氟利昂預(yù)冷混合制冷劑煤層氣液化工藝介紹和模擬計(jì)算

俞一帆，張小飛，朱長浩，楊少越

（1.中國空分工程有限公司，浙江杭州 310051；2.德希尼布化學(xué)工程(天津)有限公司上海分公司，上海 200031；3.查特深冷工程系統(tǒng)(常州)有限公司，江蘇常州 213000）

前言

煤層氣是指儲存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬非常規(guī)天然氣，是近一二十年在國際上崛起的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。煤層氣熱值與天然氣相當(dāng)，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是很好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。目前，我國煤層氣資源豐富，居世界第三，隨著世界能源危機(jī)的加深和環(huán)境問題的突出，對煤層氣的利用已經(jīng)越來越重要了。煤層氣除了管道運(yùn)輸外，液化儲運(yùn)也是一種選擇，特別是在城市冬季用氣需求急劇增加時(shí)可以對燃?xì)獾牟蛔闫鸬秸{(diào)峰作用，另外通過液體槽車替代長距離管道輸送可以減少風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省投資、降低運(yùn)輸成本。

1 液化裝置的流程介紹

本項(xiàng)目煤層氣液化采用3套液化能力為100000 m3/d的裝置，采用氟利昂預(yù)冷混合制冷劑制冷的液化工藝流程。液化裝置包含的主要設(shè)備有：主冷壓縮機(jī)組、預(yù)冷壓縮機(jī)組、液化冷箱和配套的混合冷劑儲罐。

主冷制冷循環(huán)采用混合制冷劑，經(jīng)主冷壓縮機(jī)（K-02）壓縮后在油分離器中分離出大部分潤滑油，然后經(jīng)精細(xì)過濾器中進(jìn)一步過濾掉攜帶的潤滑油，再經(jīng)后冷卻器冷卻，最后進(jìn)入冷箱。在冷箱中，高壓混合制冷劑首先經(jīng)板翅式換熱器（E-01）冷卻至-5℃，然后進(jìn)入分凝分離器（V-01），在其中分離成氣液兩相：其中的氣相混合工質(zhì)從頂部出口出來后依次通過板翅式換熱器（E-02）、換熱器（E-03），被冷卻后經(jīng)節(jié)流閥（PV-02）節(jié)流，節(jié)流后的混合工質(zhì)反向流入換熱器（E-03），在其中釋放冷量；分凝分離器（V-01）底部出來的高沸點(diǎn)混合工質(zhì)液體經(jīng)板翅式換熱器（E-02）過冷后，在節(jié)流閥（HV-01）中節(jié)流壓降，然后和板翅換熱器（E-03）反流出口的低沸點(diǎn)混合冷劑混合后反向流經(jīng)板翅式換熱器（E-02），然后進(jìn)入分凝分離器（E-100）的低壓入口，在其中釋放冷量后再反向流過板翅式換熱器（E-01），之后流出冷箱，回到主冷壓縮機(jī)（K-02）的吸氣口，完成主冷循環(huán)。

預(yù)冷制冷循環(huán)冷劑采用氟利昂R22，經(jīng)預(yù)冷壓縮機(jī)（K-01）壓縮后在臥式油分離器中分離出潤滑油，然后進(jìn)入水冷冷凝器，在其中和冷卻水換熱，冷凝成液體，然后進(jìn)入貯液罐。貯液罐的作用在于緩沖及調(diào)節(jié)系統(tǒng)中循環(huán)的制冷劑流量，液體制冷劑從其底部出口流出后在過冷換熱器中得到過冷，然后再經(jīng)過過濾器進(jìn)入冷箱。液相R22在冷箱中經(jīng)節(jié)流閥（PV-01）節(jié)流后從冷端進(jìn)入板翅式換熱器（E-01），在其中釋放冷量，蒸發(fā)成氣相后流出冷箱。在過冷換熱器中進(jìn)一步利用冷量后回到預(yù)冷壓縮機(jī)（K-01）的吸氣口，完成預(yù)冷循環(huán)。

