魯 凱 鹿來運 張 鐠 郭開華

(中山大學(xué)工學(xué)院 廣州 510006)

1 引 言

天然氣液化過程是先將原料天然氣經(jīng)過預(yù)處理，脫除液化過程的不利組分(酸性組分、水分、較重?zé)N類及汞等)之后，經(jīng)過制冷系統(tǒng)，如級聯(lián)式制冷循環(huán)，混合工質(zhì)制冷循環(huán)，膨脹機(jī)制冷循環(huán)的高效換熱器不斷降溫，將丁烷、丙烷、乙烷等烴類逐級冷凝分離，在常壓下使天然氣溫度降低到－162℃左右，成為液體狀態(tài)，即液化天然氣(LNG)，其體積僅為原來氣體體積的1/625，易于在常壓下儲存、運輸和使用［1－4］。由于經(jīng)過凈化處理，去除掉了有害雜質(zhì)，LNG是一種比天然氣更為清潔的一次能源燃料，因此越來越受到重視，在中國已形成了一個快速發(fā)展的清潔能源產(chǎn)業(yè)［5］。

針對中國以邊遠(yuǎn)離散小氣田、油井殘氣、沼氣等多種氣源為主的情況，小型撬裝式天然氣液化裝置更能符合目前的需求。小型天然氣液化裝置可使得零散氣田天然氣的開發(fā)利用成為可能，有利于改善能源結(jié)構(gòu)，在中國大規(guī)模開發(fā)利用天然氣的新形勢下，具有廣闊的應(yīng)用前景［6－7］。

本研究旨在開發(fā)一種實用的小型預(yù)冷式混合工質(zhì)低溫循環(huán)天然氣液化裝置，進(jìn)行實驗測試并分析調(diào)整混合工質(zhì)組分對低溫循環(huán)特性的影響。該裝置采用常規(guī)的制冷設(shè)備和器件，力求做到設(shè)備簡單易得，投資少，建設(shè)周期短，能符合現(xiàn)今中國能源發(fā)展的實際需求。

2 實驗裝置及液化流程

本文設(shè)計一個小型混合制冷工質(zhì)液化裝置，其詳細(xì)流程如圖1所示，裝置圖片示于圖2。

圖1 新型無丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化流程Fig.1 New mixed refrigerant liquefaction process without propane pre-cooling

圖2 混合制冷劑液化裝置實圖Fig.2 Picture of mix refrigerant liquefaction device

流程包括了天然氣液化回路(A1→A2)，混合工質(zhì)制冷循環(huán)(B1→B6)，水冷機(jī)組預(yù)冷循環(huán)(C1→C4)3個部分。混合制冷劑循環(huán)經(jīng)過兩級冷卻(一級冷水卻預(yù)冷及一級水冷機(jī)組預(yù)冷)后，進(jìn)入多股流換熱器中降溫至天然氣需要的液化溫度，得到最終的液化氣體產(chǎn)品。

該裝置的優(yōu)點在于:整個系統(tǒng)的制冷僅需要一次節(jié)流，無需專用的汽液分離設(shè)備，低溫端無運動部件，采用毛細(xì)或者節(jié)流閥節(jié)流，結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，易于維修;制冷循環(huán)中的制冷劑由常見的烷烴和氮氣組成，易于補充和調(diào)整;無膨脹機(jī)等設(shè)備，投資低，便于移動、撬裝。本液化系統(tǒng)的制冷壓縮機(jī)的選取全封閉式渦旋式制冷壓縮機(jī);多股流板翅式換熱器委托外協(xié)單位制造，冷箱外殼采用不銹鋼材料，外殼與換熱器芯體之間填充珠光砂真空絕熱。

