LNG膨脹前預冷差壓液化流程參數(shù)優(yōu)化

馬國光，張晨，李曉婷，高俊，李楚

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500

2.山西天然氣有限公司，山西太原030000

3.大慶油田工程建設有限公司巴州建材分公司，新疆庫爾勒841000

LNG膨脹前預冷差壓液化流程參數(shù)優(yōu)化

馬國光1，張晨1，李曉婷1，高俊2，李楚3

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500

2.山西天然氣有限公司，山西太原030000

3.大慶油田工程建設有限公司巴州建材分公司，新疆庫爾勒841000

伴隨國內(nèi)外天然氣管網(wǎng)的迅猛發(fā)展，天然氣分輸站調(diào)壓過程蘊含壓力能的回收利用已逐漸引起業(yè)內(nèi)的重視。為了有效回收天然氣分輸站壓力能，降低液化天然氣的生產(chǎn)成本，本文采用膨脹前預冷的液化天然氣流程回收壓力能的同時得到LNG產(chǎn)品。通過建立預冷系統(tǒng)的數(shù)學模型，對預冷冷劑的配比、預冷溫度及高、低壓力進行了參數(shù)優(yōu)化，并以最大年利潤為經(jīng)濟目標，利用HYSYS優(yōu)化器對比分析參數(shù)優(yōu)化前后的差壓液化工藝，結(jié)果表明參數(shù)優(yōu)化后液化流程的年利潤總額可增加1.15×103萬元/a，有效地降低了裝置的能耗，經(jīng)濟效益得到提高。

分輸站；預冷；優(yōu)化；膨脹；能耗

天然氣分輸站是將上游高壓來氣調(diào)壓至中壓或低壓，然后輸送至下游用戶，傳統(tǒng)節(jié)流閥調(diào)壓過程將損失大量的壓力能，而采用透平膨脹機將壓力能轉(zhuǎn)化為冷能加以利用可提高分輸站經(jīng)濟效益[1-2]。膨脹前預冷差壓液化流程是利用高壓天然氣經(jīng)膨脹后產(chǎn)生的冷能液化天然氣，具有能耗低、效益高的特點[3]。

1 膨脹前預冷差壓液化天然氣流程

某天然氣分輸站來氣壓力為7.0 MPa，溫度為298 K，流量為100萬m3/d，外輸壓力為2.5 MPa，天然氣的摩爾分數(shù)組成：CH4為95.57%，C2H6為2.27%，C3H8為0.33%，i-C4H10為0.04%，n-C4H10為0.07%，C5H12為0.04%，N2為1.7%。該分輸站采用膨脹前預冷差壓液化工藝回收壓力能，其工藝流程如圖1所示。

該流程主要由預冷冷劑循環(huán)、膨脹制冷支路和天然氣液化支路組成，其中預冷冷劑循環(huán)采用三段壓縮的壓縮方式。

對于膨脹前預冷差壓液化流程，預冷冷劑循環(huán)為液化流股天然氣和膨脹流股天然氣提供預冷冷量，預冷冷量來自外冷循環(huán)，是裝置的主要能耗環(huán)節(jié)，因此其工藝參數(shù)的優(yōu)化對于能耗的降低有大的影響[4]。

圖1 膨脹前預冷壓差液化天然氣流程

2 預冷冷劑選擇

2.1 預冷冷劑的參數(shù)計算

天然氣液化工藝中，常用的預冷循環(huán)有丙烷預冷和混合冷劑預冷，分別對兩種預冷循環(huán)進行計算，計算結(jié)果對比見表1。

表1 兩種預冷循環(huán)的計算比較

由表1可得，采用丙烷預冷循環(huán)比混合冷劑預冷循環(huán)的流程比功耗小，但由于丙烷預冷溫度較高，使得LNG產(chǎn)量較低。

2.2 預冷冷劑的經(jīng)濟性分析

以最大年均利潤總額為目標函數(shù)，建立優(yōu)選預冷冷劑液化工藝的經(jīng)濟目標[5]：

式中，J為年均利潤總額，萬元/a；Cpro為年均產(chǎn)品收入，萬元/a；Ccos為年均總成本，萬元/a；Ctax為年均銷售稅金，萬元/a。

經(jīng)過年均利潤總額計算得出丙烷預冷流程利潤總額為5.09×103萬元/a，混合冷劑流程利潤總額為7.32×103萬元/a，因此為了提高工藝裝置的經(jīng)濟效益，建議采用混合冷劑作為預冷循環(huán)冷劑。

3 預冷冷劑參數(shù)優(yōu)化模型

3.1 目標函數(shù)

本文對混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化模型以液化系統(tǒng)的最小比功耗為目標函數(shù)[6]：

式中：Wcmr為混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)的總功耗，kW；qLNG為LNG產(chǎn)量，kg/h。其中，h（x1，x2，···xn）=0為等式約束，g（x1，x2，…xn）＞0為不等式約束。

