利用管道压差的天然气液化工艺研究

利用管道压差的天然气液化工艺研究 中图分类号:TE821 单位代码:11414 学 号:S080020589 目 利用管道压差的天然气液化工艺 研究 学科专业 油气储运工程 研究方向 油气储存与天然气液化技术 硕士生 徐吟风 指导教师 李兆慈副教授 入学时间:2008年9月 论文完成时间:2011年8月 硕士学位论文独创性声明 本人郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研究做出贡献的个人和集体，均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明产生的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 硕士学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学(北京)学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于:学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版;允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文;可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 本学位论文属于保密范围，保密期限 0 年，解密后适用本授权书。 作者签名: 日期: 导师签名: 日期: - I - 摘 要 摘 要 液化天然气是天然气利用的一种形式，在天然气储存及运输等方面都具有突出的优势。天然气液化技术已经成为一项先进技术，液化天然气也成为一种新兴工业，具有广阔的发展前景。。 本文首先详细介绍了LNG工业发展概况及趋势，介绍了天然气液化的基本技术原理，通过对各种常见的天然气液化流程分析，给出了天然气液化工艺流程选择原则。本文利用HYSYS模拟软件分别对单级混合冷剂制冷、单级天然气膨胀制冷及两级天然气膨胀制冷的工艺流程进行模拟研究，提出了利用管道压差进行天然气液化的工艺流程。 本文的研究结果对于调峰型天然气液化装置及在城市管网附近建立天然气液化工厂的流程研究选择方面具有一定的指导作用。 关键词:液化天然气;调峰;混合冷剂制冷;膨胀机制冷;管道压差 - II - ABSTRACT ABSTRACT Liquefied Natural Gas,as a type of application has obvious advantage in the storage and transportation. The liquefaction of natural gas has became an important and advanced technology and liquefied natural gas have developed to a new,fast-growing industry. The general developing situation and foreground of the LNG industry are showed in this paper,the principle of the liquefied technology to the nature gas is introduced and the fundamental regulation for the choice and design is given out through the analysis to these characteristics that all kinds of modern common-using liquefied cycles in use of nature gas have.Then,the process of mixed-refrigerant cycle,one-gas expander cycle and Double-gas expander cycles were simulated by the software of HYSYS.The natural gas liquefaction by making use of piping pressure difference are proposed too. The project studied in this paper is used for reference to the other project that has similar gas character. Key Words:Liquefied natural gas;Process of liquefaction;HYSYS;Piping pressure difference - III - 目 录 目 录 硕士学位论文独创性声明 .................................................................................... I 硕士学位论文版权使用授权书 .................................................................................... I 摘 要 ..................................................................................................................... II ABSTRACT .............................................................................................................. III 第1章 绪论 .............................................................................................................. 1 1.1 研究的目的和意义 ...................................................................................... 1 1.2 天然气液化技术概述 .................................................................................. 2 1.3 国内外天然气液化技术发展现状及趋势 ................................................... 3 1.3.1 国内天然气液化工艺发展现状........................................................ 3 1.3.2 国外天然气液化工艺发展现状........................................................ 4 1.3.3 液化天然气工业的发展趋势 ........................................................... 5 1.4 本文研究的主要内容 .................................................................................. 6 第2章 天然气液化装置流程及选择........................................................................ 7 2.1 级联式制冷循环 ........................................................................................... 7 2.1 混合冷剂制冷循环 ........................................................................................ 8 2.1.1 无预冷的混合冷剂制冷循环 ........................................................... 8 2.1.2 丙烷预冷的混合冷剂制冷循环........................................................ 