階式雙混合冷劑液化天然氣流程的混合制冷劑研究

王元春 程小姣 高 俊 王思茜 曹連進(jìn)

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司 2. “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 3.四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司

階式雙混合冷劑液化天然氣流程的混合制冷劑研究

王元春1程小姣1高 俊2王思茜3曹連進(jìn)2

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司 2. “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 3.四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司

為了降低混合制冷劑液化天然氣流程功耗，采用預(yù)冷循環(huán)。其中，階式雙混合冷劑液化天然氣流程得到廣泛應(yīng)用。通過建立階式雙混合冷劑液化流程比功耗的目標(biāo)函數(shù)，分析預(yù)冷溫度、混合制冷劑組成及配比與液化流程比功耗的關(guān)系得出：混合工質(zhì)預(yù)冷的最佳溫度為-50 ℃，預(yù)冷混合制冷劑由C2H6～C5H12組成，深冷混合制冷劑應(yīng)為N2、CH4～C3H8組成；同時，混合制冷劑最佳配比為比功耗最小所對應(yīng)的各組分的含量。

雙混合冷劑 預(yù)冷溫度 液化 組成 最佳配比

混合制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LNG液化工廠[1-2]。為了進(jìn)一步降低流程功耗，混合冷劑液化流程采用預(yù)冷措施。其中，階式雙混合冷劑液化天然氣流程得到廣泛應(yīng)用。雙混合冷劑液化流程中，合理的預(yù)冷溫度決定預(yù)冷混合制冷劑、深冷混合制冷劑的組成。同時，最佳的預(yù)冷和深冷混合制冷劑配比是降低流程能耗的關(guān)鍵。本文針對雙混合冷劑液化天然氣流程的比功耗最小，提出階式雙混合冷劑液化流程的最佳預(yù)冷溫度及混合冷劑最佳組成。

1 雙混合冷劑液化流程

階式雙混合冷劑循環(huán)液化工藝流程見圖1[3]。該流程包括預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)、深冷混合制冷劑循環(huán)以及天然氣液化回路。結(jié)合圖1，研究預(yù)冷溫度、預(yù)冷混合制冷劑及深冷混合制冷劑組成及配比，其中天然氣典型組分的摩爾分?jǐn)?shù)為甲烷95.8%、乙烷2.7%、丙烷0.5%。

預(yù)冷混合冷劑循環(huán)：混合制冷劑經(jīng)低壓、高壓壓縮機(jī)壓縮至高壓，經(jīng)水冷器冷卻，然后進(jìn)入換熱器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制冷劑預(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)：混合制冷劑經(jīng)低壓、高壓壓縮機(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III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)。

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)流降壓至儲存壓力，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)低溫儲罐。

2 混合制冷劑組成研究

2.1 預(yù)冷溫度的確定

雙混合冷劑液化天然氣流程中，預(yù)冷溫度直接關(guān)系著預(yù)冷混合制冷劑和深冷混合制冷劑的組成及配比。以總流程的比功耗為最小目標(biāo)函數(shù)來確定預(yù)冷的最佳溫度，最小比功耗函數(shù)為[4-5]：

(1)

式中，Wy為預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)壓縮機(jī)功耗，kJ/h；Wc為深冷混合制冷劑循環(huán)壓縮機(jī)功耗，kJ/h；qLNG為LNG流量，kmol/h。

預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)中，壓縮機(jī)功耗Wy為：

Wy=H12-H10=qymr(h12-h10)

(2)

其中：

qymr=(H1+H19-H2-H20)/(h10-h13)

(3)

深冷混合冷劑循環(huán)中，壓縮機(jī)功耗Wc為：

Wc=H18-H16=qmr(h18-h16)

(4)

其中：

qmr=(H3-H8-H9)/(h3-h20)

(5)

