單級(jí)混合制冷劑液化循環(huán)適應(yīng)性和調(diào)節(jié)能力研究

尹全森 李紅艷 崔杰詩(shī) 季中敏 賈林祥

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)低溫與超導(dǎo)技術(shù)研究所 哈爾濱 150080)

1 引 言

中國(guó)天然氣資源豐富，但大多是零散氣田、邊際氣田和非常規(guī)天然氣源，無(wú)法依靠鋪設(shè)管道運(yùn)輸，天然氣液化后可以解決天然氣的運(yùn)輸問(wèn)題［1］。小型天然氣液化廠在中國(guó)迅速發(fā)展，采用的主要流程有氮膨脹流程、氮甲烷(或天然氣)膨脹流程和混合制冷劑流程，混合制冷劑液化流程相對(duì)于其它兩種液化流程具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的應(yīng)用在小型液化裝置中［2－9］。單級(jí)混合制冷劑液化流程是混合制冷劑流程中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，設(shè)備最少的液化流程，應(yīng)用在小型天然氣液化裝置中能夠有效降低投資，同時(shí)有利于設(shè)備撬裝化，功耗方面比膨脹循環(huán)降低30%以上［4，7-8］。

單級(jí)混合制冷劑液化流程中的制冷劑一般是由種成分組成，流程中可調(diào)參數(shù)較多，流程設(shè)計(jì)和操作比膨脹循環(huán)復(fù)雜。天然氣液化裝置受外部條件影響較大，環(huán)境溫度，天然氣的氣量和組成等都隨時(shí)間變化，這要求制冷系統(tǒng)具有較大的適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力。外部環(huán)境和天然氣參數(shù)變化后，天然氣液化需要的冷量發(fā)生變化，此時(shí)如果制冷系統(tǒng)參數(shù)不變，制冷能力和實(shí)際需求不匹配，制冷能力過(guò)剩時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的不經(jīng)濟(jì)，制冷能力不足時(shí)，液化天然氣的過(guò)冷度減小，節(jié)流后有氣體產(chǎn)生。本文針對(duì)單級(jí)混合制冷劑液化循環(huán)，模擬了環(huán)境溫度、天然氣流量和組成變化對(duì)制冷系統(tǒng)的影響，在已經(jīng)選定的設(shè)備條件下，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力、循環(huán)量和制冷劑的組成來(lái)適應(yīng)外部條件變化。單級(jí)混合制冷劑循環(huán)的適應(yīng)性和調(diào)節(jié)能力的研究，為采用這種液化裝置的優(yōu)化操作提供理論基礎(chǔ)，提高其經(jīng)濟(jì)性。

2 約束條件

本文以日前正在設(shè)計(jì)的某天然氣液化裝置為例，每天處理量為10×104m3，天然氣的制冷循環(huán)采用的是單級(jí)混合制冷劑液化流程。天然氣的組成見表1，壓力為4.6 MPa。

表1 天然氣的組成Table 1 Composition of natural gas

在研究流程的適應(yīng)性時(shí)，以所選用的設(shè)備作為約束條件:制冷劑壓縮機(jī)的入口容積一定，出口壓力不能大于額定輸出壓力，軸功率也不能大于額定的軸功率，水冷卻器的換熱面積固定，板翅換熱器的換熱面積固定。

3 對(duì)溫度變化的適應(yīng)性研究

天然氣液化裝置所在地，特別是北方地區(qū)的環(huán)境溫度隨著季節(jié)變化明顯，冷卻用水的溫度也會(huì)明顯變化，冬季冷卻水的溫度只有幾攝氏度，夏季冷卻水溫度最高為30℃以上。裝置設(shè)計(jì)時(shí)按照夏季的溫度條件設(shè)計(jì)，冷卻水溫度降低后，有兩種方法調(diào)節(jié)系統(tǒng):(1)調(diào)節(jié)冷卻水的流量，保證水冷卻后的溫度不隨冷卻水溫度的變化而變化，此時(shí)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)軸功率保持不變，不能充分利用冷卻水的冷能，系統(tǒng)運(yùn)行不夠經(jīng)濟(jì)，在此不再進(jìn)行研究;(2)保證冷卻水的流量不變，則水冷卻器冷卻后的溫度隨著冷卻水的溫度降低而降低，進(jìn)入冷箱的天然氣和混合制冷劑溫度都降低，此時(shí)系統(tǒng)需要的冷量減小，可以調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)，減小制冷系統(tǒng)的負(fù)荷，降低制冷劑壓縮機(jī)的軸功率。

