預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程優(yōu)化與對(duì)比

茍亞軍，蔣梟瀟，陳俊蕾，李爽

（樂山峨沙天然氣有限責(zé)任公司，四川樂山614900）

預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程優(yōu)化與對(duì)比

茍亞軍，蔣梟瀟，陳俊蕾，李爽

（樂山峨沙天然氣有限責(zé)任公司，四川樂山614900）

為了降低混合冷劑液化天然氣流程的能耗，采用預(yù)冷措施。其中，常用的預(yù)冷方式有丙烷預(yù)冷和混合工質(zhì)預(yù)冷。為獲得兩種預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程的最優(yōu)性能，對(duì)預(yù)冷混合冷劑液化流程建立比功耗為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析。同時(shí)，結(jié)合實(shí)例對(duì)丙烷預(yù)冷混合冷劑液化流程和雙混合冷劑液化流程進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：雙混合冷劑液化流程較丙烷預(yù)冷液化流程的熵增小，冷凝液化效率高，且比功耗低，裝置運(yùn)行成本低。

丙烷；混合冷劑；預(yù)冷；優(yōu)化；對(duì)比

混合冷劑液化天然氣流程因其低能耗的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于大型的LNG液化工廠。為了進(jìn)一步降低流程功耗，混合冷劑液化流程采用預(yù)冷的措施。其中，常用的預(yù)冷方式有丙烷預(yù)冷和混合工質(zhì)預(yù)冷。如何獲得預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程的最優(yōu)操作條件，降低天然氣液化過程中能量消耗從而節(jié)約運(yùn)行成本，已成為LNG液化工廠需解決的問題。本文建立預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程比功耗為目標(biāo)的優(yōu)化模型，并對(duì)丙烷預(yù)冷和混合工質(zhì)預(yù)冷兩種預(yù)冷混合冷劑液化流程進(jìn)行對(duì)比，為天然氣液化流程的選擇提供技術(shù)支持。

1　預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程

1.1丙烷預(yù)冷混合冷劑循環(huán)液化流程

丙烷預(yù)冷混合冷劑循環(huán)液化工藝流程（見圖1）［1］。該流程由深冷混合冷劑循環(huán)、丙烷預(yù)冷循環(huán)以及天然氣液化回路。

丙烷預(yù)冷循環(huán)：丙烷經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至高壓，經(jīng)水冷器冷卻后節(jié)流閥節(jié)流降溫為天然氣和混合冷劑的預(yù)冷提供冷量。升溫后的丙烷返回丙烷壓縮機(jī)，完成丙烷預(yù)冷循環(huán)。

深冷混合冷劑循環(huán)：混合冷劑經(jīng)低壓、高壓壓縮機(jī)壓縮至高壓，經(jīng)水冷器帶走一部分熱量，然后通過丙烷預(yù)冷循環(huán)預(yù)冷。預(yù)冷后的混合冷劑進(jìn)入分離器III分離。其中，液相經(jīng)換熱器I冷卻后節(jié)流、降溫，與返流的混合冷劑混合后，為換熱器I提供冷量。氣相經(jīng)換熱器II、換熱器III冷卻后節(jié)流、降溫，為換熱器III、換熱器II提供冷量。升溫后的混合冷劑返回壓縮機(jī)，完成混合冷劑循環(huán)。

天然氣液化回路：凈化后的天然氣經(jīng)丙烷預(yù)冷循環(huán)后進(jìn)入分離器I進(jìn)行重?zé)N分離。其中，液相去重?zé)N處理裝置，氣相經(jīng)換熱器II冷卻、換熱器III液化并過冷，然后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓至儲(chǔ)存壓力，最后進(jìn)入分離器II進(jìn)行氣液分離，液相為LNG產(chǎn)品進(jìn)低溫儲(chǔ)罐。

