利用LNG冷能的空分系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)布置及多能級匹配性能

鄭捷宇，李廣鵬，厲彥忠，司標，楊宇杰

（西安交通大學(xué)制冷及低溫工程系，陜西 西安710049）

引 言

液化天然氣 （liquefied natural gas，LNG）是天然氣通過脫酸、脫水處理后在低溫下冷凍液化而成的液體混合物，標準狀態(tài)下LNG體積僅為相同質(zhì)量天然氣體積的1／625，能夠大大節(jié)省儲運空間和降低運輸成本。在液化天然氣生產(chǎn)基地，每生產(chǎn)1tLNG的耗電量約為850kW·h。在LNG接收站，LNG需要首先通過汽化器復(fù)溫為常溫氣體使用，過程中會釋放大量的寶貴低溫冷能，常壓下其值約為830kJ·kg－1（包括LNG的汽化潛熱和飽和氣態(tài)天然氣復(fù)溫到環(huán)境溫度的顯熱）。這些冷能通常會直接釋放到接收站周邊的海水或大氣中，這里不僅存在冷能利用效率較低的問題，還會對環(huán)境造成嚴重的生態(tài)污染［1－4］。

國內(nèi)外學(xué)者對如何利用這部分冷能進行了大量的研究。常見的LNG冷能利用方式包括冷能回收發(fā) 電［5］、 空 氣 分 離［6－10］、 冷 庫 供 冷［11］、 海 水 淡化［12］及輕烴分離［13］等。其中空氣分離由于最低工作溫度 （77～100K）較為接近LNG的氣化溫度（110K），是較為合適的LNG冷能利用方法，廣泛適用于大型LNG冷能接收站項目。

較早將LNG冷能用于空氣分離的國家，如日本、法國、韓國、澳大利亞［14］等，由于其LNG冷能接收站布局的結(jié)束，相關(guān)的技術(shù)發(fā)展也趨于停滯。進入新世紀，由于中國經(jīng)濟規(guī)模的不斷發(fā)展，伴隨而來的對于高效清潔能源的需求使得中國LNG的進口規(guī)模逐年擴大，建設(shè)規(guī)劃了大批LNG冷能利用項目，由此也引發(fā)了新一輪的技術(shù)革新。

美國專利 No.5137558、No.5139547和 No.5141543對1990年以前的現(xiàn)有技術(shù)做了很好的調(diào)研［15］，本文不再贅述。早期的LNG冷能利用受限于低溫壓縮機、高效換熱器及空分流程等核心部分的設(shè)計制造水平，無法充分利用LNG全溫區(qū)的冷能。本研究在結(jié)合已有技術(shù)進步的基礎(chǔ)上，針對典型壓力等級工況提出了4套高效利用LNG冷能的空分布置方案，通過模擬計算驗證了流程的可行性和先進性，并研究了LNG壓力變動對系統(tǒng)換熱匹配性能的影響。

1 LNG冷能的利用特點

為充分利用LNG復(fù)溫過程中所釋放的高品位低溫冷能，工程上常用與之溫區(qū)接近的空分系統(tǒng)原料空氣預(yù)冷段作為匹配對象。為防止LNG泄漏可能導(dǎo)致的危險，常采用以氟里昂、乙二醇水溶液 （用于高溫段匹配）及氮氣、氬氣 （用于低溫段匹配）為代表的載冷介質(zhì)，從而實現(xiàn)LNG冷能的傳遞。

圖1 甲烷蒸發(fā)壓力對最小循環(huán)壓力及比壓縮功的影響Fig.1 Influence of CH4evaporation pressure on minimum cyclic pressure and specified compression work

因LNG主要成分為甲烷，本文以甲烷為例對LNG的冷能回收利用特點加以說明。圖1展示了在臨界壓力范圍內(nèi)甲烷蒸發(fā)壓力對工質(zhì)最小循環(huán)壓力及對應(yīng)的比壓縮功耗的影響。圖中的比壓縮功耗的計算方法為：首先確定將單位物質(zhì)的量甲烷由對應(yīng)壓力下的飽和溫度復(fù)溫到室溫300K過程中所需的最小工質(zhì)流量，然后在此流量下計算將工質(zhì)由常壓0.1MPa壓縮至最小循環(huán)壓力所需的壓縮功。其中壓縮過程按照絕熱過程處理，進氣溫度統(tǒng)一定為150K。

