肖榮鴿，魏王穎，楊 奕，劉國(guó)慶，龐琳楠

（西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

天然氣作為低碳、清潔的一次能源[1]，是各個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)能源低碳化的重要資源。液化天然氣（LNG）因具有清潔、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)，在全球的生產(chǎn)量以及貿(mào)易量方面始終保持著快速增長(zhǎng)趨勢(shì)[2]，各個(gè)國(guó)家都在極力發(fā)展與本國(guó)情況相匹配的LNG技術(shù)[3]。在LNG產(chǎn)業(yè)鏈中，天然氣液化過(guò)程的能耗很高，導(dǎo)致成本居高不下，因此研究可降低能耗的LNG新技術(shù)，從而降低成本是推動(dòng)國(guó)內(nèi)LNG市場(chǎng)發(fā)展的方向。近年來(lái)天然氣液化技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)[4]，其中混合制冷劑液化流程被各大型LNG工廠普遍使用[5]，但對(duì)于雙循環(huán)混合制冷劑液化（DMR）流程的研究還很少。

多年來(lái)不斷有學(xué)者進(jìn)行混合制冷劑液化流程的優(yōu)化。遺傳算法[6]、混合整數(shù)非線性規(guī)劃算法和序貫二次程序法[7-8]等方法均通過(guò)優(yōu)化程序來(lái)調(diào)節(jié)制冷劑的組分配比，選擇合適的制冷劑組分配比可以達(dá)到降低流程能耗的目的，但上述方法均缺乏理論依據(jù)且優(yōu)化方案復(fù)雜。KBO法是Mohd于2013年所提出的一種基于理論知識(shí)的新型優(yōu)化方法，但適用性低且步驟繁瑣[9]，因此需對(duì)該方法進(jìn)行優(yōu)化。

為彌補(bǔ)以往優(yōu)化程序缺少理論知識(shí)支撐以及KBO法步驟繁瑣的缺陷，本研究將KBO法和Aspen HYSYS優(yōu)化器中的BOX算法結(jié)合，對(duì)DMR流程進(jìn)行探究，優(yōu)化DMR流程中各參數(shù)，如制冷劑組分、制冷劑配比以及工作壓力等，通過(guò)優(yōu)化后的能耗評(píng)價(jià)該方法的可行性，以期提高系統(tǒng)?效率，降低天然氣液化成本。

1 DMR流程優(yōu)化過(guò)程

1.1 DMR流程介紹

在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，普遍采用的混合制冷劑流程有單循環(huán)混合制冷劑（SMR）流程、丙烷預(yù)冷混合制冷劑（C3-MR）流程和DMR流程等，3種流程的適用性和特點(diǎn)各不相同[10]。由表1可知，DMR流程液化成本最低且換熱效率高，該流程無(wú)需考慮丙烷的最低預(yù)冷溫度，極大地提高了適應(yīng)性，被各大LNG工廠廣泛使用，因此對(duì)該流程進(jìn)行優(yōu)化模擬，降低流程能耗、提高系統(tǒng)?效率對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有著重要意義[11]。

表1 3種混合制冷劑液化流程對(duì)比Table 1 Comparison of 3 mixed refrigerant liquefaction processes

1.2 流程優(yōu)化方法和模型

1.2.1 優(yōu)化方法與約束條件

有效能分析是減少流程能耗，提高流程?效率的重要方法，其中壓縮機(jī)的能耗損失占總能耗的63.8%[12]，因此，研究如何降低壓縮機(jī)能耗是提高天然氣液化流程?效率的重要方向。在滿足換熱器最小溫差達(dá)到3 ℃的前提下，先依據(jù)組分敏感性區(qū)間調(diào)節(jié)組分，再按沸點(diǎn)從低到高的順序逐步減小組分流量，直到流量減小至最小為止，最后通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口壓力來(lái)進(jìn)一步降低能耗[9]。

為了與實(shí)際工況更加接近，在本次優(yōu)化工作開(kāi)展前，流程應(yīng)滿足以下條件：物流經(jīng)水冷器冷卻后的溫度為30 ℃；氣液分離器處于等溫分離過(guò)程，分離器中的物流處于氣液兩相混合狀態(tài)[12]；壓縮機(jī)入口處的物流應(yīng)完全為氣態(tài)[13-14]；壓縮機(jī)出口溫度低于150 ℃（過(guò)熱保護(hù)溫度）；各換熱器中冷熱流體之間的最小換熱溫差不小于3 ℃；板翅式換熱器熱出口物流溫度相等。

