郭 磊

（新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司 富蘊(yùn) 836107）

1 Hysys動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)

化工模擬過(guò)程可分為穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬（dynamic simulation）兩類(lèi)。動(dòng)態(tài)模擬發(fā)展至今已有20多年的歷史，它是計(jì)算裝置的某個(gè)或多個(gè)參數(shù)發(fā)生變動(dòng)時(shí)，其它所有參數(shù)如何隨時(shí)間而發(fā)生變化。因而它的計(jì)算永遠(yuǎn)不會(huì)終結(jié)，對(duì)于任何一個(gè)參數(shù)的變動(dòng)，計(jì)算結(jié)果都是系統(tǒng)中所有工藝參數(shù)及相應(yīng)的性質(zhì)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)[1]。

動(dòng)態(tài)模擬主要用于過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的分析、控制方案的制定、開(kāi)停車(chē)方案的優(yōu)化以及操作工培訓(xùn)軟件的開(kāi)發(fā)等方面。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程參數(shù)不停的波動(dòng)，最理想的狀態(tài)也是一種動(dòng)態(tài)平衡，而這種動(dòng)態(tài)的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)態(tài)模擬是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此動(dòng)態(tài)模擬對(duì)實(shí)際生產(chǎn)更具指導(dǎo)意義。

2 Hysys動(dòng)態(tài)模擬對(duì)象

目前，世界上成熟的天然氣液化工藝流程有三種類(lèi)型，分別是復(fù)迭（階式）循環(huán)流程、膨脹機(jī)制冷流程和混合冷劑制冷流程[2]。

（1）復(fù)迭制冷循環(huán)

典型的復(fù)迭制冷循環(huán)由多個(gè)單獨(dú)的制冷循環(huán)組成，多為丙烷、乙烯、和甲烷等數(shù)個(gè)不同溫度級(jí)別的循環(huán)系統(tǒng)串聯(lián)，每個(gè)系統(tǒng)均有一個(gè)壓縮機(jī)組，獲得所需各溫度級(jí)位的冷劑。在早期的天然氣液化生產(chǎn)中，復(fù)迭制冷技術(shù)有較多的應(yīng)用。但是其缺點(diǎn)很明顯，機(jī)組多，流程復(fù)雜，控制、操作和維修環(huán)節(jié)繁多，因而可靠度相對(duì)較低。有些采用復(fù)迭制冷的大型LNG生產(chǎn)裝置為了提高開(kāi)工率，每個(gè)冷劑系統(tǒng)都配備了雙透平，雖然這樣做可以使裝置即使在某個(gè)透平出問(wèn)題時(shí)仍然有可能保持生產(chǎn)，但操作越發(fā)復(fù)雜，單位投資也大大增加。目前，在超大型的基地型液化工廠(chǎng)，改進(jìn)型的復(fù)迭制冷流程尚有應(yīng)用。

（2）膨脹致冷循環(huán)

膨脹機(jī)流程為利用高壓制冷劑如氮?dú)狻⑻烊粴饣蚧旌蠚?，通過(guò)透平膨脹機(jī)絕熱膨脹降溫實(shí)現(xiàn)液化。由于循環(huán)氣量大、液化率低、換熱器傳熱溫差大，功耗大。而且動(dòng)設(shè)備多，尤其是膨脹機(jī)的工作性能受原料氣壓力和組成變化的影響較大。此類(lèi)工藝僅見(jiàn)于裝置能力非常小或環(huán)境特殊的場(chǎng)合。

（3)混合制冷循環(huán)

混合制冷劑制冷循環(huán)MRC是采用N2和C1～C5烴類(lèi)混合物作為循環(huán)制冷劑的工藝。該工藝的特點(diǎn)是在制冷循環(huán)中采用混合制冷劑，進(jìn)行逐級(jí)的冷凝、蒸發(fā)得到不同溫度水平的制冷量，以達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣。MRC即達(dá)到類(lèi)似復(fù)迭制冷循環(huán)的目的，又克服了其系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，混合制冷劑制冷循環(huán)包括傳統(tǒng)型和丙烷預(yù)冷型C3/MR已經(jīng)成為天然氣液化工藝的主流。其缺點(diǎn)是混合冷劑的組成比例應(yīng)按照天然氣原料的組成、壓力、工藝流程而異，因此通常對(duì)冷劑的配比和原料氣的氣質(zhì)要求更為嚴(yán)格。流程計(jì)算需要掌握各組分可靠的平衡數(shù)據(jù)和物性參數(shù)，計(jì)算困難。

本文以美國(guó)博萊克威奇公司閉式單循環(huán)混合制冷PRICO液化工藝為研究對(duì)象，其屬于混合制冷循環(huán)的范疇。預(yù)處理合格后的天然氣從冷箱頂部引入，并向下流動(dòng)，冷卻到大約-48℃時(shí)引出換熱器進(jìn)入重?zé)N分離器，將天然氣中的重?zé)N分離，分離后的-48℃的天然氣返回冷箱，繼續(xù)向下流動(dòng)，-152℃的LNG自冷箱底部流出，LNG經(jīng)J-T閥節(jié)流后溫度降至-161℃后流入LNG儲(chǔ)罐。

