劉世民 李鵬 楊曉東 顧安忠

（1鄂爾多斯市星星能源有限公司 內(nèi)蒙古烏審旗 017300）2尼莎（西安）能源科技有限公司 陜西西安 710075）3上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)液化天然氣工廠建設(shè)發(fā)展迅速，混合制冷劑循環(huán)工藝（MRC）借其工程化經(jīng)驗(yàn)成熟、工藝流程簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)便靈活等優(yōu)勢(shì)成為100萬(wàn)m3級(jí)LNG工廠的首選，其在應(yīng)對(duì)中國(guó)天然氣液化工廠普遍存在的原料氣來(lái)源多樣化、組分不穩(wěn)定、氣源季節(jié)性變化等復(fù)雜工況的實(shí)踐中體現(xiàn)出了一定的適應(yīng)性。本文以西北某100萬(wàn)m3/d單回路混合冷劑整體循環(huán)液化工藝（SMR）實(shí)際操作情況為例，淺析液化天然氣工廠節(jié)能降耗技術(shù)的管理和應(yīng)用。

1 單回路混合冷劑整體循環(huán)液化工藝（SMR）流程簡(jiǎn)介

該廠所采用的單回路混合冷劑整體循環(huán)工藝屬于閉式單循環(huán)混合制冷工藝，制冷劑由氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷及異戊烷按一定比例混合而成，混合冷劑采?段壓縮，冷劑換熱器（冷箱）采用鋁制釬焊板翅式換熱器芯體?；旌侠鋭┭h(huán)來(lái)自冷劑吸入罐的混合冷劑經(jīng)冷劑壓縮機(jī)1段壓縮后，依次進(jìn)入1段冷卻器、分離器進(jìn)行冷卻、分離；氣相進(jìn)入冷劑壓縮機(jī)2段進(jìn)行再壓縮至4MPa，低壓液相冷劑經(jīng)泵送至2段冷卻器前與高壓高溫冷劑混合，再依次進(jìn)入2段冷卻器、分離器進(jìn)行冷卻、分離；氣相冷劑（直接進(jìn)入冷箱C通道頂部入口，高壓液相冷劑經(jīng)泵增壓后亦進(jìn)入冷箱C通道頂部與氣相冷劑匯合。常溫、高壓的氣液混合冷劑在向下流動(dòng)過(guò)程中被逐步冷卻、相變，在冷箱底部J-T閥前冷凝成液相后經(jīng)過(guò)J-T閥進(jìn)行節(jié)流膨脹，節(jié)流后的部分冷劑蒸發(fā)并產(chǎn)生溫降后返回進(jìn)入冷箱D通道底部，在向上流動(dòng)的過(guò)程中吸收原料氣和高壓冷劑側(cè)的熱負(fù)荷逐步升溫氣化，在冷箱頂部保證混合冷劑溫度在其露點(diǎn)以上，經(jīng)冷劑吸入罐后返回到壓縮機(jī)1段入口，完成整個(gè)混合冷劑循環(huán)過(guò)程。凈化后的天然氣進(jìn)入冷箱上段（通道A）預(yù)冷，被冷卻至大約-71℃（實(shí)際操作可以根據(jù)天然氣組分變化而相應(yīng)調(diào)整）引至重?zé)N分離罐進(jìn)行重組分離后，返回至冷箱下段（通道B）逐步被液化及過(guò)冷，在冷箱B通道底部引出冷箱，經(jīng)產(chǎn)品線控制閥降壓后引至LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，見(jiàn)圖1。

2 SMR混合制冷劑循環(huán)工藝的熱力學(xué)分析

天然氣混合制冷劑液化循環(huán)為蒸氣壓縮式制冷，遵循熱力學(xué)第一定律和第二定律。具體過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2中h為焓值、P為壓力。循環(huán)過(guò)程：1’-2（壓縮機(jī)）：等熵壓縮；2-3（冷凝器）：等壓放熱冷凝；3-3’（過(guò)冷器）：等壓放熱 過(guò) 冷 ；3’-4 （ 節(jié) 流閥）：等焓節(jié)流；4-1（蒸發(fā)器）：等壓吸熱制冷；1-1’（回?zé)崞鳎旱葔何鼰徇^(guò)熱。以下具體闡述該流程計(jì)算的方法。

