劉 迪

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C3/MRC天然氣液化工藝模擬及影響因素分析

劉 迪

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249）

帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化天然氣工藝具有流程簡(jiǎn)單、效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。利用流程模擬軟件HYSYS對(duì)帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化工藝進(jìn)行了模擬，給出了流程中涉及到的主要物流參數(shù)，并通過(guò)改變天然氣進(jìn)料壓力、高壓制冷劑壓力、低壓制冷劑壓力等參數(shù)分析了其對(duì)流程工藝液化率及功耗的影響。

液化天然氣；丙烷預(yù)冷；混合制冷劑；功耗

LNG是當(dāng)今世界發(fā)展最快的能源，相比氣態(tài)天然氣具有經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、靈活方便、安全可靠等特點(diǎn)。目前天然氣的液化流程主要有級(jí)聯(lián)式液化、混合制冷劑液化、膨脹機(jī)制冷液化及液氨液化等流程。

其中，混合制冷劑液化流程是以C1至C5的碳?xì)浠衔镆约癗2等多組分混合制冷劑為工質(zhì)，進(jìn)行逐級(jí)冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹，從而得到不同溫度水平的制冷量，達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣的目的[1]。與級(jí)聯(lián)式液化及膨脹制冷液化流程相比，混合制冷劑液化工藝機(jī)組設(shè)備少、投資費(fèi)用低、管理方便，特別是帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化流程，吸取了級(jí)聯(lián)式液化流程和混合制冷劑液化的優(yōu)點(diǎn)，流程簡(jiǎn)單高效[2]。

1 C3/MRC天然氣液化工藝流程

C3/MRC即為帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑制冷循環(huán)，是在MRC工藝的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的液化工藝（圖1）。

a-主流程

b-混合制冷劑壓縮子流程

圖1 C3/MRC天然氣液化流程圖

Fig.1 C3/ MRC natural gas liquefaction flow chart

C3/MRC工藝綜合了級(jí)聯(lián)式循環(huán)工藝和MRC工藝的特長(zhǎng)，具有流程簡(jiǎn)單、效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是基地型LNG工廠的首選工藝，目前該工藝已成為液化天然氣工藝中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)[3]。

圖1所示為C3/MRC液化流程圖，該流程主要包括三個(gè)循環(huán)：丙烷壓縮制冷循環(huán)(如圖2)用于預(yù)冷天然氣和混合制冷劑，混合制冷循環(huán)用于冷凝及過(guò)冷天然氣（如圖3），以及天然氣液化循環(huán)（如圖3）。

1.1 丙烷預(yù)冷循環(huán)

丙烷預(yù)冷循環(huán)對(duì)天然氣及混合制冷劑進(jìn)行預(yù)冷，丙烷通過(guò)三個(gè)溫度級(jí)的換熱器制冷后變?yōu)闅庖簝上?，氣相返回壓縮機(jī)，液相一部分冷卻制冷劑與天然氣，其余作為后續(xù)制冷劑[4]。因?yàn)榇搜h(huán)對(duì)計(jì)算結(jié)果不影響，故在研究中簡(jiǎn)化為三級(jí)冷卻器如下圖2所示。

圖2 丙烷預(yù)冷循環(huán)簡(jiǎn)化工藝

1.2 混合制冷劑循環(huán)

在LNG液化子流程中（如圖3所示），混合制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮至高壓并預(yù)冷后進(jìn)入氣液分離器V-100，液相由預(yù)冷換熱器冷卻，之后對(duì)其節(jié)流、降溫降壓、使其與返流的混合制冷劑混合為預(yù)冷換熱器提供冷量，冷卻天然氣和從分離器出來(lái)的氣相和液相混合；V-100分離出的氣相制冷劑經(jīng)預(yù)冷換熱器冷卻后，進(jìn)入氣液分離器V-101分離成氣相與液相，液相通過(guò)主換熱器冷卻后節(jié)流、降溫降壓、與返流的混合制冷劑混合后為主換熱器提供冷量，冷卻天然氣和從分離器出來(lái)的氣相和液相混合。從主冷換熱器出來(lái)的氣相制冷劑經(jīng)過(guò)冷換熱器冷卻后節(jié)流、降溫，進(jìn)入過(guò)冷換熱器，冷卻天然氣和氣相混合制冷劑[5]。

生1：對(duì)于問(wèn)題1，設(shè)f(x)=x-1，則f(x)是x的一次函數(shù)，方程x-1=0的根就是函數(shù)f(x)=x-1的圖象與x軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)(如圖1).

