楊 文，郭悠悠，曹學文

（1. 中國石化銷售股份有限公司華南分公司，廣東 廣州 510620；2. 中國石油天然氣股份有限公司北京調(diào)控中心，北京 100007；3. 中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

2018年我國天然氣剩余技術(shù)可采儲量為5.7936萬億m3，具有較大開發(fā)應(yīng)用前景[1]。 但天然氣產(chǎn)地與消耗地區(qū)距離較遠，需要解決其儲存運輸問題。 液化天然氣因其體積優(yōu)勢（約為氣態(tài)天然氣的1/625），常被用來進行天然氣的儲存和運輸。 目前，天然氣液化流程主要有級聯(lián)式循環(huán)、混合制冷劑循環(huán)以及膨脹制冷循環(huán)等3種[2-6]，但分別存在系統(tǒng)復雜、混合制冷劑配比困難、能耗大等缺點，采用此3種流程進行天然氣液化具有諸多局限，尤其是對于邊遠零散氣源氣體回收等場景的應(yīng)用。 針對這一問題，結(jié)合超聲速旋流分離器在天然氣脫水領(lǐng)域的良好表現(xiàn)[7,8]，擬將超聲速旋流分離器應(yīng)用于小型天然氣液化流程領(lǐng)域，用于回收零散天然氣，替代傳統(tǒng)液化流程中應(yīng)用的J-T閥和膨脹機設(shè)備，簡化、小型化液化流程。筆者對Laval噴管制冷特性及氣體在Laval噴管內(nèi)的液化特性進行了分析，明確了超聲速旋流分離器應(yīng)用于氣體液化的可能性，并基于此提出了一種小型的新型液化流程，此流程對零散氣源及減壓站壓力能的回收具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 超聲速旋流分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計

Laval噴管是超聲速旋流分離器中氣體凝結(jié)液化的主要場所， 本文主要以Laval噴管為研究對象，開展了Laval噴管制冷特性及天然氣在Laval噴管內(nèi)液化特性的分析。 所設(shè)計噴管結(jié)構(gòu)如圖1所示。 其中， 喉部依據(jù)氣體等熵氣體流動原理進行設(shè)計，穩(wěn)定段直徑與喉部直徑之比取7～8之間， 長度取為喉部直徑的10倍，亞聲速收縮段、擴張段分別采用雙三次曲線法、圓弧加直線方法進行設(shè)計。 所設(shè)計的Laval噴管渦流小，可有效消除膨脹波，氣流均勻，極大程度上減小了對氣體凝結(jié)液化過程的影響。

圖1 Laval噴管結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of Laval nozzle

2 制冷特性分析

利用FLUENT、HYSYS軟件對比分析天然氣在節(jié)流膨脹制冷裝置中（Laval噴管、節(jié)流閥以及透平膨脹機）的制冷特性。在相同壓力（p0，入口參數(shù)下標為0，出口參數(shù)下標為2）、溫度（T0）及組分入口條件下， 溫降是節(jié)流膨脹制冷裝置最直接的衡量參數(shù)，故通過溫降對比，分析Laval噴管制冷特性。 甲烷是天然氣的主要組成部分， 含有少量乙烷和丙烷，因此，分別計算了單組分（100%甲烷）、雙組分（90%甲烷+10%乙烷）以及三組分（90%甲烷+5%乙烷+5%丙烷）情況下溫降結(jié)果（見圖2～圖4，Laval噴管內(nèi)溫降采用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬計算得到， 節(jié)流閥及膨脹機內(nèi)溫降采用HYSYS軟件進行計算得到）。 圖2為單組分情況下，相同入口壓力、入口溫度，在Laval噴管、節(jié)流閥以及透平膨脹機中各出口壓力情況下溫降計算結(jié)果，圖3、圖4則分別為雙組分、三組分情況下各裝置中的溫降計算結(jié)果。 從圖2～圖4中可以看出，在不同組分情況下，Laval噴管的制冷效果整體優(yōu)于節(jié)流閥和膨脹機，尤其是在低壓比的情況下（出口壓力p2/入口壓力p0）可利用Lava噴管替代傳統(tǒng)制冷工藝中制冷設(shè)備， 可有效簡化流程，提升工藝流程的整體可靠性及液化效率。

圖2 單組分天然氣在各裝置中溫降計算結(jié)果Fig. 2 Calculated temperature drop of various equipment for 100% methane

圖3 雙組分天然氣（90%甲烷+10%乙烷）在各裝置中溫降計算結(jié)果Fig. 3 Calculated temperature drop of various equipment for the gas containing 90% methane and 10%ethane

圖4 三組分天然氣（90%甲烷+5%乙烷+5%丙烷）在各裝置中溫降計算結(jié)果Fig. 4 Calculated temperature drop of various equipment for the gas containing 90% methane, 5% ethane and 5% propane

3 液化特性分析

3.1 液化過程模型

建立熱力學模型， 利用MATLAB軟件編制計算程序， 分別計算分析Laval噴管等設(shè)備內(nèi)單組分（100%甲烷）、雙組分（90%甲烷+10%乙烷）以及三組分（90%甲烷+5%乙烷+5%丙烷） 天然氣液化率（因膨脹機不能帶液操作，僅對Laval噴管、節(jié)流閥進行分析）。 天然氣在節(jié)流閥中流動時，因其與外界交換的熱量較小， 可看作等焓流動過程； 天然氣在Laval噴管中超聲速流動可看作等熵流動。 基于此，結(jié)合質(zhì)量守恒、能量守恒方程及相平衡理論，采用BWRS焓熵計算模型， 構(gòu)建了氣體在噴管和節(jié)流閥內(nèi)膨脹液化模型。

