小型撬裝式天然氣液化流程的參數(shù)分析摘要：在流程熱力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)小型撬裝式混合制冷劑液化流程進(jìn)行了模擬計(jì)算，并分析了氣液分離器S1、S2的溫度、高壓制冷劑的壓力、低壓制冷劑的壓力和高壓輕烴制冷劑的壓力對(duì)流程液化率、功耗和比功耗的影響。結(jié)果表明，以上參數(shù)對(duì)功耗和比功耗的影響很大，而對(duì)液化率幾乎沒(méi)有影響；小型撬裝式混合制冷劑液化流程簡(jiǎn)便靈活、能耗低、液化率高。關(guān)鍵字：小型撬裝式混合制冷劑液化流程參數(shù)分析0前言自1964年世界上第一座LNG裝置（CAMEL）建造以來(lái)，低溫液化裝置已廣泛應(yīng)用于商業(yè)天然氣液化領(lǐng)域，液化能力一般很大，如基本負(fù)荷型LNG工廠(chǎng)單線(xiàn)液化能力已達(dá)3.4Mt/a，調(diào)峰型約為0.9Mt/a。但是大中型液化天然氣系統(tǒng)由于裝置龐大，不便于在天然氣加氣站、城市調(diào)峰用氣、開(kāi)發(fā)利用邊遠(yuǎn)小氣田、油井殘氣及沼氣等領(lǐng)域應(yīng)用，加之天然氣車(chē)輛市場(chǎng)的不斷發(fā)展，為開(kāi)發(fā)小型天然氣液化系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。小型天然氣液化系統(tǒng)與大中型相比，最大的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單緊湊，投資省，尺寸小型化，裝置撬裝化。[1]。國(guó)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始對(duì)LNG裝置的液化流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)、模擬與評(píng)價(jià)工作。Shell公司模擬計(jì)算了級(jí)聯(lián)式、混合制冷劑和氮?dú)馀蛎浺夯鞒蹋⒎治隽似鋬?yōu)劣。1995年Melaaen建立了基本負(fù)荷型天然氣液化流程動(dòng)態(tài)仿真模型，并采用隱式DASSL進(jìn)行了仿真計(jì)算[2]。1997年Kikkawa設(shè)計(jì)了新型的混合制冷劑預(yù)冷、膨脹機(jī)液化流程，并采用CHEMCAD軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算[3]。1998年Terry采用HYSYS軟件，對(duì)典型的調(diào)峰型天然氣液化流程進(jìn)行了模擬計(jì)算與優(yōu)化[4]。20世紀(jì)90年代初，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行天然氣液化流程理論方面的研究，陳國(guó)邦、鄭大振分析了調(diào)峰型LNG裝置液化流程的特點(diǎn)，對(duì)不同流程及其使用條件進(jìn)行了比較[5]。1992年郭東海對(duì)混合制冷劑天然氣液化流程的參數(shù)選定及優(yōu)化工作做了初步的探討[7]。1999年劉新偉針對(duì)煤層天然氣的回收，提出了帶循環(huán)壓縮機(jī)的氮膨脹液化流程并進(jìn)行了模擬計(jì)算[6]。上海交通大學(xué)顧安忠教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，對(duì)天然氣液化流程進(jìn)行了系統(tǒng)模擬[7]。本文在流程熱力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)小型撬裝式混合制冷劑液化流程進(jìn)行了模擬計(jì)算，并分析了氣液分離器的溫度、高壓制冷劑的壓力和低壓制冷劑的壓力對(duì)流程性能的影響。1液化流程和計(jì)算模型小型撬裝式混合制冷劑液化流程如Fig.1所示。混合制冷劑由氮、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷和異戊烷組成。