富氣乙烷回收工藝改進及綜合對比分析

蔣 洪 李浩玉

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院 2.中國石油長慶油田公司

關鍵字：富氣；乙烷回收；RSV；改進流程；RSVG；RSVF；板翅式換熱器；經濟分析；熱力學

0 引言

乙烯生產能力是衡量一個國家石化工業發展水平的重要指標。在中國，乙烯的當量消費量多年來呈增長趨勢，是其生產能力的兩倍。中國乙烯資源缺乏，供應缺口較大，幾乎一半的乙烯依賴于進口，乙烷作為乙烯制備的重要原料，相比石腦油等有明顯的成本優勢[1-2]。富天然氣組分中含有大量乙烷及更重烴類，回收乙烷產品后再通過精餾分離凝液可得到液化石油氣和穩定輕烴產品，提升油氣田的經濟效益[3-6]。

根據先前的研究和現場運行經驗，低溫法回收天然氣中的乙烷是最經濟的方式，其中由Ortloff公司發明的部分氣體循環流程（Recycle Split Vapor Process，RSV）即為低溫法回收乙烷的代表流程[7-8]，近年來，RSV乙烷回收流程應用廣泛[9]。2019年蔣洪等[10]提出了具有內部制冷循環和吸收塔的創新工藝，富氣條件下該創新工藝明顯優于常規的RSV工藝。2020年張世堅等[11-12]基于RSV工藝提出了3種不同制冷工藝的RSV乙烷回收改進流程，并采用經濟分析、?分析等方法對提出的新工藝進行了詳細研究。前人對RSV工藝改進和不同制冷工藝的RSV乙烷回收流程進行了全面的分析研究[13]，但很少有人立足于富氣條件對RSV主體工藝進行改進研究[14]，進行經濟、熱力學等綜合評價分析，并同時考慮新工藝的氣質適應性。

1 流程描述及模擬

目前全球乙烷需求量逐年增加，各國都致力于從天然氣中回收乙烷，以滿足市場需求，筆者針對回收率高、應用廣泛的RSV乙烷回收流程在富原料天然氣中回收乙烷時系統能耗高等問題，提出了兩種改進的流程，并綜合分析研究了富氣氣質條件下各工藝的經濟性及適應性。

1.1 流程描述

1.1.1 RSV流程

Ortloff公司基于氣體過冷流程提出了RSV乙烷回收流程，即將部分外輸氣冷凝、節流閃蒸后回流進入脫甲烷塔頂部，形成一個以甲烷為主的制冷循環，產生低溫位的冷量，提高乙烷回收率，乙烷回收率可大于96%。同時利用低溫分離器的氣相和部分液相的混合物降溫節流后進入脫甲烷塔中上部，一方面產生低溫位的冷量，另一方面部分液烴可吸收氣相中的重烴和二氧化碳，提高回收率并降低二氧化碳凍堵的風險。RSV乙烷回收流程如圖1所示。

圖1 RSV乙烷回收流程圖

1.1.2 RSVG流程

帶汽提的部分干氣再循環乙烷回收工藝流程（Recycle Split Vapor With Gas Extraction Process，RSVG）的改進思路是保留RSV流程特有的外輸干氣回流特點，將低溫分離器液相采用分流預冷與吸收塔相組合的方式，利用溫差實現重液相的進一步分離。經簡單節流的低溫分離器液相作為吸收塔上部進料，而經節流后的另一股液相進入冷箱升溫后作為吸收塔的底部進料，汽提出吸收塔上部進料中的甲烷等輕組分，大幅增加了脫甲烷塔上部進料物流的甲烷含量，增強了對脫甲烷塔頂重組分的冷凝效果，提高了乙烷回收率。RSVG乙烷回收流程如圖2所示。

圖2 RSVG乙烷回收流程圖

1.1.3 RSVF流程

帶閃蒸的部分干氣再循環乙烷回收工藝流程（Recycle Split Vapor With Liquid Flashing Process，RSVF）的改進思路是保留RSV流程特有的外輸干氣回流特點，采用兩級分離的方式，在低溫分離器后串聯閃蒸分離器。節流后的低溫分離器液相進入冷箱換熱，升溫后進入閃蒸分離器進一步分離出甲烷等輕組分，實現輕重組分的預分離，同時甲烷含量較高的脫甲烷塔頂進料進一步增強冷凝效果，提高了乙烷回收率。由于低溫分離器溫度略高，膨脹機進料量增加，膨脹產生的冷量及同軸壓縮機回收的軸功增加，降低了外輸壓縮機功耗。RSVF乙烷回收流程如圖3所示。