9 2.2 膨胀机制冷循环.......................................................................................... 9 2.2.1 天然气循环膨胀机制冷循环 ......................................................... 10 2.2.2 氮气膨胀机制冷循环 ..................................................................... 10 2.3 基本负荷型天然气液化装置流程选择 ..................................................... 10 2.4 调峰型天然气液化装置流程选择 ............................................................. 11 第3章 天然气液化流程模拟的基础模型 ................................................................ 13 3.1 天然气液化流程的相平衡计算模型 ......................................................... 13 3.2 天然气液化流程的焓熵计算模型 ............................................................. 14 3.3 压缩机压缩过程的热力学计算模型 ......................................................... 17 3.4 膨胀机和节流阀的热力学计算模型 ......................................................... 17 3.4.1 膨胀机膨胀过程的热力学计算模型 .............................................. 17 3.4.2 节流阀节流过程的热力学计算模型 .............................................. 18 - IV - 目 录 3.5 多股流换热器换热过程的热力学计算模型 ............................................. 18 3.6 气液分离器计算模型 ................................................................................ 20 3.7 模拟软件中主要设备模块性质 ................................................................ 20 第4章 混合冷剂制冷天然气液化流程模拟 .......................................................... 21 4.1 混合冷剂制冷天然气液化流程 ................................................................ 21 4.1.1 单级级混合冷剂制冷天然气液化流程分析 .................................. 21 4.1.2 单级混合冷剂制冷模拟条件 ......................................................... 23 4.2 单级混合冷剂制冷的模拟结果 ................................................................ 23 第5章 天然气膨胀液化流程模拟 ......................................................................... 26 5.1 膨胀机制冷天然气液化流程分析 ............................................................. 26 5.1.1 单级天然气膨胀天然气液化流程 .................................................. 26 5.1.1 双级天然气膨胀天然气液化流程 .................................................. 28 5.2膨胀机制冷的模拟条件 ............................................................................... 30 5.3 天然气膨胀制冷模拟结果 ........................................................................ 30 5.3.1 单级天然气膨胀制冷天然气液化流程模拟结果 ........................... 30 5.3.2 双级天然气膨胀制冷天然气液化流程模拟结果 ........................... 31 第6章 利用管道压差的天然气液化工艺流程选择 .............................................. 34 6.1 天然气液化工艺流程选择原则 ................................................................ 34 6.2 混合冷剂制冷和膨胀机制冷对比分析 ..................................................... 34 6.2.1 两种液化流程能耗对比 ................................................................. 34 6.2.2 两种液化流程设备参数对比 ......................................................... 35 6.3 液化工艺流程选择结果 ............................................................................ 37 第7章 结 论 .................................................................................................... 38 参 考 文 献 .............................................................................................................. 39 附录A 附录内容名称 ............................................................................................. 41 致 谢 ............................................................................................................ 42 - V - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 第1章 绪论 1.1 研究的目的和意义 随着国内天然气使用规模逐渐扩大，工业用气及城市居民用气安全保障问题也变得愈发重要。而近年来，全国各地许多城市都发生天然气供应短缺的“气荒”现象，且有愈演愈烈之势，这无疑为工业生产和居民生活带来极大的困扰和不便。这些问题的出现，虽然主要原因是能源供应中天然气供需失衡，但也充分暴露了城市供气系统缺乏足够的调峰能力。目前我国城市供气系统基本是上游气源与下游用户之间的简单管道输送系统，管道输气压力和流量几乎是固定的，上游供多少，下游用多少，中间没有任何积蓄和缓冲的能力。一旦由于季节和气候原因短期内居民用气量增大，超出管网供气能力，就会出现“气荒”。即使在一些天然气资源丰富的省份，一些城市也同样出现“气荒”。 要解决这种供气过程中出现的问题，就必须对天然气消耗进行调峰处理，以缓解供气不平衡现象。建立液化天然气(LNG)调峰工厂是调峰的一种有效手段，在国外已经普遍应用，国内也已经有一些调峰液化天然气工厂在运行。LNG 调峰厂具有占地少，投资省，储气量大等优点，只要增加低温储罐就可以增加储量。建成后不仅可以起到调峰作用，还可以利用LNG 能用槽车运送的特点，将天然气供到周边无管网地区，扩大天然气供气范围。 