混合制冷劑循環(huán)液化工藝能耗優(yōu)化研究

王彬 王通

摘 要：混合制冷劑循環(huán)液化工藝是一種常用的天然氣液化工藝，為減少能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，應(yīng)積極對混合制冷劑循環(huán)液化工藝進(jìn)行優(yōu)化。文章對混合制冷劑循環(huán)液化工藝進(jìn)行了分析，并探討了混合制冷劑循環(huán)液化工藝的優(yōu)化策略，以供借鑒、參考。

關(guān)鍵詞：混合制冷劑;循環(huán)液化工藝;能耗;優(yōu)化

天然氣是一種清潔型能源，在環(huán)境污染問題日益加劇的當(dāng)下，我國正在大力推廣天然氣。為便于存儲與運(yùn)輸，通常是采取有效的工藝技術(shù)將天然氣轉(zhuǎn)化為液化天然氣?；旌现评鋭┭h(huán)液化工藝是一種用于天然氣處理的工藝技術(shù)，但實(shí)際應(yīng)用混合制冷劑循環(huán)液化工藝的時候，由于受到各種因素的影響，容易發(fā)生能耗，因此有必要進(jìn)行工藝優(yōu)化。

1 混合制冷劑循環(huán)液化工藝

混合制冷劑循環(huán)液化工藝是將冷箱內(nèi)混合制冷劑的熱交換為變溫過程，使得熱物流、冷物流之間的傳熱溫差保持在較低水平?；旌现评鋭┭h(huán)液化工藝由制冷循環(huán)、液化回路兩部分組成?；旌现评鋭┭h(huán)液化工藝具有流程簡單、效率較高以及設(shè)備投資較小等優(yōu)勢，但也有缺點(diǎn)，主要是混合制冷劑配比的復(fù)雜程度與其制冷效果是相互影響的，同時混合制冷劑配比也影響著能源消耗的多少。由此可以看出，為實(shí)現(xiàn)能耗的降低，關(guān)鍵在于對混合制冷劑的配比進(jìn)行合理確定。

2 混合制冷劑循環(huán)液化工藝能耗優(yōu)化分析

2.1制冷劑配比的優(yōu)化

實(shí)際應(yīng)用混合制冷劑循環(huán)液化工藝的時候，混合制冷劑的配比直接影響著該工藝效果的優(yōu)劣，同時也在一定程度上決定著能耗的高低。因此，必須對混合制冷劑的配比進(jìn)行優(yōu)化，可以從以下兩個方面入手：

1）遺傳算法。對混合制冷劑的配比進(jìn)行優(yōu)化的時候，可以應(yīng)用遺傳算法，得到最優(yōu)解。具體來說便是，對決策變量、約束條件進(jìn)行明確，構(gòu)建配比優(yōu)化模型，并確定優(yōu)化方法。采取量化評價法，再對遺傳算子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后應(yīng)用遺傳算法對相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行確定。遺傳算法可以解決復(fù)雜的離散問題、非線性問題。

2）技術(shù)優(yōu)化。對混合制冷劑的配比進(jìn)行優(yōu)化的時候，應(yīng)在HYSYS技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行再開發(fā)。HYSYS技術(shù)有著諸多優(yōu)勢，其軟件架構(gòu)相對較好，同時還具有對象連接融入技術(shù)，因此其工作可以化繁為簡，不再取決于語言架構(gòu)，可采取遠(yuǎn)程組件的方式來完成。目前，采用HYSYS軟件，可開放數(shù)百個對象，同時其中包含的研究方式多達(dá)數(shù)千種。可以采取Visual Basic程序進(jìn)行訪問，根據(jù)所采取的訪問方法，查看其類庫對象與屬性，然后調(diào)整變量值。通過應(yīng)用Visual Basic程序，可以有效調(diào)整變量值，且擺脫了時間的限制，其變量申明一般是屬于Dim，這一對象變量通常為一般對象，編寫程序的時候，也會遇到一定的限制。