1.2.2 模型搭建

采用Aspen HYSYS對(duì)該DMR流程進(jìn)行模型搭建，如圖1所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，在DMR流程中，預(yù)冷循環(huán)一般采用兩級(jí)壓縮，深冷循環(huán)一般采用一級(jí)壓縮[15]。先利用組分分割器分別將預(yù)冷制冷劑和深冷制冷劑拆分為單組分物流，后通過(guò)混合器模塊混合，再通過(guò)一個(gè)冷卻器或加熱器使原預(yù)冷制冷劑和混合后預(yù)冷制冷劑、原深冷制冷劑和混合后深冷制冷劑參數(shù)相同，以達(dá)到調(diào)節(jié)單組分物流的流量來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)冷制冷劑和深冷制冷劑組分配比的目的。

圖1 DMR工藝流程Fig.1 DMR process flow

本研究使用Peng-Robison狀態(tài)方程計(jì)算物流的氣液相平衡，使用Lee-Kesler方程來(lái)計(jì)算各物流的焓值和熵值，使用Aspen HYSYS內(nèi)部?jī)?yōu)化器中的BOX算法，將達(dá)到流程最低總能耗設(shè)為目標(biāo)，分別對(duì)預(yù)冷和深冷循環(huán)中混合制冷劑組分的配比、流程的部分工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括預(yù)冷循環(huán)工作壓力（原預(yù)冷制冷劑物流、節(jié)流后預(yù)冷制冷劑物流）、深冷循環(huán)工作壓力（原深冷制冷劑物流、節(jié)流后深冷制冷劑物流）以及換熱后原料氣的溫度。

1.3 流程優(yōu)化研究

DMR流程由預(yù)冷循環(huán)和深冷循環(huán)兩部分組成，在循環(huán)過(guò)程中，制冷劑通過(guò)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入換熱器冷凝，出換熱器節(jié)流后再次進(jìn)入換熱器內(nèi)汽化，汽化過(guò)程會(huì)吸收熱量從而為天然氣提供冷量，最終天然氣液化成為L(zhǎng)NG[15]。在該液化流程中，制冷劑的組分配比以及循環(huán)過(guò)程中的工作壓力都會(huì)對(duì)換熱器內(nèi)部的換熱溫差產(chǎn)生巨大影響，換熱溫差的變化會(huì)影響換熱器能耗，從而影響系統(tǒng)總能耗和?效率。本研究模擬過(guò)程中所采用的原料天然氣組分及配比（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，下同）和初始參數(shù)設(shè)置分別如表2和表3所示。

表2 原料天然氣組分及配比Table 2 Composition and ratio of raw natural gas

表3 模擬初始參數(shù)設(shè)置Table 3 Initial parameter settings of simulation

1.3.1 制冷劑組分選擇

制冷劑一般包含多種組分，如N2及甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷等烷烴以及乙烯、丙烯、丁烯和戊烯等烯烴，各組分沸點(diǎn)不同，制冷溫度區(qū)間也不同[16]。在本研究中，DMR流程包含兩種制冷循環(huán)，循環(huán)所需的制冷溫度區(qū)間不同，其制冷劑的組分選擇也有所不同。組分選取過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)為：預(yù)冷循環(huán)的制冷區(qū)間為25~60 ℃；深冷循環(huán)的制冷區(qū)間為-160~-60 ℃；換熱器內(nèi)部最小換熱溫差為3 ℃；優(yōu)先選取汽化潛熱高的組分[17-18]；當(dāng)組分間沸點(diǎn)差值過(guò)大時(shí)選擇合適的中間值來(lái)銜接制冷溫區(qū)等。

具體組分選取過(guò)程參照高旭[15]所做研究，本研究不再贅述，預(yù)冷制冷劑選取C2H4、C3H8和i-C5H123 種組分，深冷制冷劑選取N2、CH4、C2H4和C3H84 種組分。