国外对天然气液化工艺研究进行得比较早，西方国家在七十年代开始大规模利用天然气的同时，就在天然气管网附近建设天然气液化工厂，作为城市燃气供应的补充和安全保障。而我国对天然气液化工艺研究相对较晚，对液化天然气的利用也正处于起步阶段。然而，我国能源消费量巨大，现有的天然气管网系统不足以满足目前以及未来的天然气供应需求，这种严峻形势也给我国液化天然气工业的发展带来了机遇。因此，我们有必要对天然气液化工艺进行系统的研究，为我国液化天然气工业的发展提供技术支撑和保障，促使我国液化天然气工业健康快速发展。 目前的天然气液化工艺，包括级联式液化工艺、混合冷剂天然气液化工艺和膨胀机制冷天然气液化工艺。在实际操作中，如何选择适当的液化工艺流程，需要根据实际情况来进行选择。目前，对于小型调峰型天然气液化工厂，一般使用混合冷剂制冷液化流程或膨胀机制冷液化流程。当在城市管网供气中具有管道压力差时，就有可能利用原料气管道中的高压天然气在膨胀机中等熵膨胀到输气管道压力而使天然气液化，这样就不需要消耗动力。因此，通过对利用管道压差的 - 1 - 第1章 绪论 天然气液化工艺进行研究来选择适当的液化流程，可以对调峰型天然气液化工艺的设计起到理论上的指导作用。 1.2 天然气液化技术概述 天然气液化，即是在常压下将天然气冷却到大约-161?左右使其变为液体。天然气液化工艺可能不同，但是其冷凝过程是一样的。首先，将湿天然气经过预处理脱除二氧化碳、硫化氢、水等杂质，再将预处理后的天然气预冷到大约-35?除去重组分，防止重组分在低温下冻结堵塞设备和管道。脱除重组分的天然气再被进一步冷却到大约-161?成为液化天然气，再送入液化天然气存储罐。这就是天然气液化的液化基本原理。 天然气液化工艺流程按照制冷方式不同，可以分为以下三种方式:级联式液 [1]化流程、混合制冷剂液化流程、带膨胀机的液化流程。按照用途分类则可以分为基本负荷型天然气液化装置和调峰型天然气液化装置。 级联式液化流程制冷原理是经预处理后的原料气经过丙烷、乙烯、甲烷三种制冷剂的三个制冷循环逐级降温、液化。该制冷工艺的特点是所需换热器面积小，能耗也低。但是由于三个制冷循环都都需要独立的压缩机以及制冷剂存储设备，故而所需机械设备多投资大，流程复杂，致使设备维护不便。 混合冷剂制冷流程是以C至C的碳氢化合物及N等五种以上的多组分混合152 制冷剂为工质，利用其重组分先冷凝，轻组分后冷凝的特点，逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。与级联式液化流程相比，其优点为:设备少，流程简单，投资省。其缺点是能耗较高，并且混合制冷剂配比比较困难，流程计算比较困难。 带膨胀机的天然气液化流程，其原理是通过透平膨胀机进行等熵膨胀从而达 [2]到降温目的。当一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。膨胀机制冷主要采用以下三种循环:天然气直接膨胀制冷、氮膨胀制冷、氮气-甲烷混合膨胀制冷。膨胀机制冷的优点是开停车比较方便，故而比较适合用于调峰型天然气液化装置;但是膨胀机制冷液化率低，能耗高，对进入膨胀机的气体干燥度要求较高。 基本负荷型天然气液化装置是指生产的液化天然气供当地使用或者外运的大型液化装置。此类装置的生产容量稳步上升，是因为大容量装置经济性较好，且 [7,8]现代LNG装置应用了比以往更大的设备。基本负荷型液化装置的液化和存储连 - 2 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 63续进行，装置的液化能力一般在10m/d以上。基本负荷型天然气液化装置由天然气预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统、装卸设施和消防系统等组成， [9]是一个发杂庞大的系统工程，投资高达数十亿美元。 调峰型天然气液化装置指为调峰负荷或补充冬季燃料供应的天然气液化装置，通常将低峰负荷时过剩的天然气液化储存，在高峰时或紧急情况下再汽化使[10]用。调峰型天然气液化装置液化能力较小，但是其储存能力比较大，一般建在城市附近。 1.3 国内外天然气液化技术发展现状及趋势 1.3.1 国内天然气液化工艺发展现状 我国LNG工业起步较晚，但是通过国内科研人员的努力，我们在各方面包括液化技术、流程装置等各方面都已经取得了巨大进步，也自主开发了一些液化工艺流程。但是与国外相比，我们还存在一定差距，譬如流程效率相对较低，设备可靠性还有待提高等。到目前为止，我国已经建成各类小型LNG装置30多座，另外还有30多座在建或拟建LNG项目。在已建成的LNG装置中，级联式、混合冷剂制冷、膨胀机制冷三种工艺流程均有。 在我国已建成投产的LNG工厂中，采用国外技术和国内技术均有。国外技术主要采用美国Salof、ACPI,以及德国的Linder和法国的Sofe等。国内自主研发技术则有河南中原绿能高科、中科院理化技术研究所、成都深冷空分设备工程有限公司等的流程工艺。 [3]在国内已建的天然气液化装置中具有代表性的有: ?上海燃气天然气液化装置 431999年，上海建造了国内第一座日处理量为10×10m的调峰型天然气液化装置。该装置由法国索菲燃气公司设计，采用CII液化流程。 ?河南中原绿能高科液化天然气装置 432001年，中原石油勘探局建造了一座日处理量为15×10m的天然气液化装置，该装置采用丙烷和乙烯为制冷剂的级联式制冷循环。 ?新疆广汇天然气液化装置 432002年，新疆广汇实业一座日处理量为150×10m的大型天然气液化装置，该装置采用LINDE混合冷剂闭式循环制冷技术。该工艺流程主要包括液化和制冷 - 3 - 第1章 绪论 循环两个过程，混合冷剂由甲烷、乙烯、丙烷、戊烷和氮气组成，混合冷剂压缩机由燃气透平驱动。 ?苏州华峰天然气液化装置 432007年投运成功的日处理量为7×10m苏州华峰天然气液化装置，由苏州制氧机有限责任公司设计制造， 采用高效天然气膨胀制冷液化工艺，与传统的级联式和混合冷剂制冷循环相比，具有能耗很小，操作简单，启动出液快等优点。 1.3.2 国外天然气液化工艺发展现状 国外的液化天然气装置一般采用级联式制冷和混合制冷工艺流程，今年来新投产运行的天然气液化装置则多采用混合制冷天然气液化流程。天然气液化技术 [4~6]的发展趋势是液化循环高效率、低投资、可靠性高、操作简单。 目前，国外已经开发出一些成熟、高效的天然气液化新工艺流程，有的已经在实际运用中得到广泛应用。 ?Liquefin工艺 在2003于日本举行的世界气体大会上，由法国Axens 公司与法国石油研究所合作开发的Liquefin 液化天然气工艺首次亮相。该工艺预冷冻段用混合制冷剂代替丙烷，使预冷段加热与冷却焓曲线较为接近，预冷冻段与液化段之间转折点从-30?降至-60?,-80?，在这样低温度条件下，混合制冷剂完全冷凝，不需要相分离，使换热管线十分简单与紧凑。两个循环之间动力平衡易控制，可使用两台相同的燃气轮机为两段提供同样动力。同时，制冷剂用量可明显降低，在某些情况下制冷剂与LNG 的摩尔比可低于1。另外，该冷箱采用PFHE布局，设备布置紧凑，PFHE两侧压力降较低，使该工艺效率较高。据该公司称，该工艺生产LNG 的费用每吨可降低25%，带有2 台标准燃气透平的Liquefin 工艺的系列装置，每年能生产600 万吨的液化天然气。 该技术目前已趋于成熟，具备实施工业化条件。 ?AP-X工艺 该工艺是APCI 公司对C3/MRC 工艺的改进，以扩大单线生产能力，它包括三个制冷循环:丙烷制冷用于预冷混合冷剂循环提供天然气液化的冷量，氮膨胀制冷循环提供过冷用冷量。相比丙烷预冷工艺，减少了丙烷和混合冷剂的用量。 该工艺已在卡塔尔计划2008 年建成的Qatargas?项目的4 号和5 号生产线上被采用，单生产线能力780 万吨/年。 - 4 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 ? Shell-DMR工艺流程 Shell-DMR 工艺的预冷段采用混合制冷剂循环，采用乙烷、丙烷与少量甲烷、丁烷混合物为预冷段制冷剂，天然气预冷温度达到-40?， 该工艺设备减少，灵活性更大，可在宽范围操作条件下运行。目前，该工艺已在俄罗斯萨哈林LNG 项目中得到首次应用。 ?GTI研制的MNGL 工艺 2001年，美国能源部资助美国燃气工艺研究院(GTI)研制LNG生产能力为4~40 43×10m/d的小型天然气液化装置(MNG)。MNG采用MRC液化循环，装置轻便，可安放在一台拖车上搬运。 该装置制冷回路与液化回路分开，制冷压缩机采用双螺旋杆压缩机。制冷剂经过压缩、除油、预冷后，经膨胀机降压降温为低压制冷剂，返回进入换热器为高压制冷剂和天然气提供冷量，离开换热器的天然气节流后进入LNG储罐储存。 1.3.3 液化天然气工业的发展趋势 [23,24,25] 世界上液化天然气工业的发展趋势:遵循安全第一的原则，在这个前提下扩大规模朝大型化发展，降低能耗，减少投资，提高效率，以提高液化天然气在能源市场的竞争力。 