第七章天然氣凝液回收第1頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三概述天然氣凝液回收的概念世界天然氣凝液回收的工業(yè)發(fā)展我國(guó)天然氣凝液回收概況第2頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在緒論中已經(jīng)講到，天然氣中除了主要組分甲烷外，還有其它烴類和非烴類的組分，各組份的大致含量如下：

CH4C2H6C3H8C4H10C5+N2CO2H20H2SHeArXer(70-95%)C2+(5-30%)少量微量天然氣凝液回收就是回收天然氣中乙烷以上的組分，所以天然氣凝液（NGL）中含有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及更重?zé)N類；從天然氣中回收凝液的過(guò)程稱之為天然氣凝液回收或天然氣液回收(NGL回收)．我國(guó)習(xí)慣上稱為輕烴回收，講課時(shí)提到的輕烴回收和天然氣凝液回收都是一回事。

一、天然氣凝液回收的概念第3頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、世界天然氣凝液回收的工業(yè)發(fā)展當(dāng)前，天然氣凝液的回收率和生產(chǎn)能力是衡量一個(gè)國(guó)家天然氣工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。回顧—些發(fā)達(dá)國(guó)家天然氣凝液回收的發(fā)展過(guò)程．大致可分為以下四個(gè)階段：

①井口汽油時(shí)代(1910一19204年)：由油井井口分離器分離出的伴生氣經(jīng)壓縮、冷凝和分離后即可得到井口汽油。井口汽油組成不定，也不穩(wěn)定。這一階段只是對(duì)伴生氣進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，以防止在輸氣管道中析出液烴。

②天然汽油時(shí)代(1920—1940年)：這—階段天然氣凝液回收方法有了很大發(fā)展，常溫油吸收法逐步取代了初期的壓縮法。主要產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)穩(wěn)定的天然汽油，同時(shí)已開(kāi)始生產(chǎn)液化石油氣。第4頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三④乙烷時(shí)代(1960—1980年)：自50年代后期至60年代，由于對(duì)乙烯的需求劇增，從天然氣中回收的乙烷、丙烷、丁烷已成為裂解制取乙烯的主要原料，因而對(duì)乙烷的需求也日益增加。60年代中期出現(xiàn)的透平膨脹機(jī)制冷方法，由于具有很多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。與此同時(shí)，為了擴(kuò)大乙烷來(lái)源，對(duì)組成較貧的天然氣也進(jìn)行了加工。

③液化石油氣(或丙烷，丁烷)時(shí)代（1940—1960年)：液化石油氣的生產(chǎn)始于30年代，到40年代以后其產(chǎn)量迅速增加、不僅促進(jìn)了天然氣化工的發(fā)展，也給城市提供了清潔方便的燃料。這一階段天然氣凝液回收入方法已從常溫油吸收法逐漸轉(zhuǎn)為低溫油吸收法(冷凍油吸收法)，丙烷、丁烷的回收率有了顯著提高。第5頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三我國(guó)天然氣處理與加工工業(yè)是在60年代以后才發(fā)展起來(lái)的，而大規(guī)模的建設(shè)是在70年代后期至80年代。其中，大慶、勝利、遼阿、中原等油田的伴生氣主要是經(jīng)過(guò)加工生產(chǎn)天然氣凝液，或再進(jìn)一步分離為乙烷、丙烷、丁烷(或液化石油氣)和天然汽油；四川及陜北氣藏氣，主要是經(jīng)過(guò)處理生產(chǎn)商天然氣，也有一小部分用來(lái)回收天然氣凝液。就天然氣加工率來(lái)講，目前我國(guó)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。三、我國(guó)天然氣凝液回收概況第6頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)天然氣凝液回收的目的和方法

天然氣類型對(duì)天然氣液回收的影響天然氣液回收的目的天然氣凝液回收方法第7頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三天然氣類型主要決定了可以冷凝回收的烴類的組成和數(shù)量。

氣藏氣：主要由甲烷組成，乙烷及更重?zé)N類含量很少。只有當(dāng)輕烴成為產(chǎn)品時(shí)其價(jià)值比在商品氣中高時(shí)，才考慮進(jìn)行天然氣凝液回收。

伴生氣：通常輕烴多，為了滿足商品氣或管輸氣對(duì)烴露點(diǎn)和熱值的要求，同時(shí)也為了獲得一定數(shù)量的液烴產(chǎn)品，必須進(jìn)行天然氣凝液回收。

凝析氣：輕烴含量多，應(yīng)進(jìn)行回收。一、天然氣類型對(duì)天然氣液回收的影響第8頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