由于甲烷在常壓下的飽和溫度 （111.7K）高于空分系統(tǒng)中常見的氮氣 （77.4K）及氬氣（87.3K），為實現(xiàn)對于LNG冷能的利用，對于循環(huán)工質(zhì)的壓縮是不可避免的。由圖1可以看出，在甲烷蒸發(fā)壓力為0.1～1MPa范圍內(nèi)，氬氣相比氮氣具有更好的匹配性能。在相同條件下，氬氣的最小循環(huán)壓力僅為氮氣的1／2，對應(yīng)的比壓縮功更小。但由于氮氣更容易獲取，而且產(chǎn)量較大，在實際流程設(shè)計中通常采用氮氣作為循環(huán)工質(zhì)的第一選擇。由于氮氣常壓下的飽和溫度遠低于甲烷，而且氮氣的臨界壓力也較低，在實際工程設(shè)計中氮氣常常需要被壓縮至超臨界狀態(tài)來用于匹配。因此，減小循環(huán)過程中氮氣壓縮功耗是高效LNG換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè) 計中的 一 個 關(guān) 鍵 考 量 因 素［6－10，15－17］。 可 以 考 慮 的改進方法有：①減小循環(huán)壓縮機壓比；②降低循環(huán)壓縮機進氣溫度；③減小氣體循環(huán)量。這其中方法③受限于流程的設(shè)計工況，可調(diào)整范圍不大；方法①如前文所言，由于工藝的要求，可下調(diào)的范圍也十分有效；在工程上最具有優(yōu)勢的就是采用方法②，即降低進氣溫度。由圖1可知，隨著循環(huán)壓力的提高比壓縮功逐漸增大，而且隨著壓比的增大采用雙級壓縮的能耗優(yōu)勢更加明顯。因此，在壓比較大的情況下，采用低溫多級壓縮方案會有較大的優(yōu)勢。雖然由于國內(nèi)相關(guān)設(shè)計制造水平的原因低溫壓縮機尚無法實現(xiàn)國產(chǎn)化，導(dǎo)致國外設(shè)備價格虛高，低溫壓縮方案的初投資較高，但隨著國內(nèi)特種壓縮機設(shè)計制造水平的進步和節(jié)能要求的不斷提高，低溫壓縮方案運行效率高的優(yōu)勢將會不斷體現(xiàn)。因此，在本研究的方案設(shè)計中均采用低溫壓縮布置。

圖2為以甲烷為例的不同LNG壓力下比焓隨溫度的變化關(guān)系。當(dāng)LNG壓力pLNG＜pc（臨界壓力＝4.6MPa）時，工質(zhì)隨著溫度的升高逐漸發(fā)生液態(tài)－兩相態(tài)－氣態(tài)的變化；隨著壓力的增大，飽和溫度升高，兩相區(qū)內(nèi)的焓值逐漸減小，相變區(qū)內(nèi)所具有的冷能減少，而且冷能品質(zhì)也急劇降低，而液相區(qū)內(nèi)比焓基本保持不變，氣相區(qū)內(nèi)比焓隨著壓力增大而減??；當(dāng)pLNG＞pc時，LNG處于超臨界狀態(tài)，隨著壓力的增大比焓隨溫度的變化趨于平緩，但在臨界溫度Tc＝191K附近存在一個拐點，溫度隨比焓的變化由逐漸變緩轉(zhuǎn)為逐漸變陡。

圖2 不同LNG壓力下比焓隨溫度的變化關(guān)系Fig.2 Varing relationship of specified enthalpy with temperature under different LNG pressure

上述現(xiàn)象表明，在LNG蒸發(fā)壓力較低時，LNG冷能品質(zhì)較高，流程設(shè)計中應(yīng)著重考慮提高液體產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，對于低溫段的溫度匹配應(yīng)格外加以重視；而當(dāng)LNG處于超臨界狀態(tài)時，LNG的換熱匹配性能提高，應(yīng)主要考慮LNG在全溫區(qū)范圍內(nèi)的匹配。

