＊申濤 閆晶

（陜西延長石油天然氣股份有限公司 陜西 712000）

前言

解決天然氣的運(yùn)輸和儲存等問題，一般會選用液化天然氣的方法，因?yàn)橐夯烊粴饪梢栽诤艽蟪潭壬蠝p少天然氣在運(yùn)輸過程中的空間，有效地降低其運(yùn)輸成本，很好地促進(jìn)天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，加上本身運(yùn)輸天然氣液化就會消耗大量的能量，而其運(yùn)輸成本一般就會占全部成本的一半，所以，進(jìn)行天然氣液化過程的有效能的分析就顯得十分的重要和急迫。

在熱學(xué)方面來說，對于能量分析不僅僅要考慮到量的多少程度，還必須要重視質(zhì)的高低，熱學(xué)里的第一定律就是從量的角度對能量的傳遞和轉(zhuǎn)化必須遵循數(shù)量上的均衡進(jìn)行闡述，沒有涉及到質(zhì)的高低程度。所以，熱學(xué)的第一定律無法真正地將能量的合理運(yùn)用程度說明出來，也不可以將能量在傳遞轉(zhuǎn)化過程中的問題和情況精準(zhǔn)地反映回來。而為了能夠?qū)δ芰康馁|(zhì)量和運(yùn)用程度實(shí)行合理的比較，一位美國的學(xué)者在1932年第一次提出有效能的概念，也就是被稱為?的有效能，而其就是指代在一般環(huán)境的條件下，能量所能轉(zhuǎn)化和運(yùn)用的那一部分能量。

在天然氣液化的過程中，各個(gè)模塊之間的能量轉(zhuǎn)化傳遞的過程是十分復(fù)雜的，一部分可以歸為系統(tǒng)用能設(shè)備與外界環(huán)境發(fā)生能量轉(zhuǎn)化時(shí)造成的?損失，還有一部分是內(nèi)部設(shè)備在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化時(shí)導(dǎo)致的內(nèi)部?損失。為了能夠給系統(tǒng)進(jìn)行各個(gè)模塊的?損失分析，我們常常會選用黑箱、灰箱和白箱的方式來進(jìn)行?分析。其中黑箱模型的使用是將每一個(gè)用能設(shè)備看成一個(gè)用不透明的邊界所圍攏成的體系模型，并根據(jù)設(shè)備的輸入?以及輸出?的數(shù)據(jù)，運(yùn)用設(shè)備的?效率來計(jì)算出各個(gè)模塊間的?情況，這種模型具有比較簡單明確、精確可信的特點(diǎn)，這個(gè)也是當(dāng)前最為廣泛使用的一項(xiàng)?分析的技術(shù)手段；灰箱模型是用于評價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的用能情況以及鑒別系統(tǒng)用能的單薄步驟，其實(shí)灰箱模型的實(shí)質(zhì)也是一種黑箱網(wǎng)絡(luò)模型，因?yàn)榛蚁淠Ｐ偷奶攸c(diǎn)就是將系統(tǒng)的所有用能設(shè)備全部看作為黑箱；而白箱模型則就是將分析的對象看做成一個(gè)用透明邊界圍攏成的體系模型，正好與黑箱相反，這一模型不僅可以將體系內(nèi)的各個(gè)用能過程逐個(gè)地進(jìn)行分析，還可以對?損失以及各個(gè)用能設(shè)備的?效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。在對?損失進(jìn)行研究時(shí)，可以運(yùn)用上述方式來找到?損失的主要原因，并針對研究結(jié)果，有針對性地提出減少?損失的方案，最后實(shí)現(xiàn)省能降耗、提升有效能質(zhì)量的目標(biāo)。

