金明皇 郭海新 馮文斌

（1.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司；2.湖北新捷天然氣有限公司）

LNG工廠液化冷箱制冷工藝模擬與分析

金明皇1郭海新1馮文斌2

（1.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司；2.湖北新捷天然氣有限公司）

液化天然氣作為一種運輸方便、環(huán)保清潔的綠色能源，在能源行業(yè)中占有舉足輕重的地位。在天然氣液化裝置中冷箱制冷是天然氣液化裝置運行調試過程的重點。通過對冷箱制冷工藝進行模擬，分析甲烷冷劑組分、物料進冷箱溫度和壓力、甲烷冷劑流量對LNG產品溫度和液相分率的影響。通過理論與實際生產數據對比指導生產運行，減少BOG的放空量達到降低生產運行成本、節(jié)能降耗的目的。為天然氣的液化設計提供參考，對國內已建或擬建的LNG裝置設計參數優(yōu)化及生產運行起技術支撐和指導作用。

LNG工廠；冷箱；HYSYS；模擬

LNG是經預處理后低溫液化的天然氣，主要成分為甲烷，常壓條件下，其露點溫度為-162℃左右，是增長最快的清潔能源。為提高LNG儲量，建造LNG裝置，并將此能源作為一種低排放的清潔燃料加以推廣[1-2]。而液化工藝的模擬是LNG技術研發(fā)的基礎。通過對液化裝置的仿真模擬，可以研究其調試、啟動及運行的工作特性，有助于合理制定調試方案、操作規(guī)程和系統(tǒng)控制方案，并可以此為基礎發(fā)展仿真培訓系統(tǒng)，提高工廠的運行管理水平[3-4]。

某500×104m3/dLNG工廠采用改進的天然氣液化工藝，適用于大型LNG裝置，具有工藝技術和設備國產化特點。以HYSYS軟件為工具，對工廠冷箱的制冷過程進行模擬仿真，仿真結果對于指導設備控制、優(yōu)化設備運行等方面有一定意義。

1 冷箱制冷工藝流程模型建立

在實際的LNG工廠中，冷箱的降溫過程不僅與冷箱以及J-T閥的工況有關，還會受到上游壓縮機以及空冷器運行狀況的影響。通過著重探討冷箱進口壓力、溫度和甲烷混合冷劑組分對降溫過程的影響，建立冷箱制冷工藝流程模型（圖1）。

工藝中冷劑為混合冷劑，其主要成分為甲烷，代稱為甲烷冷劑。甲烷冷劑經壓縮機增壓后，丙烯、乙烯系統(tǒng)對其進行預冷，而后進入冷箱與出冷箱節(jié)流后的甲烷冷劑部分進行換熱，進行熱量交換，經J-T閥HV-101節(jié)流，降壓降溫，而后進入冷箱為甲烷冷劑自身和天然氣提供冷量，換熱后的甲烷冷劑出冷箱經氣液分離后進壓縮機增壓，完成甲烷制冷循環(huán)。

圖1 冷箱工藝流程

經預處理和預冷并脫重烴后的天然氣進入冷箱與甲烷冷劑進行換熱，出冷箱溫后，經J-T閥HV-102節(jié)流，降壓降溫，溫度降至-162℃左右，產品經管線輸送進入LNG儲罐儲存。工藝中主要設計和模擬結果主要參數見表1。

對于LNG最佳儲存溫度：因常壓條件下LNG露點溫度在-162℃左右，在低于-162℃以液態(tài)形式存在；由于其低溫特性，LNG在高于-162℃存儲時，易閃蒸出BOG，而降低LNG的儲存周期，造成LNG的損耗增大；在低于-162℃條件下更有利于LNG的儲存，但LNG要達到更低溫度，會相應增加能耗，增加生產成本[5-6]；因此，LNG工廠一般選取在常壓條件下-162℃作為LNG的最佳儲存溫度。

表1 設計參數與模擬結果

2 模擬結果與分析

基于上述建立的模型，通過模擬仿真，根據設計的天然氣組分、冷劑組分及其流量等相關參數，對天然氣物料的溫度、壓力和冷劑流量對LNG的溫度和液相分率的影響進行分析。

2.1 甲烷冷劑不同組分對LNG產品溫度的影響

根據甲烷冷劑設計組分含量和開車運行狀況，在冷劑組分N2、C2H4和CH4含量不同的狀況下，出冷箱后產品溫度隨其變化。

1）C2H4含量對LNG產品溫度的影響較大，隨其增加，LNG產品溫度降低趨勢明顯；N2含量對LNG產品溫度的影響較小，隨之總體增加LNG產品溫度呈升高趨勢；CH4含量對LNG產品溫度較為明顯，CH4含量增加LNG產品溫度隨之升高。

