Путилин С.А., Цейтлин А.М.

Астраханский государственный технический университет, Россия

Оценка возможностей экономии энергозатрат при

осушке и отбензинивании природного газа за счёт применения пропановых парокомпрессионных холодильных машин

Рост цен на природный газ на мировых рынках определяет актуальность решения задачи снижения энергозатрат на  производство газа, поскольку покрытие этих энергозатрат требует сжигания части добываемого газа. Эта задача особенно актуальна для газоперерабатывающей промышленности России, являющейся одним из крупнейших поставщиков природного газа на мировые рынки.

Так, больших энергозатрат требует удаление из поступающего с месторождения на газоперерабатывающий завод сырого газа примесей воды, соединений серы, тяжёлых углеводородов, с целью достижения требуемых ГОСТом показателей товарного газа.

На астраханском газоперерабатывающем заводе сырой природный газ отбензинивается методом низкотемпературной сепарации. Низкотемпературная сепарация потребляет холод при температуре не выше -840С. Для получения холода на столь низком температурном уровне используется детандерная холодильная машина с регенеративным теплообменником. Рабочим телом детандерной холодильной машины служит природный газ.

Процесс отбензинивания осуществляется следующим образом. Поступающий в регенеративный теплообменник газ высокого давления(Р=6 МПа) с температурой 500С в теплообменнике охлаждается до -500С. При этом часть лёгких углеводородов конденсируется. На выходе из теплообменника газ поступает в сепаратор, где от него отделяется конденсат. Затем газ расширяется в турбодетандере до давления Р=1.5 МПа. Температура рабочего тела на выходе из детандера -1000С. В детандере происходит дальнейшая конденсация лёгких углеводородов. На выходе из детандера стоит ещё один сепаратор для отделения от газа низкого давления образовавшегося в детандере конденсата. Газ из второго сепаратора направляется в конденсатор этановой фракции, где нагревается до температуры -840С, отводя теплоту парообразования. Далее газ направляется к холодному концу регенеративного теплообменника и проходит теплообменник, охлаждая поток газа высокого давления. 

Предварительно, перед проведением процесса отбензинивания, поступающий с месторождения газ осушают в переключающихся цеолитовых адсорберах. Перед подачей газа в адсорберы требуется его охлаждение до температуры +250С.  С этой целью газ низкого давления после выхода из теплого конца регенеративного теплообменника с достаточно низкой температурой (9 ч 16 0С) направляется в специальный теплообменник - охладитель газа перед адсорбером. После выхода из охладителя газ низкого давления направляется в турбокомпрессор, где его давление повышается до 60 бар. Компрессор - двухступенчатый, с охлаждением газа водой перед второй ступенью сжатия. Первая ступень приводится турбодетандером, вторая - паровой турбиной.

Представляется, что использование для охлаждения газа перед подачей в адсорберы отдельной парокомпрессионной холодильной машины на базе турбокомпрессоров с использованием в качестве рабочего тела пропана позволит снизить требуемую холодопроизводительность турбодетандерной холодильной машины и соответственно затраты энергии на производство холода турбодетандером, поскольку соответственно снизится степень расширения газа в детандере и, значит, повысится давление газа низкого давления после детандера. Отсюда снизится мощность на привод газового компрессора, повышающего давление товарного газа по завершении процесса отбензинивания. Общее снижение энергозатрат на привод газового компрессора должно быть выше, чем дополнительные энергозатраты на привод пропанового компрессора парокомпрессионной холодильной машины. Объясняется это тем, что холодильный коэффициент парокомпрессионной холодильной машины, производящей холод на уровне +250С, должен быть выше, чем у детандерной холодильной машины, работающей с температурой рабочего тела на входе в детандер - 500С.

Проведены сравнительные расчёты холодильных коэффициентов парокомпрессионной и детандерной холодильных машин. При проведении расчётов принято, что рабочее тело парокомпрессионной холодильной машины - пропан. Температура кипения принята Т0=288К, температура конденсации Тк=323К. Принято, что холодильная машина одноступенчатая, что перегрев пара перед компрессором и переохлаждение жидкости перед регулирующим вентилем отсутствуют. Сжатие в компрессоре принято адиабатическим. Адиабатический кпд компрессора принят равным  зад=0.9, механический кпд принят змех =0.9

Расчётная формула для холодильного коэффициента епар парокомпрессионной холодильной машины имеет вид:

 

. епар = (i1 - i3)* зад * змех /(i2 - i1)                          (1)

 

где i1 - энтальпия сухого насыщенного пара пропана при температуре кипения

      i2 - энтальпия перегретого пара пропана при давлении конденсации и энтропии, равной энтропии насыщенного пара пропана при температуре кипения

      i3 - энтальпия кипящего жидкого пропана при температуре конденсации

      зад =0.9 - адиабатический кпд пропанового турбокомпрессора

                  змех =0.9 - механический кпд пропанового турбокомпрессора

Согласно вычисления, епар = 5.25

В расчётах в качестве рабочего тела для детандерной холодильной машины принят метан. Температура на входе в детандер принята Т4=223К, давление Р4=6МПа, давление на выходе из детандера Р5=4МПа, температура на входе в компрессор Т6=323К. Гидравлические потери в регенеративном теплообменнике и недорекуперация на его тёплом конце приняты пренебрежимо малыми. Адиабатические кпд детандера и газового компрессора приняты равными зад =0.9,механические кпд змех =0.9. Расчётная формула для холодильного коэффициента детандерной холодильной машины имеет вид:

 

            . едет=[(i4-i5)*зад-i6+i8]/[(i7-i6)/(зад*змех)-(i4-i5)*зад*змех]

 

где i4- энтальпия метана на входе в детандер (при температуре Т4 и давлении Р4)

                  i5- энтальпия метана при давлении Р5 и энтропии, равной энтропии метана на входе в детандер

                  i6- энтальпия метана на входе в тёплый конец регенеративного теплообменника из компрессорного концевого холодильника (при температуре Т6 и давлении Р4)

                  i8- энтальпия метана на входе в компрессор из регенеративного теплообменника (при температуре Т6 и давлении Р5)

                  i7- энтальпия метана на выходе из компрессора (при давлении Р4 и энтропии, равной энропии метана на входе в компрессор (в состоянии8)

Согласно расчётов, едет = 0.738

А= епар / едет = 7.11

Таким образом, применение парокомпрессионных холодильных машин для охлаждения природного газа перед осушкой в адсорбере на астраханском газоперерабатывающем заводе должно позволить снизить энергозатраты на производство холода  более чем в 7 раз.

Возможны два варианта привода пропанового турбокомпрессора - от электродвигателя и от паровой турбины. Второй вариант не требует дополнительных затрат электроэнергии, но требует дополнтельного расхода пара высокого давления на привод паровой турбины. Пропановые турбокомпрессоры с электроприводом выпускает отечественная промышленность, а с приводом от паровой турбины - Словакия.

Следует учитывать, что температура газа на входе в детандер при использовании пропанового холода должна снизиться. Это потребует уменьшении недорекуперации на холодном конце регенеративного теплообменника, для чего придётся увеличить площадь его теплопередающей поверхности, что потребует дополнительных капитальных затрат. Кроме этого, увеличение давления газа на выходе из детандера повысит удельные механические нагрузки на обечайки массо- и теплообменных аппаратов, в которые направляется газ с повышенным давлением. Ещё одно обстоятельство, которое необходимо учитывать при внедрении парокомпрессионной холодильной машины - вероятность некоторого снижения показателей надёжности процесса отбензинивания в целом ввиду  возможности поломок во внедряемом оборудовании, в первую очередь в пропановом компрессоре.