1.天然氣混合制冷液化工藝的流程

首先將天然氣從冷箱E-401的頂部進(jìn)入到由鋁制釬焊制成的冷劑換熱器的E-401內(nèi)部，讓其在冷劑換熱器中過冷到-158℃，之后運(yùn)用節(jié)流閥降壓到100kPa后將得到的-164℃的LNG儲存在V-404中，與此同時(shí)會出部分地閃蒸氣。再將從V-403的高壓冷劑氣自上而下進(jìn)入到冷箱E-401，然后在進(jìn)行一系列的操作將其過冷到-160℃，之后再按照規(guī)定的操作流程進(jìn)行一系列的復(fù)雜操作，最后可以得到天然氣混合制冷液化的物質(zhì)。

2.混合制冷液化流程各模塊?分析模型的建立

在混合制冷液化的流程中需要建立起冷劑壓縮?分析模型、多股流換熱器?分析模型、節(jié)流閥?分析模型、混合器?分析模型等，運(yùn)用這幾種模塊的?損失率進(jìn)行運(yùn)算分析，并將其所涉及到的相均衡的常數(shù)等用一種具有非理想極性體系的熱學(xué)參數(shù)方面的Peng-Robinson模型對其進(jìn)行估算，因?yàn)檫@個(gè)模型可以更好地保證結(jié)果的精準(zhǔn)性和可信性。

3.減少混合制冷液化流程?損失的措施

在減少混合制冷液化的?損失，需要對各個(gè)部分的操作措施和設(shè)備進(jìn)行合理化的調(diào)整和升級，在優(yōu)化操作壓力和溫度時(shí)，可以將中壓冷劑壓力調(diào)整到1894kPa其溫度更改為36℃，高壓則要調(diào)整到3816kPa并將溫度調(diào)整到34℃，在優(yōu)化操作中，還需要根據(jù)實(shí)際情況分別將操作流量、冷劑配比和運(yùn)作設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4.混合制冷液化流程優(yōu)化前后的損失對比分析

?的損失最主要的原因是在冷劑壓縮、冷卻、節(jié)流氣化以及不同熱力學(xué)情況下的冷劑混合這幾個(gè)因素里，而為了能夠更進(jìn)一步地找出?損失的變化狀況，根據(jù)實(shí)施的優(yōu)化措施，再對優(yōu)化后的天然氣混合制冷液化流程進(jìn)行模擬觀察，然后在此基礎(chǔ)上與優(yōu)化之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

(1)冷劑壓縮中的損失

在冷劑壓縮的過程中通過優(yōu)化前后對比情況可知，優(yōu)化后的冷劑壓縮機(jī)的一級壓縮的損耗和?損失的情況都得到了優(yōu)化，對比優(yōu)化之前的數(shù)據(jù)都有所降低；二級壓縮的損耗和?損失與優(yōu)化之前的損耗損失相比也都有所降低。但是冷劑壓縮機(jī)的損耗主要是被冷劑流量和壓比所進(jìn)行控制的，如果一級的壓縮損耗最大，則?損失也就最大，而如若采取優(yōu)化措施將一級壓縮的壓縮比率從原本的6.345%降到2.075%，并且將流量從83888kg/h降到63527kg/h的時(shí)候，該損耗就會有所下降，并且整體的?損失也會下降5.32%之多。因此，優(yōu)化后的冷劑壓縮可以很好的降低?損失，提高有效效能。

(2)冷卻過程中的損失

從冷卻過程優(yōu)化前后的損耗與?損失的對比過程中可知，在優(yōu)化之前的冷卻過程的整體損耗高達(dá)14312.80kW，比較優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，該過程的整體耗能可以下降1370.75kW，而冷劑在轉(zhuǎn)化為液化的天然氣之前，必須要經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮、換熱器冷卻、冷箱冷凝以及節(jié)流閥節(jié)流氣化的過程，如果天然氣在冷箱中的各個(gè)方面的溫度和壓力保持不變的情況下，天然氣液化所必要的冷量就也會保持不變，如果再加上對其混合冷劑的各種關(guān)鍵操作進(jìn)行優(yōu)化升級，就可以使液化過程中的冷劑減少消耗的冷量，從而使冷箱的熱負(fù)荷量下降，并使其整體功耗下降和減少。與此同時(shí)，經(jīng)過優(yōu)化的相關(guān)系統(tǒng)，可以使?損失有明顯的下降趨勢。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的比對結(jié)果可知，在優(yōu)化后的換熱器的熱源線與熱阱線之間的距離不會相對的偏大，而且它的?損失也相對的偏小，比優(yōu)化前的情況要好很多，并且優(yōu)化完的系統(tǒng)在液化階段中的?損失最小。

