Hysys動態(tài)模擬在LNG工廠的應用

郭 磊

（新疆喀拉通克礦業(yè)有限責任公司 富蘊 836107）

1 Hysys動態(tài)模擬技術

化工模擬過程可分為穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬（dynamic simulation）兩類。動態(tài)模擬發(fā)展至今已有20多年的歷史，它是計算裝置的某個或多個參數(shù)發(fā)生變動時，其它所有參數(shù)如何隨時間而發(fā)生變化。因而它的計算永遠不會終結，對于任何一個參數(shù)的變動，計算結果都是系統(tǒng)中所有工藝參數(shù)及相應的性質隨時間變化的關系曲線[1]。

動態(tài)模擬主要用于過程動態(tài)特性的分析、控制方案的制定、開停車方案的優(yōu)化以及操作工培訓軟件的開發(fā)等方面。在實際生產過程中，過程參數(shù)不停的波動，最理想的狀態(tài)也是一種動態(tài)平衡，而這種動態(tài)的狀態(tài)運動，穩(wěn)態(tài)模擬是不可能實現(xiàn)的。因此動態(tài)模擬對實際生產更具指導意義。

2 Hysys動態(tài)模擬對象

目前，世界上成熟的天然氣液化工藝流程有三種類型，分別是復迭（階式）循環(huán)流程、膨脹機制冷流程和混合冷劑制冷流程[2]。

（1）復迭制冷循環(huán)

典型的復迭制冷循環(huán)由多個單獨的制冷循環(huán)組成，多為丙烷、乙烯、和甲烷等數(shù)個不同溫度級別的循環(huán)系統(tǒng)串聯(lián)，每個系統(tǒng)均有一個壓縮機組，獲得所需各溫度級位的冷劑。在早期的天然氣液化生產中，復迭制冷技術有較多的應用。但是其缺點很明顯，機組多，流程復雜，控制、操作和維修環(huán)節(jié)繁多，因而可靠度相對較低。有些采用復迭制冷的大型LNG生產裝置為了提高開工率，每個冷劑系統(tǒng)都配備了雙透平，雖然這樣做可以使裝置即使在某個透平出問題時仍然有可能保持生產，但操作越發(fā)復雜，單位投資也大大增加。目前，在超大型的基地型液化工廠，改進型的復迭制冷流程尚有應用。

（2）膨脹致冷循環(huán)

膨脹機流程為利用高壓制冷劑如氮氣、天然氣或混合氣，通過透平膨脹機絕熱膨脹降溫實現(xiàn)液化。由于循環(huán)氣量大、液化率低、換熱器傳熱溫差大，功耗大。而且動設備多，尤其是膨脹機的工作性能受原料氣壓力和組成變化的影響較大。此類工藝僅見于裝置能力非常小或環(huán)境特殊的場合。

（3)混合制冷循環(huán)

混合制冷劑制冷循環(huán)MRC是采用N2和C1～C5烴類混合物作為循環(huán)制冷劑的工藝。該工藝的特點是在制冷循環(huán)中采用混合制冷劑，進行逐級的冷凝、蒸發(fā)得到不同溫度水平的制冷量，以達到逐步冷卻和液化天然氣。MRC即達到類似復迭制冷循環(huán)的目的，又克服了其系統(tǒng)復雜的缺點。自20世紀70年代以來，混合制冷劑制冷循環(huán)包括傳統(tǒng)型和丙烷預冷型C3/MR已經成為天然氣液化工藝的主流。其缺點是混合冷劑的組成比例應按照天然氣原料的組成、壓力、工藝流程而異，因此通常對冷劑的配比和原料氣的氣質要求更為嚴格。流程計算需要掌握各組分可靠的平衡數(shù)據(jù)和物性參數(shù)，計算困難。

本文以美國博萊克威奇公司閉式單循環(huán)混合制冷PRICO液化工藝為研究對象，其屬于混合制冷循環(huán)的范疇。預處理合格后的天然氣從冷箱頂部引入，并向下流動，冷卻到大約-48℃時引出換熱器進入重烴分離器，將天然氣中的重烴分離，分離后的-48℃的天然氣返回冷箱，繼續(xù)向下流動，-152℃的LNG自冷箱底部流出，LNG經J-T閥節(jié)流后溫度降至-161℃后流入LNG儲罐。

混合冷劑是由氮氣、甲烷、乙烯、丙烷和異戊烷五種組分組成，冷量是通過封閉的混合制冷循環(huán)提供的。

3 動態(tài)模擬建立步驟

首先建立穩(wěn)態(tài)模擬，然后添加動態(tài)模擬環(huán)境下所必須的設備信息和流程規(guī)定等，轉入動態(tài)模擬環(huán)境，對模擬流程進行調試，通過添加冷劑、改變冷劑側J-T開度、天然氣產品閥開度、液相冷劑閥開度和改變壓縮機轉速等操作手段，逐漸建立一個穩(wěn)定的動態(tài)平衡。通過建立的模擬流程可以模擬液化裝置的升降負荷等過程，還可以通過添加工藝擾動，系統(tǒng)各狀態(tài)參數(shù)的變化情況、分析問題等。

