基于改良?分析方法的LNG冷能空分工藝優(yōu)化

馬國光 李雅嫻 張 晨

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

我國作為能源化工產(chǎn)業(yè)大國，各行各業(yè)對空氣分離產(chǎn)品種類和產(chǎn)量的需求日益增多，推動了整個空分行業(yè)的飛速發(fā)展[1-2]。傳統(tǒng)的電壓縮制冷空分技術(shù)雖然可以得到O2和N2，但其能耗很高，對電能的需求量非常大。隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，LNG作為一種綠色能源被大量進(jìn)口和廣泛應(yīng)用，這使得潛在的LNG冷能逐漸顯現(xiàn)出了其巨大的經(jīng)濟(jì)價值[3-4]。將LNG冷能用于空氣分離裝置時，由于工藝溫度比LNG溫度還要低，所以與用于冷藏冷凍、低溫發(fā)電、制取干冰和低溫粉碎等場合相比，LNG的冷量?可以得到最大程度的利用。因此，將LNG冷能應(yīng)用于空分工藝既符合我國向節(jié)能型社會發(fā)展的國策，又具有非常深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[5-7]，是當(dāng)前冷能回收工藝中最有效的利用方式[8-10]。已經(jīng)有很多學(xué)者對空分工藝的優(yōu)化進(jìn)行了研究，都旨在降低?損失、提高?效率。筆者在傳統(tǒng)?分析的基礎(chǔ)上提出了改良的?分析方法[11-12]，對LNG冷能空分工藝進(jìn)行了詳細(xì)的效能分析并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，以期為實際工程中空分工藝的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 工藝流程提出

空分工藝一般分為空氣預(yù)處理系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和低溫分離系統(tǒng)，本文研究的氣體組分如表1所示，從表1可看出氣質(zhì)較干凈，故本文對空氣預(yù)處理系統(tǒng)不做贅述。整體的LNG冷能空分工藝流程如圖1所示。

循環(huán)氮氣同LNG換熱后分為兩個部分，一部分用于膨脹前預(yù)冷，另一部分則用于降低氮氣的入口溫度；空氣經(jīng)空壓機(jī)增壓、水冷器降溫后依次進(jìn)入換熱器4、主換熱器換熱降溫，換熱后的低溫空氣經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后再次降溫，之后進(jìn)入精餾塔進(jìn)行空氣分離；空氣部分液化后自下塔塔底進(jìn)入，然后自下而上經(jīng)過塔板進(jìn)行精餾，在下塔頂部得到高純氮氣，在冷凝蒸發(fā)器中被冷凝后一部分作為下塔回流液，沿塔板自上而下與氣體進(jìn)行熱交換，最終在下塔底部得到含氧量為35%～40%的液態(tài)空氣，另一部分則經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓后分為兩部分，一部分儲存，另一部分送入上塔頂部作為回流液，以提高氧提取率；富氧液空從上塔中部進(jìn)料后，沿塔板逐塊流下與上升蒸汽進(jìn)行熱交換，于是在上塔底部獲得高純液氧，液氧在冷凝蒸發(fā)器換熱后一部分作為上塔精餾過程的上升蒸汽，另一部分則進(jìn)入儲存裝置。從上塔塔頂抽出的低溫廢氣回輸至主換熱器回收冷量，最大限度的利用有效能，并為精餾塔中的空分過程提供動力。

2 工藝流程模擬及?分析

基于大連LNG接收站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表2），利用HYSYS軟件對提出的LNG冷能空分工藝進(jìn)行模擬（圖2）。在模擬時，將入口空氣視為已深度凈化，設(shè)定空氣壓縮機(jī)、氮氣壓縮機(jī)、膨脹機(jī)的機(jī)械效率為0.75，并且將膨脹機(jī)的增壓端用于循環(huán)氮氣的增壓，增壓過程的級間冷卻采用水冷器，物性方程選用RKS方程。