2）從模擬數據來看，當N2摩爾分數為0、C2H4摩爾分數為30%、CH4摩爾分數為70%，或N2摩爾分數為5%、C2H4摩爾分數為30%、CH4摩爾分數為65%時，LNG產品溫度較低，此時更有利于常壓條件下存儲。

2.2 天然氣進冷箱溫度和壓力的影響

根據甲烷冷劑設計組分含量和開車運行狀況，通過模擬天然氣進冷箱不同的溫度和壓力條件下，對LNG溫度和液相分率的影響進行分析（圖2、圖3）。

1）物料進口溫度對LNG產品溫度的影響較為明顯，隨其降低而降低，液相分率反之；隨物料進口壓力增大，LNG溫度降低，液相分率反之，在大于3.25MPa時進口壓力對LNG溫度和液相分率影響程度較小。

2）當進口溫度為-96℃時，LNG產品溫度達到-162℃，液相分率為93.67%，達到設計溫度和設計液相分率，較適合作為工作溫度；在4.5MPa左右時，LNG溫度達到-162℃，液相分率為93.73%，接近設計參數，故在4.5MPa左右較適合作為工作壓力。

圖2 天然氣進冷箱溫度的影響

圖3 天然氣進冷箱壓力的影響

因此，在生產運行時將進口溫度設置為-96℃左右，壓力設置為4.5MPa左右時，LNG產品溫度達到-162℃，液相分率達到94%左右，較適合作為工廠生產運行條件，可減少BOG（閃蒸氣）的放空量，達到節(jié)能減排的目的。

2.3 甲烷冷劑流量的影響

在保持其他參數為設計參數條件下，通過模擬甲烷冷劑進冷箱的不同流量時，對LNG產品溫度和液相分率，以及冷箱負荷進行分析，結果見圖4。

從模擬數據可以看出：隨著甲烷冷劑流量的增大，LNG溫度降低趨勢明顯，LNG液相分率和冷箱負荷隨之增大；在甲烷冷劑流量在4750kmol/h左右時，LNG溫度在-162℃左右，液相分率為94%左右。生產運行時，將甲烷冷劑流量設定為4750 kmol/h左右時，較為合理。這樣，即可以保證LNG產品溫度和液化率，又可以降低冷劑壓縮機負荷，減少生產運行成本。

表2 模擬結果與運行參數對比

圖4 甲烷冷劑進口壓力與LNG產品溫度的關系

2.4 冷箱實際運行情況

在生產運行過程中，根據實際天然氣組分含量、壓力、溫度，冷劑組分、壓力、溫度運行條件，調整運行參數，根據運行條件的調整情況，對其進行數據模擬，模擬結果和實際運行主要相關參數見表2。

根據天然氣相關參數，對冷劑循環(huán)系統(tǒng)參數進行調整，并對其模擬，對比模擬結果和運行相關數據，各節(jié)點參數基本吻合?？梢钥闯?，對系統(tǒng)的模擬可以為生產運行提供技術支持，更好的指導生產。

在同類裝置中，通過以上試驗分析方法，可以較好模擬得到在物料條件變化情況，LNG溫度及其液化分率的變化趨勢和冷箱負荷的變化情況，優(yōu)化參數，為生產實際操作運行提供數據參考，以提高工廠的運行管理水平。

3 結論

對湖北500×104m3/dLNG工廠天然氣液化裝置的冷箱制冷過程進行模擬，結果與實際過程基本一致。通過模擬分析甲烷冷劑組分、物料進冷箱溫度和甲烷冷劑進冷箱壓力對LNG產品溫度的影響，所得到的結論對液化裝置的調整參數、優(yōu)化參數、提高產率、降低能耗具有一定的參考價值。

[1]王勇，張玉璽，白劍鋒.LNG制冷HYSYS計算模型研究[J].天然氣與石油，2012，30（4）：30-32.

[2]孫恒，余霆，舒丹.LNG液化裝置冷箱降溫過程的動態(tài)模擬[J].低溫與超導，2009，37（7）：14-43.

[3]石玉美，顧安忠，汪榮順，等.混合制冷劑循環(huán)（MRC）液化天然氣流程的設備模擬[J].低溫與超導，2000，28（2）：41-46.

[4]秦燕，閻振貴.百萬噸級乙烯冷箱的設計[J].杭氧科技，2008（1）：10-16.

[5]王坤，徐風雨，李紅艷，等.小型MRC天然氣液化裝置中板翅式換熱器動態(tài)特性仿真研究[J].低溫工程，2007（3）：44-49.

[6]李士富，呼延念超，李亞萍.調峰型天然氣液化HYSYS軟件模型[J].石油與天然氣化工，2010，39（1）：1-10.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.09.001

金明皇，工程師，2013年畢業(yè)于長江大學（化學工程專業(yè)），從事天然氣液化技術研究工作，E-mail：jmh_001@163.com，地址：湖北省黃岡市黃州火車站經濟開發(fā)區(qū)京九大道1號，438011。

2017-06-07

（編輯鞏亞清）