徐瑨浣，汪 林，汪宇彤，張佳順

（1. 中國石化天津天然氣銷售營業(yè)部， 天津 300457；2. 中國石油大學（北京）， 北京 102249； 3. 山東省天然氣管道有限責任公司， 山東 濟南 250001）

我國油氣資源分散，單井產量小，發(fā)達地區(qū)資源短缺而欠發(fā)達地區(qū)資源豐富但距離需求地距離遠，且一些邊遠地區(qū)產氣量小的氣田由于管道運輸費用高而不被利用，直接燃燒，造成資源極大浪費，同時對環(huán)境產生不必要污染，利用小型天然氣液化裝置將分散、小量的天然氣液化，以LNG的形式裝車運送，可實現(xiàn)資源的合理利用。

小型膨脹制冷液化工藝流程的原理是利用高壓的制冷劑通過膨脹機膨脹降溫為天然氣提供冷量，使天然氣液化，其中制冷劑膨脹輸出功可以通過同軸壓縮機輸出。根據制冷劑不同，膨脹制冷液化流程可分為三種典型工藝[1]：天然氣膨脹制冷流程、氮氣膨脹制冷流程、N2-CH4膨脹制冷流程。小型液化天然氣裝置的研究是我國LNG研究的重點，能夠合理地利用我國資源分散、地區(qū)偏遠的天然氣資源，極為有效地緩解我國的能源緊張，并減少資源浪費和環(huán)境污染。

文章首先對N2-CH4膨脹制冷工藝流程[2]簡要介紹，然后利用Aspen Hysys軟件對該工藝流程進行搭建、分析和研究影響該工藝的主要參數對整個流程的影響。

1 N2-CH4膨脹制冷工藝流程

N2-CH4膨脹制冷液化流程如圖1所示，氮氣與甲烷按照一定比例的配比組合作為制冷劑，通過壓縮機增壓，水冷器冷卻到一定溫度和壓力后，一部分通過主換熱器，過冷換熱器降溫后，再經節(jié)流閥節(jié)流降溫返回過冷換熱器提供冷量，后與另一部分經膨脹機膨脹降溫的制冷劑匯合共同返回流經主換熱器、預冷換熱器提供冷量。天然氣經過預冷換熱器、主換熱器、過冷換熱器吸收冷量并液化，最后經節(jié)流閥節(jié)流降溫至約-163 ℃。該流程是為了節(jié)省功耗，在氮氣膨脹制冷工藝基礎上做出改進，同樣具有啟動快、易操作的特點，但由于混合冷劑由兩種物質組成，制冷劑的配比是一個難題，且甲烷是易燃氣體，這就要求選用該流程的系統(tǒng)具有很高的防爆性能[3]。

該流程分為兩部分組成：N2-CH4混合組分作為制冷劑，利用經過壓縮機逐級壓縮冷卻的高壓制冷劑，通過膨脹機膨脹降溫提供冷量的克勞德循環(huán)實現(xiàn)循環(huán)制冷。天然氣作為原料氣經過換熱器的逐級冷卻、降溫、液化，經節(jié)流閥節(jié)流降溫，得到LNG產品，進入儲槽儲存。

2 N2-CH4膨脹制冷模型建立

2.1 基礎數據

選取某凈化天然氣作為原料氣，溫度為20 ℃，壓力為4 000 kPa，流率為1 200 kmol/h，物料平衡計算選取 PR方程[4]，物流經過各換熱器壓降為 25 kPa，取膨脹機和壓縮機絕熱效率為 75%，流經節(jié)流閥為等熵過程，冷劑為氮氣和甲烷混合氣，流率為2 000 kmol/h。換熱器選用板式換熱器。

2.2 N2-CH4膨脹制冷模型[5]

制冷劑N2-CH4依次通過壓縮機1、冷卻器1、壓縮機2、冷卻器2，由壓縮機壓縮到工作壓力后，經冷卻器冷卻至常溫，進入換熱器1預冷，冷卻至膨脹機的入口溫度，然后由分流器將制冷劑分為兩部分，一部分依次經過換熱器2冷凝和換熱器3過冷后，經節(jié)流閥1節(jié)流降溫，返回流換熱器3提供冷量；另一部分經過膨脹機膨脹，降壓降溫，與返流的制冷劑在物料混合器中混合，然后流入換熱器2，提供冷量。經過脫酸、脫水等處理后的凈化原料氣，依次經過換熱器1預冷、換熱器2液化和換熱器3過冷，最后通過節(jié)流閥2截流降溫，即LNG進入儲罐儲存。

圖1 N2-CH4膨脹制冷工藝模型Fig. 1 N2-CH4 Expansion refrigeration process model

3 N2-CH4膨脹制冷工藝參數研究

3.1 制冷劑高壓壓力

制冷劑高壓壓力即制冷劑經壓縮機二級增壓后（物流5）壓力。在保證其他各參數保持不變情況下，通過改變制冷劑高壓壓力，得出液化率和比功率變化情況，如圖2-3?？梢钥闯?，當制冷劑高壓壓力逐漸增大，膨脹機膨脹溫降增多，單位制冷量增加，液化率逐漸增大。與此同時，制冷劑高壓壓力造成壓縮機壓比增大，導致壓縮機功耗增大，總功耗呈上升趨勢，比功耗隨之增加。