表1 LNG組成表

圖1 基于LNG冷能的空分工藝流程圖

表2 空氣分離產(chǎn)品參數(shù)表

圖2 基于LNG冷能的空分工藝流程模擬圖

2.1 傳統(tǒng)?分析模型及計算

?分析模型可分為黑箱模型、白箱模型及灰箱模型3種[13]。在優(yōu)化過程中，將工藝體系中的各個設(shè)備視為獨立黑箱。?包括動能?、勢能?、物理?及化學(xué)?4個部分，LNG冷能用于空分工藝的流程多處于沿海平原地區(qū)，物流中的動能及勢能變化可以忽略不計，故本文?分析主要針對物理?。

假設(shè)所有能量平衡的系統(tǒng)邊界為參考環(huán)境T0，則?值計算、第k個設(shè)備的能量平衡分別為：

工程上一般采用?效率表示有效能的轉(zhuǎn)化效率，故第k個設(shè)備的?效率（εk）[14]表示為：

在LNG冷能空分工藝的制冷系統(tǒng)中，系統(tǒng)消耗的?主要包括輸入系統(tǒng)物流攜帶的?和額外輸入設(shè)備的?，分析制冷系統(tǒng)的?平衡可以寫作：

根據(jù)系統(tǒng)的?平衡方程，結(jié)合式（3）可以推導(dǎo)出系統(tǒng)的?效率為：

式中分別表示設(shè)備額外輸入的?、輸入系統(tǒng)物流的?、輸出系統(tǒng)物流的?，kJ/h；分別表示液化后空氣物流的輸出?、空氣物流的輸入?、廢氣物流的?、系統(tǒng)的總?損、LNG物流的輸入?、NG物流的輸出?，kJ/h。

利用HYSYS軟件結(jié)合式（1）、（2），計算各設(shè)備的?損，結(jié)果如圖3所示。分析發(fā)現(xiàn)，換熱器LNG-104、LNG-101、膨脹機(jī)K-103和壓縮機(jī)K-101為主要的?損設(shè)備。傳統(tǒng)?分析方法的局限性在于，雖然可以找到制冷系統(tǒng)中?損失較大的設(shè)備，但無法了解各設(shè)備的改進(jìn)潛力以及優(yōu)化的方向，因此，本文提出改良的?分析方法，對各設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的?分析，以提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，達(dá)到降低?損、提高?效率的目的。

2.2 改良?分析模型及計算

圖3 主要設(shè)備實際?損圖

將由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)限制造成的?損失稱為不可避免?損失，即采用最先進(jìn)的技術(shù)該部分的?損失也不會減少；而通過改進(jìn)工藝或設(shè)備可以減少的?損失則稱為可避免?損失?；诖?，第k個設(shè)備的總能量損失可以表示為：

不可避免?損的計算結(jié)果取決于研究過程假設(shè)的工作條件。以壓縮機(jī)為例，當(dāng)效率提高時壓縮機(jī)產(chǎn)生的?損將降低，這一點將改善整個系統(tǒng)的性能，但是由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的限制，設(shè)備的效率存在上限。本文采用來計算第k個設(shè)備每單位產(chǎn)品的不可避免?損所占的比例。這個式子是在同時考慮了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)限制并假定性能在最佳運(yùn)行條件（理想狀態(tài)）下計算的第k個設(shè)備的性能。因此，不可避免?損失的計算模型為：

利用HYSYS軟件對各個換熱器、水冷器、膨脹機(jī)和壓縮機(jī)的理想狀態(tài)進(jìn)行模擬，得到各個物流的?值，分別帶入式（1）、（4）、（5）中后得到的各設(shè)備可避免和不可避免?損失，結(jié)果如圖4所示。

圖4 主要設(shè)備可避免和不可避免?損失分布圖

設(shè)備的內(nèi)源性?損計算比不可避免的?損計算更繁瑣，這是改良?分析方法的主要難點，而且計算精度會直接影響分析結(jié)果。目前國外學(xué)者提出了多種方法來計算內(nèi)源性?損，其中熱力循環(huán)法和工程圖法是目前主要的計算方法。熱力循環(huán)法要求設(shè)備處于理想操作狀態(tài)，而一些設(shè)備的理想操作及某些循環(huán)的理想?yún)?shù)無法準(zhǔn)確獲得，這使得該方法的精度較差，而工程圖法是用數(shù)學(xué)的方法將設(shè)備的?損分為內(nèi)源性和外源性，它是基于對系統(tǒng)整體進(jìn)行有效能敏感性分析，進(jìn)一步利用圖表求解的方法，該方法雖然計算量較大，但適應(yīng)性較強(qiáng)且精度較高，于是本文對系統(tǒng)的內(nèi)源性和外源性?損進(jìn)行分析時采用該種方法求解。工程圖法能量平衡的基礎(chǔ)為：

