陸學(xué)同高林軍程浩

（1中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085）

（2中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

混合制冷劑液化流程是以C1-C5及N2等五種以上的組分混合制冷劑為工質(zhì)，進(jìn)行逐級(jí)冷凝、蒸發(fā)、膨脹，得到不同溫度水平的制冷量，逐步冷卻和液化天然氣。此流程具有機(jī)組少、投資低、管理方便的優(yōu)點(diǎn)。

1 混合制冷劑的優(yōu)化選擇

混合制冷劑的組分和比例對(duì)系統(tǒng)功耗有顯著影響，制冷劑組分越多，換熱器內(nèi)的冷熱流換熱溫差越均勻，而制冷劑的儲(chǔ)配系統(tǒng)會(huì)越復(fù)雜，因此選擇合適的制冷劑十分重要。

混合制冷劑的選擇要遵循以下原則：熔點(diǎn)低，在液化系統(tǒng)中不會(huì)凝結(jié)；汽化潛熱大，以減少循環(huán)量；不同制冷劑的沸點(diǎn)差距大；制冷范圍包含常溫到-160℃，種類不宜過(guò)多。

混合制冷劑循環(huán)液化流程常以C1至C5的碳?xì)湮锛癗2等五種以上的組分混合制冷劑為工質(zhì)。

表1 純制冷劑性質(zhì)[6]

混合制冷劑組分比例需要依據(jù)天然氣組分核算液化裝置的熱量和物料平衡來(lái)決定。

混合制冷劑的N2含量由天然氣所需要的過(guò)冷度確定，隨著天然氣中氮含量的增加而增加?；旌现评鋭┑南鄬?duì)分子質(zhì)量應(yīng)隨天然氣平均相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大。

2 天然氣液化流程中各換熱器溫度的確定

2.1 天然氣預(yù)冷換熱器出口溫度的確定

在混合冷劑循環(huán)中，天然氣中重?zé)N的脫除優(yōu)先考慮低溫冷凝法，利用流程中的預(yù)冷換熱器使得天然氣獲得低溫，從而將超標(biāo)的重?zé)N液化分離。因此天然氣出預(yù)冷換熱器的溫度為脫超標(biāo)重?zé)N的溫度。

原料氣脫酸脫水后的重?zé)N含量指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 原料氣脫酸脫水處理后雜質(zhì)含量指標(biāo)

異戊烷正戊烷己烷環(huán)己烷甲基環(huán)戊烷甲基環(huán)己烷庚烷苯辛烷2.3%（摩爾百分?jǐn)?shù)）0.89%（摩爾百分?jǐn)?shù)）2.17×10-4（體積百分?jǐn)?shù)）7×10-5（體積百分?jǐn)?shù)）5×10-7（體積百分?jǐn)?shù)）甲苯1.15×10-4（體積百分?jǐn)?shù)）0.575%（摩爾分?jǐn)?shù)）0.335%（摩爾分?jǐn)?shù)）1.53×10-6（體積百分?jǐn)?shù)）2.49×10-4（體積百分?jǐn)?shù)）

天然氣預(yù)冷換熱器出口溫度確定步驟：

2.1.1 分析凈化處理后的原料氣組成，以表2為指導(dǎo)判斷需要脫除的重?zé)N。

2.1.2 使用HYSYS軟件模擬凈化后的原料氣在進(jìn)廠壓力條件下的物性，作各組分的液化率曲線。

2.1.3 根據(jù)原料氣超標(biāo)的重組分的液化率選擇脫重?zé)N的溫度即為預(yù)冷換熱器出口溫度。該溫度應(yīng)滿足天然氣損失率較小的情況下，能夠?qū)⒃蠚庵械某瑯?biāo)重?zé)N脫除到LNG雜質(zhì)含量指標(biāo)之內(nèi)。