1.3 天然氣液化循環(huán)

經(jīng)過(guò)預(yù)冷處理后的天然氣逐級(jí)經(jīng)過(guò)預(yù)冷換熱器、主換熱器和過(guò)冷換熱器，經(jīng)歷了一個(gè)冷卻、冷凝和過(guò)冷的過(guò)程后，從氣相變?yōu)橐合?。從過(guò)冷換熱器出來(lái)的高壓液態(tài)天然氣通過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降壓至儲(chǔ)存壓力，溫度相應(yīng)的井底之儲(chǔ)存溫度，液態(tài)天然氣部分氣化進(jìn)入兩相區(qū)，液態(tài)部分注入LNG儲(chǔ)罐。

2 C3/MRC天然氣液化流程模擬

流程模擬利用HYSYS模擬軟件，狀態(tài)方程選用Peng-Robinson，模擬中對(duì)天然氣及混合制冷劑的組成進(jìn)行設(shè)置，各組分含量如表1所示。進(jìn)料天然氣的溫度為36 ℃，壓力4 000 kPa，流量為14 100 kmol/h，模擬結(jié)果包括天然氣及混合制冷劑主要物流及參數(shù)如表2及表3。

表1 天然氣及混合制冷劑組成

表2 天然氣主要物流參數(shù)

表3 混合制冷劑主要物流參數(shù)

3 液化流程影響因素分析

在分析液化流程的影響因素時(shí)，采用單一變量的方法，即只改變需要分析的參數(shù)的數(shù)值，其余數(shù)值保持不變。通過(guò)利用HYSYS進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)天然氣進(jìn)料壓力、低壓制冷劑壓力、高壓制冷劑壓力等參數(shù)對(duì)液化流程的液化率及功耗方面有著不同程度的影響，具體影響分析如下。

3.1 天然氣壓力的影響

分別改變天然氣進(jìn)料物流的壓力從3000kPa變化至5 000 kPa，各級(jí)壓縮機(jī)、冷卻器總功耗及液化率隨天然氣進(jìn)料壓力的變化如下所示，一級(jí)壓縮機(jī)、冷卻器功耗及液化率隨壓力升高略有下降，二級(jí)壓縮機(jī)功耗不變，流程總功耗呈下降趨勢(shì)（圖4）。

圖4 天然氣壓力對(duì)流程參數(shù)的影響

根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)可知，天然氣壓力越高時(shí)，天然氣越容易液化。當(dāng)天然氣壓力升高時(shí)，其焓值下降，使得天然氣入口狀態(tài)與液化狀態(tài)間焓值差減小，液化天然氣所需的冷量減少。相應(yīng)的一級(jí)壓縮機(jī)出口溫度隨之降低，制冷劑進(jìn)出口焓差減小，在制冷劑流量不變情況下，一級(jí)壓縮機(jī)功耗減小[6]。而級(jí)間冷卻器-1入口溫度降低導(dǎo)致其制冷負(fù)荷降低，因此可見(jiàn)，提高天然氣壓力有利于降低流程功耗，減小運(yùn)營(yíng)成本。

3.2 高壓制冷劑壓力

利用HYSYS流程模擬軟件，模擬高壓制冷劑壓力從2 000 kPa變化至4 000 kPa時(shí)，各級(jí)壓縮機(jī)、冷卻器及液化率的變化情況如下圖5所示。

圖5 高壓制冷劑對(duì)流程參數(shù)的影響

從圖中發(fā)現(xiàn)隨高壓制冷劑壓力的增加，一級(jí)壓縮機(jī)功耗減小，二級(jí)壓縮機(jī)、冷卻器總功耗及流程總功耗增加，而液化率保持不變。這是因?yàn)楦邏褐评鋭毫ι?，一?jí)壓縮機(jī)出口的低壓制冷劑（制冷劑壓縮子流程中物流1）溫度降低，在壓比不變時(shí)，一級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)出口焓差減小，其功耗減??；另一方面，高壓制冷劑壓力升高，引起壓比增大，二級(jí)壓縮機(jī)的功率增大。級(jí)間冷卻器的入口溫度降低，出口溫度保持不變，因而級(jí)間冷卻器的制冷負(fù)荷降低，功耗降低；然而高壓制冷劑壓力升高導(dǎo)致物流3（制冷劑壓縮子流程中）溫度升高，冷劑冷卻器出口溫度不變，故冷劑冷卻器制冷負(fù)荷增加，功耗升高，冷卻器總功耗（包括級(jí)間冷卻器及冷劑冷卻器）呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

