王 勇 張玉璽 李娟花 李占生 齊園園

1.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018；2.中國石油長慶油田公司監(jiān)理公司，陜西 西安 710018

0 前言

天然氣液化調(diào)峰裝置主要分布在歐洲和北美。其主要分布情況為：美國62座、英國5座、加拿大3座、德國2座，澳大利亞、阿根庭、中國、比利時和荷蘭各1座［1］。

國內(nèi)某LNG調(diào)峰站是我國第一座調(diào)峰型天然氣液化裝置。該裝置建成推動了我國液化天然氣工業(yè)的發(fā)展，是東海天然氣早期開采供應上海城市燃氣工程下游部分中的一個重要組成部分。主要用于天然氣早期開采中上游工程因不可抗拒的因素（如臺風等）停產(chǎn)，輸氣管線事故，或冬季調(diào)峰時向管網(wǎng)提供安全可靠的天然氣。該裝置由法國燃氣公司設計制造，1999年投入運行［2］。

法國燃氣公司在研究世界各種天然氣液化流程基礎上，從優(yōu)化流程、減少投資上開發(fā)了新型的混合冷劑液化流程，即整體結合式級聯(lián)型液化流程。該流程吸收了國外LNG技術最新發(fā)展成果，與當今天然氣液化技術發(fā)展趨勢相吻合。國內(nèi)某LNG裝置作為調(diào)峰引進了該流程，實際運行證明該工藝具有實用價值。由于國外資料沒有提供具體的計算模型，因而生產(chǎn)操作中無法對裝置進行參數(shù)的最優(yōu)控制。本文通過運用國際上著名的HYSYS軟件對該LNG調(diào)峰站進行模擬計算，結果表明：模擬與實際運行吻合得較好［3］。

1 級聯(lián)型天然氣液化流程特點

級聯(lián)型天然氣液化流程具有流程精簡、降低設備投資和操作費用的特點，主要是簡化了預冷制冷機組的設計。在流程中增加了精餾塔，并將冷劑分餾為以丁烷和戊烷為主的重組分和以氮、甲烷、乙烷為主的輕組分。重組分在冷卻和節(jié)流降溫后返流，作為冷源進入冷箱上部預冷天然氣和混合冷劑；輕組分氣液分離后進入冷箱下部，用于冷凝和過冷原料氣。

本工藝中冷箱采用高效釬焊板翅式換熱器。該換熱器具有體積小，便于安裝的特點。整體冷箱分為上下兩部分，結構緊湊，換熱器平行排列，換熱面積大，絕熱效果好。天然氣在冷箱內(nèi)被冷卻至-160℃左右的液體，漏熱損失降低并較好地解決了兩相流分布問題。模塊化型式制造使得冷箱便于安裝，預留管路在施工現(xiàn)場進行法蘭連接，降低建設費用。壓縮機和驅動機具有型式簡單、可靠、投資與維護費用低的特點［4］。

2 級聯(lián)型天然氣液化HYSYS模擬計算

2.1 天然氣組成

天然氣組成見表1。

表1 原料天燃氣組成表

2.2 原料氣冷卻流程

圖1為采用國際上著名軟件HYSYS模擬出的流程。該流程主要由壓縮機、分離器、冷卻器、混合器、換熱器、塔器以及節(jié)流閥組成。該數(shù)學模型主要以實際的原料氣組分在操作工況下的溫度和壓力進行模擬，其組分在各個設備中進行分離、閃蒸、節(jié)流等過程的傳質、傳熱計算。

原料天然氣組成見表1所示。圖1中天然氣物流1（溫度40 ℃，壓力4.8 MPa，流量196.2 kmol/h）經(jīng)過換熱器1冷卻，冷卻后物流2（溫度-25 ℃，壓力4.79 MPa）再進入分離器1分離，分離器1底部分離出重烴。物流3從分離器1頂部出來進入節(jié)流閥1節(jié)流制冷，制冷后物流4（溫度-27.73 ℃，壓力4.4 MPa），再進入換熱器2換熱，換熱后物流5（溫度-135 ℃，壓力4.39 MPa）進入節(jié)流閥2繼續(xù)節(jié)流制冷。制冷后物流6（溫度-160.5 ℃，壓力0.11 MPa）最后進入分離器5，頂部分離出閃蒸氣（溫度-160.5 ℃，壓力0.11 MPa），罐底部出來為LNG產(chǎn)品（溫度-160.5 ℃，壓力0.11 MPa）。

圖1 級聯(lián)型天然氣液化HYSYS 計算模型圖

2.3 冷劑循環(huán)流程Ⅰ

表2 制冷天然氣組成表

表2為制冷天然氣組成表。如圖1所示：制冷天然氣7（溫度21.9 ℃，壓力0.316 MPa，流量492.4 kmol/h）先進入低壓吸入筒進行氣液分離，頂部出來氣相8（溫度21.9 ℃，壓力0.316 MPa）進入壓縮機1壓縮，底部液烴排出罐外。壓縮后物流9（溫度65.43 ℃，壓力0.73 MPa）再進入冷卻器1冷卻，冷卻后物流10（溫度40 ℃，壓力0.72 MPa）進入分離器7進行分離。從分離器7頂部出來的物流11進入壓縮機2進行壓縮。壓縮后物流13（溫度88.98 ℃，壓力1.71 MPa）進入冷卻器2冷卻。冷卻后物流14（溫度40 ℃，壓力1.7 MPa）進入精餾塔底部進行精餾。從分離器7出來的物流12（溫度40 ℃，壓力0.72 MPa）經(jīng)過泵1增壓后，物流43（溫度40.68 ℃，壓力1.66 MPa）進入精餾塔中部塔盤［5］。

