三種天然氣液化流程模擬分析

張 凱，劉 洋

?

三種天然氣液化流程模擬分析

張 凱，劉 洋

（東北石油大學(xué)，黑龍 大慶 163318）

結(jié)合實(shí)際參數(shù)，利用HYSYS軟件分別對(duì)閉式混合冷劑、帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑及調(diào)峰型液化流程進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)分析比較三種天然氣模擬流程過(guò)程中制冷劑、功耗、液化率等參數(shù)，得到三種天然氣液化流程的優(yōu)缺點(diǎn)，為實(shí)際工藝流程的選擇提供指導(dǎo)。

HYSYS； 閉式混合冷劑；丙烷預(yù)冷混合冷劑；調(diào)峰型；液化流程

天然氣[1]是一種高效、優(yōu)質(zhì)、清潔的能源,低溫液化后體積縮小620倍,十分有利于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。我國(guó)天然氣液化技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù),正在迅速發(fā)展，但技術(shù)領(lǐng)域與歐洲和北美等發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距[2]。HYSYS是一個(gè)化工流程模擬動(dòng)態(tài)仿真軟件，是一款環(huán)境模擬設(shè)計(jì)軟件，允許設(shè)計(jì)者通過(guò)概念上的設(shè)計(jì)而簡(jiǎn)化制作過(guò)程來(lái)完成項(xiàng)目工作，對(duì)于天然氣工程中，更是以其高效、準(zhǔn)確的模擬特性贏得了廣泛好評(píng)，得到天然氣行業(yè)內(nèi)的高度認(rèn)可[3-4]。在學(xué)習(xí)李士富[6-8]等應(yīng)用HYSYS軟件對(duì)部分世界上典型的天然氣處理工藝建立模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)HYSYS軟件對(duì)閉式混合冷劑、帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑及調(diào)峰型三種液化流程進(jìn)行模擬計(jì)算并比較分析，為實(shí)際工藝流程的設(shè)計(jì)提供幫助。

1 基礎(chǔ)條件

閉式混合冷劑流程：原料天然氣流率為1 860 kmol/h，原料氣溫度為36 ℃，壓力為5 499 kPa，原料氣及混合冷劑組成如表1所示。帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑液化流程：標(biāo)況下采出氣處理量100×104m3/d，即1 860 kmol/h，采出氣溫度為25 ℃，采出氣壓力為5 050 kPa，原料氣及混合冷劑組成如表1所示。調(diào)峰型液化流程: 原料氣溫度35 ℃，原料氣壓力為2 670 kPa，原料氣流率為1 936 kmol/h，制冷劑為100%的N2，原料氣成分組成如表2所示，以PR方程作為全局物性方程。

2 閉式混合冷劑液化流程

在閉式流程中冷劑循環(huán)與原料氣液化過(guò)程彼此分開，液化流程的換熱器過(guò)程中，提供冷量的混合工質(zhì)的液體蒸發(fā)溫度隨組分的不同而不同，在換熱器內(nèi)的熱交換過(guò)程是個(gè)變溫過(guò)程[9]，通過(guò)合理選擇制冷劑，可使冷熱流體間的換熱溫差保持比較低的水平。通過(guò)HYSYS軟件，以表1原料氣組分和制冷劑組成為基礎(chǔ)，對(duì)閉式混合冷劑液化流程進(jìn)行模擬計(jì)算，天然氣液化流程圖如圖1所示。

表1 原料氣及混合冷劑組成

表2 調(diào)峰型原料氣組成

圖1 閉式混合冷劑液化工藝流程

2.1 穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)建立的模型輸入相應(yīng)的參數(shù)得到模擬計(jì)算結(jié)果。模擬所得物料平衡見表3，各物流組分見表4，流程主要能量流熱流量見表5。

表3 各節(jié)點(diǎn)物料平衡表

表4 節(jié)點(diǎn)物流組分表

表5 各節(jié)點(diǎn)主要能量流熱流量

根據(jù)模擬計(jì)算出的物性參數(shù)、各物流組分和能量流熱流量，得到流程模擬結(jié)果：一級(jí)、二級(jí)壓縮機(jī)能耗分別為1.115×108kJ/h、3.012×107kJ/h，水冷器的熱流量為1.053×108kJ/h、5.885×108kJ/h，液化率為60.8%。

3 帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑液化流程

帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán)(MRC)液化天然氣流程具有高效及流程相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),丙烷預(yù)冷循環(huán)首先預(yù)冷天然氣和混合制冷劑,然后由混合制冷劑循環(huán)進(jìn)一步冷卻天然氣使其液化[10]。通過(guò)HYSYS軟件，以表1原料氣組分和制冷劑組成為基礎(chǔ)，對(duì)帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑液化流程進(jìn)行模擬計(jì)算，天然氣液化流程圖如圖2所示:

圖2 帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑液化工藝流程

3.1 穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模擬計(jì)算出的物性參數(shù)、各物流組分和能量流熱流量，得到流程模擬結(jié)果：一級(jí)、二級(jí)壓縮機(jī)能耗分別為1.125×107kJ/h、0.994×107kJ/h，水冷器的熱流量為5.217 ×106kJ/h、14.1×106kJ/h，丙烷蒸發(fā)器的換熱量為7.639×106kJ/h、1.232×107kJ/h、4.386×106kJ/h、4.225×106kJ/h，液化率為93.9%。

4 調(diào)峰型液化流程

本次計(jì)算模擬的調(diào)峰型流程為氮?dú)馀蛎浿评涮烊粴庖夯鞒?，由原料天然氣冷卻流程和冷劑制冷循環(huán)兩大部分構(gòu)成。以表2原料氣組成成分為基礎(chǔ)，通過(guò)HYSYS對(duì)該流程進(jìn)行模擬計(jì)算，流程圖如圖3所示。

圖3 調(diào)峰型液化工藝流程

4.1 穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模擬計(jì)算出的物性參數(shù)、各物流組分和能量流熱流量，得到流程模擬結(jié)果：一級(jí)、二級(jí)壓縮機(jī)能耗分別為5.793×107kJ/h、8.42×107kJ/h，冷劑膨脹機(jī)熱流為2.164×107kJ/h，水冷器的熱流量為5.777×107kJ/h、8.73×107kJ/h，液化率為93.23%。

5 結(jié) 論

通過(guò)模擬計(jì)算，總結(jié)上述三種混合制冷劑液化流程的計(jì)算結(jié)果如下表所示。

表6 各流程計(jì)算結(jié)果的比較

通過(guò)比較表中制冷劑、功耗、液化率、總功耗以及流程設(shè)備等參數(shù)，C3/MRC液化流程和調(diào)峰型液化流程的總功耗低、液化率高；調(diào)峰型液化流程制冷劑組分簡(jiǎn)單，可直接從天然氣中獲取，比例容易控制；流程越復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量越多，越難控制流程的穩(wěn)定性；在三個(gè)流程中，膨脹制冷液化流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，運(yùn)行控制方便，適用于回收邊際氣田的小型液化裝置。

[1] 郭彥鑫. 天然氣液化技術(shù)與應(yīng)用研究[D]. 西安石油大學(xué), 2011.

[2] 石玉美, 顧安忠, 汪榮順,等. 混合制冷劑循環(huán)(MRC)液化天然氣流程的設(shè)備模擬[J]. 低溫與超導(dǎo), 2000, 28(2):41-46.

[3] 沈惠康.液化天然氣工藝與設(shè)備[J].煤氣與熱力，1999(6):25-28.

[4] 劉新偉, 李海國(guó), 劉芙蓉. 天然氣液化流程模擬及其工藝計(jì)算[J]. 天然氣工業(yè), 1999, 19(1):97-100.

[5] 李惠茗. 常用化工流程模擬軟件淺析[J]. 甘肅石油和化工, 2010(3):45-48.

[6] 李士富, 韓志杰. 基本負(fù)荷型天然氣液化HYSYS軟件計(jì)算(一)[J]. 石油與天然氣化工, 2009, 38(5):371-374.

[7] 龐博學(xué)，方立，范恩慶，劉天元，董吳雷.混合制冷劑天然氣液化工藝流程計(jì)算[J].當(dāng)代化工，2015,44（7）：1645-1650.

[8] 李士富，呼延念超，李亞萍.調(diào)峰天然氣液化HYSYS軟件模擬[J].石油與天然氣化工，2010，39（1）:1-2.

[9] 曹文勝, 魯雪生, 石玉美,等. 小型天然氣液化流程[J]. 天然氣工業(yè), 2005, 25(5):109-111.

[10] 袁樹明, 劉蘭慧, 范學(xué)軍,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.

Simulation Calculation of Natural Gas Liquefaction Processes

,

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing163318, China）

Combined with the actual parameters, HYSYS software was used to simulate closed mixed refrigerant, mixed refrigerant with propane precooling,and peak shaving type liquefaction processes. By comparing refrigerant, power consumption and liquefaction rateparameters, advantages and disadvantages of three kinds of natural gas liquefaction processes were analyzed, which could provide guidance for the selection of process flow.

HYSYS; closed mixed refrigerant; propane precooling mixed refrigerant; liquefaction process

2016-12-31

張凱（1992-），男，在讀碩士，江西省景德鎮(zhèn)市，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)方向。

TE 624

A

1004-0935（2017）03-0234-03