（1）單位質(zhì)量制冷量 q0：1kg制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)從被冷卻物體吸收的熱量/（kJ/kg）。

（2）單位容積制冷量 qv：壓縮機(jī)每吸入1m3制冷劑蒸氣（按吸氣狀態(tài)計(jì)），在蒸發(fā)器中所產(chǎn)生的制冷量/（kJ/m3）。v1’為冷劑比熱容。

（3）制冷劑的質(zhì)量流量Q0為冷負(fù)荷；壓縮機(jī)每秒吸入制冷劑的質(zhì)量/（kg/s）。

（4）制冷劑的體積流量VR：壓縮機(jī)每秒吸入制冷劑的體積量/（m3/s）。

（5）單位冷凝熱負(fù)荷qk：1kg制冷劑在冷卻和冷凝過(guò)程中放出的熱量/（kJ/kg）。

（6）冷凝器熱負(fù)荷Qk：制冷劑在冷凝器中傳給冷卻介質(zhì)的總熱量/kJ。

（7）單位過(guò)冷負(fù)荷qgl：1kg制冷劑液體在過(guò)冷過(guò)程中放出的熱量/（kJ/kg）。

（8）過(guò)冷總負(fù)荷Qgl：制冷劑液體在過(guò)冷過(guò)程中釋放的總熱量/kJ。

（9）單位過(guò)熱負(fù)荷qgr：1kg制冷劑蒸氣在過(guò)熱過(guò)程中吸收的熱量/（kJ/kg）。

（10）過(guò)熱總負(fù)荷Qgr：制冷劑蒸氣在過(guò)熱過(guò)程中吸收的總熱量/kJ。

（11）單位理論壓縮功W0：壓縮機(jī)每壓縮并輸送1kg制冷劑所消耗的壓縮功/（kJ/kg）。

（12）壓縮機(jī)理論耗功率pth：壓縮機(jī)每秒壓縮并輸送制冷劑所消耗的功/（kJ/s）。

實(shí)際的過(guò)程中有多個(gè)環(huán)節(jié)是偏離上述理想過(guò)程，如：①壓縮過(guò)程不是等熵壓縮，有摩擦損失、有吸熱放熱現(xiàn)象；②熱交換過(guò)程存在傳熱溫差，過(guò)程不可逆；③系統(tǒng)存在節(jié)流損失；④系統(tǒng)存在流動(dòng)損失（流動(dòng)阻力造成壓降，熱損失）等等。以上的偏離情況會(huì)使得根據(jù)這些方程計(jì)算的流程結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行有一些偏差，但是對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)，上述圖2仍是非常直觀有效的節(jié)能降耗的技術(shù)手段，為生產(chǎn)運(yùn)行提供調(diào)節(jié)方向的指導(dǎo)；輔以Aspen HYSYS等商用流程模擬工具，可以對(duì)生產(chǎn)優(yōu)化、節(jié)能降耗提供有力的技術(shù)支持。

3 工藝液化天然氣工廠運(yùn)行節(jié)能降耗淺析

本文主要從裝置操作環(huán)境條件改變時(shí)如何優(yōu)化參數(shù)及對(duì)裝置能耗的影響角度進(jìn)行分析。

該裝置地處我國(guó)西北地區(qū)，氣候比較干燥、晝夜溫差大。該裝置循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度為出水28℃、回水33℃，從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，除了6～9月外，其余時(shí)段循環(huán)水出水溫度均可控制在20℃以下，因此，如何利用該環(huán)境溫度特點(diǎn)降低裝置能耗成為優(yōu)化裝置參數(shù)的關(guān)鍵。

3.1 出吸收塔天然氣溫度對(duì)裝置能耗的影響

該裝置MDEA溶液入塔溫度為38℃，天然氣出塔溫度為40℃，設(shè)置了出、入塔天然氣換熱器，天然氣進(jìn)入分子篩溫度為37.8℃，含水量為3.17kmol/h。通過(guò)模擬計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，天然氣溫度在 20～40℃區(qū)間，每降低1℃含水率降低 50～70ppm，天然氣含水率在25℃時(shí)僅為38℃時(shí)0.5左右，因此，降低天然氣進(jìn)入分子篩溫度對(duì)降低分子篩再生系統(tǒng)負(fù)荷和能耗、降低分子篩再生排出的工藝廢水大有益處。同時(shí)，也降低了天然氣進(jìn)入冷箱的溫度，降低了冷箱的熱負(fù)荷。

