Установка низкотемпературного разделения углеводородного газа

Полезная модель относится к установкам низкотемпературного разделения углеводородного газа с целью получения метана, этана, широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) и гелиевого концентрата, и может быть использована на газоперерабатывающих предприятиях. Задачей полезной модели является повышение эффективности работы установки путем обеспечения незначительных колебаний КПД турбодетандерного агрегата от максимально-возможных значений при широком диапазоне изменений нагрузки на агрегат. Установка низкотемпературного разделения углеводородного газа состоит из блока предварительного охлаждения газа, включающего последовательно установленные теплообменник, пропановый холодильник и сепаратор первой ступени, блока конденсации и охлаждения газа, включающего теплообменники, сепараторы второй и третьей ступени, отпарные колонны и турбодетандерный агрегат в виде турбинного модуля, содержащего турбодетандер и турбокомпрессор, блока выделения этана и широкой фракции легких углеводородов, включающего деметанизатор, деэтанизатор, теплообменники, блока получения гелиевого концентрата и соединительных трубопроводов. Турбодетандерный агрегат содержит два или более параллельно установленных турбинных модуля, число которых определяется в зависимости от объема поступающего в турбодетандер газа. Использование предлагаемой полезной модели позволяет расширить интервал допустимых нагрузок на турбодетандерный агрегат в пределах ±25% от проектных значений с сохранением максимального значения изоэнтропийного КПД в диапазоне 75-85% и, соответственно, максимального количества вырабатываемого при этом низкотемпературного холода [1н.п.ф., 1 фиг.].

Полезная модель относится к установкам низкотемпературного разделения углеводородного газа с целью получения метана, этана, широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) и гелиевого концентрата, в которых охлаждение газа осуществляется, в частности, за счет расширения обратных потоков в турбодетандере, и может быть использована на газоперерабатывающих предприятиях.

Известна установка низкотемпературного разделения углеводородного газа, описанная в способе одновременного получения гелия, этана и более тяжелых углеводородов, включающая трубопровод подачи перерабатываемого газа, теплообменники, сепараторы, гелиевую ректификационную колонну с линией удаления жидкой фазы, детандер, колонну-деметанизатор с линиями питания колонны, линию удаления кубовой жидкости, насос, линию подачи жидкости в колонну-деэтанизатор [Авторское свидетельство СССР №1645796, МПК F25J 3/02, опубл. 30.04.91]. Очищенный, осушенный газ, разделенный на потоки, поступает в теплообменники, в которых охлаждается и частично конденсируется за счет холода сдросселированных и расширенных в детандере обратных фракций газов сепарации, деметанизации и питания колонны-деметанизатора. Затем потоки смешивают и сепарируют в первом сепараторе. Выделившаяся при этом жидкость дросселируют и направляют на дальнейшее разделение во второй сепаратор, откуда испаренные гелий и легкие углеводороды подают в нижнюю часть гелиевой ректификационной колонны. Пар из первого сепаратора конденсируют и переохлаждают в теплообменниках, дросселируют и подают в верхнюю часть гелиевой ректификационной колонны на отпарку растворенного в жидкости гелия. Жидкую фазу колонны делят на два потока, один из которых дросселируют, частично

испаряют в теплообменнике и разделяют в третьем сепараторе. Выделившуюся жидкость дросселируют, смешивают с жидкостью, выделившейся во втором сепараторе, и подают в качестве питания в колонну-деметанизатор. Пар, выделившийся в третьем сепараторе, расширяют и охлаждают в детандере, объединяют с остальной частью жидкой фазы гелиевой колонны, разделяют в сепараторе и жидкость направляют в качестве холодного орошения в колонну-деметанизатор. Кубовую жидкость колонны-деметанизатора разделяют на этановую и широкую фракции легких углеводородов в колонне-деэтанизаторе.