液化天然气装置的安全性，将一如既往的作为LNG装置的设计、施工、操作的首要原则。 不断改进设计手段，改进设计技术参数，选择合适的液化工艺及设备，可以大大提高经济性。 实现整个LNG系统的优化，如对天然气液化工艺和设备进行优化组合，对气源供应、整个生产系统、储存及运输等所有环节实现整体系统优化。 提高天然气液化装置的有效性和使用寿命，提高天然气液化装置有效性如尽量减少装置停机时间以提高有效工作时间，可以降低LNG装置运行费用;提高天然气液化装置的使用寿命如开发研究更好的易磨损腐蚀设备元件，也可以提高装置经济性。 LNG装置向大型化发展，扩大LNG生产能力，发展规模经济，以期达到进一步降低能耗，节约生产成本。 目前世界上天然气液化工业进入新的发展时期，各种新的液化工艺不断出现，液化天然气消费需求量也急剧增长，这都给液化天然气工业的发展带来了机遇。 - 5 - 第1章 绪论 1.4 本文研究的主要内容 本文对利用管道压差的天然气液化工艺进行研究，利用HYSYS软件重点对透平膨胀机制冷循环和混合制冷循环(MRC)天然气液化流程就行模拟优化，并对二者的能耗、等方面进行对比研究，优选最为经济高效的液化工艺。其主要内容为: (1) 简述天然气液化技术的基本原理，介绍了国内外天然气液化工艺的发 展状况。 (2) 对各种混合制冷剂制冷流程、膨胀机制冷流程及基本负荷型天然气液化流程的特点及优缺点进行分析，指出对各种液化工艺流程进行选择的条件，为选择天然气液化流程提供依据。 (3) 建立天然气液化流程中所需热力学计算如相平衡计算和焓熵计算的热力学模型，并对天然气液化流程中的关键设备如压缩机、膨胀机、节流阀、多股流换热器等建立相应的计算模型。 (4)对混合制冷剂制冷液化流程和膨胀机制冷液化流程进行模拟计算，得出相应的热力学参数。 (5) 对混合制冷剂液化流程和膨胀机制冷液化流程进行能耗对比，优选出一种适用于利用管道压差的天然气液化工艺。 - 6 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 第2章 天然气液化装置流程及选择 我国天然气消费需求快速增长，已经出现了供不应求的现象。可以预见，未来在全世界范围内都将进入天然气消费的新高峰时期。液化天然气作为管道天然气管网系统的补充和安全调节阀，必将迎来一个大发展。在我国已经建立了一批天然气液化工厂，还有一批在建或拟建的天然气液化工厂，这都将促进天然气液化工业的发展。对于天然气液化装置，其工艺流程的选择是核心问题。由于天然气液化装置流程不同其能耗不同甚至差距很大，故其工艺流程的选择不但是个技术问题，也是个经济问题。天然气液化工艺流程的选择需要考虑投资、能耗、可靠性、安全性以及使用环境等因素。因此我们有必要对天然气液化装置工艺流程进行研究。在目前，级联式液化工艺已经应用得很少，混合制冷剂液化工艺和膨胀机液化制冷工艺是天然气液化工艺的主流，因此我们主要对混合制冷剂制冷循环和膨胀机制冷循环进行研究。 2.1 级联式制冷循环 级联式液化流程，又称为阶式液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程，早期的基本负荷型天然气液化装置多采用级联式制冷循环。 级联式液化流程由三级独立的制冷循环组成，制冷剂分别为丙烷、乙烯和甲 [15]烷。每个制冷循环中均含有三个换热器。 级联式液化流程的工作原理:在级联式液化流程中，较低温度的循环将热量传递给较高温度级的循环。它的第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯及甲烷提供冷量;它的第二级为乙烯制冷循环，负责为天然气及甲烷提供冷量;它的第三级为甲烷制冷循环，它负责为天然气提供冷量。天然气通过这九个换热器的逐步冷却而温度逐步降低而最终冷却到液化状态。 在丙烷预冷循环中，丙烷被压缩机压缩后再经水冷、节流、降温、降压，部分进入换热器为乙烯、甲烷及天然气提供冷量后被汽化，接着进入第三级丙烷压缩机进口。液态丙烷则再经过节流、降温及降压过程后部分进入换热器为乙烯和甲烷及天然气提供冷量并被汽化，到达丙烷二级压缩机进口。剩下的液态丙烷经过节流、降温及降压过程后进入换热器为乙烯、甲烷及天然气提供冷量后被汽化，又达到丙烷第一级压缩机进口。 - 7 - 第2章 天然气液化装置流程及选择 乙烯制冷循环相比丙烷制冷循环的相异点在于，乙烯被压缩水冷后，要先流过丙烷的三个换热器预冷后再节流降温，给甲烷及天然气提供冷量。级联式液化流程中的乙烯可以用乙烷来代替。 在甲烷制冷循环中，甲烷经过压缩、水冷之后，被丙烷和乙烯的六个换热器预冷后再进行节流降温过程，给天然气供给冷量。 级联式液化流程的特点:具有能耗低、制冷剂无配比问题、并且该工艺流程技术成熟。同时，该制冷循环的缺点也明显:由于级联式液化流程设备多，且附属设备也多，因为导致流程复杂、维护不便。 在实际操作中，级联式液化流程的压缩级数选择需要根据多方面的因素来决定。压缩级数少，虽然初投资成本低，但是由于功耗大而导致运行费用高;压缩级数多的话则刚好相反。 2.1 混合冷剂制冷循环 混合制冷剂液化循环的概念是在30年代由美国的波特北尼克提出的，它是用C到C的碳氢化合物加上氮气等组成的混合制冷剂为工质，经过逐级的冷凝、15 蒸发、节流及膨胀过程而得到不同的温位，使天然气逐渐冷却至液化状态。自70年代的基本负荷型天然气液化工厂多采用混合冷剂制冷液化循环。 在混合冷剂制冷循环天然气液化装置中，许多参数都会影响流程的性能，这 [16]些参数有:天然气的入口压力、温度和各组分的摩尔分率;液化天然气的储存温度和压力;第一个换热器热端面高低压制冷剂的压力、温度和各组分的摩尔分率;各换热器热端面温差;以及流程中换热器的数量。由于混合冷剂制冷液化流程涉及的参数众多，使得流程计算困难。 2.1.1 无预冷的混合冷剂制冷循环 TM混合冷剂制冷液化循环是目前运用较多的制冷循环，其中MRC是具有代表性的一种液化工艺。该工艺由美国ACPI公司开发。 TM在MRC工艺中循环包括主换热器、混合制冷剂压缩机、冷却器、多相分离器。其混合制冷剂由多种不同沸点的气体组成。该循环利用部分冷凝、逐步闪蒸的制冷原理，混合制冷剂液体经过降压及多级分离而提供不同温度的制冷剂。 APCI曾提出确定混合制冷剂构成的一般原则: ?混合制冷剂由不同沸点的气体组分构成，如氮、甲烷、乙烷及其它重烃。 - 8 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 ?第三最低沸点的组分应该是含量最高的组分，宜在35%~45%之间。 ?第二最低沸点组分含量宜在22%~36%。 ?第三和第二最低沸点组分之和宜在64%~77%之间。 ?混合制冷剂平均分子量宜在31~35之间。 TM[17]MRC工艺循环的主要特点: 该循环采用单一多组分制冷剂，只需要一台循环压缩机，大大降低了设备投 TM资;MRC的加热曲线与天然气原来的冷却曲线匹配较好，大大减少制冷所耗功率;并且该工艺只有一台集成主换热器，使设备投资减少、易于制造;利用节流阀降压可以减少LNG产品的蒸发损，使用制冷压缩机级间分离器减少压缩机的操作功率。 2.1.2 丙烷预冷的混合冷剂制冷循环 TM丙烷预冷混合制冷剂液化流程(C3/MRC)结合了级联式液化流程和混合冷剂制冷流程的优点，流程简单而效率较高。这种液化流程尤其适用于基本负荷型天然气液化装置。目前世界上大部分基本复合型天然气液化装置均适用丙烷预冷的混合制冷剂液化流程。该工艺流程的优点: TMC3/MRC工艺的原料气适用纯丙烷的多级制冷循环冷却，然后用双段换热器进一步冷却原料气并使原料气液化，这样就是该工艺成本减少而效益较高。并且混合制冷剂的分级冷凝馏分和汽化馏分独立形成，不在主换热器中进行，这样就大大减少了混合整个冷冻系统的成本。除此之外，该制冷剂系统使用了四种平均分子量较小的组分作为混合制冷剂，减少了混合制冷剂馏程，有效提高了制冷压缩机的效率。 TMC3/MRC流程的混合制冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷构成，其各自含量为氮气2~12%，甲烷35~45%，乙烷32~42%，丙烷9~19%，混合制冷剂的平均分子量宜在24~28之间。 TMTM与MRC工艺相比，C3/MRC工艺的优点在于:流程得到了简化，各种设备如管线、分离器、阀门等的数量大量减少，主换热器结构也得到简化。 2.2 膨胀机制冷循环 带膨胀机的天然气液化流程，是利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，对外 - 9 - 第2章 天然气液化装置流程及选择 输出功，可以用于驱动流程中的压缩机。如管路输来的原料气与离开液化装置的商品气有压力差存在，液化过程就有可能不需要借助外界能量而靠自身压差通过膨胀机制冷。 