第七章天然氣凝液回收

第七章天然氣凝液回收第一頁，共七十四頁，2022年，8月28日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)展我國天然氣凝液回收概況第二頁，共七十四頁，2022年，8月28日在緒論中已經(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程稱之為天然氣凝液回收或天然氣液回收(NGL回收)．我國習(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三頁，共七十四頁，2022年，8月28日二、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)國家天然氣工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一?；仡櫋┌l(fā)達(dá)國家天然氣凝液回收的發(fā)展過程．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)過穩(wěn)定的天然汽油，同時(shí)已開始生產(chǎn)液化石油氣。第四頁，共七十四頁，2022年，8月28日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。第五頁，共七十四頁，2022年，8月28日我國天然氣處理與加工工業(yè)是在60年代以后才發(fā)展起來的，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)過處理生產(chǎn)商天然氣，也有一小部分用來回收天然氣凝液。就天然氣加工率來講，目前我國已達(dá)到世界先進(jìn)水平。三、我國天然氣凝液回收概況第六頁，共七十四頁，2022年，8月28日第一節(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七頁，共七十四頁，2022年，8月28日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八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

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九頁，共七十四頁，2022年，8月28日

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，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十頁，共七十四頁，2022年，8月28日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十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日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.冷凝分離法第十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日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圖6－2第十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日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十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日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：第十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日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。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。第十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日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，熱分離機(jī)已在我國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：第十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日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年美國首先將透平膨脹機(jī)制冷技術(shù)用于天然氣液回收過程中。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)，因此近二三十年來發(fā)展很快，美國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：第十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日第十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日

(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。第二十頁，共七十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)制冷方法蒸汽壓縮制冷透平膨脹機(jī)制冷節(jié)流膨脹制冷第二十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日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圖6－5。一、蒸汽壓縮制冷第二十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日

1.單溫級(jí)壓縮制冷循環(huán)

第二十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日丙烷壓縮制冷的原理流程圖丙烷沸點(diǎn)：P=1atmTb=-42.17℃;P=16atmTb=45℃第二十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日這種循環(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。第二十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日第二十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日第二十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日循環(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。

第二十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

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)。其工藝流程圖見圖6－12。3.覆疊式（階式）制冷第二十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日第三十頁，共七十四頁，2022年，8月28日

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。第三十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日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。第三十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日如右圖所示，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題。第三十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日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程中保持變溫汽化過程，而混合物的汽化和冷凝過程能滿足這一要求。在液體冷劑汽化過程中，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。第三十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日?qǐng)D6—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圖6－14第三十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日第三十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日在制冷循環(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、無毒、不燃燒、無腐蝕及價(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.冷劑的選擇第三十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日透平膨脹機(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)?。③渦輪膨脹機(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，如果沒有特別說明，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)制冷第三十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日（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。見下頁結(jié)構(gòu)圖。1.透平膨脹機(jī)簡(jiǎn)介第三十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日單蝸室蝸殼特點(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。第四十頁，共七十四頁，2022年，8月28日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。

第四十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日噴嘴環(huán)的分類：第四十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日第四十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日作用：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工作輪第四十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日第四十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日第四十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日

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)。氣體在膨脹過程中各參數(shù)的變化規(guī)律見圖6－18(2)透平膨脹機(jī)通流部分中氣流參數(shù)變化第四十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日

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)壓器第四十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日①等熵效率當(dāng)氣體在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹時(shí)，由于沒有熱交換（絕熱過程）,若膨脹過程可逆，則這一過程一定是等熵過程（絕熱可逆過程即為等熵過程）。絕熱可逆過程對(duì)外作最大功且其值就等于焓降。即：而實(shí)際過程為不可逆，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)的等熵效率第四十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日氣體等熵膨脹時(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)第五十頁，共七十四頁，2022年，8月28日已知條件：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)算第五十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日⑥當(dāng)S1＝S2時(shí)為等熵膨脂脹過程．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。第五十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日三、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壓縮流體通過孔口或閥門時(shí)，由于局部阻力使流體壓力顯著下降；②節(jié)流過程為一絕熱過程；③節(jié)流前后流體焓不變。④節(jié)流過程不對(duì)外作功，是高度不可逆過程；⑤天然氣流經(jīng)節(jié)流閥膨脹過程可近似按等焓節(jié)流處理。第五十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日（2）節(jié)流效應(yīng)第五十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日由此可以看出，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)流前溫度第五十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日2.節(jié)流膨脹（等焓膨脹）與等熵膨脹的比較第五十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日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)流過程用節(jié)流閥，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；等墑膨脹過程用膨脹機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。②膨脹機(jī)中實(shí)際上為多變過程，因而所得到的溫度效應(yīng)及制冷量比等熵過程的理論值小。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。第五十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日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五十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日第三節(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五十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日一、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；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。第六十頁，共七十四頁，2022年，8月28日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：第六十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日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。第六十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日①壓力超過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：第六十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日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。第六十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日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：第六十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日二、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