天然气处理装置透平膨胀机组存在问题研究.pdf

吐哈油田丘东 1 } } 天然气处理 装 置系统设 计处 理量 为 1 O 0万 方 ／ 日，天然气处理主要采用分子筛 脱水 、低温分离工艺等工艺技术 ， 可生产干气9 5 万方／ 日、 液化气 1 1 6 吨／ 日。丘东 1 天然气处理装置采 用的是丙烷预冷和膨胀机制冷的 混合制冷 的工艺技术 。透平 膨胀 机 制 冷 机 组 是 天 然 气 处 理 装 置 制 冷工艺重要组成部分。丘东 l 天然 气处理装置透平膨胀机是 由四川 生产 的 P L P T 一 5 6 2 ／ 6 9 ． 4 3 0型透平膨 胀机组 ，为逆升压式 。 1 透平膨胀机简介 1 ． 1 膨胀机 组结构 丘 东 膨 胀 机 是 采 用 向心 径 流 式涡轮 和离心压气机 的单极 向心 径流式天然气涡轮膨胀机。 由膨 天然气处理装置透平膨 胀机组存在问题研究 刘 洪杰 吐哈油 田丘东采油厂新疆鄯善8 3 8 2 0 2 【 摘 要 】对丘东 1 ≠ ≠ 天然气处理装置透平膨胀机组存在的增压比小、重 接触塔超压运行等 问题进行了分析 ，找 出问题所在 ，对存在的问题提 出 了解决方案 ，确定 了增压端 出口压力范围，保障了天然气处理 系统安全 高效运行 。 【 关键词 】透平膨胀机结构原理问题 胀端、增压端 、润滑油系统 、密封 气 系统 及 安 全 保 护 监 测 仪 表 控 制 系统构成 。膨胀端为膨胀机 的动 力端 ，由蜗壳 、喷嘴环 、叶轮 、扩 压器 、转轴、轴承等部分组成。增 压端为膨胀机的作功端 ，由叶轮 、 扩压器 、蜗壳等构成。润滑油系统 主要 是 为 膨 胀 机 两 端 止 推 轴 承 提 供 润 滑 油 对 轴 承 进 行 润 滑 和 降 温 作用 ，在膨胀机开机前 ，应先启动 润滑油系统 ，供油压力 由调节阀 根据轴 承两端 油差 压进行 调节 。 密封气引 自低温分离器出口干气 ， 通过蓖齿形 迷宫密封 ，最后 汇人 工艺气系统 和润滑油系统 ，主要 作用是 防止润 滑油进 入工 艺气 。 安全保护监测仪表控制系统 主要 有 防喘控制系统 、轴向力止推平 衡系统 、轴承供油压力、密封气压 力 、转速 控制系统及轴 承振动监 刘洪杰 1 9 7 1 一 工程师，1 9 9 6 年毕业于西南石油学院石油天然气 ／ J a m专业，现在吐哈油田丘东采油厂轻烃工区从事天然气 处理 与加工 工作 。 测 系统等 。 1 ． 2膨胀机 工作原理 具有一定压力能 的高压气流 由涡壳均匀地 引入喷嘴环 ，在喷 嘴环 的喷嘴渐缩通道 中膨胀 ，压 力降低 ，速度增加 ，将一部分压力 能和焓转变为动能 ，在喷嘴环出 口处 的高速流体冲击叶轮高速旋 转 。由于气体在叶轮进 出 口处速 度的大小和方 向发生变化 ，即动 力矩发生变化 ，叶轮 中的气体便 对叶轮作功 ，从 而把气体 的能量 转换为机械能输出 ，并通过轴传 递给压气机 叶轮 ，从而降低 了膨 胀端 出 口气体 的压力和温度 ，达 到制冷 目的。增压端的气流从入 口流入叶轮 ，通过叶轮通道时叶 轮将其输入轴功加给气流 ，使流 过 的气流压力升高 。气流经扩压 器将大部分动能转化为压力能后 再经集 气涡 壳流 出而得 到增压 。 膨胀机设计数据见表 1 ，机组设计 工况见 表 2 。 2 o 0 9 。 。．石油和化工设董4 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工作轮 直径Dl l 4 5 mm 工作转 速n 2 7 4 4 0 r p m 等熵 焓降A H 1 1 ． 4 0 0 4 k c a V k g 工作 轮 圆周速度u l 2 0 8 ． 