煤層氣經(jīng)過調(diào)壓計(jì)量、脫硫（H2S）、脫碳（CO2）、干燥過濾等預(yù)處理后進(jìn)入液化冷箱，依次通過板翅式換熱器（E-01）、（E-02）、（E-03），溫度逐步降低，變成過冷的液化煤層氣后離開冷箱，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥節(jié)流后進(jìn)入LNG儲罐。其中主冷制冷循環(huán)和預(yù)冷制冷循環(huán)為整個(gè)液化裝置提供冷源。煤層氣液化工藝HYSYS流程如圖1所示。

圖1 煤層氣液化工藝HYSYS流程

2 液化裝置的工藝特點(diǎn)

本項(xiàng)目煤層氣液化裝置的自控系統(tǒng)采用獨(dú)立配置的PLC控制系統(tǒng)，通過PLC控制預(yù)冷壓縮機(jī)組、主冷壓縮機(jī)組和液化冷箱，同時(shí)該系統(tǒng)滿足全場緊急狀態(tài)或者事故狀態(tài)下的關(guān)斷、急停等要求。選用的螺桿壓縮機(jī)可以通過滑閥來調(diào)節(jié)載位，可使運(yùn)行載位在0～110%范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，變負(fù)荷能力非常強(qiáng)。液化裝置可以根據(jù)煤層氣的氣源狀況，選擇部分或全部運(yùn)行，可以適應(yīng)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)變化。本套工藝可很好的適應(yīng)上游氣源流量或壓力不穩(wěn)定的情況，且低負(fù)荷條件下相對能耗不增加。

主冷和預(yù)冷冷劑壓縮機(jī)組選用國內(nèi)的油潤滑螺桿壓縮機(jī)。相對于活塞式、離心式壓縮機(jī)來講，油潤滑螺桿壓縮機(jī)具有制造方便周期短、可靠性高、尺寸較小、壽命長、維護(hù)保養(yǎng)容易等優(yōu)勢。本套裝置采用國產(chǎn)自主專利的潤滑油處理技術(shù)，可很好的解決潤滑油低溫凍堵的問題，保證螺桿壓縮機(jī)連續(xù)、可靠地運(yùn)行。

對于壓縮機(jī)組和冷箱兩個(gè)核心設(shè)備，本套工藝采用撬塊式制作模式，壓縮機(jī)組及冷箱全部在加工廠進(jìn)行制作和調(diào)試，發(fā)貨至現(xiàn)場后只需要幾個(gè)模塊間進(jìn)行簡單拼接，省去了其他離心或活塞機(jī)組現(xiàn)場連管、組裝的大部分工作，可大大縮短現(xiàn)場施工的時(shí)間。撬裝式的裝置非常適合小型的液化工廠。

3 液化裝置的模擬計(jì)算

3.1 模擬參數(shù)和計(jì)算

HYSYS是世界著名油氣加工模擬大型專家系統(tǒng)軟件，廣泛應(yīng)用于石油開采、儲運(yùn)、天然氣加工、石油化工、精細(xì)化工、制藥、煉制等領(lǐng)域，在全球石油化工模擬和仿真技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。本項(xiàng)目流程模擬采用Peng-Robinson狀態(tài)方程進(jìn)行物性計(jì)算。在該模擬計(jì)算前端，通過預(yù)處理裝置將原料煤層氣中的H2S、CO2、H2O等雜質(zhì)除去。凈化后的原料氣NG和混合制冷劑MR-SUM的組成，各個(gè)組分的具體含量如表1所示。