圖3 RSVF乙烷回收流程圖

1.2 流程模擬

1.2.1 原料氣組成

原料氣組成對乙烷回收工藝流程形式和各工藝參數有重要的影響，且原料氣組成存在隨時間變化的特性。為了研究RSV及其改進流程在不同富氣下的特性，筆者選取5組GPM值大于2.5的富氣及超富氣（表1）。GPM值是指每1 000 ft3（1 ft3≈0.028 32 m3，下同）氣體（15.5 ℃，101.325 kPa）中可回收液烴的體積（按gal計，1 gal≈0.003 785 m3），可用來衡量天然氣氣質的貧富[15-17]。原料氣流量為500×104m3/d，原料氣壓力為6 000 kPa，原料氣溫度為40 ℃。

表1 原料氣組成表

1.2.2 模擬關鍵控制參數

為了對不同氣質的RSV及其改進乙烷回收工藝進行合理的比較，模擬的關鍵控制參數如表2所示。選擇Aspen HYSYS軟件和精確度較高的PR狀態方程進行流程模擬[18-19]，外部制冷工藝選擇凝液回收工程常用的二級壓縮丙烷制冷+膨脹機制冷[20]。

表2 模擬的關鍵控制參數表

以原料氣1為例，根據表2中的模擬關鍵控制參數，保證乙烷回收率不低于95%的工況下，RSV及改進流程的模擬結果如表3所示。

表3 RSV及改進流程的模擬結果表

2 綜合對比分析

由于改進流程均新增設備以達到節能減排的效果，因此，為了綜合對比分析原有流程及改進流程，同時從經濟性和流程運行熱力學特性兩個方面綜合評價各流程，以了解改進流程的節能特性。

2.1 經濟性分析

盡管常規的RSV乙烷回收流程相比改進的乙烷回收流程具有較簡單的結構形式，但基于新時代提質增效發展要求，RSV流程仍然存在能耗高等不足之處?？紤]到乙烷回收工藝投資和節能相互矛盾的兩個方面，采用多種經濟評估方法對RSV及其改進工藝進行經濟性比較。

2.1.1 資本投資預算比較

資本成本通過工藝裝置主要設備的購買成本來估算，主要設備包括壓縮機、膨脹機、塔、分離器、換熱器等，利用Aspen公司的經濟分析軟件APEA（Aspen Process Economic Analyzer）以美元（文中$表示美元，M$表示百萬美元，下同）估算各設備總購買成本（TPEC），另外由于改進流程中存在多股流的熱交換器—冷箱，考慮到多股流的板翅式換熱器的翅片類型、流道個數等都極大影響換熱器成本，不能簡單地進行成本估算，故首先利用Aspen EDR（Aspen Exchanger Design and Rating）軟件對冷箱進行板翅式換熱器設計，再利用APEA軟件預算冷箱的成本[22-23]。研究發現不同原料氣組成條件下，RSV及改進工藝流程中相應的板翅式換熱器結構基本相同，稍有差異。

兩種改進流程均以新增設備以達到節能降耗的目的，且不同組成的工藝流程投資成本不同，故利用APEA經濟分析軟件計算得RSV及改進流程主要設備購買成本分布（圖4）。隨著氣質GPM值的不斷增大，RSV及改進工藝流程設備購買成本呈增大趨勢，且增大趨勢逐漸減緩，主要是因為氣質越富，流程中換熱設備、分離設備及壓縮機等設備尺寸不斷增大。RSVG、RSVF流程新增設備投資較小，尤其新增了閃蒸罐的RSVF流程，由于閃蒸罐成本低，多級分離效果好，所需制冷劑循環量少，換熱及制冷壓縮機等投資較低。

圖4 RSV及改進流程的設備購買成本分布圖

整個工藝每個附屬項目對總資本投資的貢獻是對TPEC乘以適當因子后得到的[24]。資本投資分析中經濟參數及量值情況如表4所示。

表4 資本投資分析中經濟參數及量值表

根據表4中乙烷回收流程資本投資分析中經濟參數基準計算得RSVG及RSVF流程投資成本基本接近甚至低于基礎的RSV流程，兩個改進流程新增設備投資小，且改進效果明顯。5種原料氣工況條件下RSV及其改進工藝流程總資本投資成本如表5所示。

表5 RSV及其改進流程總資本投資成本表

2.1.2 操作成本預算對比

操作成本為裝置運行時的能源支出，主要分為可變操作成本和固定操作成本，可變操作成本包括原料氣費用、公用工程（電力，導熱油，冷卻水）成本；固定操作成本主要包括維護和修理費用、員工工資支出。表6詳細列出了文中用到的操作成本參數?？偟牟僮鞒杀緸樵蠚獬杀?、公用工程成本、維護及修理成本、工資支出（員工按12人計）之和[25-26]。