2 空分系統(tǒng)LNG冷能利用方案

傳統(tǒng)空氣分離 （空分）流程一般采用氮氣循環(huán)增壓膨脹和空氣增壓循環(huán)膨脹提供冷量。利用LNG冷能的空分流程由于獲得了大量的高品質(zhì)冷量，可以省去膨脹機等動力設(shè)備，大大降低產(chǎn)品能耗和初投資，并且由于空分系統(tǒng)能夠快速積累大量的冷能，減少了系統(tǒng)的啟動時間。常見于文獻中的空分系統(tǒng)LNG冷能利用方式主要有以下3種：LNG冷卻循環(huán)空氣［9］、LNG 冷卻循環(huán)氮氣［14］和與LNG發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行的空分系統(tǒng)［18－19］。其中由于空氣中存在大量的氧氣，由空氣作為循環(huán)工質(zhì)容易引發(fā)安全事故，目前的設(shè)計方案較少采用LNG冷卻循環(huán)空氣布置；而與LNG發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行的空分系統(tǒng)由于對工程整體規(guī)劃布局要求較高，目前還不太成熟。故本研究選取LNG冷卻循環(huán)氮氣方案作為主要的分析對象。

常見的LNG冷卻氮氣循環(huán)方案可進一步細化為 “內(nèi)循環(huán)”和 “外循環(huán)”兩類布置方式［6］。

所謂 “內(nèi)循環(huán)”即是從空分系統(tǒng)抽出的循環(huán)氮氣在進入LNG換熱系統(tǒng)獲得冷量后，部分或者全部送回精餾塔參與精餾過程的布置方案。典型的內(nèi)循環(huán)布置方案如圖3所示，由下塔頂部抽出的部分氮氣在經(jīng)由主換熱器復(fù)溫后進入LNG換熱系統(tǒng)，吸收LNG冷量后冷凝，全部送回精餾塔參與精餾，并在下塔頂部獲得大量液氮，在上塔底部抽出液氧。該布置方案較為簡單，可靠性強，對于原有空分系統(tǒng)改動較小。但如果發(fā)生泄漏，存在LNG進入精餾系統(tǒng)引發(fā)安全事故的風(fēng)險，需對關(guān)鍵部位的危險物質(zhì)加以檢測。

圖3 LNG冷能空分系統(tǒng)氮氣內(nèi)循環(huán)布置Fig.3 Air separation system using LNG cold energy with internal nitrogen cycle arrangement

所謂 “外循環(huán)”即是在LNG換熱系統(tǒng)中建立一套獨立的制冷循環(huán)系統(tǒng)，平衡LNG冷能在各個溫度區(qū)間的分配，實現(xiàn)LNG冷能的梯級利用，提高系統(tǒng)的冷能利用科學(xué)性，降低系統(tǒng)內(nèi)的換熱損失。典型的外循環(huán)布置方案如圖4所示，由下塔頂部抽出的部分氮氣在經(jīng)由主換熱器復(fù)溫后進入LNG換熱系統(tǒng)，吸收LNG冷量后冷凝，一部分回到LNG換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，用于維持系統(tǒng)內(nèi)部制冷循環(huán)的運轉(zhuǎn)，其余回流液體則進入主換熱器補充精餾系統(tǒng)的冷能。由于該部分循環(huán)氣體不參與精餾過程，避免了LNG泄漏進入空分系統(tǒng)的風(fēng)險。缺點是需要添加多套設(shè)備，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和初投資，同時降低了系統(tǒng)運行的可靠性。

目前較為成熟的LNG換熱網(wǎng)絡(luò)布置方案中常常會額外設(shè)計一套林德液化循環(huán)，在利用LNG冷能的同時將部分循環(huán)氮氣液化后作為產(chǎn)品引出系統(tǒng)［15］。

鄭小平［20］對全液體空分裝置不同流程組織形式進行了分析和模擬計算。本文選用其中的中壓氮氣雙膨脹流程形式作為傳統(tǒng)空分流程的代表，選用彭喜魁等［21］的LNG利用流程作為現(xiàn)有技術(shù)方案的代表，同本文提出的4套新流程進行了能耗對比研究。

圖4 LNG冷能空分系統(tǒng)氮氣外循環(huán)布置Fig.4 Air separation system using LNG cold energy with external nitrogen cycle arrangement