式中，qymr為預(yù)冷混合制冷劑流量，kg/h；qmr為深冷混合制冷劑流量，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、H12為預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)節(jié)點(diǎn)10、12處物流的總焓，H16、H18～20為深冷混合制冷劑循環(huán)節(jié)點(diǎn)16、18、19、20處物流的總焓(總焓：kJ/h)；h3為天然氣液化回路節(jié)點(diǎn)3處物流比焓，h10、h12～13為預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)節(jié)點(diǎn)10、12、13處物流的比焓，h16、h18、h20為深冷混合制冷劑循環(huán)節(jié)點(diǎn)16、18、20處物流的比焓(比焓：kJ/kg；節(jié)點(diǎn)見圖1)。

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)可得，預(yù)冷溫度對雙混合冷劑液化天然氣流程的比功耗的影響趨勢見圖2。

由圖2可看出，流程比功耗隨著預(yù)冷溫度的降低呈下降趨勢。然而，當(dāng)預(yù)冷溫度低于-50 ℃時，比功耗下降趨勢平緩。因此，雙混合冷劑液化流程中混合冷劑預(yù)冷溫度不應(yīng)低于-50 ℃。

2.2 預(yù)冷混合制冷劑組成

雙混合冷劑液化天然氣流程中，預(yù)冷混合制冷劑為液化天然氣和深冷混合制冷劑提供預(yù)冷冷量?；旌现评鋭╊A(yù)冷的最低溫度為-50 ℃。根據(jù)目標(biāo)函數(shù)(式1)，計(jì)算得預(yù)冷混合制冷劑組成對流程比功耗的影響趨勢見圖3。

由圖3可以看出，在滿足最低制冷溫度-50 ℃的條件下，混合制冷劑由C2H6～C5H12組成使預(yù)冷循環(huán)比功耗最小。當(dāng)混合制冷劑中分別添加少量N2、CH4或同時配有少量的N2和CH4時，比功耗增大；同時，隨著N2、CH4含量的微量增加，比功耗呈上升趨勢。

因此，為了使雙混合冷劑液化流程的比功耗最小，預(yù)冷混合制冷劑不需要壓縮功耗較大的N2、CH4，而應(yīng)由C2H6～C5H12組成。

2.3 深冷混合制冷劑組成

深冷混合制冷劑為天然氣的液化及過冷段提供冷量，制冷溫區(qū)為-50～-160 ℃。為了滿足深冷混合制冷劑最低制冷溫度，混合制冷劑應(yīng)配有制冷溫位低于-160 ℃的N2和CH4。深冷混合制冷劑制冷最高溫度-50 ℃高于C3H8、C4H10、C5H12的制冷溫位，但通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，深冷混合制冷劑配有適量的C3H8，可降低制冷劑壓縮功，如加入摩爾分?jǐn)?shù)為5%的C3H8，可降低壓縮功耗約6%。而深冷混合制冷劑配有C4H10、C5H12時，由于其沸點(diǎn)較高，使得深冷混合制冷劑循環(huán)量反而增加，造成壓縮功耗上升。因此，雙混合冷劑液化流程中深冷混合制冷劑應(yīng)由N2、CH4～C3H8組成。

3 混合制冷劑配比研究

雙混合冷劑液化流程中混合制冷劑組成確定后，混合制冷劑配比是該液化流程追求低能耗的基礎(chǔ)。因此，研究預(yù)冷混合制冷劑及深冷混合制冷劑配比與流程功耗的關(guān)系是確定混合制冷劑最佳配比的關(guān)鍵[6-7]。不同的操作條件下，預(yù)冷及深冷混合制冷劑的各組成配比對流程比功耗呈相同的變化趨勢。下面以原料氣進(jìn)站壓力5 MPa、溫度25 ℃、LNG產(chǎn)品儲存壓力20 kPa(表壓)為例，進(jìn)行階式雙混合冷劑液化流程混合制冷劑配比分析，天然氣組成見雙混合冷劑液化流程部分。