混合冷劑是由氮?dú)狻⒓淄?、乙烯、丙烷和異戊烷五種組分組成，冷量是通過(guò)封閉的混合制冷循環(huán)提供的。

3 動(dòng)態(tài)模擬建立步驟

首先建立穩(wěn)態(tài)模擬，然后添加動(dòng)態(tài)模擬環(huán)境下所必須的設(shè)備信息和流程規(guī)定等，轉(zhuǎn)入動(dòng)態(tài)模擬環(huán)境，對(duì)模擬流程進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)添加冷劑、改變冷劑側(cè)J-T開(kāi)度、天然氣產(chǎn)品閥開(kāi)度、液相冷劑閥開(kāi)度和改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等操作手段，逐漸建立一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡。通過(guò)建立的模擬流程可以模擬液化裝置的升降負(fù)荷等過(guò)程，還可以通過(guò)添加工藝擾動(dòng)，系統(tǒng)各狀態(tài)參數(shù)的變化情況、分析問(wèn)題等。

3.1 建立穩(wěn)態(tài)模擬

（1）定義模擬基礎(chǔ)即選擇熱力學(xué)方程及模擬組分。對(duì)于天然氣液化流程模擬一般選取PR狀態(tài)方程；本模擬流程選取組分為氮?dú)狻⒓淄?、乙烯、丙烷和異戊烷五種組分。

（2）增加物流。輸入已知物流的流量、溫度、壓力以及組成等參數(shù)。

（3）增加操作。添加和定義各操作單元的工藝條件及可能的約束條件。該流程模擬中涉及到的操作單元主要有離心壓縮機(jī)、分離器、多股流換熱器（LNG）、離心泵、閥門(mén)、儲(chǔ)罐、混合器、三通等。

3.2 轉(zhuǎn)入動(dòng)態(tài)模擬前提

（1）動(dòng)態(tài)模擬中設(shè)備壓降是必須的，在HYSYS中，設(shè)備的壓降決定了物流的方向，沒(méi)有壓降就意味著沒(méi)有流動(dòng)。

（2）所有的邊界物流必須進(jìn)行壓力規(guī)定，內(nèi)部的中間物流不能規(guī)定壓力和流量。

（3）對(duì)傳熱設(shè)備(如換熱器、加熱器等)的傳熱進(jìn)行規(guī)定。

（4）對(duì)各工藝設(shè)備的尺寸等參數(shù)進(jìn)行規(guī)定。在此，僅以多股流換熱器的尺寸及參數(shù)規(guī)定進(jìn)行舉例說(shuō)明。在動(dòng)態(tài)模擬中，對(duì)于多股流換熱器必須定義的參數(shù)如下：

①換熱芯體的長(zhǎng)寬尺寸、芯體材料、芯體層通道數(shù)量等規(guī)定。

②每層通道的板及翅片的幾何尺寸，如翅片開(kāi)孔率、翅片高度、間距、翅片厚度、平板厚度等。

③每層通道傳熱規(guī)定即定義總傳熱系數(shù)U或UA值。

④每層通道壓降、每層通道的進(jìn)出物流及相對(duì)流動(dòng)方向的指定。

（5）添加相應(yīng)的邏輯控制操作，在本流程模擬中，添加了液位控制、壓力控制、流量控制等多個(gè)邏輯控制，分別實(shí)現(xiàn)液位、壓力、流量的自動(dòng)控制功能。

4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

關(guān)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，用以下例子進(jìn)行說(shuō)明。

（1）動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程

逐漸開(kāi)大天然氣側(cè)J-T閥，保持冷劑側(cè)J-T閥開(kāi)度不變，讓冷箱逐漸回溫，對(duì)冷劑側(cè)J-T閥前物流溫度、J-T閥流通量（即冷劑循環(huán)量）、J-T閥Friction Delta P allowable（可利用的壓降）、閥前物流氣化率四個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)圖及參數(shù)變化情況。

（2）結(jié)果分析

通過(guò)參數(shù)對(duì)比可知，當(dāng)冷箱回溫，閥前有氣相產(chǎn)生即氣化率由0上升時(shí)，J-T閥流通量、J-T閥Friction Delta P allowable也相應(yīng)的下降。冷劑側(cè)J-T的流通能力迅速下降，使得冷劑的循環(huán)量迅速下降，導(dǎo)致溫度繼續(xù)回升，閥前氣化率繼續(xù)增大，流量繼續(xù)下降，此外由于壓縮機(jī)防喘振控制要求，防喘閥打開(kāi)，使得循環(huán)流量進(jìn)一步下降，從而使冷箱溫度不可控。這就是為何在液化裝置提負(fù)荷時(shí)，要嚴(yán)格控制冷箱溫度，防止其回溫較多的原因所在。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)于液化裝置若經(jīng)過(guò)全面而詳細(xì)的動(dòng)態(tài)分析找出現(xiàn)存的問(wèn)題，那么裝置的操作就會(huì)上一個(gè)臺(tái)階，經(jīng)濟(jì)效益就會(huì)有很大的提高。

（2）模擬得出的冷箱溫度分布曲線(xiàn)為沿冷箱高度的直線(xiàn)分布。根據(jù)總傳熱速率微分方程，總傳熱系數(shù)K是對(duì)微元面積dA的局部傳熱系數(shù)。由于流體的溫度沿傳熱面隨流動(dòng)的距離而不斷變化（除非流體有相態(tài)的變化），因而流體的物性隨之改變（影響較大的物性有流體的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度等）[3]，況且傳熱過(guò)程中還發(fā)生了相變，致使對(duì)流傳熱系數(shù)是變化的，整個(gè)換熱器單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，應(yīng)當(dāng)沿全部的傳熱面對(duì)總傳熱速率微分方程進(jìn)行積分。基于以上原因，冷箱內(nèi)部溫度分布曲線(xiàn)不應(yīng)該是直線(xiàn)形式，以專(zhuān)門(mén)的板翅式換熱器模擬軟件得到的冷箱內(nèi)部溫度分布曲線(xiàn)更為合理，其型式為S曲線(xiàn)型。但這并不影響整個(gè)工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程。