圖1　丙烷預(yù)冷混合冷劑液化工藝流程圖

1.2雙混合冷劑循環(huán)液化流程

雙混合冷劑循環(huán)液化工藝流程（見圖2）［2］。該流程由預(yù)冷混合冷劑循環(huán)、深冷混合冷劑循環(huán)以及天然氣液化回路。

預(yù)冷混合冷劑循環(huán)：混合冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至高壓，經(jīng)水冷器冷卻，然后進(jìn)換熱器I預(yù)冷后節(jié)流、降溫返回?fù)Q熱器I，為天然氣和深冷混合冷劑預(yù)冷提供冷量，最后返回壓縮機(jī)完成預(yù)冷混合冷劑循環(huán)。

深冷混合冷劑循環(huán)：混合冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至高壓，經(jīng)水冷器冷卻，然后經(jīng)換熱器I進(jìn)一步冷卻后進(jìn)入分離器II分離。其中，液相經(jīng)換熱器II冷卻后節(jié)流、降溫，與返流的混合冷劑混合后，為主換熱器II提供冷量；氣相經(jīng)換熱器II和換熱器III冷卻后節(jié)流、降溫，為換熱器III、主換熱器II提供冷量。升溫后的混合冷劑返回壓縮機(jī)，完成深冷混合冷劑循環(huán)。

圖2　雙混合冷劑液化工藝流程圖

表1　天然氣組成

天然氣液化回路：凈化后的天然氣經(jīng)換熱器I預(yù)冷后進(jìn)入分離器I進(jìn)行重?zé)N分離。其中，液相去重?zé)N處理裝置，氣相經(jīng)換熱器II冷卻、換熱器III液化并過冷，然后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓至儲(chǔ)存壓力，最后進(jìn)入分離器III進(jìn)行氣液分離，液相為LNG產(chǎn)品進(jìn)低溫儲(chǔ)罐。

2　預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程優(yōu)化分析

對(duì)某LNG工廠260×104m3/d混合冷劑液化天然氣裝置采用丙烷預(yù)冷和混合工質(zhì)預(yù)冷兩種方式工藝進(jìn)行優(yōu)化獲得最佳流程性能。該裝置天然氣入口壓力為5.0 MPa，溫度為25℃，LNG儲(chǔ)運(yùn)壓力為20 kPa（表壓），溫度為-161.2℃。天然氣組成（見表1）。

2.1優(yōu)化目標(biāo)

式中：Wy為預(yù)冷循環(huán)壓縮機(jī)功耗，kW；Wc為深冷循環(huán)壓縮機(jī)功耗，kW；qlng為LNG流量；kg/h。

2.2優(yōu)化變量

對(duì)液化裝置操作參數(shù)的優(yōu)化就是根據(jù)實(shí)際條件調(diào)整決策變量，稱為可調(diào)變量。優(yōu)化變量在可調(diào)變量中選取，這些變量在實(shí)際生產(chǎn)中必須可調(diào)。

丙烷預(yù)冷混合冷劑液化流程中：

式中：qCH3為丙烷流量，kg/h；qmr為深冷混合冷劑流量，kg/h；H1～3、H8～9為天然氣液化回路節(jié)點(diǎn)1、2、3、8、9處物流總焓，H10～11為預(yù)冷循環(huán)節(jié)點(diǎn)10、11處物流的總焓，H14、H16、H17～18為深冷循環(huán)節(jié)點(diǎn)14、16、17、18處物流的總焓，（總焓：kJ/h）；h10～11、h13為預(yù)冷循環(huán)節(jié)點(diǎn)10、11、13處物流的比焓；h14、h16、h20為深冷循環(huán)節(jié)點(diǎn)14、16、20處物流的比焓，（比焓：kJ/kg；節(jié)點(diǎn)見圖1）。