Наиболее близкой к заявляемой по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является установка низкотемпературного разделения природного газа с получением этановой фракции, ШФЛУ, гелиевого концентрата и метановой фракции, применяемая в настоящее время на Гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» [В.В.Николаев и др. Основные процессы физической и физико-химической переработки газа., Москва, «Недра», 1998, с.164-167]. Установка содержит блок предварительного охлаждения газа, включающий последовательно установленные теплообменник, пропановый холодильник и сепаратор первой ступени, блок конденсации и переохлаждения газа, включающий теплообменники, сепараторы второй и третьей ступени, отпарные колонны и турбодетандерный агрегат в виде турбинного модуля, содержащего турбодетандер и турбокомпрессор, блок выделения этановой и широкой фракции углеводородов, включающий теплообменники, деметанизатор, деэтанизатор, блок получения гелиевого концентрата.

Поток сырьевого газа проходит последовательно теплообменник, пропановый холодильник, где происходит его предварительное охлаждение и частичная конденсация за счет холода обратного потока метановой фракции и пропана, затем попадает в сепаратор для отделения жидкой фазы. Отделившиеся в сепараторе жидкие углеводороды подаются на питание в укрепляющую секцию деметанизатора. Газовый поток из сепаратора разделяется

на потоки, которые после охлаждения и частичной конденсации в теплообменниках обратными потоками метановых фракций объединяются и поступают в первый сепаратор второй ступени, в котором поток газа обогащается гелием, а жидкость этаном. Паровая фаза из этого сепаратора направляется на полную конденсацию в теплообменники, после чего поток переохлажденной жидкости поступает в первую отпарную колонну. Обогащенная этаном жидкость из первого сепаратора второй ступени попадает во второй сепаратор второй ступени. Паровая фаза из него подается в первую отпарную колонну в качестве стриппинг-газа, а жидкость - на питание деметанизатора.

Газ, последовательно прошедший через две отпарные колонны и обогащенный гелием, подается в ректификационную колонну блока получения гелиевого концентрата, где в результате охлаждения и конденсации остатков углеводородов и азота при прохождении последовательно через теплообменники выделяется гелиевый концентрат.

С куба первой отпарной колонны выводится метановая фракция высокого давления (МФВД), одна часть которой направляется в теплообменники для охлаждения поступившего на установку природного газа, а другая - через теплообменник поступает на разделение в сепаратор третьей ступени. Газовая фаза из сепаратора объединяется с верхним продуктом укрепляющей секции деметанизатора и поступает на расширение в турбодетандер турбоде-тандерного агрегата. Далее этот поток (метановая фракция среднего давления), проходя через теплообменники и объединившись с обратным потоком метановой фракции куба первой отпарной колонны после рекуперации холода в теплообменниках, сжимается турбокомпрессором турбодетандерного агрегата и выводится с установки. Жидкость из сепаратора третьей ступени подается на орошение деметанизатора.

В деметанизаторе путем ректификации выделяется метановая фракция в качестве дистиллята и фракция углеводородов С _2+выше в качестве кубового остатка деметанизатора. Кубовый остаток деметанизатора поступает на

разделение в деэтанизатор путем ректификации с получением в качестве дистиллята этановой фракции, а в качестве кубового остатка - ШФЛУ.

Недостатком известной установки, как и аналога, является то, что существующая конструкция установки при изменяющихся условиях протекания технологического процесса не позволяет получать достаточно высокую холодопроизводительность в процессе расширения в турбодетандере метановой фракции высокого давления, достаточную для снижения температуры природного газа до заданной степени охлаждения и конденсации. Это обусловлено тем, что значительные отклонения нагрузки по сырьевому газу, подаваемому на установку, от номинальной проектной приводят к снижению или увеличению количества МФВД, участвующей в процессе детандирования, что соответственно приводит к резкому снижению до 30% от максимально-эффективного изоэнтропического КПД турбодетандерного агрегата и, следовательно, к снижению его холодопроизводительности. В результате эффективность установки по выработке целевых продуктов (метана, этана, ШФЛУ, гелиевого концентрата) существенно падает. При этом рабочий интервал допустимых загрузок технологического и насосно-компрессорного оборудования установки значительно превышает рабочий интервал загрузок турбодетандерного агрегата.

Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности работы установки путем обеспечения незначительных колебаний КПД турбодетандерного агрегата от максимально-возможных значений при широком диапазоне изменений нагрузки на агрегат.

Поставленная задача в предлагаемой установке низкотемпературного разделения углеводородного газа, состоящей из блока предварительного охлаждения газа, включающего последовательно установленные теплообменник, пропановый холодильник и сепаратор первой ступени, блока конденсации и охлаждения газа, включающего теплообменники, сепараторы второй и третьей ступени, отпарные колонны и турбодетандерный агрегат в виде турбинного модуля, содержащего турбодетандер и турбокомпрессор, блока выделения

этана и широкой фракции легких углеводородов, включающего деметанизатор, деэтанизатор, теплообменники, блока получения гелиевого концентрата и соединительных трубопроводов, решается тем, что турбодетандерный агрегат содержит два или более параллельно установленных турбинных модуля, число которых определяется в зависимости от объема поступающего в турбодетандер газа.

Выбор количества турбинных модулей осуществляется в зависимости от интервала возможных загрузок установки и соответственно количества МФВД, поступающей на детандирование, а также от интервала приемлемых загрузок модулей турбодетандерного агрегата, при котором достигается их максимальный изоэнтропийный КПД.

Технический результат, получаемый за счет того, что турбодетандерный агрегат содержит два или более параллельно установленных турбинных модуля, состоит в обеспечении возможности регулирования режима работы турбодетандерного агрегата в условиях переменной нагрузки путем перераспределения поступающей на расширение МФВД между модулями таким образом, чтобы турбодетандер каждого модуля работал в режиме максимально-возможной эффективной производительности (т.е. изоэнтропийный КПД изменялся в интервале 75÷85% в зависимости от изменения нагрузки по сырьевому газу в пределах ±25% от оптимальной проектной) с целью достижения наименьшей температуры МФСД на выходе из турбодетандерных модулей при заданной общей степени расширения в целом. Это позволяет увеличить эффективность использования турбодетандерного агрегата в 1,25-1,3 раза за счет его более эффективной (работа при высоком значении изоэнтропического КПД) работы в условиях не только номинальных, но и переменных загрузок установки, снизить удельные энергетические затраты в целом на единицу продукции и увеличить производительность установки по выработке целевых продуктов.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемой установки низкотемпературного разделения углеводородного газа.

Установка содержит:

- блок предварительного охлаждения газа, включающий трубопровод подвода углеводородного газа 1, теплообменник 2, пропановый испаритель 3, сепаратор первой ступени 4;

- блок конденсации и переохлаждения газа, включающий теплообменники 5-7, последовательно установленные сепараторы второй ступени 8-9, сепаратор третьей ступени 10, отпарные колонны 11, 12 и турбодетандерный агрегат 13, содержащий турбодетандеры 14 и турбокомпрессоры 15 (на схеме представлен агрегат, состоящий из трех турбинный модулей);

- блок выделения этана и широкой фракции легких углеводородов, включающий деметанизатор, состоящий из укрепляющей 16 и отпарной 17 секций, и деэтанизатор 18;

- блок получения гелиевого концентрата 19;

- соединительные трубопроводы.

Установка низкотемпературного разделения углеводородного газа работает следующим образом.