带膨胀机的天然气液化流程，根据工质的不同可以分为氮气膨胀制冷流程和天然气膨胀制冷流程。 2.2.1 天然气循环膨胀机制冷循环 天然气膨胀液化流程，是指直接利用高压天然气在膨胀机中绝热膨胀到输出管道压力而使天然气液化的流程。该流程的优点在于功耗小，只需对需要液化的部分原料气脱除杂志，所以预处理的天然气量大大减少。其缺点在于流程不能获得像氮气膨胀液化那样低的温度，也不如氮气膨胀循环气量大，液化率也较低。并且膨胀机的性能受原料气压力和组成变影响化较大，对进入膨胀机的原料气干燥度也要求较高。 如果要得到较大的液化量，则可以在流程中增加压缩机，这种流程就是带循环压缩机的天然气膨胀液化流程。 如果高压原料气经过冷却、膨胀制冷、冷量回收后低压天然气输入配气管网，这种循环属于开式循环。如果回收冷量后的低压天然气用压缩机增压到与原料天然气相同的压力再返流如原料气中开始新的循环，这种循环就称为闭式循环。 2.2.2 氮气膨胀机制冷循环 氮气膨胀机循环制冷工艺利用透平膨胀机制冷原理，其介质为氮气，与混合制冷剂液化流程相比较，氮气膨胀液化流程结构简单紧凑，造价低，启动快，运行灵活，适应性强，易于操作控制。 与天然气膨胀机制冷循环相比，氮气膨胀机循环工艺结构更简单、设备投资也更少，并且维修也更简单。其缺点在于能耗较高。 由于氮膨胀制冷循环式一个密闭独立的循环，故可以使进入装置的天然气全部液化。 2.3 基本负荷型天然气液化装置流程选择 [19] 基本负荷型天然气液化装置常采用级联式和混合制冷剂液化流程。在早期建设的天然气液化装置中均采用级联式液化流程，后来则逐渐改进为采用混合制 - 10 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 冷剂液化流程，今年来新建的基本负荷型天然气液化装置则一般采用丙烷预冷的混合制冷剂液化流程。 采用级联式液化流程的优点是能耗低，且各种制冷循环及天然气液化系统各自独立，相互牵制少，操作稳定。其缺点在于流程复杂，设备多，操作维护均不方便。 与级联式液化流程相比较，采用混合制冷剂液化流程的液化装置具有机组设备少、流程简单、投资较少、操作管理方便等优点。并且混合制冷剂组分可以从天然气中提取，且制冷剂纯度要求也不如级联式要求高。缺点在于能耗较级联式液化流程高，制冷剂配比要求严格且流程计算较为困难。 天然气液化流程选择需要考虑的因素:?流程所需设备容易制造;?流程设备简单、投资少，设备少;?工艺流程适应性强;? 环境污染小。 [12]表2-1为世界上一些基本负荷型装置使用的液化流程及其性能指标。 表2-1 基本负荷型液化装置所采用流程及性能指标 项目名称 投产 采用的液化流程 产量(万t/a) 压缩机/kw 功率/kw 时间 1963 36 22800 141 阿尔及利亚Arzew 级联式液化流程 1969 115 63100 122 阿拉斯加Kenai 级联式液化流程 1970 MRC 69 45300 147 利比亚Marsa el Brega 1973 C3/MRC 108 61500 127 文莱LNG 1974 MRC 103 78300 169 阿尔及利亚Skikda 1,2,3 1996 C3/MRC 230 107500 104 卡塔尔Gas 1995 C3/MRC 250 102500 91 马来西亚MLNG Dua 2002 C3/MRC 375 140000 83 马来西亚MLNG Tiga 2.4 调峰型天然气液化装置流程选择 调峰型天然气液化装置的生产规模较小，并非常年连续运行。一般采用以下三种液化流程:级联式液化流程，早期曾被广泛使用，现在已经被混合冷剂制冷和膨胀机制冷流程取代;混合制冷剂液化流程;膨胀机制冷液化流程。 在膨胀机制冷液化流程中，氮气膨胀液化流程是天然气直接膨胀液化流程的变形，在这种流程中，氮气 循环回路与天然气液化回路是分开的，由氮气制冷循 - 11 - 第2章 天然气液化装置流程及选择 环为天然气提供冷量。氮-甲烷膨胀液化流程又是对氮膨胀液化流程的一种改进，它采用氮气和天然气的混合物作为工质。 天然气直接膨胀液化流程是利用来自气田或管道的有压力的天然气，在膨胀机中绝热膨胀到输送管道的压力而使天然气液化的流程。这种流程特别适用于管线压力高而实际使用压力较低，中间需要降压的地方。其突出优点是能充分利用天然气在输气管道的压力差膨胀制冷，基本不需要外加能量，还具有节能环保、投资少，运行成本低，具有较好的经济效益和社会效益。。这种液化流程是比较有发展前景的，在实际中也已经应用，如我国苏州华峰液化天然气调峰厂就使用了这种液化工艺。 调峰型天然气液化装置流程选择原则需要考虑以下因素:投资成本、运行费用、装置的简便性、运行的灵活性、自动化程度、原料气参数、尾气的利用和限制、LNG的质量要求、压缩机与驱动机系统、液化能力。 选择调峰型LNG液化流程，必须根据具体的设计要求和外围条件，对上述因素进行综合考虑，对不同液化 的投资成本、比功耗、运行要求及灵活性进行全面 [20]对比，才能最终决定采用何种液化流程。 - 12 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 第3章 天然气液化流程模拟的基础模型 3.1 天然气液化流程的相平衡计算模型 混合物或溶液在某种热力学条件下进行的相变过程，若维持热力学条件，则该过程的强度将逐渐变弱而最终趋于平衡，此时该相变过程终止，此时不同相之 [11]间达到平衡，即为达到相平衡。相平衡计算是天然气热力学性质计算的基础，混合物的相态与组分要由相平衡计算来确定，然后才能进一步计算焓、熵等热力学参数。 我们利用状态方程来描述流体的热力学性质，工程上使用的状态方程主要分 [12]为两种:立方型状态方程和维里型状态方程。立方型状态方程主要有VDM方程、RK方程、SRK方程、PR方程等。由于立方型状态方程形式简单，且灵活性大，目前应用最多的是立方型状态方程。 本文中使用PR方程计算混合制冷剂和天然气的相平衡特性。 PR(Peng-Robinson)方程表达式为: RTa, (2-1) ,,p222,，,VbVbVbmmm 其中， bzb,bRTp,0.0778,iiicici azza,,,() ,,ijij ()(1)akaaaa,,, ijijiijj 22 aRTP,0.45724icici 20.52 aT,，，,,[10.374641.542260.26992(1)],, jiiri 在上式中，、、均为与气体种类有关的常数。 aaa,ij PR方程用压缩因子表达式如下: 32223 (2-2) ZBZABBZABBB,,，,,,,,,(1)(32)()0 - 13 - 第3章 天然气液化流程模拟的基础模拟 其中 ZpVRT,() 2 AapRT,,() BbpRT, PR方程的逸度系数表达式为: BBAZB22.414，ii (2-3) ,,ln(1)ln()[()]ln[],,,,，,ZZBza,ijijBBBaZB2.8280.414,,j lv计算液相逸度系数系数时，为，计算气相逸度系数时，为。 zz,x,yiiiiii3.2 天然气液化流程的焓熵计算模型 焓熵的计算是以相平衡计算为前提的。对于焓和熵的计算，目前普遍采用LKP方程。LKP方程是计算压缩因子、定压热容、定容热容、焓和熵的最佳方法，它在一定条件下能同时计算气液两相逸度系数的少数几个状态方程之一，具有普遍 [21]适用的参数，特别适用于计算机计算。本文用LKP方程计算天然气和混合制冷剂的余焓及余熵。 ? LKP方程如下: ,(0)()(0)R ZZZZ,，,()()R, pVcBCD,,rr4 ,,，，，，，,()1()exp()Z,253222TVVVTVVVrrrrrrrr 23 (2-4) BbbTbTbT=,,,rrr1234 3 CccTcT,,，1223r DddT,，12r 上述式中，Z为压缩因子; 为偏心因子; p为对比压力;为对比摩尔体积;V,rrT为对比温度;上标0指简单流体对应参数;上标R指参考流体对应参数;其余r 均为常数。 - 14 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 LKP方程中用氩和正丁烷是实验数据来拟合方程中简单流体和参考流体的12 个常数，如下表1-1。 表1-1 LKP方程中的常数 常数 简单流体 参考流体 常数 简单流体 参考流体 bc0.1181193 0.2026579 0.0 0.016901 13 bc0.265728 0.331511 0.042724 0.041577 24 ,4,4 bd0.154790 0.027655 0.15548810，0.4873610，31 ,4,4 bd0.030323 0.203488 0.62368910，0.074033610，42 , c0.0236744 0.0313385 0.65392 1.226 1 , c0.060167 0.03754 0.0186984 0.0503618 2 ? 