1.生產(chǎn)管輸氣

使天然氣的烴露點(diǎn)滿足管輸要求，防止天然氣中較重?zé)N類在輸送過(guò)程中冷凝，增加輸送阻力和能耗。

2.滿足商品天然氣對(duì)烴露點(diǎn)的要求根據(jù)商品氣的質(zhì)量指標(biāo)對(duì)烴露點(diǎn)要求，對(duì)天然氣液烴進(jìn)行回收。如果天然氣中可以冷凝回收的烴類很少，只需適當(dāng)回收天然氣凝液進(jìn)行露點(diǎn)控制即可；如果可以冷凝回收的烴類成為液體產(chǎn)品比作為商品氣中的組分具有更好的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，則應(yīng)在滿足商品氣最低熱值要求的前提下，最大程度地回收天然氣凝液。因此，天然氣液回收的深度不僅取決天然氣的組成(乙烷和更重?zé)N類的含量)，還取決于商品氣對(duì)熱值和烴露點(diǎn)的要求等因素。二、天然氣液回收的目的第9頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

在下述幾種情況下需要最大程度地回收天然氣液：①在從伴生氣中回收液烴的同時(shí)，需要盡可能地增加原油產(chǎn)量。換句話說(shuō)，將伴生氣中回收到的液烴送回原油中時(shí)價(jià)值更高。②加工凝析氣的目的是回收液烴．而回收液烴后的殘余氣則需回注到儲(chǔ)層中以保持儲(chǔ)層壓力。③從天然氣液回收過(guò)程中得到的液烴產(chǎn)品比其作為商品氣中的組分時(shí)價(jià)值更高，因而使得天然氣凝液回收具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)習(xí)慣上根據(jù)是否回收乙烷而將天然氣凝液回收裝置分為兩類：一類以回收丙烷及更重?zé)N為目的，稱為淺冷；另一類則以回收乙烷及更重?zé)N為目的，稱為深冷。3.最大限度地回收天然氣凝液第10頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三回收方法基本上分為吸附法、油吸收法和冷凝分離法三種.1.吸附法吸附法系利用固體吸附劑(如活性炭)對(duì)各種烴類的吸附容量不同，從而使天然氣中—些組分得以分離的方法。缺點(diǎn)是需要幾個(gè)吸附塔切換操作，產(chǎn)品的局限性大，加之能耗較大，成本較高，因而目前應(yīng)用較少。2.油吸收法此法系利用不同烴類在吸收油中溶解度不同，從而使天然氣中各個(gè)組分得以分離的方法。吸收油一般采用石腦油、煤油或柴油，是五六十年代廣為使用的一種天然氣液回收方法。但是，由于此法投資和操作費(fèi)用較高，70年代以后已逐漸被更加經(jīng)濟(jì)與先進(jìn)的冷凝分離法所取代。

三、天然氣凝液回收方法第11頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三冷凝分離法是利用在一定壓力下天然氣中各組分的揮發(fā)度不同，將天然氣冷卻至烴露點(diǎn)溫度以下，得到一部分富含較重?zé)N類的天然氣凝液。此法的特點(diǎn)是需要向氣體提供足夠的冷量使其降溫。按照提供冷量的制冷系統(tǒng)不同，冷凝分離法可分為冷劑制冷法、直接膨脹制冷法和聯(lián)合制冷法三種。

（1）冷劑制冷法冷劑制冷法也稱為外加冷源法(外冷法)，其特點(diǎn)是：①是由獨(dú)立設(shè)置的冷劑制冷系統(tǒng)向原料氣提供冷量，其制冷能力與原料氣無(wú)直接關(guān)系；②根據(jù)原料氣的壓力、組成及要求的天然氣液的回收深度，可選擇不同溫度級(jí)別的冷劑(制冷工質(zhì))，例如氨、丙烷及乙烷，也可以是乙烷、丙烷等烴類混合物；③制冷循環(huán)可以是單級(jí)或多級(jí)串聯(lián)，也可以是階式制冷(覆疊式制冷)循環(huán)。

3.冷凝分離法第12頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三采用丙烷制冷的冷凝分離法天然氣凝液回收原理流程圖見(jiàn)圖6－2第13頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①以控制外輸氣烴露點(diǎn)為主，并同時(shí)回收部分凝液的裝置。通常，原料氣的冷凍溫度應(yīng)低于外輸氣所要求的露點(diǎn)溫度5℃以上。②原料氣較富，但其壓力和外輸氣壓力之間沒(méi)有足夠壓差可供利，或?yàn)榛厥漳罕仨殞⒃蠚膺m當(dāng)增壓，所增壓力和外輸氣壓力之間沒(méi)有壓差可供利用，而且采用冷劑制冷又可經(jīng)濟(jì)地達(dá)到所要求的凝液收率。