工藝設(shè)計中考慮到:(1)工藝流程的復(fù)雜程度;(2)設(shè)備數(shù)量和投資;(3)控制與調(diào)節(jié)簡單;(4)運行是否可靠;(5)功率消耗等5方面。通過優(yōu)化設(shè)計，使得設(shè)備可以安全穩(wěn)定的運行，且功耗較低。設(shè)定天然氣的入口溫度、壓力和質(zhì)量流量，液化天然氣所需要的冷量是一定的，可以主要以壓縮機(jī)的功率損失作為氣體液化性能的目標(biāo)。

實驗中主要的數(shù)據(jù)壓力和溫度分別由壓力傳感器GE druck PTX-5717和熱電阻PT-1000測得，并通過數(shù)據(jù)采集儀FLUKE-2860輸出;壓力傳感器的量程是0 MPa—4 MPa，誤差可控制在0.01 MPa，而熱電阻的精確度在0.1℃之內(nèi)。

3 實驗結(jié)果和分析

本次實驗采用了干燥的壓縮空氣取代天然氣進(jìn)行液化。空氣經(jīng)過除雜、壓縮、水冷并且干燥后，可得到壓力為0.7 MPa—0.9 MPa的潔凈壓縮空氣。在此壓力下，壓縮空氣大約在－172.5℃時完全液化，實驗表明本實驗系統(tǒng)可以達(dá)到空氣液化的要求。以下給出系統(tǒng)典型制冷降溫過程的測試結(jié)果和相關(guān)分析計算。

3.1 實驗結(jié)果

表1和圖3給出了系統(tǒng)制冷降溫過程中幾個特征點(B1、B2、B3)溫度及節(jié)流閥前后溫差隨時間的變化的測試結(jié)果。

表1 制冷降溫過程中特征點溫度變化Table 1 Characteristic point temperature changes in refrigeration cooling process

圖3 降溫過程中預(yù)冷溫度和節(jié)流后最低溫度變化Fig.3 The lowest temperature after throttling and pre-cooling temperature curve in refrigeration cooling process

該過程持續(xù)時間較長，實驗條件為:環(huán)境溫度夜晚最低7℃，白天最高21℃，相對濕度在70%—86%之間?；旌瞎べ|(zhì)壓縮機(jī)額定功率為15 P，預(yù)冷機(jī)組壓縮機(jī)功率為3 P。過程中混合工質(zhì)壓縮機(jī)出口壓力大約在 1.6 MPa，最大壓比為 4.4，效率在65%—70%之間。過程降溫持續(xù)時間約為47個小時，達(dá)到的最低制冷溫度為－186.6℃。此時混合工質(zhì)節(jié)流閥前后的溫差約為在4℃—6℃左右。

由圖3可以看出，隨著制冷溫度的降低，預(yù)冷后混合工質(zhì)溫度也有所降低。當(dāng)預(yù)冷溫度降低時，預(yù)冷循環(huán)和混合工質(zhì)流量均減少，混合制冷壓縮機(jī)的功耗也減小，制冷循環(huán)所消耗的總功率小于預(yù)冷溫度較高時。當(dāng)預(yù)冷級的冷量增大，預(yù)冷溫度越低，整個液化系統(tǒng)的功耗下降，效率上升，系統(tǒng)運行向著有利的方向進(jìn)行。

不同組分的混合制冷工質(zhì)，可以獲取的最低溫度也不同。本研究對幾個典型組分工質(zhì)的制冷最低溫度進(jìn)行了測試，其結(jié)果由圖4示出。由圖4可以看出，當(dāng)整個制冷工質(zhì)為丙烷單質(zhì)時，系統(tǒng)在節(jié)流閥后溫度降至－42.3℃就不再降溫。當(dāng)充入一定量乙烷后，系統(tǒng)最低溫度有顯著下降，直至降到－79.1℃。此后加入適量甲烷和氮氣，系統(tǒng)分別會降溫至－143.6℃和最終所獲得的－186.6℃。將每次系統(tǒng)保持平衡時的混合工質(zhì)進(jìn)行取樣，分別得出4個組分:第1次的純丙烷;第2次39.98%乙烷+60.02%丙烷的兩元混合工質(zhì);第3次42.77%甲烷+22.88%乙烷+34.35%丙烷的三元混合工質(zhì);第4次35.54%甲烷+19.01%乙烷+28.53%丙烷+16.92%氮氣的四元混合工質(zhì)。