當(dāng)冷卻水溫度降低時(shí)，假定天然氣氣量可以調(diào)節(jié)，天然氣壓縮機(jī)和預(yù)處理系統(tǒng)的處理能力也有一定的剩余，制冷劑壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力和制冷劑循環(huán)量不變時(shí)，天然氣處理量隨著冷卻水溫度的變化曲線見圖1。在制冷劑壓縮機(jī)軸功率不變的條件下，可液化天然氣的產(chǎn)量增大，裝置生產(chǎn)能力增大，單位產(chǎn)品的功耗減小。

圖1 冷卻水溫度對(duì)液化天然氣產(chǎn)量的影響Fig.1 Influence of cooling water temperature to LNG output

實(shí)際系統(tǒng)中的天然氣流量不能按照需要增加，通過(guò)調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)的參數(shù)，降低制冷劑壓縮機(jī)的功率。在制冷劑壓縮機(jī)的入口容積一定的條件下，可通過(guò)調(diào)節(jié)制冷劑壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力和混合制冷劑組成，來(lái)降低制冷劑壓縮機(jī)的軸功率。

冷卻水溫度降低后，冷卻水量不變，制冷劑壓縮冷卻后的溫度降低，降低制冷劑的循環(huán)量，改變制冷劑的組成，使制冷系統(tǒng)耗功減小，單位產(chǎn)品的功耗降低，制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行，詳見圖2。單級(jí)混合制冷劑液化循環(huán)對(duì)環(huán)境溫度的變化具有良好的適應(yīng)性。

4 對(duì)天然氣流量變化的適應(yīng)性

在實(shí)際的天然氣液化系統(tǒng)中，特別是在小型天然氣液化系統(tǒng)中，天然氣產(chǎn)量隨著開采時(shí)間或其它外界原因，可供液化的氣量會(huì)發(fā)生變化。本液化系統(tǒng)是按照夏季每天處理10×104m3氣體設(shè)計(jì)的，如果壓縮機(jī)等設(shè)備選擇時(shí)沒有考慮余量，優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程在夏季最大的處理量是10×104m3天然氣。天然氣流量增加時(shí)，制冷系統(tǒng)不能提供更多的冷量，系統(tǒng)不能液化更多的天然氣，必須限制進(jìn)入液化系統(tǒng)的天然氣流量。

天然氣流量減少時(shí)，調(diào)節(jié)制冷劑的循環(huán)量和壓縮機(jī)的操作壓力來(lái)保證系統(tǒng)能夠比較高效的運(yùn)行。在壓縮機(jī)的入口容積一定的情況下，降低制冷循環(huán)的運(yùn)行壓力，保持壓縮機(jī)的壓縮比不變。制冷循環(huán)的壓力降低后，制冷劑的循環(huán)量減少，制冷量隨之減少，壓縮機(jī)的軸功率也減小，制冷劑的循環(huán)量和壓縮機(jī)的操作壓力見圖3。天然氣流量偏離設(shè)計(jì)值后，調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)降低總的功耗，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)偏離了設(shè)計(jì)值，單位產(chǎn)品的功耗增加，見圖4。在天然氣的氣量不足時(shí)，單級(jí)混合制冷劑液化流程可以調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)參數(shù)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，降低制冷系統(tǒng)的功率，使單位產(chǎn)品功耗增加較少，天然氣來(lái)流減小60%，即運(yùn)行在4×104m3/d時(shí)單位功耗僅比原設(shè)計(jì)增加了23%。

圖2 制冷劑壓縮機(jī)參數(shù)與冷卻水溫度的關(guān)系Fig.2 Relation of cooling water temperature and refrigerant circulation flow rate

圖3 天然氣流量與制冷劑壓縮參數(shù)變化的關(guān)系Fig.3 Relation of cooling water temperature and discharge pressure of compressor

圖4 天然氣流量對(duì)單位功耗的影響Fig.4 Influence of cooling water temperature to shaft power of compressor

5 對(duì)天然氣組成變化的適應(yīng)性

天然氣是以甲烷為主的混合氣體，氣體組分復(fù)雜，組分含量也會(huì)隨時(shí)間變化。天然氣中含有的成分很多，分析每一種組成變化對(duì)系統(tǒng)影響的工作量很大。天然氣中低沸點(diǎn)的甲烷和氮?dú)?，液化溫度低，氣體單位體積液花需要的冷量較少;高沸點(diǎn)的是C2+成分，液化溫度較高，氣體單位體積液化需要的冷量較多。天然氣中的氮?dú)夂亢苌伲头悬c(diǎn)的主要是甲烷，天然氣組分變化時(shí)假定高沸點(diǎn)的組分之間的相對(duì)比例不發(fā)生變化，只是甲烷和高沸點(diǎn)的組分之間的比例變化。以制冷劑壓縮機(jī)為約束條件，混合制冷劑組成和循環(huán)量為變量，分析目標(biāo)氣源組分變化時(shí)制冷系統(tǒng)的適應(yīng)性。