2.2 通過(guò)以上步驟判斷，如天然氣利用低溫冷凝脫重?zé)N達(dá)標(biāo)的溫度下，天然氣損失量較大，重?zé)N選擇利用分子篩脫除。此時(shí)，天然氣預(yù)冷換熱器出口溫度為C3+液化率較大、而天然氣液化率較小的溫度。

2.2.1 天然氣過(guò)冷換熱器出口溫度的確定

天然氣過(guò)冷換熱器出口溫度為該流程中天然氣節(jié)流閥進(jìn)口溫度，可根據(jù)節(jié)流閥出口壓力、溫度確定。

2.2.2 天然氣主換熱器出口溫度的確定

天然氣主換熱器出口溫度的大小影響混合制冷劑的組成。天然氣主換熱器出口溫度的取值要確保N2和CH4的功耗最小。

目標(biāo)函數(shù)：W=Wc（min）。

約束條件：各換熱器冷熱流溫差不低于3℃。

確定步驟：

2.3 討論同一天然氣主換熱器出口溫度下，功耗隨甲烷摩爾分?jǐn)?shù)變化的曲線，尋找流程功耗最小值。

2.4 討論不同天然氣主換熱器出口溫度下，最小功耗所對(duì)應(yīng)的溫度值。

2.5 整個(gè)液化流程參數(shù)優(yōu)化后，通過(guò)熱平衡方程校核該溫度以達(dá)到流程功耗最小的目標(biāo)。

3 混合冷劑循環(huán)優(yōu)化理論

無(wú)預(yù)冷混合冷劑循環(huán)液化流程由混合制冷劑循環(huán)和天然氣液化循環(huán)組成。在流程優(yōu)化分析時(shí)，采用序貫?zāi)K法進(jìn)行流程模擬。無(wú)預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)液化流程信息流如圖1所示。

無(wú)預(yù)冷混合冷劑液化流程優(yōu)化設(shè)計(jì)：

3.1 目標(biāo)函數(shù)

W=Wc（min）

式中：W—無(wú)預(yù)冷混合冷劑液化流程總壓縮能耗，kW；Wc—混合冷劑壓縮機(jī)能耗，kW。

混合冷劑壓縮機(jī)采用離心式壓縮機(jī)?；旌侠鋭嚎s機(jī)能耗為離心式壓縮機(jī)的輸入功率N。

Wc=N

3.2 優(yōu)化參數(shù)

影響流程總壓縮能耗的參數(shù)有：壓縮機(jī)進(jìn)口氣體溫度（低壓混合冷劑溫度），壓縮機(jī)進(jìn)口氣體的壓力（低壓制冷劑壓力）、壓縮機(jī)出口氣體壓力（高壓制冷劑壓力），氣體流量（混合冷劑循環(huán)量）、壓縮機(jī)工作介質(zhì)（混合冷劑組成及配比）以及壓縮效率。

根據(jù)理論研究得，混合冷劑循環(huán)量與混合冷劑提供的冷量相關(guān)，而混合冷劑提供的冷量受混合冷劑物質(zhì)的組成和高壓制冷劑壓力、混合冷劑冷凝溫度的影響。

綜合分析可得，無(wú)預(yù)冷混合冷劑液化流程中尋求流程總壓縮功耗最小需優(yōu)化的參數(shù)有：混合冷劑冷凝溫度、混合制冷劑組成、高壓制冷劑壓力、低壓制冷劑壓力。

3.3 約束條件

3.3.1 混合冷劑各組分摩爾分?jǐn)?shù)之和為1；

3.3.2 氣液分離器中混合制冷劑處于兩相區(qū)；

3.3.3 壓縮機(jī)入口的混合制冷劑為氣相；

3.3.4 各換熱器中，冷熱流體最小溫度逼近值不低于3℃，且控制在3℃附近。

3.4 關(guān)鍵參數(shù)

在進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化模擬時(shí)，無(wú)預(yù)冷混合冷劑循環(huán)中有天然氣流經(jīng)預(yù)冷換熱器、主換熱器、過(guò)冷換熱器的出口溫度需要確定。