(3)節(jié)流氣化過程中的損失

在必要的冷劑過程中，必須要經(jīng)過中壓液態(tài)冷劑節(jié)流氣化、高壓液態(tài)冷劑節(jié)流氣化、高壓氣態(tài)冷劑節(jié)流氣化，而在節(jié)流氣化過程中會有較大的?損失，其中，造成?損失的主要原因是因?yàn)槔錂C(jī)循環(huán)量和壓降。

在優(yōu)化前它們分別的?損失27.99kW、40.26kW、259.12kW，而在優(yōu)化后的節(jié)流氣化中的相對應(yīng)的?損失則是25.35kW、38.64kW、240.49kW，從表1數(shù)據(jù)中可知，在優(yōu)化后的節(jié)流閥整體的?損失已經(jīng)下降到304.48kW，但是在高壓氣態(tài)冷劑節(jié)流氣化的過程中，不管是在優(yōu)化前還是優(yōu)化后，它的?損失都是最大的，即使在優(yōu)化后高壓氣態(tài)冷劑節(jié)流氣化的?損失有所下降，但是其占比依舊最大，而這是因?yàn)楦邏簹鈶B(tài)冷劑的流量最大，并且它的節(jié)流氣化前后的壓差也是比較高的，所以在這一過程中的?損失是最大的。

表1 節(jié)流氣化過程中的?損失對比

(4)混合過程中的損失

在整個(gè)天然氣的液化過程中，需要進(jìn)行混合過程的只有兩處，分別是在中壓液態(tài)冷劑節(jié)流氣化之后與冷箱經(jīng)過冷段出口出的低壓冷劑進(jìn)行流體混合，而第二處則是在高壓液態(tài)冷劑節(jié)流之后與冷箱液化段出口處的低壓冷劑進(jìn)行流體混合。從混合流體過程中?損失的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算中可以看出，中壓液態(tài)冷劑節(jié)流氣化之后與冷箱經(jīng)過冷段出口處的低壓冷劑進(jìn)行流體混合時(shí)的?損失在優(yōu)化前是28.35kW，而在優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)顯示中可以知道，它的?損失已經(jīng)下降到22.31kW；高壓液態(tài)冷劑節(jié)流之后與冷箱液化段出口處的低壓冷劑進(jìn)行流體混合時(shí)的?損失在優(yōu)化以前保留的數(shù)據(jù)是90.28kW，而做出相對的優(yōu)化之后，它的?損失就降到了73.07kW，在整個(gè)流體混合過程中的總?損失則下降了19.60%。

(5)混合制冷液化流程損失的分析

在優(yōu)化前，整個(gè)的天然氣混合制液化過程中的冷劑壓縮過程、冷卻過程、節(jié)流氣化過程和混合過程中分別的?損失是2006.00kW、1425.49kW、328.12kW、118.64kW，而其分別的占比為51.72%、36.76%、8.46%、3.06%；而在進(jìn)行完優(yōu)化操作之后，它們的?損失可以下降到1899.17kW、1016.06kW、304.48kW、95.38kW，冷箱的整體?損失下降到了3315.09kW，很好地降低了在混合制冷液化流程中的?損失，從表2的數(shù)據(jù)中，我們也可以發(fā)現(xiàn)?損失在冷劑壓縮的過程中的損失最大，可以約占整體?損失的一半，僅次于冷劑壓縮的就是冷卻過程和節(jié)流氣化過程，而其中?損失占比最小的就是混合過程的?損失僅僅只占2.88%。