本研究選用較為成熟的膨脹空氣進上塔的外壓縮流程作為改進對象，通過引入LNG冷能取消了膨脹增壓系統(tǒng)，同時提高了液體產(chǎn)品的產(chǎn)量。

3 LNG換熱網(wǎng)絡(luò)布置方案

常規(guī)的LNG冷能用于空分系統(tǒng)的方案雖然利用了LNG的冷量，但僅限于在LNG換熱器中預(yù)冷氮氣，并且在LNG從低溫等級復(fù)溫到高溫等級的過程中存在循環(huán)N2與LNG的簡單換熱，造成能級利用的不合理。為充分利用LNG全溫區(qū)的冷能，在滿足 “溫度對口，梯級利用”的科學(xué)用能原則［4］指導(dǎo)下，本研究提出4套針對不同壓力等級的LNG－N2換熱網(wǎng)絡(luò)布置方案，具體技術(shù)參數(shù)見表1及如圖5～圖8所示。

表1 四種LNG－N2換熱網(wǎng)絡(luò)布置方案Table 1 Arrangements of 4LNG－N2heat exchange networks

LNG的壓力選取參考LNG管網(wǎng)輸送壓力，分別定為低壓3.5MPa及高壓7MPa。為更好地幫助讀者了解LNG換熱系統(tǒng)的布置，文中對部分細節(jié)進行了簡化處理，而著重分析系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)計思路。

3.1 方案1：LNG－N2雙高壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案

圖5所示為LNG－N2雙高壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案。來自精餾塔上塔的0.13MPa左右的低壓氮氣經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)溫后進入LNG換熱系統(tǒng)，經(jīng)三級壓縮至6MPa左右，進入中溫換熱器、低溫換熱器冷卻至120K，經(jīng)節(jié)流閥兩次節(jié)流后進入低壓氣液分離器分離。所得到的液氮分成兩部分，一部分進入液氮儲罐，另一部分作為循環(huán)氮進入空氣液化器，同主換熱器復(fù)溫后返回系統(tǒng)；LNG經(jīng)低溫換熱器、中溫換熱器、高溫換熱器復(fù)溫至常溫，在復(fù)溫過程中分別于190K及225K溫度處各分流一股進入水循環(huán)系統(tǒng)冷卻乙二醇水溶液，復(fù)溫后兩股天然氣混合進入燃氣管網(wǎng)。

圖5 LNG－N2雙高壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.5 High pressure （HP）LNG－low pressure（LP）N2heat exchange network system

如前文所述，由于本系統(tǒng)采用了LNG與N2雙高壓的配置，總體LNG換熱匹配性能較好。但在拐點處由于物性的突然變化導(dǎo)致?lián)Q熱溫差突然增大，可考慮在此溫度區(qū)間內(nèi)抽出部分LNG用于其他用途。本換熱網(wǎng)絡(luò)方案則主要用于水循環(huán)系統(tǒng)中乙二醇水溶液的制取，得到的低溫乙二醇水溶液進入空氣冷卻器，參與空壓機級后冷卻。方案中液氮產(chǎn)品在精餾塔外獲得，液氧在精餾塔內(nèi)獲得。

3.2 方案2：LNG－N2雙低壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案

圖6所示為LNG－N2雙低壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案。來自精餾塔上塔的0.13MPa左右的低壓氮氣經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)溫后，經(jīng)高溫換熱器冷卻，進入LNG換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，經(jīng)兩級低溫壓縮至2.5MPa左右，依次進入高溫換熱器、中溫換熱器、低溫換熱器冷卻至117K，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后進入低壓氣液分離器。所得到的液氮一部分作為外部循環(huán)氮提供冷量，其余作為產(chǎn)品進入產(chǎn)品儲罐。LNG經(jīng)低溫換熱器換熱后，一部分經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流返回低溫換熱器換熱后依次進入中溫換熱器、高溫換熱器提供冷量，另一部分經(jīng)中溫換熱器換熱后分流一股進入水循環(huán)系統(tǒng)，其余進入高溫換熱器換熱，最終天然氣混合進入天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)。

圖6 LNG－N2雙低壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.6 Low pressure （LP）LNG－LP N2 heat exchange network system

與雙高壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案相比，本換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案具有如下特點：①降低了換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中氮氣和LNG的最高運行壓力，由6MPa減少到2.5MPa，減少了壓縮機及附屬設(shè)備的數(shù)量；②由于采用了雙低壓運行工況，尤其是氮氣的運行壓力較低，為滿足低溫換熱器中氮氣的冷凝要求，部分LNG在復(fù)溫后節(jié)流降溫返回低溫換熱器以補充冷量不足，因此該換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中LNG存在兩個低壓換熱壓力；③為滿足高溫換熱器氮氣的冷卻，高溫換熱器和中溫換熱器之間存在氮氣的自循環(huán)過程。