用P-R方程對圖1工藝流程物性進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表2所示。

表1 原料氣和混合制冷劑組成（體積百分比）

3.2 流程參數(shù)對液化性能的影響

在氟利昂預(yù)冷混合制冷劑煤層氣液化流程中，許多參數(shù)的調(diào)整將影響流程的液化性能，這些參數(shù)有：煤層氣的組分、壓力、溫度；混合制冷劑的組分、壓力、溫度；預(yù)冷壓縮機(jī)和主冷壓縮機(jī)的循環(huán)量；煤層氣經(jīng)過不同換熱器后的溫度；調(diào)節(jié)閥后的壓力。運(yùn)用HYSYS分析這些參數(shù)對流程性能的影響，可以優(yōu)化混合制冷劑的配比、降低壓縮機(jī)的能耗、節(jié)約項(xiàng)目的投資成本。下面是本裝置模擬計(jì)算和流程優(yōu)化過程中的一些經(jīng)驗(yàn)：

（1）原料煤層氣入口壓力的升高，液化煤層氣所需的冷量減少，從而所需的制冷劑流量下降。但壓力的增高會導(dǎo)致過程設(shè)備、管道的設(shè)計(jì)壓力提高，也會增加裝置的建設(shè)成本，提高煤層氣入口壓力也需要功耗。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總

（2）混合制冷劑的合理配比是模擬計(jì)算的難點(diǎn)，通過HYSYS軟件可以查詢各組分可靠的平衡數(shù)據(jù)與物性參數(shù)。使用制冷劑將煤層氣冷卻和液化的基本原則是要將原料氣的冷卻和加溫曲線相互匹配，這樣熱力循環(huán)效率才能更高，并減少生產(chǎn)LNG所需要的單位能耗[2]。本項(xiàng)目混合冷劑組分的配比可以通過配套的混合冷劑儲罐進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)。

（3）煤層氣中的含氮量較高，液化率不宜選擇過高，通過計(jì)算結(jié)果匯總表2流程節(jié)點(diǎn)LNG2可以看到該裝置的液化率為87.79%（氣相分?jǐn)?shù)：0.1221）。較優(yōu)的混合制冷劑配比隨煤層氣含氮量的變化有著明顯的變化。其中混合制冷劑中氮的摩爾分?jǐn)?shù)隨著煤層氣含氮量的增大而迅速增大[3]。在液化率一定的情況下，系統(tǒng)的單位功耗隨著含氮量的增大而增大。

（4）在原料氣組分、壓力、溫度等條件給定下，通過HYSYS模擬計(jì)算，將流程參數(shù)的信息與壓縮機(jī)選型和冷箱中板翅式換熱器選型相匹配。調(diào)整HYSYS中板翅式換熱器的最小溫差、積分溫差，使煤層氣和混合冷劑的換熱曲線趨于合理。冷劑循環(huán)量的增加、壓縮機(jī)排氣壓力的增加都能提高液化率，同時(shí)也會增加能耗。在優(yōu)化混合制冷劑組分后，冷劑的循環(huán)量、排氣壓力還需要與市場中的壓縮機(jī)產(chǎn)品相匹配。

4 結(jié)束語

筆者結(jié)合某煤層氣液化項(xiàng)目的實(shí)際情況，介紹分析了該裝置的工藝特點(diǎn)，并運(yùn)用HYSYS軟件對這種采用氟利昂預(yù)冷混合制冷劑制冷的煤層氣液化工藝進(jìn)行模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了煤層氣的凈化和液化。通過分析流程參數(shù)對液化性能的影響，總結(jié)了模擬計(jì)算和流程優(yōu)化過程中的一些經(jīng)驗(yàn)，為小型煤層氣液化裝置的工藝設(shè)計(jì)和流程選擇提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1]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］. 北京：石油與天然氣化工，2009，38（4）：271-274，283.

[2]顧安忠，魯雪生，等.液化天然氣技術(shù)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]林文勝，高婷，顧安忠，辜敏.含氮煤層氣液化工藝[C].上海：2009年上海市制冷學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集，2009.

收稿日期：2018－01－30