該流程包括制冷循環(huán)和天然氣循環(huán)兩部分。本模擬采用HYSYS軟件進(jìn)行計(jì)算，選用PR和LKP物性包，以及COMThermo數(shù)據(jù)庫(kù)。2液化流程的參數(shù)分析2.1初始化與模擬計(jì)算在計(jì)算前，需要確定的參數(shù)見(jiàn)Tab.1、Tab.2[7]。流程的天然氣處理規(guī)模為30000Nm3/day，屬于小型撬裝式規(guī)模。流程主要參數(shù)的選擇，對(duì)計(jì)算結(jié)果及裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有較大的影響，將以比功耗（即生產(chǎn)單位LNG產(chǎn)品的功耗）為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化確定。Fig.1.小型MRC液化流程Tab.1.組分的摩爾比例N2CH4C2H6C3H8iC4H100nC4H100iCC5H12nC5H12Naturallgass0.84196.4011.6020.4660.0910.22300.06110.3315Small-sscaleeMRCC5.224.629.520.45.54.85.114.99Tab.2.小型MRC流程的壓力和溫度設(shè)定Naturallgass:NGHigh-prressuurerrefriigeraant:Highh-PLow-preessurrereefriggerannt:LLow-PPLNGstoore:LNGPressurre(MMPa))5.381.490.360.121Temperaaturee(℃)40.036.031.73-159.92.2參數(shù)分析進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)，只變動(dòng)進(jìn)行分析的參數(shù)值，其余值不變。分別分析氣液分離器S1、S2的溫度、高壓制冷劑的壓力、低壓制冷劑的壓力和高壓輕烴制冷劑的壓力對(duì)流程液化率、功耗和比功耗的影響，因?yàn)闅庖悍蛛x器的溫度、混合制冷劑的高壓和低壓的選擇對(duì)液化流程的正常運(yùn)行和性能指標(biāo)的影響很大。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)Fig.2~16。Fig.2.分離器S1溫度對(duì)液化率的影響Fig.3.分離器S1溫度對(duì)能耗的影響Fig.4.分離器S1溫度對(duì)比功耗的影響Fig.5.分離器S2溫度對(duì)液化率的影響Fig.6.分離器S2溫度對(duì)能耗的影響Fig.7.分離器S2溫度對(duì)比功耗的影響Fig.8.高壓制冷劑壓力對(duì)液化率的影響Fig.9.高壓制冷劑壓力對(duì)能耗的影響Fig.10.高壓制冷劑壓力對(duì)比功耗的影響Fig.11.低壓制冷劑壓力對(duì)液化率的影響Fig.12.低壓制冷劑壓力對(duì)能耗的影響Fig.13.低壓制冷劑壓力對(duì)比功耗的影響Fig.14.高壓輕烴制冷劑壓力對(duì)液化率的影響Fig.15.高壓輕烴制冷劑壓力對(duì)能耗的影響Fig.16.高壓輕烴制冷劑壓力對(duì)比功耗的影響Fig.2~Fig.4中，隨著氣液分離器S1溫度的降低，壓縮機(jī)功耗和LNG比功耗呈下降趨勢(shì)，而液化率變化很小。原因是隨著S1溫度的下降，分離器中混合制冷劑的氣化率下降，預(yù)冷天然氣和制冷劑的制冷量增大，而降低天然氣和制冷劑進(jìn)入流程時(shí)的溫度對(duì)于減少流程耗功和比功耗非常有利。Fig.5~Fig.7中，隨著氣液分離器S2溫度的降低，壓縮機(jī)功耗和LNG比功耗呈上升趨勢(shì)，而液化率變化很小。原因是隨著S2溫度的下降，預(yù)冷輕烴制冷劑的制冷量增大，需要更多的重?zé)N制冷劑流量，從而使得壓縮機(jī)功耗和LNG比功耗增大。Fig.8~Fig.10中，隨著高壓制冷劑壓力的增加，壓縮機(jī)功耗和LNG比功耗呈下降趨勢(shì)，而液化率變化很小。