1.3.2 制冷劑配比優(yōu)化

制冷劑的組分配比是影響換熱器內(nèi)部換熱溫差的關(guān)鍵因素，不合理配比將導(dǎo)致?lián)Q熱溫差過(guò)大，系統(tǒng)能耗增加，?效率降低。本研究進(jìn)行配比優(yōu)化的具體過(guò)程如下：在構(gòu)建DMR模型時(shí)，利用組分分割器將制冷劑分割為單組分的物料，采用KBO法依次調(diào)節(jié)各組分流量，首先得到使流程能耗達(dá)到最低的制冷劑流量，其次在制冷劑流量保持不變的前提下，利用控制變量法對(duì)制冷劑中各組分配比逐步進(jìn)行調(diào)節(jié)，繪制不同組分配比下系統(tǒng)能耗的變化趨勢(shì)圖，如圖2和圖3所示。

圖2 預(yù)冷制冷劑組分配比對(duì)能耗影響Fig.2 Influence of precoolant refrigerant distribution ratio on energy consumption

圖3 深冷制冷劑組分配比對(duì)能耗影響Fig.3 Influence of cryogenic refrigerant distribution ratio on energy consumption

由圖2和圖3可總結(jié)出制冷劑組分配比變化對(duì)系統(tǒng)能耗的影響規(guī)律，結(jié)果如表4所示。

表4 制冷劑組分配比變化對(duì)系統(tǒng)能耗的影響Table 4 Influence of refrigerant distribution ratio variation on system energy consumption

由表4可知，在滿足換熱器最小溫差大于3 ℃的前提條件下，預(yù)冷制冷劑中i-C5H12組分增加，C2H4、C3H8組分減少和深冷制冷劑中N2組分減少，C3H8組分增加可以使流程能耗減少，因此優(yōu)化結(jié)果為：預(yù)冷制冷劑各組分配比為y(C2H4):y(C3H8):y(i-C5H12) = 0.23:0.43:0.34；深冷制冷劑各組分配比為y(CH4):y(C2H4):y(C3H8):y(N2) = 0.24:0.29:0.34:0.13。

1.3.3 工作壓力優(yōu)化

在DMR流程的兩種循環(huán)過(guò)程中，工作壓力的變化將對(duì)系統(tǒng)能耗產(chǎn)生一定的影響，本研究在滿足換熱器最小溫差大于3 ℃的前提條件下，依次改變循環(huán)過(guò)程中的高低壓數(shù)值，利用Aspen HYSYS模塊記錄不同壓力下的系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)[19]，繪制工作壓力變化對(duì)能耗的影響趨勢(shì)圖，如圖4所示。由圖4(a)和圖4(c)可知，在預(yù)冷循環(huán)中，降低高壓壓力可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗降低，在壓力變化范圍內(nèi)，最小溫差始終滿足前提條件，平均溫差隨壓力的升高逐漸減小，可以看出優(yōu)化過(guò)程中降低壓力以降低系統(tǒng)能耗與提高壓力以減小平均溫差之間相互制約，后續(xù)優(yōu)化過(guò)程需通過(guò)BOX算法找出平衡點(diǎn)。在深冷循環(huán)中，降低高壓壓力可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗降低，在壓力變化范圍內(nèi)，平均溫差隨著壓力的降低而減小，其變化趨勢(shì)與能耗一致。由圖4(b)和圖4(d)可知，無(wú)論是在預(yù)冷循環(huán)還是深冷循環(huán)中，提高低壓壓力都可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗降低，在壓力變化范圍內(nèi)，平均溫差隨著壓力的提高而減小，其變化趨勢(shì)與能耗一致。綜合分析確定優(yōu)化結(jié)果為：預(yù)冷循環(huán)中高壓壓力為 1748.0 kPa、低壓壓力為 138.6 kPa；深冷循環(huán)中高壓壓力為 1682.0 kPa、低壓壓力為 79.0 kPa。

圖4 循環(huán)工作壓力變化對(duì)能耗的影響Fig.4 Influence of cyclic working pressure variation on energy consumption

2 DMR流程優(yōu)化結(jié)果及可行性分析

2.1 流程優(yōu)化結(jié)果

已知流程模擬完成后得到的LNG產(chǎn)品流量為982.5 kmol/h，模擬時(shí)所用原料氣流量為1000.0 kmol/h，因此可知該流程液化率高達(dá)98.25%。該流程中共有兩個(gè)換熱器（即換熱器1和換熱器2），兩個(gè)換熱器的換熱溫差分別為3.002 ℃和3.005 ℃，均滿足前提條件，其平均溫差分別為3.942 ℃和5.305 ℃。各節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 流程優(yōu)化后各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 5 Data of each node after process optimization