Природный газ, предварительно осушенный и очищенный от сернистых соединений и углекислоты на предыдущих установках, поступает на установку по трубопроводу 1 в блок предварительного охлаждения газа. Поток газа проходит последовательно теплообменник 2, пропановый испаритель 3, где происходит его предварительное охлаждение и частичная конденсация за счет холода обратного потока метановой фракции среднего давления (МФСД) и кипящего пропана, затем попадает в сепаратор первой ступени 4 для отделения жидкой фазы. Выделившаяся жидкая фаза выводится из сепаратора 4 и направляется на питание в деметанизатор 16, а газовая фаза поступает сначала в теплообменник 5 блока конденсации и охлаждения газа на дальнейшее охлаждение и конденсацию и далее в сепаратор второй ступени 8. Жидкость из сепаратора 8 дросселируется в сепаратор 9 с тем, чтобы образовавшиеся при этом пары, содержащие гелий, направить в первую отпарную колонну 11 в качестве стриппинг-газа, а оставшуюся жидкость направить в

деметанизатор 16 в качестве питания. Паровая фаза из сепаратора 8 направляется на полную конденсацию в теплообменники 6, 7, по выходу из которых поток переохлажденной жидкости дросселируется в первую отпарную колонну 11, откуда отпаренный газ, обогащенный гелием, поступает во вторую отпарную колонну 12 и далее в блок получения гелиевого концентрата 19.

С куба отпарной колонны 11 выводится метановая фракция высокого давления (МФВД), часть которой, частично испаряясь в теплообменнике 6, поступает на разделение в сепаратор третьей ступени 10, откуда жидкость поступает на первую тарелку деметанизатора 16 в качестве основной флегмы. Паровая фаза из сепаратора 10 смешивается с МФВД с верха деметанизатора 16, затем объединенный поток поступает на расширение в турбодетандеры 14 каждого или части модулей турбодетандерного агрегата 13. Перераспределение газового потока между модулями осуществляется последовательным открытием или закрытием регулирующих клапанов (на чертеже не показаны), подающих газ к турбодетандерам определенных модулей. Количество участвующих в процессе модулей зависит от расхода МФВД, поступающей на расширение в турбодетандеры. Так, если расход МФВД превышает номинальное расчетное значение турбодетандера 14 более чем на 25%, то необходимо задействовать турбодетандер 14 следующего модуля турбодетандерного агрегата 13. В случае же снижения расхода МФВД будут поочередно исключаться из процесса турбодетандеры путем соответствующего открывания и закрывания регулирующих вентилей. Расширенная метановая фракция объединенным потоком проходит через теплообменники 5 и 2, охлаждая потоки поступившего на установку природного газа.

Оставшаяся часть кубовой жидкости отпарной колонны 11 дросселируется и после рекуперации холода в теплообменниках 7, 6, 5, 2 объединяется с потоком метановой фракции после расширения, компримируется в турбокомпрессоре 15 турбодетандерного агрегата 13 и выводится с установки. В деметанизаторе 16, 17 осуществляется ректификация смеси углеводородов с получением метановой фракции в качестве дистиллята и фракции углеводородов

С_2+выше в качестве кубового остатка, отводимую на ректификацию в деэтанизатор 18 с получением в качестве дистиллята этановой фракции, а в качестве кубового остатка - широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ).

Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволяет расширить интервал допустимых нагрузок на турбодетандерный агрегат в пределах ±25% от проектных значений с сохранением максимального значения изоэнтропийного КПД в диапазоне 75-85% и, соответственно, максимального количества вырабатываемого при этом низкотемпературного холода.

Установка низкотемпературного разделения углеводородного газа, состоящая из блока предварительного охлаждения газа, включающего последовательно установленные теплообменник, пропановый холодильник и сепаратор первой ступени, блока конденсации и охлаждения газа, включающего теплообменники, сепараторы второй и третьей ступени, отпарные колонны и турбодетандерный агрегат в виде турбинного модуля, содержащего турбодетандер и турбокомпрессор, блока выделения этана и широкой фракции легких углеводородов, включающего деметанизатор, деэтанизатор, теплообменники, блока получения гелиевого концентрата и соединительных трубопроводов, отличающаяся тем, что турбодетандерный агрегат содержит два или более параллельно установленных турбинных модуля, число которых определяется в зависимости от объема поступающего в турбодетандер газа.