3.3 方案3：LNG高壓－N2低壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案

LNG高壓－N2低壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案如圖7所示，與LNG－N2雙低壓方案基本類似。來自精餾塔上塔的0.13MPa左右的低壓氮氣經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)溫后，經(jīng)高溫換熱器冷卻，進入LNG換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，經(jīng)兩級低溫壓縮至2.5MPa左右，依次進入高溫換熱器、中溫換熱器、低溫換熱器冷卻至118K，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后進入低壓氣液分離器。所得到的液氮一部分作為外部循環(huán)氮提供冷量，其余作為產(chǎn)品進入產(chǎn)品儲罐。LNG經(jīng)低溫換熱器換熱后，一部分經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流返回低溫換熱器換熱后依次進入中溫換熱器、高溫換熱器提供冷量，另一部分經(jīng)中溫換熱器換熱后分流一股進入水循環(huán)系統(tǒng)，其余進入高溫換熱器換熱，最終天然氣混合進入天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)。

圖7 LNG高壓－N2低壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.7 HP LNG－LP N2heat exchange network system

與雙低壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案相比，本換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案具有如下特點：①由于氮氣的運行壓力較低，為滿足低溫換熱器中氮氣的冷凝要求，部分LNG在復(fù)溫后節(jié)流降溫返回低溫換熱器以補充冷量不足，因此該換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中LNG同樣存在兩個低壓換熱壓力；②由于LNG壓力的提高，LNG冷量上移，換熱匹配性能得到提升，高溫換熱器與中溫換熱器之間的氮氣自循環(huán)過程得以取消。

3.4 方案4：LNG低壓－N2高壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案

圖8所示為LNG低壓－N2高壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案。來自精餾塔上塔的0.13MPa左右的低壓氮氣經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)溫后進入LNG換熱系統(tǒng)，經(jīng)三級壓縮至4.6MPa后，經(jīng)高溫換熱器、中溫換熱器及低溫換熱器冷卻至120K，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流進入低壓氣液分離器。氣體作為返流氮氣返流。液氮一部分作為外循環(huán)氮，為空分系統(tǒng)提供冷量，其余作為液體產(chǎn)品進入儲罐。低壓LNG依次經(jīng)低溫換熱器、中溫換熱器、高溫換熱器復(fù)溫后進入燃氣管網(wǎng)。在中、低溫換熱器之間建立了一套氮氣兩級壓縮－膨脹循環(huán)來為低溫區(qū)提供冷量。

與前面3種不同工況的換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案相比，本換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案具有如下特點：①由于采用了低壓LNG搭配高壓N2的配置，LNG的冷量集中于低溫段，導(dǎo)致高溫段冷量并不富余，因此取消了乙二醇水溶液換熱系統(tǒng)；②在中溫換熱器和低溫換熱器之間建立了氮氣的增壓膨脹循環(huán)，將中溫換熱器中的LNG冷能轉(zhuǎn)移到低溫換熱器處，平衡了系統(tǒng)內(nèi)部的冷能，為氮氣的液化提供冷量；③由于設(shè)置了一套獨立的氮氣制冷循環(huán)，換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，延長了系統(tǒng)的啟動時間。

圖8 LNG低壓－N2高壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案Fig.8 LP LNG－HP N2heat exchange network system

4 流程模擬及工況分析

本研究所有提出的流程均采用國際通用流程模擬軟件Aspen Plus及HYSYS進行模擬計算。原料空氣初始參數(shù)：101.325kPa、300K，空氣摩爾組成為含氮78.1%、含氧21%、含氬0.9%。物性方程選用P－R方程，壓縮機等溫效率選取85%，機械效率為95%。

LNG成分簡化為單一甲烷，進口參數(shù)取0.1 MPa，飽和液體狀態(tài)，通過低溫液體泵加壓達到所需工作壓力。液體產(chǎn)品為液氧 （0.996）和液氮（0.9999），液氧產(chǎn)品在精餾塔上塔底部獲得，液氮在LNG－N2換熱網(wǎng)絡(luò)中獲得。

表2為4種不同方案的模擬計算結(jié)果。由表2可知，新設(shè)計4種方案的單位液態(tài)產(chǎn)品能耗與現(xiàn)有的空分系統(tǒng)相比均有明顯減小。在采用同樣LNGN2雙高壓工況的前提下，單位產(chǎn)液能耗為0.217 kW·h·kg－1，相比現(xiàn)有工藝降低了15.9%；采用方案3的能耗為0.189kW·h·kg－1，同比降低了26.7%；如果不限定LNG出口壓力，則采用LNG－N2雙低壓布置的方案2降低幅度最大，為31.8%。4種方案中方案4的單位能耗最大，但也同比降低了8.5%。