3.2 混合冷劑參數(shù)變化對(duì)裝置能耗的影響

離心式壓縮機(jī)氣體多變壓縮功率方程：

式中：G為多變壓縮軸功率/kW；W 為質(zhì)量流量/（kg/s）；MW為分子量；Zavg為平均壓縮性系數(shù)；T1為入口溫度/K；P2為出口壓力/kPa；P1為進(jìn)口壓力/kPa；n為多變指數(shù)；ηp為多變效率。

由于混合冷劑為多種成分組分的混合物，在液化循環(huán)過(guò)程中物性變化較大，因此，采用HYSYS模擬軟件進(jìn)行模擬分析，同時(shí)參比實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行比對(duì)。

（1）混合冷劑組分變化對(duì)裝置能耗的影響。裝置的混合冷劑設(shè)計(jì)配比為設(shè)計(jì)工況下的組分最優(yōu)解，而實(shí)際運(yùn)行中由于裝置負(fù)荷變化、環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的冷劑冷卻、分離溫度變化、原料氣組分變化等因素，往往與設(shè)計(jì)工況有一定偏離。裝置低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致冷箱換熱面積余量加大、最小傳熱溫度溫差降低抵消了冷劑組分配比偏差對(duì)能耗的一部分不利影響，且由于主壓縮機(jī)為定速設(shè)計(jì)，不同冷劑配比間能耗偏差不太明顯。但當(dāng)裝置高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，優(yōu)化冷劑配比就顯得尤為重要。由傳熱學(xué)和液化天然氣工藝熱力學(xué)基本原理可知，冷箱內(nèi)冷熱負(fù)荷曲線越接近（見(jiàn)圖3），熱損失越小、裝置功耗越低。針對(duì)LNG裝置實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化冷劑組分，在滿足最小傳熱溫差、低壓常溫段冷劑為過(guò)熱蒸氣等約束條件下冷熱曲線盡量趨近，達(dá)到壓縮機(jī)功耗最小的目標(biāo)，是實(shí)際操作中混合制冷工藝參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)（見(jiàn)表1）。

（2）混合冷劑冷卻溫度對(duì)裝置能耗的影響。在該裝置SMR液化工藝中，天然氣液化所需的冷量大約僅為冷劑換熱器熱負(fù)荷的15%～20%，因此降低混合冷劑壓縮機(jī) 1、2段冷卻分離溫度，可有效降低冷劑壓縮機(jī)功耗。從冷箱冷熱負(fù)荷曲線也可以看出，冷箱內(nèi)傳熱溫差高溫段較低溫段高、熱損失較大。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，混合冷劑冷卻溫度變化和組分配比變化協(xié)同作用，優(yōu)化后的混合冷劑冷卻溫度每降低1℃大約可節(jié)省1%的軸功率，裝置長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示與模擬結(jié)果基本相符（見(jiàn)表2）。

表1 不同冷劑組分下單位功耗對(duì)比表

表2 夏、冬2季制冷劑壓縮機(jī)功耗對(duì)比

4 結(jié)論

在日常的生產(chǎn)中，本文的技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合圖2的壓-焓圖先確定優(yōu)化運(yùn)行的方向，之后通過(guò)調(diào)節(jié)混合冷劑冷卻溫度和混合冷劑組分進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)模擬結(jié)果在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用優(yōu)化參數(shù)來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。本文研究的裝置于2008年11月開(kāi)車成功，筆者在該裝置超過(guò)10年的運(yùn)行優(yōu)化管理中，長(zhǎng)期堅(jiān)持上述的節(jié)能降耗調(diào)節(jié)手段，并監(jiān)測(cè)記錄裝置運(yùn)行功耗數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示裝置取得了年均LNG單位產(chǎn)品能耗降低6%～8%的好成績(jī)，裝置節(jié)能降耗管理取得了良好的效果。