1)適用范圍。在下列情況下可采用冷劑制冷法第14頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①氨適用于原料氣冷凍溫度高于-25～-30℃時(shí)的工況。②丙烷適用于原料氣冷凍溫度高于-35～-40℃時(shí)的工況。③以乙烷、丙烷為主的混合冷劑適用于原料氣冷涼溫度低于-35～-40℃時(shí)的工況。2)冷劑選用的依據(jù)。冷劑選用的主要依據(jù)是原料氣的冷凍溫度和制冷系統(tǒng)單位制冷量所耗的功率，并應(yīng)考慮以下因素：第15頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1）節(jié)流閥制冷。在下述情況下可考慮節(jié)流閥制冷：①壓力很高的氣藏氣（大于10MPa)，對(duì)節(jié)流后的壓力無(wú)太高的要求。②氣源壓力較高，而氣量較小不適合用膨脹機(jī)制冷時(shí)。③原料氣與外輸氣有壓差可供利用，且原料氣較貧，采用節(jié)流閥制冷僅為控制其烴露點(diǎn)以滿足管輸要求。

(2)直接膨脹制冷法直接膨脹制冷法也稱膨脹制冷法或自制冷法。此法特點(diǎn)是通過(guò)各種類型的膨脹設(shè)備使氣體本身的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)槔淠?，氣體自身溫度降低，將輕烴從天然氣分中離出來(lái)。常用的膨脹制冷設(shè)備有節(jié)流閥(也稱焦?fàn)栆粶愤d閥)、透平膨脹機(jī)及熱分離機(jī)等。第16頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①原料氣量不大旦其壓力高于外輸壓力，有足夠壓差可供利用，但靠節(jié)流閥制冷達(dá)不到所需要的溫度時(shí)，可采用熱分離機(jī)制冷。熱分離機(jī)的氣體出口壓力應(yīng)能滿足外輸要求，不應(yīng)再設(shè)增壓壓縮機(jī)。熱分離機(jī)的最佳膨脹比約為5，且不宜超過(guò)7。②適用于氣量較小或氣量不穩(wěn)定的場(chǎng)合，而簡(jiǎn)單可靠的靜止式熱分離機(jī)特別適用于單井或邊遠(yuǎn)井氣藏氣的天然氣液回收。

2)熱分離機(jī)制冷熱分離機(jī)是70年代由法國(guó)ELF—Iknm公司研制的一種簡(jiǎn)易有效的氣體膨脹制冷設(shè)備，由噴嘴及接受管組成，按結(jié)構(gòu)可分為靜止式和轉(zhuǎn)動(dòng)式兩種；自80年代末期以來(lái)，熱分離機(jī)已在我國(guó)一些天然氣液回收裝置中得到應(yīng)用。在下述情況下可考慮采用熱分離機(jī)制冷：第17頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①原料氣量及壓力比較穩(wěn)定。②原料氣壓力高于外輸氣壓力、有足夠的壓差可供利用。③氣體較貧及凝液收率要求較高1964年美國(guó)首先將透平膨脹機(jī)制冷技術(shù)用于天然氣液回收過(guò)程中。由于此法具有流程簡(jiǎn)單、操作方便、對(duì)原料氣組成的變化適應(yīng)性大、投資低及效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此近二三十年來(lái)發(fā)展很快，美國(guó)新建或改建的天然氣油回收裝置有90％以上采用了透平膨脹機(jī)制冷法。天然氣采用膨脹機(jī)制冷回收液烴時(shí)的原理流程圖見(jiàn)圖6—4所示。3)膨脹機(jī)制冷。當(dāng)節(jié)流閥或熱分離機(jī)制冷不能達(dá)到所要求的凝液收率時(shí)，可考慮采用膨脹機(jī)制冷。其適用情況如下：第18頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第19頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

(3)聯(lián)合制冷法聯(lián)合制冷法又稱為冷劑與其接膨脹聯(lián)合制冷法。此法冷量來(lái)自兩部分：一部分由膨脹制冷法提供；一部分則由冷劑制冷法提供。當(dāng)原料氣組成較富，或其壓力低于適宜的冷凝分離壓力，為了充分、經(jīng)濟(jì)地回收天然氣液而設(shè)置原料氣壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)采用有冷劑預(yù)冷的聯(lián)合制冷法。由于我國(guó)的伴生氣大多具有組成較富、壓力較低的特點(diǎn)，所以自80年代以來(lái)新建或改建的天然氣液回收裝置普遍采用膨脹制冷法及有冷劑預(yù)冷的聯(lián)合制冷法，而其中的膨脹制冷設(shè)備又以透平膨脹機(jī)為主。冷凝分離法根據(jù)其冷凝溫度范圍可分為：淺冷分離：冷凍溫度一般在-20℃～－35℃，以回收丙烷為目的。深冷分離：冷凍溫度一般在-45℃～－100℃，以回收乙烷為目的。第20頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)制冷方法蒸汽壓縮制冷透平膨脹機(jī)制冷節(jié)流膨脹制冷第21頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三蒸氣壓縮制冷也稱做機(jī)械壓縮制冷或簡(jiǎn)稱壓縮制冷，是天然氣凝液回收過(guò)程中最常采用的制冷方法之一。蒸汽壓縮制冷的基本原理是利用沸點(diǎn)較低的制冷介質(zhì)在低于環(huán)境溫度下氣化而吸熱，從而帶走被冷物料的熱量。制冷介質(zhì)的沸點(diǎn)越低，冷劑溫度越低。例如,氨氣在常壓下蒸發(fā)可產(chǎn)生-33.5℃的低溫;丙烷的常壓沸點(diǎn)是-42℃,最低可產(chǎn)生-42℃的低溫,甲烷在常壓下蒸發(fā),則最低可產(chǎn)生-161.49℃的低溫。蒸汽壓縮制冷的基本原理圖見(jiàn)圖6－5。一、蒸汽壓縮制冷第22頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