圖6 各設(shè)備的內(nèi)源性或外源性?損失分布圖

完成對設(shè)備?損失的兩種劃分后，帶入表3中的各公式中，即可求取各個部分的?損失，結(jié)果如表4所示。

圖7反映了主要設(shè)備的各類?損占比情況，分析發(fā)現(xiàn)，換熱設(shè)備中LNG-100、LNG-101、LN-102、LNG-103、E-100和E-102的?損失大部分均為內(nèi)源性的，這表明設(shè)備間的相互作用對這些設(shè)備的?損影響不明顯。但對換熱器LNG-104、水冷器E-101、壓縮設(shè)備和膨脹設(shè)備而言，外源性?損均占有一定比例，說明這些設(shè)備的?效率受到其他設(shè)備的影響較大，可通過調(diào)整其他設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，減小這些設(shè)備的?損。

表3 各部分?損失計算公式表 kJ/h

按照增壓設(shè)備和換熱設(shè)備將LNG冷能空分系統(tǒng)中的主要設(shè)備分為兩類，對?損分布進(jìn)行詳細(xì)分析。

1）壓縮機(jī)/膨脹機(jī)：各個壓縮機(jī)的分布情況較類似，可避免的內(nèi)源性?損均占較大比例，這是由于在進(jìn)行不可避免?損失計算時，假定壓縮機(jī)效率達(dá)到了理想狀態(tài)（95%），而壓縮機(jī)的內(nèi)源性?損則是由于實際狀態(tài)的低效率造成的，這可以通過更換設(shè)備以提高壓縮機(jī)的效率，但會受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的限制，一味地提高效率會增加設(shè)備投資與實際背離，所以在本次優(yōu)化時，不考慮這部分的?損失。壓縮機(jī)可避免的外源性?損失是由壓縮設(shè)備前設(shè)備可避免的低效率造成的，例如二級壓縮機(jī)K-106，可避免的外源性?損失所占比例可達(dá)34%。這是由于改變一級壓縮機(jī)K-101和水冷器E-102的效率會使輸出物流的溫度有較大變化，對K-106的?損失影響顯著，對于膨脹機(jī)壓縮端K-104和K-105具有相同的原理。

2）換熱設(shè)備/水冷器：不同換熱設(shè)備的?損分布有較大區(qū)別，除LNG-104、E-100、E-101之外，其他換熱設(shè)備的?損絕大部分為不可避免內(nèi)源性的，并且通過調(diào)整工藝參數(shù)也不會減少?損。換熱器LNG-104的大部分?損是可避免的，其中可避免外源性?損失約占35%，這是由于LNG-104前的水冷器和換熱器LNG-100中可改善的那部分低效率造成的，提高兩者的效率，可以降低進(jìn)入換熱器LNG104的溫度，有效地減少換熱過程的?損；水冷器E-100和E-101的可避免外源性?損占比很大，主要是受到水冷器前的壓縮機(jī)效率影響，當(dāng)效率提高時，壓縮機(jī)出口物流的溫度會降低，從而降低水冷器的換熱溫差，降低?損；換熱器LNG-103的?效率只有13.8%，但可避免的?損失卻不到20%，這主要是換熱過程溫度不匹配造成的，推薦增加冷流或調(diào)整物流的連接順序。

表4 主要設(shè)備各種類型?損失、?效率計算結(jié)果表

3 基于改良?分析結(jié)果的工藝優(yōu)化

3.1 確定優(yōu)化方向

根據(jù)制冷系統(tǒng)中各設(shè)備改良的?分析結(jié)果，得到提高系統(tǒng)?效率的優(yōu)化方向。

1）針對增壓設(shè)備的?損中，由其他設(shè)備可避免的低效率引起的可避免外源性?損失，利用低溫?fù)Q熱器替換原水冷器，并以低溫天然氣和低溫廢氣的余冷冷卻增壓后的循環(huán)氮氣降低壓縮機(jī)入口溫度；同時將原壓縮機(jī)替換為低溫循環(huán)氮氣壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

