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膨脹前預(yù)冷壓差液化流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化①

馬國光1季夏夏1高 俊2陶 敏3

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)2.山西天然氣有限公司3.中原油田分公司普光采氣廠

摘要為了更好地利用分輸站的壓差制冷液化天然氣，采用膨脹前預(yù)冷液化天然氣流程，其預(yù)冷工藝對其整個(gè)工藝裝置的能耗有很重要的影響。針對這一問題，對工藝過程中的預(yù)冷工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基于聯(lián)立模塊法，對不同的壓縮段數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，從而對其進(jìn)行模擬計(jì)算，得到最優(yōu)的壓縮段數(shù)，最大可能降低裝置的能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞分輸站結(jié)構(gòu)優(yōu)化能耗經(jīng)濟(jì)效益

天然氣分輸站的功能是將上游高壓來氣調(diào)壓至中壓或低壓，然后輸送至下游用戶，在調(diào)壓過程中，存在很大的壓力能損失，將其轉(zhuǎn)化為冷能加以利用是一種很好的壓力能回收方法。直接利用分輸站壓力能液化天然氣，液化能力較小，液化率最大為18%左右，經(jīng)濟(jì)效益低[1]。為了提高分輸站壓力能回收的經(jīng)濟(jì)效益，通常采用增加外冷循環(huán)提高天然氣液化率。膨脹前預(yù)冷差壓液化流程是在分輸站直接利用壓力能液化工藝上增加預(yù)冷循環(huán)，具有能耗低、效益高的特點(diǎn)[2]。

1膨脹前預(yù)冷壓差液化流程

膨脹前預(yù)冷壓差液化流程的工藝流程見圖1。

該流程主要由預(yù)冷冷劑循環(huán)、膨脹制冷支路和天然氣液化支路組成。

預(yù)冷冷劑循環(huán)：冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入水冷器冷卻，再經(jīng)換熱器I冷卻后由節(jié)流閥節(jié)流降溫降壓，然后再次進(jìn)入換熱器I，為膨脹流股天然氣和液化流股天然氣提供冷量，最后進(jìn)入壓縮機(jī)，完成預(yù)冷循環(huán)。

天然氣膨脹制冷支路：分輸站來氣中的一部分高壓天然氣經(jīng)深度脫水后進(jìn)入換熱器I，作為膨脹流股天然氣經(jīng)冷劑循環(huán)預(yù)冷后進(jìn)入膨脹機(jī)II，膨脹降溫降壓后依次進(jìn)入換熱器II和換熱器I，為液化流股和膨脹流股天然氣提供冷量，然后進(jìn)入膨脹機(jī)II壓縮端增壓后外輸。

天然氣液化支路：分輸站來氣中的剩余一部分天然氣經(jīng)深度凈化、脫水后進(jìn)入膨脹機(jī)I壓縮端，增壓至一定壓力后進(jìn)入換熱器I，經(jīng)預(yù)冷后進(jìn)入膨脹機(jī)I的膨脹端，膨脹降溫降壓后進(jìn)入氣液兩相分離器，將重?zé)N分離，液相去凝液回收裝置，氣相進(jìn)入換熱器II，通過液化過冷后由節(jié)流閥節(jié)流降壓，最后進(jìn)入分離器進(jìn)行LNG和BOG的分離，LNG產(chǎn)品進(jìn)低溫儲罐。

對于膨脹前預(yù)冷壓差液化流程，預(yù)冷冷劑循環(huán)為液化流股天然氣和膨脹流股天然氣提供預(yù)冷冷量，預(yù)冷冷量來自外冷循環(huán)。預(yù)冷循環(huán)為外冷循環(huán)，是液化裝置主要的能耗環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對于降低能耗具有很重要的意義[3]。

2預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

以聯(lián)立模塊法建立預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，優(yōu)選預(yù)冷冷劑壓縮機(jī)段數(shù)。

2.1　聯(lián)立模塊法

聯(lián)立模塊法最初由Rosen提出，采用“黑箱”單元模塊來解決系統(tǒng)模擬問題的新方法。它繼承了聯(lián)立方程法和序貫?zāi)K法的優(yōu)點(diǎn)，具有所需計(jì)算內(nèi)存較小、計(jì)算效率較高以及易通用等特點(diǎn)，是處理設(shè)計(jì)問題、模擬問題及其相應(yīng)優(yōu)化問題的有效模擬方法[4]。

2.2　預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.2.1一段壓縮

一段壓縮冷卻的工藝流程見圖2。

根據(jù)工藝流程建立一段壓縮系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下：

aT21·Dp1+aT22·Dp2+aT23·DT1-DT2=0

(1)

aWc1·DG1+aWc2·Dp1+aWc3·Dp2+

aWc4·DT1-DWc=0

(2)

aQ1·DG1+(aQ2+aQ3)·Dp2+

aQ4·DT2+aQ5·DT3-DQ=0

(3)