表2 不同方案的模擬結(jié)果對比Table 2 Comparison of different scheme simulation results

與現(xiàn)有的LNG冷能空氣分離系統(tǒng)相比，新方案增加了LNG用量，導(dǎo)致總能耗的增加，但是生產(chǎn)的液氮產(chǎn)品也大大增多，因此單位液體產(chǎn)品的能耗反而減小。通過對比4個方案不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用雙低壓布置方案時，流程的液體生產(chǎn)效率最高。其次為采用低壓N2－高壓LNG的布置方案時，即采用低壓N2布置方案的流程在能耗表現(xiàn)上普遍優(yōu)于采用高壓N2的方案。而通過方案1和方案4的結(jié)果對比可以得出采用超臨界LNG及超臨界N2的壓力配置優(yōu)于兩者均是亞臨界的情況，即當(dāng)LNG換熱壓力較低時應(yīng)盡量降低循環(huán)N2的壓力以降低能耗，而當(dāng)LNG壓力處于較高的超臨界狀態(tài)時則應(yīng)設(shè)法提高循環(huán)N2的對應(yīng)匹配壓力以提高液體產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

由第1節(jié)可知，在不同壓力工況下LNG冷量在各溫度等級的分配會發(fā)生變化，LNG作為LNG－N2換熱網(wǎng)路方案的冷量來源，伴隨壓力的變化，將會對換熱網(wǎng)絡(luò)的LNG流量等技術(shù)參數(shù)帶來影響。為了研究LNG壓力對于冷、熱流體換熱均勻性的影響，針對4種不同的LNG－N2換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案進行分析。結(jié)果見表3，文中選用冷熱流體的算術(shù)平均溫差作為衡量冷熱流體換熱均勻性的指標。在總共4個方案中，LNG－N2雙低壓方案的整體換熱均勻性最佳，這與其在能耗上的表現(xiàn)是一致的。而在LNG－N2雙高壓布置方案中，當(dāng)N2壓力固定時，適當(dāng)提高LNG蒸發(fā)壓力也可以優(yōu)化系統(tǒng)的換熱均勻性。在亞臨界狀態(tài)下，當(dāng)N2循環(huán)壓力較低時降低LNG的換熱壓力可以提高系統(tǒng)的換熱均勻性，反之亦然。而當(dāng)N2循環(huán)壓力處于超臨界狀態(tài)時，則應(yīng)設(shè)法提高LNG壓力至超臨界狀態(tài)，以利于換熱匹配。

5 結(jié) 論

（1）采用LNG－N2雙低壓和雙高壓工況比較有利于換熱網(wǎng)絡(luò)的匹配。采用低壓N2循環(huán)壓力的方案具有較高的冷能回收效率。采用低壓LNG－高壓N2的方案相對而言較難實現(xiàn)匹配，而且冷能回收效率偏低。

（2）當(dāng)LNG換熱壓力較低時，應(yīng)盡量降低循環(huán)N2的壓力，以降低能耗。而當(dāng)LNG壓力處于較高的超臨界狀態(tài)時，則應(yīng)設(shè)法提高循環(huán)N2的對應(yīng)匹配壓力，以提高液體產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

（3）在亞臨界狀態(tài)下，當(dāng)N2循環(huán)壓力較低時降低LNG的換熱壓力可以提高系統(tǒng)的換熱均勻性，反之亦然。而當(dāng)N2循環(huán)壓力處于超臨界狀態(tài)時，則應(yīng)設(shè)法提高LNG壓力至超臨界狀態(tài)，以利于換熱匹配。

（4）本研究以換熱匹配為原則，減少傳熱不可逆損失，獲得了循環(huán)壓力對冷能回收效率及總體能耗的影響。

表3 LNG壓力對于換熱網(wǎng)絡(luò)的影響Table 3 Influence of LNG pressure on heat exchange network

符 號 說 明

AMTD——算術(shù)平均溫差

HP——高壓

LNG——液化天然氣

LP——低壓

pc——臨界壓力，MPa

pLNG——天然氣壓力，MPa

Tc——臨界溫度，K

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