2）針對換熱器LNG-103冷熱物流換熱不匹配而造成的大量不可避免內(nèi)源性?損，通過調(diào)整LNG-103的位置，或增加冷流的方式進(jìn)行優(yōu)化。

3）針對換熱器LNG-104可避免外源性?損，通過增加預(yù)冷過程以降低進(jìn)入LNG-104的熱物流溫度優(yōu)化換熱。

3.2 優(yōu)化方案提出

優(yōu)化方案一：將原流程中的換熱器LNG-103移動至圖8中的換熱器B處，增加低溫天然氣作為冷源；并將水冷器替換為換熱器A，利用低溫天然氣作為循環(huán)氮氣壓縮機(jī)入口熱流的冷源，壓縮機(jī)入口溫度由35 ℃降至－10 ℃；增加換熱器C，將低溫廢氣作為空壓機(jī)出口物流預(yù)冷冷源。

優(yōu)化方案二：LNG-103位置不變，用LNG氣化后的低溫天然氣作為冷源，替換原工藝中用于預(yù)冷的低溫氮氣。增加換熱器A和B，并以低溫天然氣作為冷源，將壓縮機(jī)入口溫度降低至－10 ℃，物流走向如圖9所示。

將提出的兩種優(yōu)化方案同空氣分離系統(tǒng)相連接，并利用HYSYS軟件對所提出的優(yōu)化方案進(jìn)行整體工藝的模擬，得到各方案的?分析結(jié)果如表5所示。

由表5可知，基于改良的?分析結(jié)果對工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后，兩種優(yōu)化方案整體工藝的單位液態(tài)產(chǎn)品能耗均降低、?效率均提高，其中方案二的單位液態(tài)產(chǎn)品能耗最小，相較于原方案減小了6.6%、方案二的?效率最高，相較于原流程提高了28.891%，對于一個日產(chǎn)量為600 000 kg的空分工廠，日耗能量可減少近16 800 kW，有較好的節(jié)能效果，說明改良的?分析方法在優(yōu)化該工藝方面具有重要意義。

圖8 膨脹前預(yù)冷的氮制冷循環(huán)的優(yōu)化方案一示意圖

圖9 膨脹前預(yù)冷的氮制冷循環(huán)的優(yōu)化方案二示意圖

表5 不同方案整體系統(tǒng)?分析結(jié)果表

4 結(jié)論

1）各個壓縮機(jī)的分布情況較類似，可避免的內(nèi)源性?損均占較大比例，這是由于壓縮機(jī)實際狀態(tài)的低效率造成的，這可以通過更換設(shè)備以提高壓縮機(jī)的效率，但會受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的限制。

2）不同換熱設(shè)備的?損情況有較大區(qū)別，除LNG-104、E-100、E-101之外，其他換熱設(shè)備的?損大部分為不可避免內(nèi)源性的。換熱器LNG-104可避免外源性?損失約占35%，這是由于LNG-104前的水冷器和換熱器LNG-100中可改善的那部分低效率造成的；換熱器LNG-103可避免的?損不到20%，這主要是換熱過程溫度不匹配造成的。

3）水冷器E-100和E-101的可避免外源性?損占比很大，這主要是受到水冷器前的壓縮機(jī)效率影響。

4）兩種優(yōu)化方案的單位液態(tài)產(chǎn)品能耗較原方案均降低，且方案二的能耗更低約為0.394 9 kWh/kg（降低了6.6%）；兩種優(yōu)化方案的?效率較原方案均上升，且方案二的更高約為0.40 kWh/kg（提高了28.891%），方案對比后優(yōu)選了方案二。優(yōu)化結(jié)果驗證了基于改良?分析優(yōu)化方法的可行性，為實際工程中空分工藝的優(yōu)化提供了新思路。