1.單溫級(jí)壓縮制冷循環(huán)

第23頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三丙烷壓縮制冷的原理流程圖丙烷沸點(diǎn)：P=1atmTb=-42.17℃;P=16atmTb=45℃第24頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三這種循環(huán)是利用蒸汽的壓縮、冷凝、汽化產(chǎn)生冷量，故稱為蒸汽壓縮制冷循環(huán)。

2.雙溫級(jí)壓縮制冷循環(huán)當(dāng)工藝要求在幾個(gè)溫度等級(jí)下冷凍降溫，或者說(shuō)需要提供幾個(gè)溫度等級(jí)的制冷量時(shí)，可采用分級(jí)制冷(分級(jí)蒸發(fā))的壓縮制冷系統(tǒng)。圖6－10是以丙烷為冷劑，產(chǎn)生兩個(gè)溫度級(jí)別制冷劑的例子。第25頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第26頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第27頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三循環(huán)制冷劑被水冷凝成液體后，先節(jié)流到0.426MPa，產(chǎn)生-10.72℃的冷劑，這部分制冷劑在0.426MPa蒸發(fā)返回壓縮機(jī)，因而節(jié)省了制冷循環(huán)壓縮機(jī)功耗（這部分只需從0.42MPa→1.67MPa）；而經(jīng)二次節(jié)流后產(chǎn)生的-45.56℃冷劑，被加熱蒸發(fā)后蒸汽需要從0.103MPa經(jīng)兩級(jí)加壓到1.67Mpa，所需要壓縮功相對(duì)較大。由此可以看出，溫度越低的冷劑，消耗的壓縮功越大，價(jià)格也就越高。因此我們把冷量分成不同的級(jí)位，溫度越低，則溫度級(jí)位愈高，價(jià)格越貴。所以我們選擇制冷劑時(shí)，要根據(jù)被冷物料最終溫度，選擇合適溫度級(jí)別的冷劑，并不是溫度越低越好。

第28頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

采用丙烷、氨等冷劑的壓縮制冷系統(tǒng)，共制冷溫度最低僅約為-30～-40℃。如果要求更低的制冷溫度(例如，低于-60～-80℃)，必須選擇像乙烷、乙烯這樣的冷劑(其常壓下蒸發(fā)溫度分別為-88.6℃與-103.7℃)但是，由于乙烷、乙烯的臨界溫度較低(乙烷為32.2℃，乙烯為9.1℃)，在壓縮制冷循環(huán)中其蒸氣不可能在環(huán)境溫度(空氣或溫度為35～40℃的冷卻水)下冷凝。為此，乙烷或乙烯蒸氣需要采用丙烷、丙烯或氨制冷循環(huán)蒸發(fā)器中的冷劑提供冷量使其冷凝。同理，如要用甲烷可以制取-160℃溫度等級(jí)的冷量。就需采用乙烷、乙烯制冷循環(huán)蒸發(fā)器中的冷劑供冷量使甲烷蒸汽其冷凝，這樣就形成了丙烷—乙稀—甲烷覆疊式制冷循環(huán)。其工藝流程圖見(jiàn)圖6－12。3.覆疊式（階式）制冷第29頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第30頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