式中：G為冷劑質(zhì)量流量，kg/h；p為氣體壓力，kPa；T為氣體溫度，K；Wc為冷劑壓縮機(jī)軸功率，kW；Q為冷卻器負(fù)荷，kW;D為最小偏差；a為Jacobian矩陣系數(shù)。下標(biāo)含義：a下標(biāo)由兩部分組成，第一部分對應(yīng)流股號，第二部分表示方程中變量個(gè)數(shù)；同樣參數(shù)變量下標(biāo)對應(yīng)流股號，且流股號與圖2對應(yīng)。以下壓縮系統(tǒng)方程參數(shù)下標(biāo)含義相同。

根據(jù)以上的數(shù)學(xué)模型可以得到系統(tǒng)模型自由度為5，即(G1、p1、T1、p2、T3)，輸出變量數(shù)為3個(gè)，即(T2、Wc、Q)[5]。

2.2.2二段壓縮

二段壓縮冷卻的工藝流程見圖3。

根據(jù)工藝流程建立二段壓縮系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下：

aT21·Dp1+aT22·Dp2+aT23·DT1-DT2=0

(4)

aWc1·DG1+aWc2·Dp1+aWc3·Dp2+

aWc4·DT1-DWc=0

(5)

aQ1·DG1+(aQ2+aQ3)·Dp2+

aQ4·DT2+aQ5·DT3-DQ=0

(6)

aG41·DG1+aG42·Dp2+aG43·DT3+

aG44·Dxil-DG4=0

(7)

aG51·DG1+aG52·Dp2+aG53·DT3+

aG54·Dxil-DG5=0

(8)

aT61·Dp2+aT62·Dp6+

aT63·DT3-DT6=0

(9)

aWc′1·DG4+aWc′2·Dp2+aWc′3·Dp6+

aWc′4·DT3-DWc′=0

(10)

aT71·Dp2+aT72·Dp7+

aT73·DT3-DT7=0

(11)

aW1·DG5+aW2·Dp2+aW3·Dp7+

aW4·DT3-DW=0

(12)

aG81·DG4+aG82·DG5-DG8=0

(13)

ap81·Dp6+ap82·Dp7-Dp8=0

(14)

aT81·DT6+aT82·DT7-DT8=0

(15)

式中：p為氣體壓力，kPa；T為氣體溫度，K；G為冷劑質(zhì)量流量，kg/h；xi為冷劑i組分摩爾分?jǐn)?shù)；Wc為冷劑壓縮機(jī)I軸功率，kW；Q為冷卻器I負(fù)荷，kW；Wc′為冷劑壓縮機(jī)II軸功率，kW；W為冷劑泵I功率，kW；Q′為冷卻器II負(fù)荷，kW。

方程中，其他符號含義同上，各變量下標(biāo)流號如圖3所示。

根據(jù)以上的數(shù)學(xué)模型計(jì)算可得系統(tǒng)模型自由度為9，即(G1、p1、T1、xi1、p2、T3、p6、p7、T9)，輸出變量數(shù)為13個(gè)，即(T2、Wc、Q、G4、G5、T6、Wc′、T7、W、G8、p8、T8、Q′)。

2.2.3三段壓縮

三段壓縮冷卻的工藝流程見圖4。

根據(jù)工藝流程建立三段壓縮系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下：

aT21·Dp1+aT22·Dp2+aT23·DT1-DT2=0

(17)

aWc1·DG1+aWc2·Dp1+aWc3·Dp2+

aWc4·DT1-DWc=0

(18)

aQ1·DG1+(aQ2+aQ3)·Dp2+

aQ4·DT2+aQ5·DT3-DQ=0

(19)

aG41·DG1+aG42·Dp2+aG43·DT3+

aG44·Dxil-DG4=0

(20)

aG51·DG1+aG52·Dp2+aG53·DT3+

aG54·Dxil-DG5=0

(21)

aT61·Dp2+aT62·Dp6+

aT63·DT3-DT6=0

(22)

aWc′1·DG4+aWc′2·Dp2+aWc′3·Dp6+

aWc′4·DT3-DWc′=0

(23)

aT71·Dp2+aT72·Dp7+

aT73·DT3-DT7=0

(24)

aW1·DG5+aW2·Dp2+aW3·Dp7+

aW4·DT3-DW=0

(25)

aG81·DG4+aG82·DG5-DG8=0

(26)

ap81·Dp6+ap82·Dp7-Dp8=0

(27)