用对比密度表示LKP方程的表达式 c36334 (2-5)()[()exp()],,,,,,,,,,，，，，,,fTBDprrrrrrrr3Tr 其中为对比密度，其余参数含义与前式同。 ,r ?对于混合物，虚拟临界性质表达式: V,(0.2905,0.085,)RTpe,iic,ic,i 311313 V,zz(V，V),,cmjkcjck,,,8jk 311313 T,ZZ(V，V)TT,,c,mjkc,jc,kc,jc,k8Vjjc,m (2-6) p,(0.2905,0.085z,)RTV,c,mjjc,mc,mj - 15 - 第3章 天然气液化流程模拟的基础模拟 其中，、、分别为混合物的虚拟临界摩尔体积、虚拟临界温度、虚拟VTpc,mc,mc,m 临界压力。下标c表示临界状态。 ?工质理想焓和熵的表达式: Tididid (2-7) H,zH,zCdT，H,,mim,iip,mm,0,T0ii idCTpp,midid (2-8) S,zS,z[dT,Rln]，S,,mim,iim,0,T0Tpii0 idid其中， 为摩尔理想焓，表示焓值基准点，下的摩尔焓;为摩H(p,T)SHm,000mm id尔理想熵;表示熵值基准点，下的摩尔熵;为理想气体的摩尔定S(p,T)Cm,000,pm压热容;为摩尔气体常数;为组分的摩尔分数;上标表示理想值;下标RZiidii 表示组分。 i ?用LKP方程计算简单流体和参考流体余焓的方程 id22H,Hb，2bT，3bTc,3cTdmmrrr234232 (2-9) ,T{Z,1,,，，3E}r25RTTV2TV5TVcrrrrrr c,,4 E,{，1,(，1，)exp(,)},,322TVV2,rrr ?用LKP方程计算简单流体和参考流体余熵的方程 id233S,Sb，bT，2bTc,3cTdmmrrr234131 (2-10) ,ln(Z),1,,，，2E25RTV2V5Vrrrr ?工质余焓表达式: ididididH,HH,HH,HH,H,(0)(R)(0)mmmmmmmm,，, (2-11) (){()()}(R)RTRTRTRT,cccc其中，上标0表示简单流体;上标R表示参考流体。 ?工质的余熵表达式: idididid,SSSSSSSS,,,,(0)()(0)Rmmmmmmmm (2-12) (){()()},，，()RRRRR, - 16 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 3.3 压缩机压缩过程的热力学计算模型 在天然气液化流程中，压缩机的作用是用来压缩制冷剂，为后续流程中的各节流阀降温、降压做准备。压缩机是天然气液化流程中的关键设备，其能耗也很大。 天然气液化流程中使用的压缩机，按结构分类可以分为离心式压缩机和轴流式压缩机;按驱动方式分类可以分为燃气透平、蒸汽透平以及电驱动。离心压缩机和轴流式压缩机主要用于大型天然气液化装置，螺杆式压缩机和往复式压缩机主要用于小型天然气液化装置。 对压缩机进行计算，就是由已知参数计算出未知参数的过程。已知参数有:压缩机进口压力、温度、焓、熵、摩尔流量、总流量中的摩尔分数、压缩机效p1 率、压缩机出口压力。未知参数有:压缩机出口温度、焓、熵、气相流量、液相流量、总流量、液相摩尔分数、气相摩尔分数、总流量中的摩尔分数。 压缩机的控制方程如下: (2-13) q,qn1n2 (2-14) Z,Zmol,1mol,2 (2-15) H,H，(H,H),212s1s (2-16) W,(H,H)/,21m 以上各式种，q为流量，Z为总流量的摩尔分数，W为功，为等熵效率，为,,sm机械效率，为出口等熵焓值，小标1表示进口，小标2表示出口。 H2s 3.4 膨胀机和节流阀的热力学计算模型 3.4.1 膨胀机膨胀过程的热力学计算模型 膨胀机在制冷液化流程中具有重要的作用，高压制冷剂在膨胀机中降温降压，为多股流换热器中低压制冷剂冷量向天然气和高压制冷剂传递提供驱动力。 - 17 - 第3章 天然气液化流程模拟的基础模拟 膨胀机与节流阀相比，具有以下优点:首先，绝热效率高、熵增少，省功，循环效率较高。其次，其制冷量较大。并且气体混合物在膨胀机中也易于分离。但是膨胀机较节流阀结构复杂，出故障几率高一些。 膨胀机控制方程为: (2-17) q,qn1n2 (2-18) Z,Zmol,1mol,2 (2-19) H,H，(H,H),2112ss (2-20) W,(H,H)/,12m 3.4.2 节流阀节流过程的热力学计算模型 节流阀控制方程为: (2-21) q,qn1n2 (2-22) Z,Zmol,1mol,2 (2-23) H,H21 3.5 多股流换热器换热过程的热力学计算模型 换热器在天然气液化工艺中广泛使用，是实现液化的重要设备。换热器性能的好坏对天然气液化装置的运行起着举足轻重的作用。天然气液化中所使用的换热器主要有管壳式换热器和板翅式换热器，管壳式换热器主要用于温度较高的制冷设备和分离装置中。绕管式换热器具有承压能力好、传热温差下、传热面积大、回流流速高、气液分配均匀等特点。板翅式换热器多用于基本负荷型天然气液化装置中。 多股流换热器的作用是实现低压制冷剂冷量向高压制冷剂和天然气传递，天然气在吸收冷量后逐步降温实现液化，而高压制冷剂在吸收冷量后部分液化，从而使高压制冷剂在进入下一个气液分离器时产生气液两相。 - 18 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 由于流程种类不同，多股流换热器的结构也不同。以带膨胀机的天然气液化流程中使用的换热器为例，已知参数:天然气、高压制冷剂、低压制冷剂、天然 、总摩尔流量中的摩尔分数气返流气入口温度T、压力P、焓H、摩尔流量qZmol,in 以及热端面温差。 多股流换热器工作过程:高压制冷剂冷却到N2后达到膨胀机入口温度，再经过膨胀降温作为低压制冷剂NB1及从LNG储罐的返流BOG气体共同为天然气提供冷量。多股流换热器计算是为了根据前热端面计算得出的参数利用能量平衡方程计算出出口各节点的温度、焓、熵等参数。 具体计算过程为:由于该制冷循环为闭式循环，故节点N2、NB2的、Z与qnN1一样。又有天然气液化率已知，故天然气返流气即节点B1的及Z也已知。 qn 由能量平衡方程可以求得节点F2及N2的各个参数。控制方程组为: (2-24) H，H，，H，H,H，H，H，HN1F1NB1B1N2F2NB22 (2-25) H,f(PT)F2F2,F2 (2-26) H,f(PT)N2N2,N2 (2-27) T,TF2N2 上述式中，F表示天然气，N表示高压制冷剂，NB表示低压制冷剂，B-LNG表示储罐返流气，小标1表示入口，下标2表示出口。其余意义同上。 在计算多股流换热器时，可将其作为一个双股流换热器。 由能量守恒原理，换热器中冷流体吸收的热量与热流体放出的热量相等。则有下式: (2-28) H,H,H,H1234 忽略冷量损失，则前者为热流体进出口总焓，后者为冷流体进出口焓。 - 19 - 第3章 天然气液化流程模拟的基础模拟 3.6 气液分离器计算模型 气液分离器也是流程计算中的重要设备。在天然气液化流程中，气液分离器产生的液相进入节流阀产生温降为换热器提供冷量，其产生的气相为作为后续流程的制冷剂。 在流程计算中，假设流体在气液分离器中是在等温条件下分离的，即是等温等压下的气液闪蒸。计算步骤如下: ?调用气液闪蒸函数，计算出口状态两股流体的气相和液相流量及各自的摩尔分数。 ?调用焓、熵计算程序，得到经气液分离后的气相和液相的焓值和熵值。 3.7 模拟软件中主要设备模块性质 本文利用HYSYS软件进行模拟，模拟过程中需要的主要设备有LNG换热器、 [22]管壳式换热器、压缩机、节流阀等。 对于换热器块，它的作用是解决多相流换热器和换热器网络的热量与物质的 [26]平衡。 LNG换热器的设计是基于冷流体与热流体的能量守恒定律。在LNG操作单元中任何层的压力降均由明确压力降或者通过定义K值来定义换热层压力和流量的关系。HYSYS中的管壳式换热器能够进行双向能量及质量技术，其计算依据仍然是冷热流体间的能量守恒定律。 换热器中的压降确定方法:由用户给出压力降;由换热器的几何特性与组成计算压力降;或者通过确定K值来定义压力与流量的关系。 对于压缩机，在HYSYS中进行模拟计算时需要知道压缩机入口压力、入口温度、流量和组分，以及压缩机的几何特性、性能数据。 对于阀门，在HYSYS中进行模拟计算时首先要知道阀门入口的温度、压力、出口温度、压力及阀门的压降。在求解阀门操作的过程中需要得知的三个参数中至少需要一个温度和压力，HYSYS才能通过这些已知参数计算出未知参数。阀门压降就是按照入口与出口之间的物流压力之差。 - 20 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 第4章 混合冷剂制冷天然气液化流程模拟 4.1 混合冷剂制冷天然气液化流程 混合冷剂制冷循环工艺，是二十世纪六十年代末期由级联式制冷循环发展改进而成的一种新的逐级液化循环流程。