圖2 液化率隨制冷劑高壓壓力變化情況Fig. 2 Liquefication ratio vs refrigerant high pressure

圖3 比功耗隨制冷劑高壓壓力變化情況Fig.3 Specific power vs refrigerant high pressure

3.2 制冷劑中的氮氣含量

在保證其他各參數保持不變情況下，改變制冷劑中氮氣的含量，得出液化率和比功率變化情況，如圖 4-5?？梢钥闯?，當制冷劑中的氮氣含量升高時，由于膨脹機的焓降減小，單位制冷量減少，液化率降低，比功耗隨著氮氣含量增加呈上升趨勢。因此，制冷劑中氮氣含量不應過高，過高的氮氣含量使制冷劑提供的冷量少，天然氣液化溫度低，液化率低，而比功耗卻很大。

圖4 液化率隨制冷劑氮氣含量變化圖Fig.4 Liquefication ratio vs nitrogen content in the refrigerant

圖5 比功耗隨制冷劑氮氣含量變化圖Fig.5 Specific power vs nitrogen content in the refrigerant

3.3 天然氣進料壓力

在保證其他各參數保持不變情況下，改變天然氣進料壓力，得到液化率和比功率變化情況，如圖6-7。可以看出：隨著天然氣進料壓力升高，液化天然氣所需要的冷能減少，壓縮機壓縮功耗減少，比功耗隨著減少，液化率呈上升趨勢。

3.4 主換熱器出口溫度

在保證其他各參數保持不變情況下，改變主換熱器出口，得到液化率和比功率變化情況，如圖8-9?？梢钥闯觯寒斕烊粴庵鲹Q熱器出口溫度逐漸升高時，為保證換熱器的熱平衡，膨脹機的膨脹量將減小，膨脹機的膨脹輸出功減小，導致壓縮機功耗增大，同時天然氣在過冷換熱器出口的溫度升高，液化率減小，比功耗增加。

圖6 液化率隨天然氣進料壓力變化情況Fig.6 Liquefication ratio vs nature gas initial pressure

圖7 比功耗隨天然氣進料壓力變化情況Fig.7 Specific power vs nature gas initial pressure

圖8 液化率隨天然氣主換熱器出口溫度變化圖Fig.8 Liquefication ratio vs outlet temperature of the main heat exchanger

圖9 比功耗隨天然氣主換熱器出口溫度變化圖Fig.9 Specific power vs outlet temperature of the main heat exchanger

3.5 LNG儲存壓力

在保證其他各參數保持不變情況下，僅改變LNG儲存壓力，得到液化率變化情況，如圖10?？梢钥闯觯寒斠夯烊粴獾膬Υ鎵毫χ饾u增大，LNG液化率隨之增大。增大LNG儲存壓力（一般不超過800 kPa[6]），有利于提高液化率，但需承受更高壓力。

圖10 液化率隨LNG儲存壓力變化圖Fig.10 Liquefication ratio vs the LNG storage pressure

4 結 論

通過利用ASPEN HYSYS軟件對N2-CH4膨脹制冷工藝模型搭建、模擬和分析。在保持單一變量情況下得出液化率和比功率隨主要參數的變化情況：

（1）制冷劑高壓壓力升高，液化率升高，壓縮機總功耗升高，比功耗也升高。

（2）制冷劑中氮氣含量增加，液化率降低，壓縮機功耗降低，比功耗增加。

（3）天然氣的的主換熱器出口溫度降低，液化率增加，壓縮機功耗減少，比功耗減少，但出口溫度過低會導致膨脹量增大，節(jié)流量減小，主換熱器冷量過剩。

（4）天然氣進料壓力增加，液化率增加，壓縮機功耗降低，比功耗降低。

（5）天然氣儲存壓力增加，液化率大大增加，但高壓受儲存條件限制，往往需綜合考慮。

［1］李青平,孟偉,張進盛,等.天然氣液化制冷工藝比較與選擇[J].煤氣與熱力, 2012, 32(9): 4-10.

［2］畢研軍,邵云巧,白世武.煤層氣液化裝置設計N2-CH4混合膨脹制冷工藝[J].城市燃氣,2010,(10):13-17.

［3］顧安忠,魯雪生,汪榮順,等.液化天然氣技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

［4］ 劉新偉,李海國,劉莢蓉.天然氣液化流程模擬及其工藝計算[J].天然氣工業(yè),1999(1):97-100.

［5］顧安忠.液化天然氣技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003(10):54-63.

［6］高春梅,李清,邵震宇.液化天然氣儲存及應用技術[J].城市燃氣,2002(2):18-23.