3.2 約束條件

膨脹前預冷差壓液化流程中設備和參數(shù)較多，需在優(yōu)化計算時設定某些工藝參數(shù)[7-8]，即：

（1）混合冷劑壓縮機的等熵效率為0.75，冷劑泵絕熱效率為0.75，天然氣膨脹機的等熵效率為0.80。

（2）混合冷劑循環(huán)中，冷卻器工質(zhì)為水，最低冷卻溫度311 K。

（3）氣液兩相分離器為理想分離，分離出的氣相不攜帶液相。

（4）天然氣和混合冷劑在換熱器及管道內(nèi)流動時無壓力損耗，即ΔP=0。

（5）板翅式換熱器無漏熱損耗。

為了使混合冷劑循環(huán)優(yōu)化接近實際工程，則優(yōu)化模型的約束條件為：

（1）混合冷劑各組分摩爾分數(shù)之和為1。

（2）氣液分離器中混合冷劑處于兩相區(qū)。

（3）壓縮機入口的混合冷劑為氣相。

（4）換熱器的最小換熱溫差為3 K。

（5）混合冷劑進壓縮機入口壓力大于150 kPa。

3.3 優(yōu)化變量

混合工質(zhì)壓縮機采用離心式壓縮機，混合工質(zhì)壓縮機功耗為離心式壓縮機的軸功率，即：

式中：Wcmr為混合冷劑壓縮機功耗，kW；N為壓縮機軸功率，kW；Tin為壓縮機進口氣體溫度，K；R為氣體常數(shù)，J·（mol·K）；Z為氣體平均壓縮因子；ε為壓比；η為壓縮機效率；qmr為混合冷劑氣體流量，kg/s；k為氣體比熱容比。

根據(jù)以上公式可得，膨脹前預冷差壓液化流程預冷循環(huán)的能耗與混合冷劑預冷溫度、混合冷劑配比及壓力有關，因此對這幾個參數(shù)進行優(yōu)化。

4 混合冷劑參數(shù)優(yōu)化

4.1 混合冷劑組成及配比優(yōu)化

4.1.1 混合冷劑組成

假定混合冷劑預冷溫度為223 K，基于此提出四種混合冷劑組成的方案進行對比分析。

方案一：C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12；

方案二：CH4、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12；

方案三：N2、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12；

方案四：N2、CH4、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12。

根據(jù)目標函數(shù)計算得，各方案所對應的比功耗變化趨勢見圖2。

圖2 混合冷劑組成對流程比功耗的影響

由圖2可以看出，選用的制冷劑種類不同，對壓縮機的功耗影響不同。選用C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12作為混合冷劑，液化流程比功耗最小，而添加少量的N2、CH4時流程比功耗顯著增加。

由此可得，基于系統(tǒng)比功耗最小，膨脹前預冷差壓液化流程的預冷冷劑的最優(yōu)組成為C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12的混合。

4.1.2 混合冷劑的配比

利用HYSYS軟件對混合冷劑配比進行優(yōu)化計算。

（1）自變量的選擇?；旌侠鋭┡浔鹊母淖兪峭ㄟ^調(diào)整物流中各組分的摩爾分數(shù)實現(xiàn)，由于優(yōu)化器不能實現(xiàn)組分摩爾分數(shù)的直接調(diào)整，需要對物流的各組分進行拆分[9]。由此，優(yōu)化的自變量成為C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12各組分流量。

（2）目標函數(shù)及約束條件的設定。由優(yōu)化模型可知，目標函數(shù)為比功耗，而混合冷劑循環(huán)總功耗為壓縮機和冷劑泵的功率之和。同時，優(yōu)化計算的約束變量為換熱器夾點溫度和平均換熱溫差，有：

式中：ΔTmin為換熱器夾點溫度，K；ΔTLMTD為熱器平均換熱溫差，K。

（3）優(yōu)化計算。HYSYS優(yōu)化器中有FletcherReeves、QuasiNewton、BOX、SQP、Mixed五種優(yōu)化算法，對于膨脹前預冷差壓液化流程，混合冷劑配比選擇采用同時適用于不等式約束和等式約束的SQP算法運行[10]。

4.2 混合冷劑預冷溫度的優(yōu)化

膨脹前預冷差壓液化流程，預冷溫度直接關系著混合冷劑循環(huán)和天然氣膨脹流股提供的冷量[11]。保持混合冷劑循環(huán)的冷劑配比、壓力不變，給定不同的預冷溫度，得到預冷溫度對膨脹前預冷差壓液化流程的比功耗的影響趨勢，見圖3。

圖3 預冷溫度對流程比功耗的影響

由圖3可看出，流程比功耗隨著預冷溫度的降低而呈上升趨勢。然而，當預冷溫度高于某值時，比功耗上升趨勢平緩，而低于該值比功耗劇烈增加，所以膨脹前預冷差壓液化流程中混合冷劑預冷溫度不宜過低。該差壓為4.5 MPa，分輸量為100萬m3/d的分輸站，預冷溫度不應低于219 K。