3.1 預(yù)冷混合制冷劑配比分析

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算可得，預(yù)冷混合制冷劑各組成配比對流程比功耗的關(guān)系見圖4。

由圖4可看出，流程比功耗隨C2H6含量的增加先下降后上升，存在一個比功耗最小的極值點(diǎn)；比功耗隨著C3H8、C4H10、C5H12含量的增加呈下降趨勢；預(yù)冷混合制冷劑中丙烷含量不宜太高，否則將導(dǎo)致C4H10、C5H12含量太低，無法實(shí)現(xiàn)功耗最小。

由此可得，在雙混合冷劑液化流程的預(yù)冷混合制冷劑中，合理地選擇C2H6的摩爾分?jǐn)?shù)，可以取得較佳的流程性能，且C2H6最佳含量為流程比功耗曲線的凸點(diǎn)。

3.2 深冷混合制冷劑配比分析

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算可得，深冷混合制冷劑各組成配比對流程比功耗的影響趨勢見圖5。

由圖5可看出，隨著CH4、C2H6、C3H8摩爾分?jǐn)?shù)的增大，流程比功耗呈先下降后上升的變化趨勢。同時，從N2、CH4～C3H8對流程比功耗的影響趨勢中可看出，各組成均存在一個比功耗最小的極值點(diǎn)。

由此可得，雙混合冷劑液化天然氣流程的深冷混合制冷劑最佳配比應(yīng)為各組成最小比功耗所對應(yīng)的含量，即流程比功耗曲線的凸點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1) 階式雙混合冷劑液化天然氣流程中，預(yù)冷混合制冷劑制冷的最佳溫度為-50 ℃。

(2) 預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)中，N2、CH4的存在使液化流程比功耗增大。因此，預(yù)冷混合制冷劑不應(yīng)含有N2、CH4，而應(yīng)由C2H6～C5H12組成。

(3) 深冷混合制冷劑循環(huán)中，制冷溫區(qū)為-50～-160 ℃左右，制冷最高溫度-50 ℃，高于C3H8、C4H10、C5H12的制冷溫位，但配有適量的C3H8可降低制冷劑壓縮功耗。所以，深冷混合制冷劑應(yīng)由N2、CH4～C3H8組成。

(4) 階式雙混合冷劑液化天然氣流程的混合制冷劑最佳配比應(yīng)按流程比功耗最小來確定。

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MixedrefrigerantresearchofLNGprocesswithcascadedoublemixedrefrigerantcycle

WangYuanchun1,ChengXiaojiao1,GaoJun2,WangSiqian3,CaoLianjin2

(1.ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.BeijingCompany,Beijing100000,China; 2.StateKeyLaboratoryofOilamp;GasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China; 3.SichuanOilamp;GasConstructionEngineeringCo.,Ltd,Chengdu610213,China)

To reduce the power of mixed refrigerant cycle (MRC), the process used the pre-cooling cycle. The cascade double mixed refrigerant cycles are widely used in pre-cooling cycle. This paper established the objective function of unit power consumption of the double mixed refrigerant cycle to analyze the relationship among pre-cooling temperature, composition and proportion of MR and the unit power consumption. As the result, the best pre-cooling temperature was -50 ℃. The composition of pre-cooling mixed refrigerant is from C2H6to C5H12, and the deep-cooling mixed refrigerant should include N2, CH4, C2H6and C3H8. Meanwhile, the optimum proportion of the mixed refrigerant is the content of each component corresponding to the minimum unit specific power consumption.

double mixed refrigerant, pre-cooling temperature, liquefaction, composition, optimum proportion

王元春(1963-)，男，湖北黃岡人，教授級高級工程師，現(xiàn)任職于中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，主要從事石油天然氣集輸、加工設(shè)計(jì)、科研工作。E-mailwangyuanchun@cpebj.com

TE646

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.03.011

2014-12-04；編輯康莉