圖4 不同組分的混合工質(zhì)節(jié)流后最低溫度Fig.4 The lowest temperature after mixed refrigeration throttling with different mixtures

3.2 組分影響分析

通過對系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合制冷工質(zhì)組分中含有較多的重組分時，如丙烷、異丁烷和異戊烷，會使得系統(tǒng)的總功耗降低;相反的，當(dāng)混合制冷工質(zhì)組分中含有較多的輕組分時，如氮氣和甲烷，會使得系統(tǒng)的總功耗上升。根據(jù)不同的混合制冷工質(zhì)組分所記錄的實驗記錄點，可以得到各組分變化對的系統(tǒng)平均能耗影響趨勢，如圖5—圖10所示。

圖5 氮氣組分變化對系統(tǒng)功耗的影響Fig.5 Effect of nitrogen molar concentration on compressor power

異丁烷和異戊烷在常壓下的熔點溫度和沸點溫度較其它組分都要高，因此這兩種組分在混合工質(zhì)中含量過多時，容易導(dǎo)致在壓縮機(jī)入口處不能完全被氣化，從而出現(xiàn)汽液兩相，引起壓縮機(jī)液擊現(xiàn)象發(fā)生。因此，在對混合工質(zhì)組分調(diào)整優(yōu)化時，異丁烷和異戊烷的摩爾百分比應(yīng)較其它組分少很多。

圖6 甲烷組分變化對系統(tǒng)功耗的影響Fig.6 Effect of methane molar concentration on compressor power

圖7 乙烷組分變化對系統(tǒng)功耗的影響Fig.7 Effect of ethane molar concentration on compressor power

圖8 丙烷組分變化對系統(tǒng)功耗的影響Fig.8 Effect of propane molar concentration on compressor power

本系統(tǒng)采用的混合制冷工質(zhì)是由氮氣、甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷和異戊烷6種組分組成的，各單質(zhì)的相變溫度幾乎覆蓋了整個換熱器工作區(qū)間。由于低壓工質(zhì)的相變潛熱大于高壓工質(zhì)，從而導(dǎo)致低壓混合工質(zhì)有效比熱可能大于高壓工質(zhì)，所以將分子量更大的重?zé)N加入混合制冷劑可以使混合制冷劑高低壓的熱當(dāng)量匹配，從而使系統(tǒng)效率得到提高。

圖9 異丁烷組分變化對系統(tǒng)功耗的影響Fig.9 Effect of isobutane molar concentration on compressor power

圖10 異戊烷組分變化對系統(tǒng)功耗的影響Fig.10 Effect of isopentane molar concentration on compressor power

4 結(jié) 論

本小型混合制冷工質(zhì)循環(huán)氣體液化裝置采用常規(guī)的制冷設(shè)備和器件，力求做到設(shè)備簡單易得。因其具有機(jī)組設(shè)備少，流程簡單，投資省，管理方便等，易于在各種場合靈活采用。實驗測試結(jié)果表明該裝置可成功制取了－186.6℃的低溫，且運行穩(wěn)定。通過對混合制冷工質(zhì)的組分和預(yù)冷級溫度的分析，揭示不同組分對整個液化系統(tǒng)效率的影響。具體歸納如下:

(1)當(dāng)液化系統(tǒng)的預(yù)冷級溫度降低時，在制取相同產(chǎn)量的液化天然氣時，制冷壓縮機(jī)的功耗也隨之下降，此時能耗有所降低。

(2)當(dāng)混合工質(zhì)中氮氣和甲烷等輕組分的比例相對增加時，在制取相同產(chǎn)量的液化天然氣時，制冷壓縮機(jī)的功耗和冷卻水的負(fù)荷都會有所增加，而重?zé)N組分影響則反之。

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