3.1 建立穩(wěn)態(tài)模擬

（1）定義模擬基礎即選擇熱力學方程及模擬組分。對于天然氣液化流程模擬一般選取PR狀態(tài)方程；本模擬流程選取組分為氮氣、甲烷、乙烯、丙烷和異戊烷五種組分。

（2）增加物流。輸入已知物流的流量、溫度、壓力以及組成等參數(shù)。

（3）增加操作。添加和定義各操作單元的工藝條件及可能的約束條件。該流程模擬中涉及到的操作單元主要有離心壓縮機、分離器、多股流換熱器（LNG）、離心泵、閥門、儲罐、混合器、三通等。

3.2 轉入動態(tài)模擬前提

（1）動態(tài)模擬中設備壓降是必須的，在HYSYS中，設備的壓降決定了物流的方向，沒有壓降就意味著沒有流動。

（2）所有的邊界物流必須進行壓力規(guī)定，內部的中間物流不能規(guī)定壓力和流量。

（3）對傳熱設備(如換熱器、加熱器等)的傳熱進行規(guī)定。

（4）對各工藝設備的尺寸等參數(shù)進行規(guī)定。在此，僅以多股流換熱器的尺寸及參數(shù)規(guī)定進行舉例說明。在動態(tài)模擬中，對于多股流換熱器必須定義的參數(shù)如下：

①換熱芯體的長寬尺寸、芯體材料、芯體層通道數(shù)量等規(guī)定。

②每層通道的板及翅片的幾何尺寸，如翅片開孔率、翅片高度、間距、翅片厚度、平板厚度等。

③每層通道傳熱規(guī)定即定義總傳熱系數(shù)U或UA值。

④每層通道壓降、每層通道的進出物流及相對流動方向的指定。

（5）添加相應的邏輯控制操作，在本流程模擬中，添加了液位控制、壓力控制、流量控制等多個邏輯控制，分別實現(xiàn)液位、壓力、流量的自動控制功能。

4 系統(tǒng)動態(tài)響應

關于系統(tǒng)的動態(tài)響應，用以下例子進行說明。

（1）動態(tài)模擬過程

逐漸開大天然氣側J-T閥，保持冷劑側J-T閥開度不變，讓冷箱逐漸回溫，對冷劑側J-T閥前物流溫度、J-T閥流通量（即冷劑循環(huán)量）、J-T閥Friction Delta P allowable（可利用的壓降）、閥前物流氣化率四個參數(shù)進行監(jiān)測，得到動態(tài)變化趨勢圖及參數(shù)變化情況。

（2）結果分析

通過參數(shù)對比可知，當冷箱回溫，閥前有氣相產生即氣化率由0上升時，J-T閥流通量、J-T閥Friction Delta P allowable也相應的下降。冷劑側J-T的流通能力迅速下降，使得冷劑的循環(huán)量迅速下降，導致溫度繼續(xù)回升，閥前氣化率繼續(xù)增大，流量繼續(xù)下降，此外由于壓縮機防喘振控制要求，防喘閥打開，使得循環(huán)流量進一步下降，從而使冷箱溫度不可控。這就是為何在液化裝置提負荷時，要嚴格控制冷箱溫度，防止其回溫較多的原因所在。

5 結束語

（1）對于液化裝置若經過全面而詳細的動態(tài)分析找出現(xiàn)存的問題，那么裝置的操作就會上一個臺階，經濟效益就會有很大的提高。

（2）模擬得出的冷箱溫度分布曲線為沿冷箱高度的直線分布。根據(jù)總傳熱速率微分方程，總傳熱系數(shù)K是對微元面積dA的局部傳熱系數(shù)。由于流體的溫度沿傳熱面隨流動的距離而不斷變化（除非流體有相態(tài)的變化），因而流體的物性隨之改變（影響較大的物性有流體的比熱、導熱系數(shù)、密度和粘度等）[3]，況且傳熱過程中還發(fā)生了相變，致使對流傳熱系數(shù)是變化的，整個換熱器單位時間內的傳熱量，應當沿全部的傳熱面對總傳熱速率微分方程進行積分?；谝陨显颍湎鋬炔繙囟确植记€不應該是直線形式，以專門的板翅式換熱器模擬軟件得到的冷箱內部溫度分布曲線更為合理，其型式為S曲線型。但這并不影響整個工藝系統(tǒng)的動態(tài)模擬過程。