原因是高壓制冷劑壓力升高時(shí)，一方面單位流量高壓制冷劑的焓值降低，制冷劑流量也降低，功耗往減少的方向變化；另一方面，高壓制冷劑壓力的升高，引起壓比升高，進(jìn)而單位流量的功耗增加。第一方面的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)第二方面的影響，從而使壓縮機(jī)功耗和LNG比功耗降低。Fig.11~Fig.13中，隨著低壓制冷劑壓力的增加，壓縮機(jī)功耗先增大然后下降，LNG比功耗呈下降趨勢(shì)，而液化率變化很小。原因是低壓制冷劑壓力升高時(shí)，一方面單位流量低壓制冷劑的焓值降低，制冷劑流量增大，功耗往增加的方向變化；另一方面，低壓制冷劑壓力的升高，引起壓比減小，進(jìn)而單位流量的功耗也減小。這兩方面相互作用，從而使LNG比功耗降低，壓縮機(jī)功耗先增后減。Fig.14~Fig.16中，隨著高壓輕烴制冷劑壓力的增加，壓縮機(jī)功耗和LNG比功耗呈上升趨勢(shì)，而液化率變化很小。原因是高壓輕烴制冷劑壓力升高時(shí)，一方面單位流量高壓輕烴制冷劑的焓值降低，預(yù)冷輕烴制冷劑的制冷量減少，即重?zé)N制冷劑流量減小，功耗往減少的方向變化；另一方面，高壓輕烴制冷劑壓力的升高，引起壓比升高，進(jìn)而單位流量的功耗增加。第二方面的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)第一方面的影響，從而使壓縮機(jī)功耗和LNG比功耗增大。3結(jié)論小型撬裝式混合制冷劑液化流程之所以設(shè)備簡(jiǎn)化，而性能參數(shù)絲毫不受影響，仍然保持接近C3/MRC流程的水平，關(guān)鍵在于混合制冷劑中相應(yīng)地增加了重組分（正丁烷、異丁烷、正戊烷和異戊烷）的含量。重組分經(jīng)分離后，節(jié)流降溫返流到換熱器中為天然氣和制冷劑提供預(yù)冷的冷量，以此代替丙烷預(yù)冷循環(huán)，而降低天然氣和制冷劑進(jìn)入流程時(shí)的溫度對(duì)于減少流程耗功、制冷劑流量非常有利。氣液分離器的溫度、制冷劑的高壓和低壓之間存在著強(qiáng)烈的耦合關(guān)系。上述參數(shù)的選擇能否合理，對(duì)液化流程的正常運(yùn)行和性能指標(biāo)的影響很大。本文分析了氣液分離器S1、S2的溫度、高壓制冷劑的壓力、低壓制冷劑的壓力和高壓輕烴制冷劑的壓力對(duì)流程液化率、功耗和比功耗的影響。從中可得出，要想使流程趨于合理、節(jié)能，需要調(diào)整哪些參數(shù)以及如何調(diào)整。參考文獻(xiàn)[1]WolfgangFoerg,WilfriedBach,RudolfStockmannetal,ANewLNGBaseloadandtheManufacturingoftheMainHeatExchangers[A],TwelfthinternationalConference&ExhibitiononLiquefiedNaturalGas,Perth,Australia,1998，2.6[2]GuAnzhong,LuXuesheng,WangRongshun,ShiYumei,LinWensheng[M],Liquefiednaturalgastechnology,Chinamachinepress,2004[3]YoshitugiKikkawa,MoritakaNakamura,DevelopmentofLiquefactionProcessforNaturalGas[J],JournalofChemicalEngineeringofJapan,1997,30(4):626~630[4]TerryLavin,ComparisonofLiquefactionProcess[J],LNGJournal,1998(3):28~33[5]ChenGuobang,YuJianping,HuangZhixiu,ZhengJianyao,Liquefiednaturalgastechnologyandapplication[J],Cryogenictechnology,1995(5):1~7[6]LiuXinwei,Lihaiguo,LiuFurong,Simulationandcalculationofnaturalgaslique