雙混合冷劑液化流程中：

式中：qymr為預(yù)冷混合冷劑流量，kg/h；H10、H12為預(yù)冷循環(huán)節(jié)點(diǎn)10、12處物流總焓，H16、H18～20為深冷循環(huán)節(jié)點(diǎn)16、18、19、20處物流的總焓，（總焓：kJ/h）；h10、h12～13為預(yù)冷循環(huán)節(jié)點(diǎn)10、12、13處物流的比焓；h16、h18、h20為深冷循環(huán)節(jié)點(diǎn)16、18、20處物流的比焓，（比焓：kJ/kg；節(jié)點(diǎn)見圖2）。

由式2～9可得，預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程性能指標(biāo)都涉及到焓值。焓值是由某一狀態(tài)點(diǎn)的壓力P、溫度T、摩爾分率Zmol及流量q決定。由此可知，在液化裝置的設(shè)備條件固定及不考慮設(shè)備熱量損失的條件下，確定以上兩種預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程的可調(diào)變量數(shù)及可調(diào)變量的選擇（見表2）。

2.3約束條件

在天然氣液化裝置處理量一定的的情況下，優(yōu)化變量的取值除了使各換熱器滿足能量平衡外，同時(shí)應(yīng)使液化流程滿足以下約束條件［3］：

式中：Thmr為分離器III處高壓冷劑的溫度，℃；Tbhmr為分離器III處高壓冷劑的泡點(diǎn)溫度，℃；Tdhmr為分離器III處高壓冷劑的露點(diǎn)溫度，℃；Tlmr為換熱器I熱端面處低壓冷劑的溫度，℃；Tblmr為換熱器I熱端面處低壓冷劑的泡點(diǎn)溫度，℃；Tng為換熱器I熱端面處天然氣溫度，℃；ΔSHEAT為各換熱器熵增，J。

2.4優(yōu)化方法

優(yōu)化方法主要有黑盒子法、混合法和序列善次歸化法。其中，序列善次歸化即SQP法是當(dāng)前公認(rèn)的最有效的方法之一，同時(shí)在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。因此，預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程參數(shù)優(yōu)化選擇SQP優(yōu)化方法。

目標(biāo)函數(shù)和約束條件可以寫成如下形式［4-5］：

表2　可調(diào)變量數(shù)及可調(diào)變量選擇

SQP法的計(jì)算步驟為：

（1）將式（14）轉(zhuǎn)化為善次歸化問題式（15）

（2）選定初始點(diǎn)x（0），給定初始矩陣Q（0）=I，置k=0；

（3）對(duì)善次歸化問題（13）進(jìn)行迭代求解x（k）；

（4）若滿足終止準(zhǔn)則，輸出結(jié)束；否則，轉(zhuǎn)（5）；

（5）直線搜索，確定步長，令x（k+1）=xk+αΔx；

（6）修正近似矩陣Q（k），轉(zhuǎn)（3）。

3　混合冷劑配比計(jì)算方法

以上兩種預(yù)冷混合冷劑液化流程中，混合冷劑組成及配比通過影響混合冷劑的焓值從而對(duì)天然氣液化流程的比功耗產(chǎn)生影響。因此，混合冷劑合理的組成和配比是預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程追求低能耗的基礎(chǔ)。

不同的混合冷劑循環(huán)，要求的混合冷劑組成不同。丙烷預(yù)冷混合冷劑液化流程中，丙烷預(yù)冷溫度約-30℃左右；深冷循環(huán)的制冷溫區(qū)為-30℃至-160℃左右，混合冷劑應(yīng)由CH4～C3H8和N2成分組成。雙混合冷劑液化流程中，預(yù)冷溫度最佳溫度為-50℃，預(yù)冷混合冷劑應(yīng)由C2H6～C5H12成分組成，深冷循環(huán)的制冷溫區(qū)為-50℃至-160℃左右，混合冷劑應(yīng)由CH4～C3H8和N2成分組成。

混合冷劑配比的計(jì)算以APCI提出的確定混合冷劑構(gòu)成的一般原則［6］為基礎(chǔ)，通過HYSYS模擬優(yōu)化得出?；旌侠鋭┡浔葍?yōu)化策略（見圖3）。