3 3 m ／ s 喷嘴开度％ 7 0 设 计点流量 喷嘴喉部通 流面积 4 5 3 ．2 mm 设计点 设计特性 L L u u ． ／ c 。 0 ． 6 7 4 设计技术条件 设计工况 实 际工况 项 目 膨胀端 增压 端 膨胀端 增压 端 分子量 1 8 1 8 1 8 l 8 进 口压 力MP a 7 ． 0 4 2 ． 9 9 6 ． 0 1 3 ． 1 O 8 出 口压 力MP a 3 ． 1 3 ． 6 3 ． 1 9 3 ． 1 1 8 进 口温 度℃ 一 4 2 1 9 2 2 ． 5 8 ． 2 5 出 口温度℃ ． 7 5 ． 6 3 6 ． 5 3 ． 5 l 5 ． 7 5 转速 r ／ mi n 2 7 4 4 0 2 7 4 4 0 2 4 6 0 0 2 4 6 0 0 2 存在问题 2 ． 1透平膨胀机增压比 问题 随着天然气下游用户用气量的 增大 ，鄯乌输气管道的输气量增 大，起点输气压力提高到了3 ． 4 MP a 以上 ，由于丘东油气处理一厂透 平膨 胀 机 采 用 的是 逆 升 压式 ，透 平膨胀机增压端 出 口干气不需再 增压直接进入鄯乌管道外输 ，由 于透平 膨 胀 机增 压 端 增 压效 果 差 ，增压 比小 ，增 压 后 的 压 力低 于鄯乌管道天然气输送压力 ，因 而造 成 了天 然气 放 空 问题 ，如 果 提 高透 平 膨胀 机增 压端 入 口压 力 ，就会使 重接触塔超压 运行 ， 造成安全隐患 ，同时还降低了透 平膨胀机的膨胀 比，最终会降低 C 收率。 2 ． 2重接触塔超 压问题 4 4 l 石 油 和 化 工 设 苗 。09。。 由于重接触塔最高工作压力 为3 ． 2 5 M P a ，而外输压力提高后 ， 当 透平膨胀机出现意外停机时，重接 触塔会超压运行，存在安全隐患。 3 解决方案 3 ． 1透平膨胀机增压 比问题 喷嘴和涡轮是气流能量转换 的场所 ，通过喷嘴实现等熵膨胀 s ． s ，通过计算分析先确定透平膨 胀机增压端出口压力范围。 根 据 经 过 对 膨 胀机 组 运 行 工 况进行计算分析如下 1计算原理 等熵膨胀计算 s ． s ， 其中S ． 是指膨胀机入口气体混合物的熵； s 是指膨胀机出 V I 气体混合物的 熵 。 相平衡计算 f v f 其中f 是 指 I 组分气相逸度；f 是指 I 组分液 相 逸度 。 计算利用 S R K状态方程。 2计算结果见表 3 。 3 增压机最低出 口压力的确 定 a 透平膨胀机增压端出 口压 力降低 ，重接触塔压力也相应降 低 。当透平膨胀机增压端 出口压 力低于 2 ． 2 MP a 时 ，重接触塔压力 低 于 1 ． 7 3 MP a ，而脱 乙烷 塔设计压 力为 1 ． 4 5 MP a ，介质流动克服管阻 A P O ． 2 5 M P a ，由于重接触塔底无 提升泵，这样 ，将使精馏系统无法 正常运行 。为使精馏系统正常运 行 ，透 平 膨 胀 机增 压 端 出 口压力 应高于 2 ． 2 MP a 。 b 透平膨胀机增 压端出 口压 力降低 ，使膨胀 比增大，透平膨胀 机膨胀机输 出的功率也增 大 ，有 可 能导致 透平 膨胀 机膨胀 机超 速 ， 使机组无法正常运行。 c 透平膨胀机增压端出口压 力 降低 ，透平 膨 胀机 膨 胀 端 出 口 温度也随之降低 ，导致重接触塔 进料温度低 ，重接触塔设计温度 为 一 8 5 ℃，操作温度应高于设计温 度 ，重接触塔的设计操作温度为 一 7 6 ． 8 ℃ ，所 以透平膨 胀机增 压端 出 口压 力最低不能低 于 2 ． 8 MP a 。 d透平膨 胀机增 压端 出 口压 力降低 ，重接触塔底部物流流量 增大，引起分馏系统负荷增大，包 括 塔 底换 热 器 负 荷 、塔 顶 冷 凝 器 负荷 、塔 内气 液平衡 等 。 