aT81·DT6+aT82·DT7-DT8=0

(28)

aG101·DG8+aG102·Dp8+aG103·DT9+

aG104·Dxil-DG10=0

(30)

aG111·DG8+aG112·Dp8+aG113·DT9+

aG114·Dxil-DG11=0

(31)

aT121·Dp8+aT122·Dp12+

aT123·DT9-DT12=0

(32)

aWc″1·DG10+aWc″2·Dp8+aWc″3·Dp12+

aWc″4·DT9-DWc″=0

(33)

aT131·Dp8+aT132·Dp13+

aT133·DT9-DT13=0

(34)

aG141·DG10+aG142·DG11-DG14=0

(36)

ap141·Dp12+ap142·Dp13-Dp14=0

(37)

aT141·DT12+aT142·DT13-DT14=0

(38)

aQ″1·DG148+(aQ″2+aQ″3)·Dp14+

aQ″4·DT14+aQ″5·DT15-DQ″=0

(39)

式中: p為氣體壓力，kPa；T為氣體溫度，K；G為冷劑質(zhì)量流量，kg/h；xi為冷劑i組分摩爾分?jǐn)?shù)；Wc為冷劑壓縮機(jī)I軸功率，kW；Q為冷卻器I負(fù)荷，kW；Wc′為冷劑壓縮機(jī)II軸功率，kW；W為冷劑泵I功率，kW；Q′為冷卻器II負(fù)荷，kW；Wc″為冷劑壓縮機(jī)III軸功率，kW；W′為冷劑泵II功率，kW；Q″為冷卻器III負(fù)荷，kW。

方程中，其他符號含義同上，各變量下標(biāo)流號如圖4所示。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型計(jì)算可得系統(tǒng)模型自由度為12，即(G1、p1、T1、xil、p2、T3、p6、p7、T9、p12、p13、T15), 系統(tǒng)輸出變量數(shù)為23個(gè)，即(T2、Wc、Q、G4、G5、T6、Wc′、T7、W、G8、p8、T8、Q′、G10、G11、T12、T13、Wc″、W′、G14、p14、T14、Q″)。

3預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)選

3.1　壓縮流程模擬分析

預(yù)冷冷劑壓縮系統(tǒng)中，存在的能耗有壓縮機(jī)功耗、冷劑泵功耗以及冷卻器負(fù)荷，即：

E=Wc+W+Q

(40)

式中：E為壓縮系統(tǒng)總能耗，kW；Wc為壓縮機(jī)功耗，kW；W為冷劑泵功耗，kW；Q為冷卻器負(fù)荷，kW。

以上述預(yù)冷冷劑壓縮系統(tǒng)建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為指導(dǎo)，對一段、二段、三段壓縮流程進(jìn)行模擬計(jì)算，可得多段壓縮系統(tǒng)中，級間壓力對壓縮流程總能耗存在以下的影響趨勢。

二段壓縮系統(tǒng)中級間壓力對總能耗的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著級間壓力的增大，壓縮系統(tǒng)總能耗呈先下降后上升的變化趨勢，存在一個(gè)極小值點(diǎn)。由此可得，該極小值點(diǎn)所對應(yīng)的壓力為二段壓縮系統(tǒng)最優(yōu)級間壓力。

三段壓縮系統(tǒng)中級間壓力對總能耗的影響如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知，三段壓縮系統(tǒng)總能耗隨著第一級和第二級間壓力的變化趨勢相同，都是先下降后上升，存在極小值點(diǎn)。因此，三段壓縮系統(tǒng)各級壓力的最優(yōu)值為極小值所對應(yīng)的壓力。由此可知，對于多段壓縮系統(tǒng)，級間壓力應(yīng)為壓力-能耗曲線圖中的極小值點(diǎn)。

3.2　壓縮流程結(jié)構(gòu)優(yōu)選

3.2.1基礎(chǔ)條件

已知某天然氣分輸站來氣壓力為7.0 MPa，溫度為298 K，流量為100×104m3/d，外輸壓力為2.5 MPa，天然氣組成見表1。

表1 天然氣組成Table1 Naturalgascomposition組成CH4C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12N2y/%95.572.270.330.040.050.020.021.70

3.2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)選

離心式壓縮機(jī)單級壓縮比相對較小，采用多段壓縮可實(shí)現(xiàn)較高的壓力。氣體經(jīng)各段壓縮后，溫度上升，需冷卻后進(jìn)一步壓縮，冷卻后混合物經(jīng)氣液兩相分離，氣相直接進(jìn)行壓縮，液相通過冷劑泵加壓。假設(shè)壓縮機(jī)效率均為0.75，且多段壓縮的級間壓力為最優(yōu)值，表2分析了不同壓縮段數(shù)下，壓縮機(jī)、冷劑泵以及冷卻器所耗的能量。表中以一段壓縮系統(tǒng)的冷劑增壓設(shè)備總功耗和冷凝器負(fù)荷為比較標(biāo)準(zhǔn)，取為1。