2.4 冷劑循環(huán)流程Ⅱ

從高壓吸入筒出來的氣相物流28（溫度20 ℃，壓力1.43 MPa）進入壓縮機3進行增壓，增壓后物流29（溫度99.73 ℃，壓力4.45 MPa）進入冷卻器3冷卻，冷卻后物流30（溫度35 ℃，壓力4.44 MPa）打循環(huán)進入換熱器1中。經(jīng)過換熱后物流32（溫度-20 ℃，壓力4.43 MPa）進入分離器2，底部出來的液相物流3（溫度-20 ℃，壓力4.43 MPa）進入換熱器2換熱，出來物流35（溫度-130℃，壓力4.42 MPa）進入節(jié)流閥3節(jié)流制冷后，物流36（溫度-130.1℃，壓力0.36 MPa）再進入分離器3。氣相物流33（溫度-20 ℃，壓力4.43 MPa）進入換熱器2換熱，換熱后物流37（溫度-130 ℃，壓力4.42 MPa）進入節(jié)流閥4節(jié)流制冷后與物流38（溫度-154 ℃，壓力0.36 MPa）同時進入分離器3。從分離器3出來的液相物流39與氣相物流40匯在一起后，物流41（-140.2 ℃，壓力0.36 MPa）給換熱器2提供冷量，換熱后物流42（溫度-35.8 ℃，壓力0.35 MPa）與物流19匯在一起進入分離器5（后面流程見精餾塔塔底液相流程所述）。

從精餾塔頂部出來的氣相物流15（溫度38.5 ℃，壓力1.6 MPa）經(jīng)過節(jié)流閥6節(jié)流制冷后，物流24（溫度36.97 ℃，壓力1.44 MPa）進入換熱器1換熱，換熱后物流25（溫度20 ℃，壓力1.43 MPa）進入高壓吸入筒進行氣液分離。底部出來的液相物流27（溫度20 ℃，壓力1.43 MPa）經(jīng)泵2 增壓后進行循環(huán)，物流46（溫度20.17 ℃，壓力1.65 MPa）進入精餾塔頂部。精餾塔設置10層塔盤，（塔頂壓力控制為1.6 MPa，塔底壓力控制為1.63 MPa）。塔頂出來氣相15（溫度38.49 ℃，壓力1.6 MPa）經(jīng)過節(jié)流閥6節(jié)流制冷后，物流24（溫度36.97 ℃，壓力1.44 MPa）進入換熱器1，然后打循環(huán)進入高壓吸入筒，如前所述。

從精餾塔底部出來的液相物流16（溫度39.09 ℃，壓力1.63 MPa），經(jīng)過泵3增壓，物流17（溫度39.10 ℃，壓力1.64 MPa）進入換熱器1換熱，換熱后，物流18（溫度-20 ℃，壓力1.63 MPa）進入節(jié)流閥5節(jié)流制冷，制冷后物流19（溫度-24.6 ℃，壓力0.33 MPa）再進入分離器5，分離器頂部出來的氣相物流20（溫度-30.38 ℃，壓力0.326 MPa）與分離器底部出來的液相21（溫度-30.38 ℃，壓力0.326 MPa）混合在一起，進入換熱器1。換熱后物流23（溫度21.87 ℃，壓力0.316 MPa）打循環(huán)后，物流7進入低壓吸入筒［6］。

3 裝置考核對比分析

通過考察國內(nèi)某調(diào)峰型LNG裝置的設定參數(shù)，現(xiàn)將其計算值與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)進行對比，結果見表3。

表3 HYSYS計算值與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比表

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：由于HYSYS模型計算得出在設定的溫度或壓力下，系統(tǒng)能耗較低和制冷循環(huán)效率較高，故表3所列關鍵參數(shù)的設定值和模擬計算值比較接近。實際值與計算值出現(xiàn)偏差，其原因是由于運行時間增加，設備出現(xiàn)老化，系統(tǒng)在低負荷下運行，參數(shù)達不到設計標準。總體來看，計算參數(shù)和運行參數(shù)吻合較好［7～8］。

4 結論

本文通過考察新型級聯(lián)型天然氣液化裝置，通過對系統(tǒng)中各參數(shù)進行分析和研究，采用國際上著名的HYSYS軟件建立起了級聯(lián)型天然氣液化裝置計算模型。通過對該系統(tǒng)工藝參數(shù)模擬研究發(fā)現(xiàn)：流程中模擬參數(shù)與該運行裝置參數(shù)基本接近，這也證明了HYSYS用在該流程的準確性。該模型的研究不僅對國內(nèi)開展天然氣液化設計提供參考、技術支撐和指導作用；還可對所建裝置進行實時參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化、提高產(chǎn)率，降低能耗等也具有重要的價值和意義。

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