天然氣的甲烷含量增加，重組分含量減小，天然氣的平均分子量減小，系統(tǒng)可以液化的天然氣體積流量增加，單位體積產(chǎn)品的功耗降低。天然氣低沸點(diǎn)含量增加，液化溫度下降，單位體積液化時(shí)需要的冷量減小，減小混合制冷劑的平均分子量，制冷系統(tǒng)提供的制冷量減小，但是低溫區(qū)提供的冷量增加，這與天然氣液化需要的冷量相匹配。天然氣中的甲烷含量減小，高沸點(diǎn)組分含量增加，平均分子量增加，液化需要的冷量增加，液化溫度升高，高溫需要的冷量增加，低溫需要的冷量減小，調(diào)節(jié)混合制冷系統(tǒng)的平均分子量后，即增大制冷劑的平均分子量，使制冷系統(tǒng)提供更多的高溫冷量，與天然氣液化需要的冷量相一致，使系統(tǒng)可液化的天然氣體積減小的很少［10］。如圖5和圖6天然氣中的甲烷從60%增加到80%，能夠液化的天然氣的體積流量相差2%，調(diào)節(jié)制冷劑組成，平均分子量從39.6降到38.6，而制冷系統(tǒng)的功耗不變。單級(jí)混合制冷劑的天然氣液化流程對(duì)于天然氣的組成變化具有很大的適應(yīng)與調(diào)節(jié)能力，能夠應(yīng)用在天然氣組分不穩(wěn)定的氣源中。

圖5 天然氣液化量與甲烷含量的關(guān)系Fig.5 Relation of methane content and LNG output

圖6 混合制冷劑分子量與甲烷含量的關(guān)系Fig.6 Relation of methane content and mixed-refrigerant molecular weight

6 結(jié) 論

針對(duì)單級(jí)混合制冷劑液化流程進(jìn)行了適應(yīng)性研究，模擬了環(huán)境溫度的變化、天然氣氣量和組分的變化對(duì)流程參數(shù)的影響，通過(guò)調(diào)整混合制冷劑組成和壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力，使液化系統(tǒng)保持很高的液化效率。環(huán)境溫度隨季節(jié)變化較大的地區(qū)，冬季液化天然氣產(chǎn)量比夏季提高30%，在產(chǎn)量不變時(shí)，單位功耗下降28%;天然氣的氣量減小60%時(shí)，系統(tǒng)的制冷功耗減小，單位體積的產(chǎn)品功耗只增加23%;天然氣中的甲烷含量在60%至80%變化時(shí)，系統(tǒng)能夠的天然氣產(chǎn)量變化在2%。單級(jí)混合制冷劑循環(huán)通過(guò)自身調(diào)節(jié)完全能夠適應(yīng)外部條件變化，保持較高的液化效率，使單級(jí)混合制冷劑液化流程比氮膨脹循環(huán)的液化流程更適合應(yīng)用在小型液化裝置中。

1 張維江，石玉美，汪榮順.小型天然氣液化裝置在中國(guó)天然氣工業(yè)中的應(yīng)用前景［J］.低溫與超導(dǎo)，2008，36(3):15-18.

2 張劉檣，周 迎，師凌冰.國(guó)內(nèi)小型天然氣液化裝置及流程［J］.油氣田地面工程，2008，27(5):6-8.

3 Cao Wensheng，Lu Xuesheng，Lin Wensheng，et al.Parameter comparison of two small-scale natural gas liquefaction processes in skidmounted packages［J］.Applied Thermal Engineering，2006(26):898-904.

4 曹文勝，魯雪生，顧安忠.小型撬裝式LNG裝置的流程模擬［J］.化工學(xué)報(bào)，2006，57(6):1290-1295.

5 Remeljeja C W，Hoadley A F A.An exergy analysis of small-scale liquefied natural gas(LNG)liquefaction processes ［J］.Energy，2006，(31):2005-2019.

6 尹全森，李紅艷，范慶虎，等.混合工質(zhì)循環(huán)與氮膨脹循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.天然氣工業(yè)，2008，28(2):148-150.

7 Finn A J，Johnson G L，Tomlinson T R.Development in natural gas liquefaction［J］.Hydrocarbon Processing，1999，(6):47-59.

8 Terry L.Comparison of liquefaction process［J］.LNG Journal，1998，21(3):28-33.

9 Johnson G L，F(xiàn)inn A J，Tomlinson T R.Offshore and smaller scale liquefiers［J］.LNG Journal，1999，(July-August):19-22.

10 公茂瓊.深冷多元混合工質(zhì)回?zé)崾焦?jié)流制冷機(jī)的熱力分析及其實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京:中國(guó)科學(xué)院低溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心，2002.