表2 壓縮機(jī)段數(shù)對能耗的影響Table2 Influenceofcompressionsectionnumberonenergyconsumption段數(shù)一段二段三段制冷負(fù)荷/kW333333333制冷溫度/K223223223冷劑冷凝溫度/K311311311壓縮機(jī)功耗/kW113.7497.9393.95冷劑泵功耗/kW00.560.61冷劑增壓設(shè)備總功耗/kW113.7498.4994.56冷劑增壓設(shè)備總功耗比較1(基準(zhǔn))0.870.83冷凝器負(fù)荷/kW318.35303.11299.18冷凝器負(fù)荷比較1(基準(zhǔn))0.950.93

由表2可以得出，增加壓縮機(jī)段數(shù)后，增壓設(shè)備總功耗逐漸降低，同時(shí)冷卻器負(fù)荷也呈下降變化。但是壓縮段數(shù)越多就會造成工藝流程越復(fù)雜，而設(shè)備數(shù)量的增加又會使建造成本增加。根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)壓縮機(jī)的使用情況，裝置成本最優(yōu)時(shí)，冷劑壓縮為三段壓縮比較合理。此時(shí)，壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)布置相對簡單，而且每段都能保持比較高的效率。因此，本工藝流程中預(yù)冷冷劑壓縮系統(tǒng)選擇三段壓縮。其整個(gè)工藝流程見圖8。

4結(jié) 論

本研究基于聯(lián)立模塊法對膨脹前預(yù)冷壓差液化流程的預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，通過模擬計(jì)算得出不同壓縮段數(shù)數(shù)學(xué)模型的自由度及輸出變量，為預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)的模擬計(jì)算優(yōu)選提供了理論基礎(chǔ)。通過對不同壓縮段數(shù)的能耗的計(jì)算，得出壓縮段數(shù)越多，能耗越低的規(guī)律。根據(jù)國內(nèi)壓縮機(jī)的使用情況，采用三段壓縮時(shí)，壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)布置相對簡單，而且每段都能保持比較高的效率。因此，為了降低裝置能耗，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，建議采用三段壓縮的方式對預(yù)冷冷劑進(jìn)行壓縮。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 馬國光， 高俊， 魏向東， 等． 利用分輸站的壓差液化天然氣研究[J]． 石油與天然氣化工， 2014， 43(6)： 622-625．

[2] 馬國光， 高俊， 魏向東， 等． 基于混合冷劑外冷的分輸站壓差液化天然氣研究[J]． 石油與天然氣化工， 2015， 44(2)： 54-59．

[3] 馬國光， 吳曉楠， 王元春． 液化天然氣技術(shù)[M]． 北京： 石油工業(yè)出版社， 2012： 36-40．

[4] 龔應(yīng)豪． 乙烯氧化制環(huán)氧乙烷過程的數(shù)學(xué)模擬[D]． 杭州： 浙江大學(xué)， 2005．

[5] 李清揚(yáng)， 莫孜中， 祁力群， 等． 非線性方程組的數(shù)值解法[M]． 北京： 科學(xué)出版社， 1997： 38-152．

Structure optimization of the natural gas liquefaction process

with RC before the expander

Ma Guoguang1， Ji Xiaxia1， Gao Jun2， Tao Min3

(1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,

Chengdu610500,China；2．ShanxiNaturalGasCo.,Ltd,Taiyuan030000，China；3.ZhongyuanOilfield

PuguangGasRecoveryPlant,Puyang457001,China)

Abstract:In order to liquefy natural gas using differential pressure of gas-distribution station pressure, the natural gas liquefaction process with RC before the expander is used commonly. The precooling process has important influence on the whole process unit's energy consumption. Aiming at this problem, the structure of the precooling process is optimized. Based on the method of simultaneous module, mathematical models of different compression section number is established, and the simulation calculation is carried on. Finally the optimal compression section number three is gotten, so it is utmost likely to reduce the energy consumption of the device and improve the economic benefit.

Key words:gas-distribution station, structure, optimization, energy consumption，economic benefit

收稿日期：2015-08-12；編輯：康莉

中圖分類號：TE646

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.011

作者簡介：①馬國光，男，四川巴中人，博士學(xué)歷，副教授，現(xiàn)就職于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，主要從事天然氣儲運(yùn)教學(xué)、設(shè)計(jì)及科研工作，發(fā)表論文30余篇，合作出版專著6部。E-mail:swpimgg@126.com