階式制冷系統(tǒng)是能耗較低的深冷制冷系統(tǒng)。以天然氣液化裝置為例，當(dāng)裝置原料氣壓力與干氣外輸壓力相差不大時(shí)，每液化1000m3天然氣的能耗約為300一320KW·h。如果采用混合冷劑制冷系統(tǒng)或膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)，其能耗將分別增加20％～24％和40％以上。另外，由于其技術(shù)成熟．故在60年代時(shí)曾廣泛用于液化天然氣生產(chǎn)中。階式制冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)是流程及操作復(fù)雜，投資較人。而且，當(dāng)裝置原料氣壓力大大高于干氣外輸壓力時(shí)，膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)的能耗將顯著降低，加之膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)投資少，操作簡(jiǎn)單，故目前除極少數(shù)天然氣液回收裝置采用兩級(jí)階式制冷系統(tǒng)外，大多采用膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)。但是，在乙烯裝置中由于所需制冷溫度等級(jí)多，冷劑又是乙烯裝置的產(chǎn)品，儲(chǔ)存設(shè)施完善，加之階式制冷系統(tǒng)能耗低，故仍廣泛采用之。第31頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.混合冷劑制冷系統(tǒng)如右圖所示，當(dāng)用單一級(jí)位冷源來(lái)冷卻天然氣時(shí)，若在一端維持合適的傳熱溫差（△t1),則另一端會(huì)處于不合理的大溫差傳熱，而這種大溫差必然造成大的壓縮功耗（冷劑溫度越低，冷量消耗外功越大）。這就造成了經(jīng)濟(jì)上的極不合理。第32頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如右圖所示，如果用多級(jí)位冷劑對(duì)天然氣分段冷卻可以避免產(chǎn)生大的不合理的溫差，在一定程度上減少了壓縮機(jī)功耗，但過(guò)多的中間級(jí)位必然使制冷系統(tǒng)的附屬設(shè)備增加（中間罐、控制儀表、管線等），只有很大的裝置用多級(jí)位冷量才能經(jīng)濟(jì)。即使這樣也不能從根本上解決大溫差傳熱問(wèn)題。第33頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三要使天然氣的冷卻曲線與冷劑受熱曲線之間盡可能保持適當(dāng)溫差，最好是使冷劑在氣化過(guò)程中保持變溫汽化過(guò)程，而混合物的汽化和冷凝過(guò)程能滿足這一要求。在液體冷劑汽化過(guò)程中，溫度從泡點(diǎn)逐漸上升到露點(diǎn)，隨著輕組分的汽化，汽化溫度逐漸升高，利用這一特性發(fā)展了混合冷劑制冷循環(huán)。調(diào)整混合冷劑的組成可以得到不同溫度范圍的混合冷劑。第34頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖6—13為采用混合冷劑制冷系統(tǒng)的天然氣液回收工藝流程示意圖，混合冷劑的組成％(x)為：CH430C2H625C3H835C4H1010；天然氣的冷卻曲線和冷劑受熱曲線見(jiàn)圖6－14第35頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第36頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在制冷循環(huán)中工作的制冷工質(zhì)稱為制冷劑或簡(jiǎn)稱冷劑。例如，在壓縮制冷循環(huán)中利用冷劑的相變傳遞熱量，即在冷劑蒸發(fā)時(shí)吸熱，冷凝時(shí)放熱。因此，理想的冷劑應(yīng)該是易冷凝、冷凝壓力不要太高、蒸發(fā)壓力不要太低、單位體積的制冷量大、蒸發(fā)潛熱大及比容小。此外，還要求冷劑不爆炸、無(wú)毒、不燃燒、無(wú)腐蝕及價(jià)格低廉等。如果工藝流體所需冷凍溫區(qū)高于-25～-35℃，一般選用丙烷或氨作冷劑。如果采用深冷分離時(shí)，則應(yīng)選用乙烷、乙烯、甲烷或混合烴類作為冷劑。通常，任何一種冷劑的實(shí)際使用溫度下限是其常壓沸點(diǎn)。為了降低壓縮機(jī)的能耗，蒸發(fā)器中的冷劑最好在高于當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫ο抡舭l(fā)。4.冷劑的選擇第37頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三透平膨脹機(jī)是一種使高壓氣體膨脹對(duì)外做功，因而使氣體壓力和能量減少的原動(dòng)機(jī)。從廣義講，透平膨脹機(jī)應(yīng)包括：①蒸汽輪機(jī)：只輸出功率且壓縮氣體為水蒸汽。②燃?xì)廨啓C(jī)：只輸出功率但壓縮氣體為燃?xì)狻＂蹨u輪膨脹機(jī)：高壓空氣或天然氣膨脹對(duì)外作功，而使氣體溫度降低，以實(shí)現(xiàn)制冷為目。一般情況下，如果沒(méi)有特別說(shuō)明，人們所指的透平膨脹機(jī)就是渦輪膨脹機(jī)，本課所指透平膨脹機(jī)也是渦輪膨脹機(jī)。二、透平膨脹機(jī)制冷第38頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（1）透平膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)透平膨脹機(jī)由三個(gè)主要部分組成：通流部分、制動(dòng)器部分和機(jī)體部分。這里主要介紹與制冷過(guò)程有關(guān)的通流部分，其它部分原理可參照有關(guān)專著。1）流通部分主要包括：蝸殼、噴嘴環(huán)(導(dǎo)流器)、工作輪(葉輪)和擴(kuò)壓器。①蝸殼作用是把透平膨脹機(jī)進(jìn)氣管道中的氣體引導(dǎo)并均勻地分配到噴嘴環(huán)上。從結(jié)構(gòu)上分，蝸殼又可分為單蝸室蝸殼、半蝸室蝸殼、雙蝸室蝸殼。見(jiàn)下頁(yè)結(jié)構(gòu)圖。1.透平膨脹機(jī)簡(jiǎn)介第39頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三單蝸室蝸殼特點(diǎn)：具有良好的氣體流動(dòng)和氣體分配性能，我國(guó)大部分透平膨脹機(jī)采用了這種形式的蝸殼。半蝸室蝸殼：流動(dòng)損失大，但它可以減小蝸殼尺寸。雙蝸室蝸殼：具有良好的氣體流動(dòng)性，但由于有兩個(gè)進(jìn)口管，使低溫管道復(fù)雜化。第40頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三②噴嘴環(huán)