無(wú)預(yù)冷混合冷劑液化流程信息流框圖中節(jié)點(diǎn)2、4、5溫度的確定。

節(jié)點(diǎn)2溫度為天然氣出預(yù)冷換熱器的溫度，此溫度是重?zé)N分離的關(guān)鍵溫度，故t2為脫重?zé)N部分模擬計(jì)算的溫度。

節(jié)點(diǎn)4溫度為天然氣出主換熱器的溫度，該溫度值在參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中確定。

節(jié)點(diǎn)5溫度為天然氣出過(guò)冷換熱器的溫度，此溫度由產(chǎn)品的儲(chǔ)存溫度、壓力決定。

3.5 優(yōu)化策略

以混合冷劑壓縮機(jī)輸入功率為目標(biāo)函數(shù)，采用HYSYS軟件選用Peng-Robinson物性包模擬工藝流程，優(yōu)化策略如下：

第一步：討論確定混合冷劑冷凝溫度，從而確定冷凝器的類型，如圖2；

第二步：討論低壓混合冷劑溫度對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響，從而作為確定混合冷劑組成的約束條件；

離心式壓縮機(jī)軸功率與壓縮機(jī)進(jìn)口溫度呈正比，即低壓混合冷劑溫度越低，混合制冷劑壓縮功率越小。同時(shí)，在壓力一定的情況下，隨著溫度的降低，混合冷劑會(huì)出現(xiàn)兩相區(qū)。保證壓縮機(jī)入口混合制冷劑為氣相，故低壓混合冷劑的溫度應(yīng)高于露點(diǎn)溫度。

第三步：討論混合制冷劑組成，如圖3。

從制冷劑的熱力學(xué)數(shù)據(jù)可知，自N2，CH4-C6H14的壓縮功漸小，而潛熱則漸大?；趬嚎s制冷的原理，欲使液化功耗最小，應(yīng)在使天然氣液化的條件下，少用N2及低碳烴。

在液化流程中，N2，CH4為低溫段冷量的主要來(lái)源；C2H6為中溫段冷量的主要來(lái)源；C3H8為高溫段冷量的主要來(lái)源；C4H10、C5H12作為高溫段冷量來(lái)源，配有必要含量以降低冷劑壓縮功。故混合制冷劑組成在滿足天然氣液化低溫段、中溫段、高溫段冷量的前提下，尋求滿足目標(biāo)函數(shù)：制冷劑壓縮功最小。

第四步：討論高壓制冷劑壓力；

高壓制冷劑壓力通過(guò)影響混合冷劑循環(huán)量及壓比，進(jìn)一步影響混合冷劑壓縮機(jī)功耗。因此，通過(guò)工藝流程模擬計(jì)算，尋找低能耗下的最佳高壓制冷劑壓力。

第五步：討論低壓制冷劑壓力；

低壓制冷劑壓力會(huì)影響壓比，從而影響混合冷劑壓縮機(jī)功耗。在工藝流程模擬計(jì)算中，尋找低能耗下最佳低壓制冷劑壓力時(shí)需滿足各換熱器最小溫度逼近值不低于3℃，且控制在3℃附近的要求。

第六步：各換熱器性能分析。

混合冷劑組成確定后，低壓制冷劑壓力的確定過(guò)程中，過(guò)冷換熱器、主換熱器的最小溫度逼近值可控制在約束條件下，但預(yù)冷換熱器的最小溫度逼近值需通過(guò)調(diào)整混合冷劑循環(huán)量或混合冷劑冷凝溫度的值滿足約束條件。

第七步：混合冷劑循環(huán)量計(jì)算。

無(wú)預(yù)冷混合冷劑液化流程各性能參數(shù)、混合冷劑組成確定后，混合冷劑循環(huán)量的計(jì)算采用HYSYS軟件優(yōu)化器計(jì)算。