从 以上计算结果和分析可 以 看 出 ，丘东一厂透平膨胀机增压端 出口压力在2 ． 8 MP a 到 3 ． 6 M P a ， 但根 据目前鄯乌输气管线压力情况，出 口压力若低于3 ． 3 M P a ，高压干气将 无法进入外输管线 ，可以确定透平 膨胀机增压端出口压力在 3 ． 3 MP a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 增 压 机 出 口 重 接 触 塔 压 膨 胀 机 出 口 膨 胀 后 温 度 膨 胀 机 功 率 冷 凝 量 C 3 冷凝量 压 力 M P a 力 M P a 压 力 M P a ℃ KW K mo 1 ／ h Kmo l ／ h 2 1 ． 5 1 ． 61 98 ． 3 5 31 2 37 ． 4 2 6． 0 2 2 ． 2 1 ． 7 3 1 ． 8 4 ． 9 4． 8 48 9． 8 2 3 5． 2 25． 8 2． 4 1 ． 8 9 2 91 ． 5 45 2 ． 8 2 3 2． 6 2 5． 5 6 2． 6 2 ． 0 5 2． 1 6 ． 88 ． 5 41 9 ． 2 22 9． 8 25 ． 2 7 2． 8 2 ． 2 2 2． 3 3 ． 8 5． 7 38 8 ． 5 22 6． 7 24 ． 9 6 3 2． 4 2 ． 5l 一 83 3 60 ． 1 22 3． 2 2 4． 6 3． 2 2． 6 2 ． 71 ． 8 0． 5 3 3 4 21 9． 5 2 4． 2 3． 4 2． 7 9 2． 9 7 8． 1 3 0 9． 6 2l 5． 4 23 ． 7 5 3． 6 2． 99 3． 1 ． 7 5． 8 2 8 6． 7 21 0． 9 23 ． 26 3 ． 8 3． 2 3 ． 31 ． 7 3 2 6 5． 1 20 6 2 2． 71 4 3． 4 2 3． 5 3 71 ． 4 2 44． 8 20 0 2 2． 1 1 到 3 ． 6 MP a 为宜。 4处理 措施 透平膨胀 机增 压端出 口压力 确定后 ，经检查确认增 压比小 的 原 因是 机 组 存 在 问 题 ，主要 是 由 于增压端防喘调节 阀旁通手 阀内 漏和增压端轮背间隙过大造成的。 采取 了以下处 理措 施 a对透平膨胀机进行解体检 修 ，更换 了膨胀机 叶轮和轮背密 封 ，解决 了透平膨胀机增 压端 轮 背问隙过大 的问题 ，使其 达到设 计要求。 b检修透平膨胀机增压端防 喘调节 阀旁通手阀 ，消除 了内漏 问题 。 3 ． 2重接触 塔超 压 问题 在重接触塔气相 、液相进 出 口管线增加紧急切断阀 S D V和旁 通 阀 ，当透 平 膨 胀 机 出 现 意 外停 机 时 ，重 接触塔气相 、液相进 出 口 紧急切断阀 自动关 闭 ，旁通切 断 阀自动打开 ，消除了生产运行 中 的安 全 隐患 。 4 结论 通过对丘东 1 天然气处理装 置透平 膨胀机组存 在的透平膨 胀机 增压比小、重接触塔超压运行等问 题进行的分析，确定了增压端处压 力范围，解决了存在的问题，使高 压干气能够正常外输 ，保证了天然 气处理系统的高效运行。囡 [ 1 】 李国诚 ， 诸林油 气 田轻烃回收技术【 M】 ． 成都四川科学技术出版社。1 9 9 8 [ 2 】 何良知． 石油化工工艺计算程序【 M】 ． 北京中国石化出版社， 1 9 9 3 ． [ 3 】 诸林． 天然气加工工程[ MH匕 京石油工业出版社 ， 1 9 9 6 ． 。 0 9 ．。 。。 石油和化工设备I 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m