2.2 可行性分析

2.2.1 換熱器換熱溫差

本研究采用新方法進(jìn)行DMR流程內(nèi)各參數(shù)的優(yōu)化工作，通過(guò)改變制冷劑流量、配比以及循環(huán)工作壓力的數(shù)值等來(lái)調(diào)節(jié)換熱器內(nèi)部的換熱溫差，使其更加均勻，達(dá)到提高系統(tǒng)?效率的目的。兩個(gè)換熱器內(nèi)部冷熱側(cè)復(fù)合曲線如圖5所示，兩曲線接近且平滑，表明冷熱流體間換熱溫差均勻，此時(shí)能耗小，系統(tǒng)?效率較高。兩個(gè)換熱器內(nèi)部換熱溫差曲線如圖6所示，大范圍溫區(qū)內(nèi)換熱溫差均勻，足以達(dá)到提高系統(tǒng)?效率的目的。

圖5 換熱器冷熱側(cè)復(fù)合曲線Fig.5 Compound curves of hot and cold side in heat exchanger

圖6 換熱器換熱溫差曲線Fig.6 Curves of heat transfer temperature difference in heat exchanger

2.2.2 流程能耗

評(píng)價(jià)一種流程是否經(jīng)濟(jì)高效，能耗是最直觀的因素。系統(tǒng)比能耗（J，kW?h/t）和液化?效率（η，%）計(jì)算公式分別如式(1)和式(2)所示。本研究?jī)?yōu)化完成后流程能耗數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 優(yōu)化后的流程能耗Table 6 Energy consumption of optimized process

式中，Q為系統(tǒng)總能耗，kW；qLNG為L(zhǎng)NG流量，t/h；CQ1、CQ2和CQ3為壓縮機(jī) 1、2 和 3 的能耗，kW；PQ1為離心泵1的能耗，kW；h1為L(zhǎng)NG的焓，kW?h/t；s1為L(zhǎng)NG的熵，kW?h/(t?k)；h2為天然氣的焓，kW?h/t；s2為天然氣的熵，kW?h/(t?k)；T0為環(huán)境溫度，K。

目前國(guó)內(nèi)的LNG工廠中，陜西安塞和山東泰安均采用DMR流程，其比能耗分別為384.00 kW?h/t和 316.80 kW?h/ t，液化?效率分別為 35.00%和37.80%[20]，與本研究?jī)?yōu)化后的流程能耗作對(duì)比，結(jié)果如表7所示。

表7 本研究與其他工廠流程能耗比較Table 7 Comparison of energy consumption between this study and other plants

由表7可知，本研究通過(guò)新方法開(kāi)展一系列優(yōu)化模擬后的流程能耗比目前工廠中的流程能耗顯著降低，系統(tǒng)液化??效率提高，因此該方法可行。

3 結(jié)論

本文采用KBO法和BOX算法結(jié)合的方法對(duì)DMR流程進(jìn)行了優(yōu)化研究，主要對(duì)DMR流程中各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，如制冷劑組分選擇、制冷劑配比以及工作壓力等參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化后的液化?效率來(lái)評(píng)價(jià)該方法的可行性，得出以下結(jié)論。

（1）參數(shù)優(yōu)化后結(jié)果為：預(yù)冷制冷劑選取C2H4、C3H8和i-C5H123 種組分，各組分配比為y(C2H4):y(C3H8):y(i-C5H12) = 0.23:0.43:0.34；深冷制冷劑選取N2、CH4、C2H4和C3H84 種組分，各組分配比為y(CH4):y(C2H4):y(C3H8):y(N2) = 0.24:0.29:0.34:0.13；預(yù)冷循環(huán)中高壓壓力為1748.0 kPa，低壓壓力為138.6 kPa；深冷循環(huán)中高壓壓力為 1682.0 kPa，低壓壓力為 79.0 kPa。

（2）流程經(jīng)優(yōu)化后天然氣液化率為98.25%，系統(tǒng)比能耗為311.14 kW?h/t，液化?效率為39.68%。通過(guò)新方法優(yōu)化后的DMR流程能耗與目前國(guó)內(nèi)工廠相比顯著降低，達(dá)到了提高系統(tǒng)?效率，降低天然氣液化成本的目的。