目標(biāo)函數(shù)：W=Wc（min）

式中：W—無(wú)預(yù)冷混合冷劑液化流程總壓縮能耗，kW；Wc—混合冷劑壓縮機(jī)能耗，kW。

約束條件：Min Approach（A1）>3

Min Approach（A3）>3

Min Approach（A4）>3

自變量：混合冷劑循環(huán)量

優(yōu)化方法：BOX

第八步：討論混合冷劑壓縮機(jī)級(jí)數(shù)；

在天然氣液化單元中，混合冷劑的高壓、低壓及溫度確定后，混合制冷劑壓縮冷卻級(jí)數(shù)不同，對(duì)整個(gè)流程的功耗影響不同。

4 混合冷劑循環(huán)優(yōu)化參數(shù)對(duì)流程性能影響

4.1 混合冷劑配比

在液化流程中，N2，CH4為低溫段冷量的主要來(lái)源；C2H6為中溫段冷量的主要來(lái)源；C3H8為高溫段冷量的主要來(lái)源；C4H10、C5H12有必要含量以降低冷劑壓縮功。

混合冷劑配比優(yōu)選利用工藝流程模擬討論混合制冷劑組成與流程性能的關(guān)系，從而得到較優(yōu)的混合制冷劑組成。

通過(guò)圖4-6可得，隨著N2、CH4、C2H6、n-C4H10、i-C5H12含量的變化，流程總存在著一個(gè)最小的功耗所對(duì)應(yīng)的摩爾分?jǐn)?shù)。由圖2可知，混合冷劑循環(huán)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為功耗最小，因此，混合制冷劑各組分對(duì)流程性能曲線的最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的摩爾分?jǐn)?shù)則為最優(yōu)的混合冷劑配比。

通過(guò)模擬可得：無(wú)預(yù)冷混合冷劑循環(huán)混合冷劑組成如表3。

表3 混合制冷劑的一般組成

4.2 混合冷劑冷凝溫度

由圖7可得，隨著混合冷劑冷凝溫度的降低，混合冷劑循環(huán)量和壓縮功耗呈降低趨勢(shì)。故天然氣液化流程中，為了達(dá)到能耗最小應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s設(shè)備將混合冷劑冷凝溫度降低到最低值。

4.3 低壓混合冷劑溫度

通過(guò)圖8可得，低壓混合冷劑溫度與壓縮機(jī)功耗呈正比關(guān)系，隨著低壓混合冷劑溫度的升高，壓縮功耗呈上升趨勢(shì)。

4.4 高壓制冷劑壓力

無(wú)預(yù)冷混合冷劑液化流程中，高壓制冷劑壓力對(duì)流程性能的影響見(jiàn)圖9。在保證壓縮機(jī)入口處混合冷劑為氣相的條件下，隨著制冷劑高壓壓力的升高，液化單位量的天然氣所需要的混合制冷劑循環(huán)量和流程功耗先下降后上升，存在一個(gè)最小值點(diǎn)。

4.5 低壓制冷劑壓力

無(wú)預(yù)冷混合冷劑液化流程中，流程壓縮功耗隨低壓制冷劑壓力變化曲線如圖10所示。低壓制冷劑壓力越高，壓縮機(jī)功耗越低。

低壓制冷劑壓力由各換熱器后節(jié)流閥的節(jié)流壓力決定。如節(jié)流壓力過(guò)高，節(jié)流閥的節(jié)流降溫效果降低，將會(huì)導(dǎo)致各換熱器中冷熱流溫差較小。在設(shè)計(jì)中，為了保證換熱器的冷熱流的傳熱動(dòng)力，冷熱流溫差不得低于3℃，同時(shí)為了避免冷熱流溫差過(guò)大造成?損失過(guò)大，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)控制在各換熱器的最小溫度逼近控制在3℃附近。低壓制冷劑壓力的優(yōu)化應(yīng)建立在保證各換熱器冷熱流的最小逼近溫度基礎(chǔ)上。

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