噴嘴環(huán)的作用：(a)將氣體的壓力能和焓降轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，為在工作輪中將氣體的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功輸出創(chuàng)造條件。氣體膨脹比的一部分（反作用式）或全部（沖動(dòng)式）在噴嘴環(huán)中完成。(b)噴嘴環(huán)的噴嘴流道中的喉部截面起著控制透平膨脹機(jī)氣體流量的作用。

第41頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三噴嘴環(huán)的分類：第42頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第43頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三作用：把氣體的部分動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)換為機(jī)械功輸出。它是透平膨脹機(jī)流通部分中能使氣體能量減少的唯一轉(zhuǎn)動(dòng)部件。分類：③工作輪第44頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第45頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第46頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

反作用度（ρ）

氣體在工作輪中絕熱等熵膨脹焓降h2s與噴嘴環(huán)中絕熱等熵焓降h1s之和的比值。通常：ρ≤0.1的透平膨脹機(jī)叫沖動(dòng)式透平膨脹機(jī)；

ρ＞0.1的透平膨脹機(jī)叫反作用式透平膨脹機(jī)。反作用式透平膨脹機(jī)等熵效率高，可達(dá)80～90％，多用于大型膨脹機(jī)。氣體在膨脹過(guò)程中各參數(shù)的變化規(guī)律見(jiàn)圖6－18(2)透平膨脹機(jī)通流部分中氣流參數(shù)變化第47頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

c—?dú)怏w的速度；p—?dú)怏w的壓力；h—焓降。蝸殼噴嘴環(huán)工作輪擴(kuò)壓器蝸殼噴嘴環(huán)工作輪擴(kuò)壓器第48頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①等熵效率當(dāng)氣體在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹時(shí)，由于沒(méi)有熱交換（絕熱過(guò)程）,若膨脹過(guò)程可逆，則這一過(guò)程一定是等熵過(guò)程（絕熱可逆過(guò)程即為等熵過(guò)程）。絕熱可逆過(guò)程對(duì)外作最大功且其值就等于焓降。即：而實(shí)際過(guò)程為不可逆，其不可逆損失均轉(zhuǎn)化為熱能加入體系使含升高，產(chǎn)生的實(shí)際焓變△ha小于等熵焓變△hs。則膨脹機(jī)的等熵效率（ηs)為：

2.透平膨脹機(jī)的等熵效率第49頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣體等熵膨脹時(shí)，壓力的微小改變所引起的溫度變化稱為微分等熵效應(yīng)，以μs表示，即所以，氣體等熵膨脹時(shí)，溫度總是降低的。②等熵膨脹效應(yīng)用熱力學(xué)函數(shù)之間的關(guān)系可推導(dǎo)第50頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三已知條件：膨脹機(jī)進(jìn)口壓力(P1)、溫度(T1)、氣體進(jìn)口的摩爾流量和組成，以及膨脹機(jī)出口壓力(P2)。計(jì)算目的：實(shí)際出口溫度（T2），具體計(jì)算步驟如下：①由P1、T1及組成計(jì)算膨脹機(jī)入口物流的焓（h1）和熵(S1)。②假設(shè)一個(gè)等熵膨脹時(shí)的理論出口溫度T2。③根據(jù)P2及假設(shè)的T2對(duì)出口物流進(jìn)行平衡氣化(平衡閃蒸)計(jì)算,以確定此處有無(wú)凝液析出。④計(jì)算膨脹機(jī)出口物流的焓(h2)和熵(S2),如果出口物流為兩相流,則h2和S2為氣液混合物的焓和熵。