该制冷循环采用氮与烃类的多组分混合物作为制冷剂，一般有氮和C~C的烃类组成，代替级联式制冷循环中的纯组分制15 冷剂。混合冷剂制冷循环利用制冷剂组分中各组分沸点不同而不断有组分部分冷凝而达到天然气液化所需的不同温度段，进而逐级冷凝、蒸发、节流而得到不同温度水平的制冷量，最终达到逐步冷却和液化天然气的目的。 混合冷剂制冷循环具有级联式制冷循环的优点，同时流程大为简化，经济性提高。在大型天然气液化装置中应用较多的是三级混合制冷剂循环，在小型液化 [18]装置中广泛应用单级混合制冷剂循环。本文选用单级混合冷剂制冷天然气液化流程作模拟分析。 4.1.1 单级级混合冷剂制冷天然气液化流程分析 本文使用的单级混合冷剂制冷天然气液化工艺具体流程见图4.1。 来自冷箱的低压气相制冷剂，经过冷剂压缩机的第一段压缩后，经过冷剂压缩机段间空冷器降温。降温后进入段间气液分离罐，气液相分离，气相进入冷剂二段压缩机。由冷剂压缩机出来的高压冷剂与来自冷剂分离器底部的液相冷剂混合，再进入下一个空冷器冷却，部分冷凝的混合物在下一个气液分离器中再次分离。从气液分离器出来的高压气相和液相冷剂混合后一起进入冷箱，为天然气提供冷量。从冷箱出来的制冷剂经节流阀节流，降压降温后成为低压制冷剂再次进入一段压缩机，开始新的循环。 来自管道的原料天然气经过预处理后进入冷箱，被混合制冷剂冷却后流出冷箱，在经过节流阀进一步节流降温降压后成为气液混合物，然后进入气液分离器，液相成为液化天然气产品进入LNG储罐，低压气相直接进入用户管网。 - 21 - 第4章 混合冷剂制冷天然气液化流程模拟 空冷器空冷器气液分离罐气液分离罐 一段压 缩机二段压缩机去低压管网 J-T阀 管道气节流阀液化部分净化单元冷箱LNG 去低压管网 图4.1 单级混合冷剂制冷液化装置图 - 22 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 4.1.2 单级混合冷剂制冷模拟条件 单级混合冷剂制冷所需参数取值分别为: ?天然气的流量124.9kgmol/h。 ?天然气的入口压力5MPa、入口温度45?和各组分摩尔分数为:甲烷为96.59%，乙烷1.50%，丙烷3.11%，丁烷0.05%，异丁烷0.05%，氮气1.45%。 ?混合制冷剂中各组分及其摩尔分数:混合制冷剂组分为:甲烷29%，乙烯28%，丙烷16%，戊烷17%，氮气10%。 ?LNG储存压力为400KPa。 ?段间换热器前后压差和出口温度。 ?压缩机一段入口压力260Kpa。 ?压缩机一段出口压力1.57MPa，二段出口压力4MPa。 ?压缩机效率取值80%。 ?J-T阀门开度设定为50%。 4.2 单级混合冷剂制冷的模拟结果 本文利用HYSYS软件对流程进行模拟，模拟结果如图4.2所示。 原料天然气经过逐级冷却降温，最后流出换热器E502时温度为-157?，然后经过节流阀JTV2后成为LNG产品时温度为-155.4?。 来自冷箱E501顶部混合冷剂温度为38.54?，压力为260KPa,从一段压缩机CP01出来后温度为144.3?，压力为1.57MPa,.再经过空冷器E0502后温度为40 ?，压力为1.52MPa。待进入气液分离罐V0502后变成气液两相，气相进入二段压缩机后温度为106.3?，压力为4MPa。然后气相与液相进入混合器MIX-101混合，进入下一个空冷器前温度为79.3?，压力为4MPa。待工质流出空冷器E0503后温度为40?，压力则为3.94MPa。接着再进入气液分离器V0503，液相进入混合器MIX100时温度为40.9?，压力为4.03MPa。经混合器混合后再进入换热器E501进行换热到温度-43?，压力3.91MPa进入换热器E502，经再次换热为温度-157?，压力3.87MPa。从该换热器出来后经过节流阀JTV1，温度降为-159?，压力降为330KPa，然后再次进入换热器E502温度升高为-48.18?，接着再次进入冷箱E501，开始新的循环。 - 23 - 第4章 混合冷剂制冷天然气液化流程模拟 图4.2 单级混合冷剂制冷液化装置流程hysys模拟图 - 24 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 表4.1 单级混合冷剂制冷流程模拟参数 设备 流量Q124.9kgmol/h 568.5 一级压缩机功率(kW) 240.0 二级压缩机功率(kW) 3.028 一级冷剂泵功率(kW) 0.3070 二级冷剂泵功率(kW) -155.4 LNG产品温度(?) 表4.2 物料平衡表(天然气入口压力5MPa，流量124.9kgmol/h) 物料 温度(?) 压力(kPa) 摩尔流量(kgmole/h) 质量流量(kg/h) 闪蒸率 ng-01 45 5000 124.9 2073 1 ng-03 -43 4970 124.9 2073 1 ng-1-104 -157 4930 124.9 2073 0 ng-05 -155.4 400 124.9 2073 0 re-13 38.54 260 310 10740 1 re-14 144.3 1579 310 10740 1 re-h01 40.03 3940 310 10740 0.7041 re-h02 -43 3910 310 10740 0.2633 re-m01 38.54 260 310 10740 1 - 25 - 第5章 第5章 天然气膨胀液化流程模拟 5.1 膨胀机制冷天然气液化流程分析 带膨胀机的天然气液化流程，是通过采用透平膨胀机进行等熵膨胀而达到降 [14]温目的的过程。天然气膨胀液化工艺是利用天然气自身压力进行膨胀对外做功而降温液化的液化工艺流程。天然气膨胀机液化工艺的特点是流程简单、设备少、调节灵活、工作可靠、维修方便、几乎不需要电能。但是该循环仅仅适用于当原料气有较高的压力，且天然气液化率要求不高的场合。如果原料气压力较低，则需要另外增加天然气压缩机进行增压，这样就导致设备投资和操作能耗均增加。天然气膨胀液化工艺的天然气液化率在10%~15%左右，剩余的气体均变为低压气体。 天然气膨胀液化工艺流程的关键设备是透平膨胀装置，它的主要能量由膨胀机提供，膨胀后的低压气可以直接进入天然气管网供用户使用。要达到液化率10%~15%，就要求原料气的初始压力要大于3~3.5MPa。 本文的天然气膨胀制冷液化流程采用无预冷的单级天然气膨胀和无预冷的双级天然气膨胀液化流程。 5.1.1 单级天然气膨胀天然气液化流程 在单级天然气膨胀液化流程中，来自管道天然气的原料天然气经门站调压至5MPa后进入该装置，经过预处理后，其中一股作为膨胀气进入换热器冷却后，流入透平膨胀机中绝热膨胀后返回换热器复热，再经透平膨胀机同轴带动的增压机增压、冷却后返回低压管网供用户使用。而来自管道天然气的另一股原料气作为液化气流，经过脱碳净化单元后，进入冷箱中逐步冷却、冷凝成LNG产品，并经过冷器节流后，节流过程产生的气体再经过换热器复热后直接进入供气管道。单级天然气膨胀液化流程图见图5.1所示。 - 26 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 去低压管网 膨胀阀 脱碳单元预处理 管道气 空冷器冷箱二冷箱一去低压管网 压缩机 膨胀机 图5.1 单级天然气膨胀液化流程图 - 27 - 第5章 天然气膨胀液化流程模拟 5.1.1 双级天然气膨胀天然气液化流程 在双级天然气膨胀天然气液化流程中，来自管道天然气的原料天然气经过预处理后分为两股，其中一股作为膨胀气进入冷箱一被冷却后，进入第一透平膨胀机绝热膨胀后进入冷箱二再次冷却降温，然后进入第二透平膨胀机绝热膨胀后，经过透平膨胀机同轴带动的压缩机增压、冷却后返回低压管网，供用户使用。 而来自管道天然气的另一部分原料气作为液化气流经过预处理和净化后，进入冷箱逐步冷却冷凝成LNG产品，并经过冷器节流后，节流过程产生的气体再经过换热器复热后直接进入供气管道。单级天然气膨胀液化流程图见图5.2所示。 - 28 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 膨胀机膨胀机压缩机 去低压管网 脱碳单元预处理管道气膨胀阀 冷箱二冷箱一 图5.2 双级天然气膨胀液化装置流程图 - 29 - 第5章 天然气膨胀液化流程模拟 5.2膨胀机制冷的模拟条件 单级混合冷剂制冷所需参数取值分别为: ?天然气的流量1249kgmol/h。 ?天然气的入口压力5MPa、入口温度45?和各组分摩尔分数为:甲烷为96.59%，乙烷1.50%，丙烷3.11%，丁烷0.05%，异丁烷0.05%，氮气1.45%。 ?LNG储存温度为-142?，压力为400KPa。 ?压缩机入口压力、出口压力及温度在两中不同。 ?压缩机效率取值80%。 ?J-T阀门开度设定为50%。 5.3 天然气膨胀制冷模拟结果 5.3.1 单级天然气膨胀制冷天然气液化流程模拟结果 本文利用hysys软件对单级天然气膨胀制冷天然气液化流程的模拟结果见图5.3所示。 膨胀气:原料天然气其中一股作为膨胀气流量为1037kgmole/h进入换热器LNG-100冷却后，流入透平膨胀机K-100中绝热膨胀后返回换热器LNG-100复热，再经透平膨胀机K-100同轴带动的增压机K-101增压、冷却到79.38?、2MPa后返回低压管网供用户使用。 原料气:来自管道天然气的另一股原料气作为液化气流，经过脱碳净化单元后，进入冷箱中逐步冷却、冷凝成LNG产品温度为142?,400KPa，并经过冷器节流后，节流过程产生的气体再经过换热器复热至35?，340KPa后直接进入供气管道。 用hysys进行模拟得出的数据如表5.1所示。 表5.1 单级天然气膨胀制冷流程模拟参数 设备 流量Q124.9kgmol/h 445.6 一级压缩机功率(kW) -445.6 膨胀机功率(kW) -142 LNG产品温度(?) - 30 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 5.3.2 双级天然气膨胀制冷天然气液化流程模拟结果 本文利用hysys软件对双级天然气膨胀制冷天然气液化流程的模拟结果见图5.4所示。 膨胀气:来自管道天然气的原料天然气经过预处理后分为两股，其中一股作为膨胀气流量为1062kgmole/h，进入冷箱LE01被冷却后，进入第一透平膨胀机EP01绝热膨胀后进入冷箱LE02再次冷却降温，然后进入第二透平膨胀机EP02绝热膨胀后，经过透平膨胀机同轴带动的压缩机CP01增压、冷却后进入到空冷器E101冷却到40?,1.86MPa后返回低压管网，供用户使用。 原料气:来自管道天然气的另一部分原料气作为液化气流经过预处理和净化后，进入冷箱逐步冷却冷凝成LNG产品温度为-142?压力为400KPa，并经过冷器节流后，节流过程产生的气体再经过换热器复热后直接进入供气管道。 用hysys进行模拟得出的相关数据见表5.2所示。 表5.2 双级天然气膨胀制冷流程模拟参数 设备 流量Q124.9kgmol/h 107.3 一级压缩机功率(kW) 292.3 二级压缩机功率(kW) -107.3 一级膨胀机功率(kW) -292.3 二级膨胀机功率(kW) -142.1 LNG产品温度(?) - 31 - 第5章 天然气膨胀液化流程模拟 图5.3 单级天然气膨胀制冷液化装置流程图 - 32 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 图5.4 双级天然气膨胀制冷液化装置流程图 - 33 - 第7章 结 论 第6章 利用管道压差的天然气液化工艺流程选择 对于调峰型天然气液化装置，如果建设在城市供气管网附近，天然气液化装置的原料天然气来自管道天然气，那么就可以利用管道气与通向用户的低压管网之间的压力差来为天然气液化装置提供能量，使天然气液化装置几乎可以不需要外界能量来实现天然气液化的目的。 6.1 天然气液化工艺流程选择原则 对于天然气液化装置，工艺流程的选择是一个关键的问题。只有选择了适当的天然气液化工艺流程，最大程度地发挥其经济效益及社会效益。 利用管道压差的天然气液化工艺流程的选择，与其它条件下的液化工艺流程选择一样，必须综合考虑以下因素:液化装置的综合投资、能耗、可靠性、安全性、环保性、操作维护的方便性等。 由于级联式天然气液化流程由于自身投资额大、设备及附属设备较多、流程复杂、操作维护不方便等因素，在现在已经应用很少。对于利用管道压差的天然气液化工艺流程的选择，本文选择在混合冷剂制冷循环和带膨胀机的天然气液化循环工艺流程中选择。对于小型调峰型天然气液化流程，一般采用单级混合冷剂制冷液化流程。由于管道天然气与供用户用气的低压管网之间的压差的存在有可能使用天然气膨胀循环，故本文选用单级混合冷剂制冷天然气液化流程和天然气膨胀液化循环。 6.2 混合冷剂制冷和膨胀机制冷对比分析 要在几个天然气液化流程中选择适当的液化工艺流程，就需要对这些液化流程的重要指标进行对比分析。下面对混合冷剂制冷液化工艺流程和膨胀机制冷天然气液化流程进行能耗、设备参数等方面的对比分析，以综合权衡评价各个工艺流程的优缺点，最终优选出一种最适合的天然气液化工艺。 6.2.1 两种液化流程能耗对比 运用hysys软件对天然气入口压力5MPa，流量124.9kgmol/h下单级混合冷剂制冷、天然气入口压力5MPa，流量1249kgmol/h的单级天然气膨胀制冷及双级天然气膨胀制冷三种液化流程进行模拟，得到这三种液化工艺流程能耗，见表6.1所示。 - 34 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 表6.1 三种液化工艺流程能耗 单级混合冷剂 单级天然气膨胀 双级天然气膨胀 工艺方案 制冷 制冷 制冷 568.5 445.6 107.3 压缩机1功率 240.0 292.3 压缩机2功率 3.028 一级冷剂泵功率 0.3070 二级冷剂泵功率 -445.6 -107.3 膨胀机1功率 -292.3 膨胀机2功率 811.84 0 0 总计 这三种流程的LNG产品相关参数如表6.2所示。 表6.2 三种液化工艺流程LNG产品参数 单级混合冷剂 单级天然气膨胀 双级天然气膨胀制 工艺方案 制冷 制冷 冷 -155.4 -142 -142.1 温度(?) 400 400 400 压力(kPa) 2073 2276 2157 质量流量(kg/h) 124.9 136.6 129.7 摩尔流量(kgmole/h) 6.2.2 两种液化流程设备参数对比 各流程设备参数见表6.3所示: - 35 - 第7章 结 论 表6.2 各流程设备参数 设备名称 能耗(kW) 入口压力(kPa) 出口压力(kPa) 入口温度(?) 出口温度(?) 流量(kgmole/h) 568.5 260 1570 38.54 144.3 310 单级混合压缩机1 240 1520 4000 40 106.3 273.9 单级混合压缩机2 3.028 1520 4000 40 41.49 36.12 单级混合制冷泵1 0.307 3940 4030 40 40.09 91.78 单级混合制冷泵2 445.6 1257 1998 37.14 79.38 1037 单级膨胀压缩机 -445.6 4970 1287 -34 -99.98 1037 单级膨胀膨胀机 107.3 1270 1422 38.84 48.93 1062 双级压缩机1 2923 1412 1872 40 67.15 1062 双级压缩机2 -107.3 4985 4000 0 -13.76 1062 双级膨胀机1 -292.3 3985 1300 -60 -106.6 1062 双级膨胀机2 - 36 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 6.3 液化工艺流程选择结果 由模拟结果可以看出，在天然气膨胀制冷工艺流程中，利用高压天然气在膨胀机中膨胀时释放的能量转化为机械能，可以带动压缩机运行，这样在整个流程中就几乎不需要外加能量。并且，天然气膨胀流程简单、所需设备较少，调节灵活、工作可靠。而混合冷剂制冷天然气液化流程与天然气膨胀液化流程相比，流程更加复杂，投资额较大，因此，在原料气具有较高的自由压力的天然气液化工艺中，我们选择天然气膨胀液化工艺流程。 - 37 - 第7章 结 论 第7章 结 论 由于我国天然气供需失衡以及天然气消费量随季节变化较大，所以必需对天然气利用进行调峰处理。我国正进入天然气消费的高峰期，而我国天然气管网尚未覆盖全国所有区域，因而采用液化天然气来进行调峰或将液化天然气供应到管网不能覆盖的地区是切实可行的。 当需要液化的原料天然气本身具有较高的压力时，我们就可以选用天然气膨胀制冷液化流程。通过模拟研究，可以得出以下结论: ? 天然气膨胀液化流程设备简单、结构紧凑、工作可靠、维修方便，不需要外界能量，相对于混合冷剂制冷天然气液化流程，使液化装置的投资成本大大减少。 ? 对于天然气膨胀液化流程，单级的天然气膨胀工艺流程比单级天然气膨胀液化流程的液化率要高，但是由于双级天然气膨胀工艺的设备投资较单级天然气膨胀工艺流程要大得多，故在小型天然气膨胀液化装置中建议选用单级天然气膨胀液化流程。 ? 天然气膨胀液化工艺流程只是适用于原料气压力较高，并且对天然气液化率要求不高的场合。如果原料气压力较低，则需要增设天然气压缩机进行增压，反而使液化装置投资额增加。 - 38 - 中国石油大学(北京)硕士学位论文 参 考 文 献 [1] 林文胜，顾安忠，朱刚.天然气液化装置的流程选择.真空与低温.2001.6. 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