表6 操作成本參數表

研究中，設計乙烷回收裝置處理規模均為500×104m3/d，故此次原料氣成本為278.33 M$/a，平均工資支出為0.6 M$/a。其中原料氣成本、電能、維護和修理成本為主要的操作成本。

操作成本按大小依次為原料氣成本、電能成本、維修成本、導熱油成本和冷卻水成本，隨著原料氣GPM值的不斷增大，總操作成本整體呈上升趨勢，氣質越富改進流程運行成本節能明顯。3種流程的總操作成本如圖5所示，RSV及改進流程的公用工程成本如圖6所示。由圖6可以看出，公用工程增加主要為電能及導熱油成本增加，冷卻水成本幾乎無變化，主要是因為隨著原料氣氣質變富，制冷劑循環量需求增大，制冷循環壓縮機壓縮功增加，且脫乙烷塔塔底重沸器負荷增加，造成電能及導熱油成本不斷增加。RSV及改進流程的脫乙烷塔重沸器負荷及導熱油成本如圖7所示，由圖7可知，不同氣質工況下RSV及改進流程的脫乙烷塔重沸器負荷及導熱油成本增加趨勢逐漸顯著。

圖5 RSV及改進流程的總操作成本圖

圖6 RSV及改進流程的公用工程成本圖

圖7 RSV及改進流程重沸器負荷及導熱油成本圖

2.1.3 利潤分析對比

筆者利用不同的經濟收益評估方法如投資回報率（Return On Investment，ROI）、財務凈現值（Financial Net Present Value，FNPV）及回收期分析該項目的收益情況，對于一個獲益項目，凈利潤被期望盡可能高。ROI是指通過投資而應返回的價值，即企業從一項投資活動中得到的經濟回報；FNPV是項目基于部門或行業的基準收益率或設定的折現率，不僅考慮了資金的時間價值，并全面考慮了整個運行時間內現金流量的時間分布狀況；資本周轉速度愈快，回收期愈短，風險愈小，盈利愈多，一般小于3～4年[27]。

對于利潤評估，假設處理裝置運行周期20年（包含2年啟動及建設時間），稅率為30%，凈利潤（稅后）為總利潤減去稅收，總利潤為總收益減去總操作生產費用。

ROI表示為每年凈利潤對TCI的百分比，其計算公式為：

FNPV是評價技術方案盈利能力的絕對指標。當FNPV≥0時，說明技術方案至少能滿足基準收益率要求的盈利水平，該技術方案可行；當FNPV＜0時，說明該技術方案不滿足基準收益率，該技術方案財務上不可行。FNPV計算公式為：

式中CI、CO分別表示現金流入和流出，美元；ic表示基準收益率；N表示工作年限，a。

回報時間表示收回投資所需要的年限，為總投資成本額與每年現金凈流量之比，回報時間計算公式為：

資本和操作成本之間的權衡是選擇最佳工藝方案的主要標準之一，因此，計算項目的盈利情況就顯得非常重要。通過模擬可得，當保證乙烷回收率不低于94%時，同一氣質條件下，RSV及改進流程外輸氣量、乙烷產品量、C3+凝液產品量基本相同，產品產量誤差小于0.7%。一般情況下，隨著原料氣氣質GPM值的不斷增大，外輸氣產量不斷減少，乙烷產品及C3+凝液產品量不斷增加，但具體產品收益和原料氣組成直接相關。

不同氣質工況下RSV及改進工藝流程的經濟性分析結果如表7所示，由表7可知，各工藝的FNPV值均大于零，能滿足基準收益率要求的盈利水平，該技術方案可行，同時項目投資回報率較大，投資回報時間較小，回報時間均不足1年。由于乙烷及C+3凝液產品單價幾乎是產品天然氣的2倍，隨著原料氣GPM值的增大，乙烷及C3+凝液產品量明顯增加，回報時間顯著下降。

表7 不同氣質工況下RSV及改進工藝流程的經濟性分析結果對比表

2.2 熱力學對比分析

2.2.1 綜合能耗分析

乙烷回收工藝中重沸器、壓縮機等采用不同形式的能源，且各能源的獲取代價不同，故不能進行簡單的功率比較。筆者采用中華人民共和國石油天然氣行業標準《氣田地面工程設計節能技術規范：SY/T 6331—2013》[28]中的綜合能耗分析方法量化分析乙烷回收流程的用能情況。即將流程中各種用能量折算為當量能耗，累計得到整個流程的綜合能耗[29-30]，綜合能耗計算公式為：

