轨迹见图2-2中的ABC线所示。

2．直接膨胀制冷法直接膨胀制冷法也

图2-2 天然气液回收在相图上的轨迹线

称膨胀制冷法。此法不另设独立的制冷系统，

原料气降温所需的冷量由气体直接经过串接在该系统中的各种类型膨胀制冷设备来提供。因此，制冷能力直接取决于气体的压力、组成、膨胀比及膨胀制冷设备的热力学效率等。常用的膨胀制冷设备有节流阀、透平膨胀机及热分离机等。

（1）节流阀制冷。在下述情况下可考虑采用节流阀制冷：

①压力很高的气井气（一般在10MPa或更高），特别是其压力会随开采过程逐渐递减时，应首先考虑采用节流阀制冷。节流后的压力应满足外输气要求，不再另设增压压缩机。如气源压力不够高或已递减到不足以获得所要求低温时，可采用制冷剂预冷。

②气源压力较高，或适宜的冷凝分离压力高于干气外输压力，仅靠节流阀制冷也能获得所需的低温，或气量较小不适合用膨胀机制冷时，可采用节流阀制冷。如气体中重烃较多，靠节流阀制冷不能满足冷量要求时，可采用制冷剂预冷。

③原料气与外输气有压差可供利用，但因原料气较贫故回收凝液的价值不大时，可采用节流阀制冷，仅控制其水露点及烃露点以满足管输要求。若节流后的温度不够低，可采用制冷剂预冷。

采用节流阀制冷的低温分离法工艺流程示意图见图1-11所示。天然气采用节流阀制冷回收液烃时在相图上的轨迹线见图2-2中ABC`线所示。

（2）热分离机制冷。热分离机是70年代由法国ELF-Bertin公司研制的一种简易有效的气体膨胀制冷设备，由喷嘴及接受管组成，按结构可分为静止式和转动式两种。自80年代末期以来，热分离机已在我国一些轻烃回收装置中得到应用。在下述情况下可考虑采用热分离机制冷：

①原料气量不大且其压力高于外输气压力，有压差可供利用，但靠节流阀制冷达不到所需要的温度时，可采用热分离机制冷。热分离机的气体出口压力应能满足外输要求，不应再

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设增压压缩机。热分离机的最佳膨胀比约为5，且不宜超过7。如果气体中重烃较多，可采用制冷剂预冷。

②适用于气量较小或气量不稳定的场合，而简单可靠的静止式热分离机特别适用于单井或边远井气井气的凝析油的回收。

（3）膨胀机制冷。当节流阀或热分离机制冷不能达到所要求的凝液收率时，可考虑采用膨胀机制冷。其适用情况如下：

①原料气量及压力比较稳定。

②原料气压力高于外输气压力，有足够的压差可供利用。

③气体较贫及凝液收率要求较高。

1964年美国首先将透平膨胀机制冷技术用于天然气液回收过程中。由于此法具有流程简单、操作方便、对原料气组成的变化适应性大、投资低及效率高等优点，因此近二三十年来发展很快，美国新建或改建的天然气液回收装置有90％以上采用了透平膨胀机制冷法。

天然气采用膨胀机制冷回收液烃时的原理流程见图2-3所示。其在相图上的轨迹见图2-2中ARC``线所示。

图2-3 采用膨胀机制冷法的NGL回收原理流程

3．联合制冷法联合制冷法又称为制冷剂与直接膨胀联合制冷法。顾名思义，此法是冷剂制冷法与直接膨胀制冷法二者的联合，即冷量来自两部分：一部分由膨胀制冷法提供；一部分则由制冷剂制冷法提供。当原料气组成较富，或其压力低于适宜的冷凝分离压力，为了充分、经济地回收天然气液而设置原料气压缩机时，应采用有冷剂预冷的联合制冷法。

由于我国的伴生气大多具有组成较富、压力较低的特点，所以自80年代以来新建或改建的轻烃回收装置普遍采用膨胀制冷法及有冷剂预冷的联合制冷法，而其中的膨胀制冷设备又以透平膨胀机为主。

目前，轻烃回收装置采用的几种主要工艺方法的烃类收率见表2-1。当以回收C2+为目的时，可选用的制冷方法是表2-1中的下面四种。其中，马拉法的实质是用物理溶剂（例如N 一甲基吡咯烷酮）代替吸收油，将原料气中的C2+吸收后，采用抽提蒸馏的工艺获得所需的C2+。乙烷、丙烷的回收率依市场需求情况而定，分别为2%~90%和2%~100%。这种灵活性是透平膨

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