因此可見(jiàn)，當(dāng)高壓制冷劑壓力升高時(shí)，低壓制冷劑的制冷量有所下降，但是流程總功耗增大，因而高壓制冷劑的壓力不宜過(guò)高[7]。

3.3 低壓制冷劑壓力

改變低壓制冷劑的壓力，變化范圍為550 kPa至750 kPa，各級(jí)壓縮機(jī)、冷卻器及液化率的變化情況如圖6。

從模擬結(jié)果可以看出當(dāng)?shù)蛪褐评鋭毫ι邥r(shí)，一級(jí)壓縮機(jī)功耗增加、二級(jí)壓縮機(jī)及冷卻器總功耗降低，液化率保持不變。這是因?yàn)榈蛪褐评鋭毫υ龃?，一?jí)壓縮機(jī)壓比增大，引起一級(jí)壓縮機(jī)功耗的增加；而對(duì)于二級(jí)壓縮機(jī)而言，低壓制冷劑壓力增大導(dǎo)致其壓比降低，因此功耗下降[8]。級(jí)間冷卻器入口溫度隨壓力增大而升高，出口溫度不變，因而級(jí)間冷卻器制冷負(fù)荷增大，功耗升高；冷劑冷卻器入口（物流3）溫度隨低壓制冷劑壓力升高而降低，出口溫度不變，因而冷劑冷卻器制冷負(fù)荷降低，功耗減小，總體而言冷卻器總功耗略有下降。

圖6 低壓制冷劑對(duì)流程參數(shù)的影響

4 結(jié) 論

本文通過(guò)HYSYS流程模擬并結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化流程的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)流程性能的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）提高待液化天然氣氣的壓力可以降低壓縮機(jī)及冷卻器的功耗，有助于降低流程的運(yùn)行成本，然而壓力增高液化率隨之降低且對(duì)管道管材及壁厚要求越高，增加了建設(shè)成本，因此不可大幅增加天然氣壓力。

（2）高壓制冷劑壓力的增加會(huì)導(dǎo)致流程的總功耗增加，因此高壓制冷劑的壓力不宜過(guò)高。而隨著低壓制冷劑壓力的增高，流程的總功耗降低，因而可適當(dāng)提高低壓制冷劑壓力以實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。

［1］ 馬國(guó)光，吳曉南，王元春.液化天然氣技術(shù)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2011：36．

［2］ 趙敏，厲彥忠. 丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程中原料氣與制冷劑匹配研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44（2）：108-112 ．

［3］ 潘紅宇，李玉星，朱建魯. 丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝原料氣敏感性分析[J]. 化工學(xué)報(bào)，2015，66（S2）：186-191．

［4］ 鄭云萍，夏丹，等. 基于HYSYS的C3/MRC天然氣液化流程影響因素分析[J]. 石油與天然氣化工，2013，42(5)：473-477

［5］ 郭彥鑫. 天然氣液化技術(shù)與應(yīng)用研究[D]. 西安：西安石油大學(xué)，2011.

［6］ 花亦懷，張春. 混合制冷液化工藝模擬及優(yōu)化研究[J]. 上海煤氣，2013（03）：7-9．

［7］ 花亦懷，張春. 混合制冷液化工藝模擬及優(yōu)化研究[J]. 上海煤氣，2013（03）：7-9．

［8］ 曹文勝. 撬裝型混合制冷劑液化天然氣流程的熱力學(xué)分析[J]. 化工學(xué)報(bào)，2008，59（S2）：53-59．

Simulation of C3/MRC Natural Gas Liquefaction Process and Analysis on Influence Factors

LIU Di

（Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China）

Mixed refrigerants liquefaction process with propane precooling has the advantages of simple process, high efficiency, low operating cost and strong adaptability, therefore it is widely used. In this paper, mixed refrigerants liquefaction process with propane precooling was simulated by using process simulation software HYSYS, and the main parameters in the process were given. Effect of the parameters including the feed gas pressure, high-pressure refrigerant pressure, low-pressure refrigerant pressure on liquefied rate and power consumption of the process was analyzed.

Liquefied natural gas (LNG); Propane precooling; Mixed refrigerant; Power consumption

TE 624

A

1671-0460（2016）06-1204-04

2016-04-21

劉迪（1991-），女，河南濮陽(yáng)人，2014年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)。E-mail：1527018558@qq.com。