式中E表示綜合能耗，kW；ei表示能源i的能量消耗，kW；pi表示能源i轉換為當量能耗的轉換系數；n表示消耗能源種類數。

乙烷回收裝置主要是壓縮機、泵耗費電能；脫乙烷塔重沸器耗費熱能（本文采用導熱油供能），電能折算系數取11.84 MJ/(kW·h)；導熱油折算系數常取1.29。不同氣質工況下RSV及其改進流程的各設備綜合能耗如圖8所示。由圖8可得，改進的RSVG、RSVF流程分別通過增加吸收塔、閃蒸罐進一步增強了原料氣輕重組分分離器效果，增加了脫甲烷塔頂進料物流的甲烷含量，從而降低了外輸氣回流量，相同氣質工況下，RSV及其改進流程的最大外輸氣回流量分別僅為RSV流程外輸氣回流量的78.09%、78.92%。同時，隨著原料氣氣質組成重烴含量越多，RSVG、RSVF兩種改進工藝節能潛力逐漸增大，尤其在原料氣5工況條件下，RSVF改進工藝節能約10%，天然氣氣質越富，節能效果越顯著。

圖8 RSV及改進流程的各設備綜合能耗圖

2.2.2 ?分析

基于熱力學第一、二定律結合的?分析方法，可評價整個乙烷回收工藝用能系統能量品位及用能效率，揭示流程中不可逆性發生的位置及數量，以判斷流程能量利用的合理程度及改進潛力[31]。系統中的?包括化學?、物理?、勢能?和動能?，勢能?和動能?很小常被忽略。以101.325 kPa、298.15 K為環境基準態，則單位流量物流的總?為：

其中，物流物理化學?計算式分別為[32-33]：

式中h、h0分別表示物流實際狀態和環境基準態下的焓，kJ/mol；s、s0分別表示物流實際狀態和環境基準態下的熵，J/K；T0表示環境基準態下的溫度，K；xi表示混合體系中i組分的摩爾分數；eiθ表示i物質的標準?，kJ/kg；R表示通用氣體常數，8.314 J/(mol·K)。

改進工藝流程總的?損基本小于基礎的RSV流程，總?效率基本大于基礎的RSV工藝總?效率，5種原料氣氣質工況下，改進的RSVG、RSVF工藝流程較RSV工藝?損分別平均降低7.00%、15.72%。隨著原料氣GPM值不斷增大，兩者的總?損增加率明顯小于RSV工藝流程，同時類似于前面的能量分析，改進的RSVF工藝流程性能較優。RSV及其改進工藝流程總?損及總?效率如表8所示。

表8 RSV及其改進工藝流程總的?損及?效率表

3 結論

1）冷箱作為深冷乙烷回收工藝的關鍵設備之一，常為板翅式換熱器，首先采用Aspen EDR對各工藝中冷箱進行了板翅式換熱器設計，繼而精確計算冷箱設備的投資成本。設計核算分析發現，冷箱投資成本與換熱物流數目密切相關，且不同原料氣組成條件下4種工藝流程中相應的板翅式換熱器結構基本相同，稍有差異。

2）天然氣乙烷回收工藝是由眾多設備及其附屬組件組成，其設備投資成本主要取決于壓縮機、塔、換熱器等設備，壓縮機成本遠大于其他設備成本。兩個改進的流程投資成本相差不大，尤其RSVF工藝由于新增成本較低，同時閃蒸罐提高了分離效果，5種氣質工況條件下投資成本均低于基礎的RSV乙烷回收工藝流程，且投資成本增長趨勢均低于RSVG改進工藝；乙烷回收工藝操作成本主要為原料天然氣費用，電能等公用工程損耗成本；研究中各工藝方案FNPV值均大于零，能滿足基準收益率要求的盈利水平，同時投資回報率較大，投資回報時間較少，回報時間均不足1年；隨著原料氣GPM值的不斷增大，乙烷回收工藝各工藝投資及操作成本逐漸升高，但升高趨勢逐漸減緩，改進的RSVG、RSVF流程投資成本及運行成本基本接近或低于基礎RSV工藝。

3）改進的RSVG、RSVF流程分別通過增加吸收塔、閃蒸罐富集了脫甲烷塔頂進料物流的甲烷含量，降低了外輸氣回流量，相同氣質工況下，兩改進流程最大外輸氣回流量分別僅為RSV流程的78.09%和78.92%。5種原料氣條件下，隨著原料氣氣質組成重烴含量增多，RSVG、RSVF兩種改進工藝節能潛力逐漸增大，較RSV工藝?損分別平均降低了7.00%和15.72%。

4）兩種RSV改進工藝在經濟性及熱力學層面均表現出一定的節能效果，尤其新增閃蒸罐的改進RSVF工藝流程，多級分離效果好，運行成本低，適應性更強。