圖3　混合冷劑配比優(yōu)化策略

表3　預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程優(yōu)化參數(shù)對(duì)比

4　優(yōu)化結(jié)果及對(duì)比

通過優(yōu)化計(jì)算確定了以上兩預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程的優(yōu)化變量。優(yōu)化后的各參數(shù)（見表3）。

通過表3可知：雙混合冷劑液化天然氣流程，制冷劑循環(huán)量少，水冷卻負(fù)荷及流程壓縮功耗較小。同時(shí)，混合工質(zhì)預(yù)冷的液化流程的比功耗比丙烷預(yù)冷液化流程降低了10.9%，裝置的運(yùn)行費(fèi)用降低。

丙烷預(yù)冷混合冷劑循環(huán)和雙混合冷劑循環(huán)的天然氣冷卻曲線（見圖4、圖5）。

比較圖4～5可知：雙混合冷劑液化天然氣流程中，混合冷劑冷卻曲線更貼近原料氣的冷卻曲線，使得熵增減少，傳熱效率提高。

圖4　丙烷預(yù)冷混合冷劑循環(huán)的天然氣冷卻曲線

圖5　雙混合冷劑循環(huán)的天然氣冷卻曲線

5　結(jié)論

預(yù)冷混合冷劑液化天然氣流程中，混合冷劑作為預(yù)冷工質(zhì)使得液化流程的熵增減少，冷凝液化效率提高。同時(shí)，液化相同量的天然氣時(shí)，雙混合冷劑液化流程的冷劑循環(huán)量少，水冷卻負(fù)荷及比功耗較丙烷預(yù)冷混合冷劑液化流程低，裝置運(yùn)行成本低。因此，大型的LNG液化工廠的預(yù)冷混合冷劑液化流程應(yīng)采用運(yùn)行成本較低的混合冷劑作為預(yù)冷工質(zhì)。

［1］袁樹明，劉蘭慧，等.丙烷預(yù)冷混合制冷劑天然氣液化流程工藝計(jì)算［J］.煤氣與熱力，2010，30（8）：7-9.

［2］馬國光，吳曉楠，等.液化天然氣技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2012：36-40.

［3］位雅莉.天然氣液化工藝模擬與分析［D］.四川：西南石油大學(xué)，2004.

［4］蔣金山，何春雄，等.最優(yōu)化計(jì)算方法［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2007：165-173.

［5］王治紅，李智，等.塔河一號(hào)聯(lián)合站天然氣處理裝置參數(shù)優(yōu)化研究［J］.石油與天然氣化工，2013，46（6）：565.

［6］牛亞楠，等.多元混合制冷劑小型天然氣液化裝置的模擬研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

Optimization and comparison of the pre-cooled mixed refrigerant LNG process

GOU Yajun，JIANG Xiaoxiao，CHEN Junlei，LI Shuang
（Leshan Mindanao Sand Natural Gas Company，Leshan Sichuan 614900，China）

To reduce the power of MRC，the process use the pre-cooling measures.Among them，the common methods are propane pre-cooling way and MR pre-cooling.To obtain the optimum performance of those two LNG process，this paper establishes the objective function of unit power consumption of the pre-cooling mixed refrigerant cycle to analyze and compares these two process with the examples.As the result，the double mixed refrigerant liquefaction process has the smaller entropy and the higher efficiency of liquefaction.Meanwhile it is lower than propane pre-cooled MRC in the power consumption and the unit operating costs.

propane；mixed refrigerant；pre-cooling；optimization；comparison

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.031

TE646

A

1673-5285（2015）02-0112-05

2014－12-18

茍亞軍，男（1986-），四川南充人，本科學(xué)歷，助理工程師，現(xiàn)任職于樂山峨沙天然氣有限責(zé)任公司，主要從事天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)和天然氣工程工作，郵箱：gougouwudi@126.com。