表2 混合制冷液化流程?損失對比

在冷劑壓縮過程中的?損失較大的原因是因?yàn)閴嚎s機(jī)的不可逆?zhèn)鳠嵝院徒^熱流體性，造成?損失主要集中在冷熱流體?損失、散熱?損失和溫差傳熱?損失等，并且在這些環(huán)節(jié)中的?損失是無法避免的，因此，在換熱過程中只能不斷通過改變傳熱的溫差來達(dá)到降低?損失的目的。

5.液化流程概述

(1)天然氣液化流程分類

天然氣液化流程可分成兩種，一種為功能分類，主要為基本負(fù)荷型液化裝置以及調(diào)峰型液化裝置，同時(shí)小型的LNG裝置也可調(diào)整為峰型液化裝置。另外一種是通過制冷方式分類，可將其分為三種：①級聯(lián)式液化流程。②混合制冷劑液化流程，其中涵蓋閉式、開式等。③帶膨脹機(jī)液化流程，其中涵蓋天然氣膨脹、氮?dú)馀蛎?、?甲烷膨脹等。此外需要說明的是，此劃分不嚴(yán)格，工程上一般涵蓋液化流程中某部分不同組合復(fù)合流程。而且每種方式也包括多種形式。

(2)液化流程優(yōu)缺點(diǎn)

首先，級聯(lián)式液化流程是一種階式液化流程、復(fù)疊式液化流程、串聯(lián)蒸發(fā)冷凝液流程，這些都可應(yīng)用在基本負(fù)荷型天然液化裝置中，此流程都是經(jīng)由許多獨(dú)立制冷循環(huán)構(gòu)成，在較低的循環(huán)將會將其熱量轉(zhuǎn)移到相鄰較高溫度循環(huán)中。級數(shù)逐漸增多，越是節(jié)能，簡單來講，功耗低、運(yùn)行費(fèi)用少，但是初期投資成本也會增大，在實(shí)際循環(huán)中采用級數(shù)從整體思考投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用方面因素來決定。

(3)帶膨脹機(jī)的液化流程

帶膨脹機(jī)液化流程（Expander Cycle)，是指利用高壓制冷劑通過透平膨脹機(jī)絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷實(shí)現(xiàn)天然氣液化的流程。氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時(shí)輸出功，可用于驅(qū)動流程中的壓縮機(jī)。當(dāng)管路輸來的進(jìn)入裝置的原料氣與離開液化裝置的商品氣有“自由”壓差時(shí)，液化過程就可能不要“從外界”加入能量，而是靠“自由”壓差通過膨脹機(jī)制冷，使進(jìn)入裝置的天然氣液化。流程的關(guān)鍵設(shè)備是透平膨脹機(jī)。

根據(jù)制冷劑的不同，可分為氮?dú)馀蛎浺夯鞒?、?甲烷膨脹液化流程和天然氣膨脹液化流程。

這類流程的優(yōu)點(diǎn)是：

①流程簡單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、易起動、易操作、維護(hù)方便；

②用天然氣本身作制冷工質(zhì)時(shí)，省去專門生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存制冷劑的費(fèi)用。

缺點(diǎn)是：

①送入裝置的氣流須全部深度干燥；

②用天然氣本身作制冷工質(zhì)時(shí)，回流壓力低，換熱面積大，單位設(shè)備投入大；受低壓用戶多少的限制；液化率低，如再循環(huán)，則在增加循環(huán)壓縮機(jī)后，功耗大大增加。

6.結(jié)論

在天然氣液化中，利用Peng-Robinson模型可以很好地對混合制冷過程進(jìn)行精準(zhǔn)的描述和預(yù)判，并且可以很好地達(dá)到減少?損失的效果；在液化過程中，可以采取優(yōu)化各個(gè)過程和環(huán)節(jié)的措施或是條件，來降低?損失，提高有效能的保留，從而完善天然氣液化的過程。