3.透平膨脹機(jī)出口狀態(tài)計(jì)算第51頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三⑥當(dāng)S1＝S2時(shí)為等熵膨脂脹過(guò)程．此時(shí)理論焓降為(h2-h1)=△hs。⑦巳知膨脹機(jī)的等熵效率ηs，計(jì)算實(shí)際焓降△hact=ηs△hs=h’2-h1,計(jì)算出h’2。⑧由P2、h’2利用T-S圖或h-S圖查出膨脹機(jī)的實(shí)際出口溫度T’2或通過(guò)試算確定膨脹機(jī)的實(shí)際出口溫度T’2。進(jìn)行試差運(yùn)算時(shí)可用下式估算初值T2⑤如果由步驟④算出的S1＝S2，則假設(shè)的T2是正確的，否則，就要重復(fù)步驟②～④，直至S1＝S2。第52頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、節(jié)流膨脹制冷

當(dāng)氣體有可供利用的壓力差，而且不需要很低的冷凍溫度時(shí)，采用節(jié)流閥(也稱焦耳－姆遜閥)膨脹制冷是一種比較簡(jiǎn)單的制冷方法。當(dāng)進(jìn)入節(jié)流閥的氣流溫度很低時(shí)節(jié)流效應(yīng)尤為顯著。1.節(jié)流膨脹制冷原理（1）節(jié)流膨脹的主要特征:①壓縮流體通過(guò)孔口或閥門(mén)時(shí)，由于局部阻力使流體壓力顯著下降；②節(jié)流過(guò)程為一絕熱過(guò)程；③節(jié)流前后流體焓不變。④節(jié)流過(guò)程不對(duì)外作功，是高度不可逆過(guò)程；⑤天然氣流經(jīng)節(jié)流閥膨脹過(guò)程可近似按等焓節(jié)流處理。第53頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）節(jié)流效應(yīng)第54頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由此可以看出，氣體節(jié)流膨脹后溫度并不總是降低的，其溫度決定于氣體的性質(zhì)和所處的狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)節(jié)流制冷目的，要選擇合適的節(jié)流前溫度第55頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.節(jié)流膨脹（等焓膨脹）與等熵膨脹的比較第56頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三即氣體的等熵膨脹效應(yīng)總是大于節(jié)流膨脹效應(yīng)。因此，對(duì)于同樣的初始狀態(tài)和膨脹比，等熵膨脹的溫降比節(jié)流膨脹要大，但它們的差值與溫度和壓力有關(guān)。當(dāng)壓力較低而溫度較高時(shí)，差值就大。隨壓力增加，溫度降低，差逐漸減小，直至臨界點(diǎn)時(shí)為零。節(jié)流與等熵膨脹的特點(diǎn)如下：

①節(jié)流過(guò)程用節(jié)流閥，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；等墑膨脹過(guò)程用膨脹機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。②膨脹機(jī)中實(shí)際上為多變過(guò)程，因而所得到的溫度效應(yīng)及制冷量比等熵過(guò)程的理論值小。③節(jié)流閥可以氣液兩相區(qū)內(nèi)工作，即節(jié)流閥出口可以允許有很大的帶液量，而膨脹機(jī)出口允許的帶液量有一定限度。第57頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①計(jì)算流體在進(jìn)口壓力P1和溫度T1時(shí)的焓h1，如為兩相流，此焓即應(yīng)為氣液混合物的焓。③假定一個(gè)流體出口溫度T2。③按P2和T2條件進(jìn)行閃蒸計(jì)算，求出氣、液各相組成及相對(duì)量。④根據(jù)上述閃蒸計(jì)算及假定的T2,求出口流體的焓h2。如為兩相流．此焓亦應(yīng)為氣液混合物的焓。⑤如果h1=h2,則假定的溫度是對(duì)的。否則，重復(fù)部驟②—⑤，直到h1=h2為止。目前，上述計(jì)算過(guò)程也多采用有關(guān)軟件由計(jì)算機(jī)完成。3．氣體節(jié)流膨脹出口溫度的確定第58頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)天然氣凝液回收工藝工藝方法與設(shè)備以回收C3＋烴類為目的天然氣凝液回收工藝流程以回收C2＋烴類為目的天然氣凝液回收工藝流程第59頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、工藝方法與設(shè)備一般，天然氣凝液回收主要由原料氣預(yù)處理、壓縮、凈化、冷凝分離、凝液分餾、干氣再壓縮以及制冷等部分組成。

1.原料氣的預(yù)處理原料氣預(yù)處理的目的是脫除原料氣中攜帶的油、游離水和泥砂等雜質(zhì)。一般用分離、過(guò)濾單元設(shè)備實(shí)現(xiàn)，以保證冷凝正常進(jìn)行。