3.2 液化計算控制方程組

（1）等熵模型

建立等熵流動控制方程組如下所示，質(zhì)量守恒方程見式（1），等熵方程見式（2）。

（2）等焓模型

建立等焓流動控制方程組如下所示，質(zhì)量守恒方程見式（3），等焓方程見式（4）。

其中：H′為總焓，J。

3.3 相平衡計算

相平衡計算模型見式（5）～式（10）

其中：f為逸度，Pa；x、y分別為液相和氣相摩爾分數(shù)；φ為逸度系數(shù)，無量綱，采用BWRS狀態(tài)方程進行計算；Vn表示氣相摩爾數(shù)，mol；F為體系總摩爾數(shù)，mol；Z為體系的總摩爾組成；KiVL為氣液平衡常數(shù)。

3.4 模型求解過程

具體計算流程圖見圖5，利用MATLAB編程進行計算。

圖5 計算流程圖Fig. 5 The calculation flowchart

3.5 計算結(jié)果與討論

采用編制的程序，分別計算了單組分（100%甲烷）、雙組分（90%甲烷+10%乙烷）以及三組分（90%甲烷+5%乙烷+5%丙烷）天然氣在Laval噴管和節(jié)流閥中的液化情況。 圖6（a）為單組分天然氣在入口溫度恒定、入口壓力變化情況下兩裝置中液化率計算結(jié)果；圖6（b）為單組分天然氣在入口壓力恒定、入口溫度變化情況下兩裝置中液化率計算結(jié)果。 從圖6中可以看出，在不同入口條件下，單組分天然氣在Laval噴管內(nèi)膨脹液化效率均高于節(jié)流閥內(nèi)。圖7、圖8則分別為雙組分、 三組分情況下兩裝置中的液化率計算結(jié)果，從圖7、圖8中可以看出，雙組分、三組分也呈現(xiàn)出了相同規(guī)律，也即天然氣在Laval噴管內(nèi)膨脹液化效率均高于節(jié)流閥內(nèi)。

4 新型液化流程

4.1 工藝流程設(shè)計

基于前文研究基礎(chǔ)，提出了一種新型小型天然氣液化流程，見圖9所示。 該流程中采用超聲速旋流分離器作為制冷裝置，所設(shè)計工藝流程簡單，且無需額外的能量參與，僅需利用氣體本身壓能。

圖6 單組分天然氣（100%甲烷）液化率計算結(jié)果Fig. 6 Calculated liquefaction rates for 100% methane

圖7 雙組分天然氣（90%甲烷+10%乙烷）液化率計算結(jié)果Fig. 7 Calculated liquefaction rates for the gas containing 90% methane and 10% ethane

圖8 三組分天然氣（90%甲烷+5%乙烷+5%丙烷）液化率計算結(jié)果Fig. 8 Calculated liquefaction rates for the gas containing 90% methane, 5% ethane and 5% propane

圖9 液化工藝流程圖Fig. 9 Liquefaction process flow diagram

4.2 調(diào)壓站計算分析

以某調(diào)壓站為實例進行計算，采用HYSYS軟件分別建立液化流程，計算分析Laval噴管和節(jié)流閥作為核心部件時流程液化率（采用與真實氣體更為接近的三組分氣體組成來進行計算分析，天然氣組成為：90%甲烷+5%乙烷+5%丙烷）， 調(diào)壓站參數(shù)見表1，液化率計算結(jié)果見表2所示。 從表2中可以看出，在所計算入口壓力范圍內(nèi)，Laval噴管作為核心部件的液化流程液化率范圍為0.0795～0.1321，而節(jié)流閥作為核心部件的液化流程液化率始終為0。 因此，可以認為，本文所提出的新型小型液化流程可實現(xiàn)零散氣源的部分液化， 且能實現(xiàn)壓能的回收利用，具有一定的工程實用價值。

表1 調(diào)壓站工作參數(shù)Table 1 Working parameters of regulator station

表2 液化率計算結(jié)果Table 2 Liquefaction rate calculation results

5 結(jié)論

提出利用超聲速旋流分離技術(shù)開展天然氣液化，對超聲速旋流分離器核心部件——Laval噴管的制冷特性及天然氣在其中的液化特性進行了分析，并提出了一種新型小型天然氣液化流程，應(yīng)用于調(diào)壓站可取得較好的液化及壓能回收效果。

（1）利用計算分析軟件（FLUENT及HYSYS），分析對比了Laval噴管、節(jié)流閥、膨脹機的制冷特性，從計算結(jié)果看出，Laval噴管的整體制冷效果明顯優(yōu)于節(jié)流閥、膨脹機。

（2）基于熱力學理論，利用MATLAB軟件編制不同組分天然氣在Laval噴管和節(jié)流閥內(nèi)液化率計算程序， 研究結(jié)果表明，Laval噴管內(nèi)不同組分液化率均高于節(jié)流閥內(nèi)氣體液化率，Laval噴管具有取代液化流程中節(jié)流閥的可行性。

（3）提出了一種新型小型天然氣液化流程，可用于零散氣源及天然氣壓力能回收。 當入口壓力為5MPa、溫度為300K，利用所提出的液化流程回收壓力能時其天然氣液化率可達到0.1321。