4.3 混合冷劑高、低壓力優(yōu)化

4.3.1 混合冷劑高壓壓力優(yōu)化

保持混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)低壓不變，給定不同的高壓壓力，可得混合冷劑高壓壓力對流程比功耗的影響趨勢，見圖4。

圖4 混合冷劑高壓壓力對流程比功耗的影響

從圖4可直觀看出，當高壓壓力從2 000 kPa增大到2 400 kPa時，流程比功耗先減小后增大，在2 100 kPa時比功耗最小，為115.61 J/g，循環(huán)量為109.17 kmol/h。根據(jù)優(yōu)化模型的目標函數(shù)可認為混合冷劑循環(huán)高壓壓力最優(yōu)值為2 100 kPa。

4.3.2 混合冷劑低壓壓力優(yōu)化

保持混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)高壓壓力不變，給定不同的低壓壓力，可得混合冷劑低壓壓力對流程比功耗的影響趨勢，見圖5。

圖5 混合冷劑低壓壓力對流程比功耗的影響

從圖5可看出，當?shù)蛪簤毫?70 kPa增大到250 kPa時，流程比功耗先減小后增大，在210 kPa時比功耗最小，為101.671 J/g，循環(huán)量為108.85 kmol/h。同樣，根據(jù)優(yōu)化模型的目標函數(shù)可認為混合冷劑循環(huán)低壓壓力最優(yōu)值為210 kPa，且滿足約束條件，混合冷劑進壓縮機入口壓力大于150 kPa。

5 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)HYSYS優(yōu)化器的模擬優(yōu)化可得，混合冷劑高壓壓力為2 100 kPa、低壓為210 kPa時，混合冷劑最優(yōu)摩爾比為：C2H6∶C3H8：i-C4H10∶n-C5H12=27∶33∶26∶14。根據(jù)優(yōu)化計算，流程參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見表2。

以最大年均利潤總額為目標函數(shù)，建立參數(shù)優(yōu)化前后液化工藝的經(jīng)濟目標，通過計算可得參數(shù)優(yōu)化前的年均利潤總額為7.85×103萬元/a，參數(shù)優(yōu)化后的年均利潤總額為9.00×103萬元/a，參數(shù)優(yōu)化后利潤有明顯增長。

表2 膨脹前預冷差壓液化流程參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

6 結(jié)論

針對膨脹前差壓液化流程，通過對預冷循環(huán)系統(tǒng)建立數(shù)學優(yōu)化模型，并對其進行模擬計算，得出在天然氣液化流程中，為了提高膨脹前預冷差壓液化流程的經(jīng)濟效益，應采用能夠?qū)崿F(xiàn)預冷溫度較低混合冷劑作為預冷冷劑。通過對混合冷劑的溫度及壓力優(yōu)化得出膨脹前預冷差壓液化流程中混合冷劑預冷溫度不宜過低，混合冷劑循環(huán)的高、低壓力均存在最優(yōu)值。由HYSYS優(yōu)化器模擬優(yōu)化后可得到膨脹前預冷差壓液化流程各參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果和最優(yōu)混合冷劑的組成及配比，從而降低了設備能耗且利潤更高。

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Parameters optimization of pre-cooling differential pressure liquefaction process for L NGexpansion

MAGuoguang1，ZHANG Chen1，LIXiaoting1，GAO Jun2，LIChu3
1.Oiland Gas Engineering Academy of Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
2.ShanxiNaturalGas Co.，Ltd.Taiyuan 030000，China
3.Daqing Oilfield Engineering Construction Company Limited Building Materials Company，Korla 841000，China

With the rapid development of domestic and foreign natural gas pipeline network construction，the pressure recovery process of natural gas sub-transmission station has gradually attracted wide attention.In order to effectively recover the natural gas sub-station pressure energy and reduce the production cost of LNG，the pre-cooling liquefied natural gas（LNG）process is used to recover the pressure energy and obtain the LNG product.Setting up the mathematical model of the pre-cooling system，pre-cooling refrigerant ratio，pre-cooling temperature and high and low pressures is used to optimize the parameters.With the largest annual profit for the economic objectives，the parameters before and after the differential pressure liquefaction process are comparatively analyzed by HYSYS optimizer.The results show that the total annual profit of the liquefaction process can be increased by 1.15×103million yuan，which can effectively reduce the energy consumption and improve the economic efficiency.

sub-station；pre-cooling；optimization；expansion；energy consumption

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.021

馬國光（1971-），男，四川巴中人，副教授，1994年畢業(yè)于西南石油大學，現(xiàn)主要從事LNG生產(chǎn)與儲運及天然氣集輸技術(shù)的教學與研究工作。Email：swpimgg@126.com.

2016-12-07；

2017-03-09