2.原料氣的壓縮原料氣壓縮的目的：①為使更多的輕烴冷凝下來(lái)；②保證膨脹機(jī)的入口壓力，以產(chǎn)生足夠的冷量；③伴生氣壓力僅為分離器壓力（3.5atm)，要使回收輕烴后的尾氣壓力達(dá)到管輸壓力也需增壓。因此，對(duì)于伴生氣輕烴回收裝置都需增壓，氣井氣則可利用井口壓力，不一定增壓。第60頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.原料氣的凈化①脫掉原料氣中的水份，以防止在低溫下生成固體水合物物；②脫酸性氣體，以防腐蝕設(shè)備。當(dāng)采用淺冷分離工藝時(shí)，只要原料氣中二氧化碳含量不影響商品天然氣的質(zhì)量要求，可不必脫除二氧化碳.。

4.制冷系統(tǒng)①用蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)對(duì)原料氣預(yù)冷，提供補(bǔ)充冷量；②用膨脹機(jī)制冷使原料氣冷卻到規(guī)定溫度，回收輕烴。

5.冷凝分離系統(tǒng)

(1)多級(jí)冷凝與分離當(dāng)原料氣采用壓縮機(jī)增壓，或者采用透平膨脹機(jī)制冷時(shí)，這種冷凝分離過(guò)程通常是在不同壓力與溫度等級(jí)下分幾次進(jìn)行的。其原因是：第61頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①可以合理利用制冷系統(tǒng)不同溫度等級(jí)的冷量。②可以使原料氣初步分離。③工藝流程組織的需要。

(2)適宜的冷凝溫度與壓力當(dāng)原料氣組成及進(jìn)裝置壓力已知時(shí)，應(yīng)在冷凝計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝流程、干氣外輸壓力、凝液或產(chǎn)品收率和要求，以及裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素確定適宜的冷凝分離壓力與溫度。1)適宜冷凝壓力的確定根據(jù)氣液平衡原理，壓力升高，輕烴回收率增大，但壓力又不能過(guò)高。下圖為在生產(chǎn)LPG時(shí)，壓力對(duì)丙烷及乙烷收率的影響關(guān)系圖。第62頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①壓力超過(guò)4MPa后，丙烷收率增長(zhǎng)較慢，而乙烷收率迅速增長(zhǎng)，增加了脫乙烷塔塔頂氣量，因而丙烷收率下降。②壓力提高，乙、丙烷相對(duì)揮發(fā)度減少，不利于分離。同樣，對(duì)于生產(chǎn)NGL過(guò)程，在適宜的溫度范圍內(nèi)，甲烷與乙烷之間也有類似的關(guān)系，壓力增加到某個(gè)值后，乙烷收率增加較小，而甲烷冷凝率增加較快。一般而言，對(duì)于生產(chǎn)LPG，P＝4MPa

對(duì)于生產(chǎn)NGL，P=5Mpa由右圖可知：第63頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2)適宜冷凝溫度的確定壓力確定后，就可確定冷凝溫度。由右圖可知，隨著冷凝溫度降低(＜－60℃），乙烷的冷凝率增加較快，而丙烷冷凝率的增加迅速變慢，這樣，不僅增加了冷量而且增加了脫乙烷穩(wěn)定塔的負(fù)荷，反而使關(guān)鍵組份收率下降。因此，應(yīng)根據(jù)關(guān)鍵組份的回收率確定適宜的冷凝分離溫度。第64頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①需要增加膨脹機(jī)的級(jí)數(shù)(即增加膨脹比）以獲得更低的溫度等級(jí)，因而就要相應(yīng)提高原料氣的壓力,增加原料氣壓縮機(jī)。會(huì)使投資及操作費(fèi)用增加。②原料氣壓力提高后，使裝置設(shè)備、管線等壓力等級(jí)也提高，投資也隨之增加。③由于制冷溫度降低，用于低溫部位的鋼材等用量及投資也相應(yīng)增加。因此，對(duì)于回收LPG，有預(yù)冷：C30－77～80％；無(wú)預(yù)冷：C30－50％對(duì)于回收NGL，有預(yù)冷：C20－86%丙烷或乙烷的經(jīng)濟(jì)回收率將隨著輕烴價(jià)格的提高和輕烴回收技術(shù)的提高而提高。3)回收率的確定回收率的確定原則應(yīng)是使輕烴回收裝置具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，在原料組成一定的情況下，其經(jīng)濟(jì)回收率與回收技術(shù)密切相關(guān)。過(guò)高的回收率會(huì)由于以下幾部分能耗的增加而使裝置變的不經(jīng)濟(jì)甚至虧損：第65頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、以回收C3＋烴類為目的天然氣凝液回收工藝流程

1.采用冷劑制冷法的淺冷分離工藝流程①冷凍溫度：一般在-15℃～－35℃；冷凝壓力：1.6～2.4MPa②目的：回收丙烷及以上組分（C3+)，丙烷回收率20％～40％；③適應(yīng)范圍：（a）當(dāng)原料氣中出烴類含量較多，對(duì)丙烷的收率要求不高時(shí)；（b)只是為了控制天