綜上，對混合制冷劑的配比進(jìn)行優(yōu)化的時候，應(yīng)采用遺傳算法，并與HYSYS技術(shù)結(jié)合起來，對混合制冷劑的配比進(jìn)行分析，可分為三個部分：1）針對配比優(yōu)化問題，應(yīng)在明確決策變量的同時確定限制條件;2）設(shè)定遺傳參數(shù)及其運(yùn)算程序;3）利用Visual Basic程序訪問HYSYS，得到最優(yōu)結(jié)果。為確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在上述過程中，可將其種群數(shù)設(shè)定為200，將其他參數(shù)設(shè)定為默認(rèn)值，然后采用VB程序建立工藝流程模型，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，關(guān)鍵是應(yīng)對制冷劑構(gòu)成進(jìn)行合理調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，借助HYSYS軟件進(jìn)行模擬核算，基于配比條件，得到相應(yīng)比功耗值，將其應(yīng)用到Matlab中。如果該工藝流程模型未收斂，則Matlab中的比值為10。根據(jù)實(shí)際模擬效果，液化流程中，比功耗值應(yīng)為2，但HYSYS模型未收斂，提示，還要接著調(diào)整混合制冷劑的配比，重復(fù)這一計(jì)算過程，直至完全排除不合理的個體為止。以甲烷含量100%、50%、20%為例，通過采取上述方案進(jìn)行優(yōu)化，得到的優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

2.2工藝流程的優(yōu)化

實(shí)際應(yīng)用混合制冷劑循環(huán)液化工藝的時候，為實(shí)現(xiàn)能耗的降低，應(yīng)對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，可以從以下兩個方面入手：

1）確定目標(biāo)函數(shù)與約束條件。對混合制冷劑循環(huán)液化工藝進(jìn)行分析，明確目標(biāo)函數(shù)，主要從壓縮機(jī)功耗、甲烷預(yù)冷量兩個方面完成。約束條件主要包括，其一，首個換熱器的制冷劑、熱端面應(yīng)位于兩個相區(qū)，從而在分離器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生氣、液兩種不同的狀態(tài);其二，制冷器處于氣相狀態(tài);其三，確保換熱器端面無負(fù)溫差，采取別的換熱器進(jìn)行分析時，明確傳熱溫差的時候，應(yīng)以端面溫差為依據(jù);其四，設(shè)立換熱器的熵增，確保全部換熱器熵增均大于0，避免負(fù)溫差的出現(xiàn);其五，在每個調(diào)節(jié)閥的開關(guān)處設(shè)置相應(yīng)的降溫措施，為其提供驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)全部換熱器之間的互相傳熱。

2）明確參數(shù)值與最優(yōu)值。明確流程參數(shù)與最優(yōu)值之前，應(yīng)對制冷劑配比進(jìn)行深入分析，得到數(shù)據(jù)之后進(jìn)行分析，也可以將配比參數(shù)落實(shí)到優(yōu)化后的工藝流程中去，設(shè)置上限、下限，以便于調(diào)整自變量，然后將優(yōu)化值、目標(biāo)函數(shù)導(dǎo)入其中。這個過程中，應(yīng)高度重視迭代次數(shù)、最大變量、容差等參數(shù)，開啟優(yōu)化器后，自動完成優(yōu)化。最優(yōu)值為6.726的時候，熱端面處于高壓時壓力為2.4Pa，溫度為0.42℃;處于低壓時，壓力為117.2Pa，溫度為0.12℃?；旌现评鋭┲型ǔ：幸欢ǖ募淄?，摩爾分率應(yīng)達(dá)到0.55。最優(yōu)值不同的情況下，對應(yīng)流程參數(shù)也要有一定不同，應(yīng)具體情況具體分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，有回?zé)岬墓に嚵鞒棠芎南鄬^少，同時效果也比較好，因此，在對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化的時候，可以從雙級循環(huán)工藝入手，減少設(shè)備所需成本，盡可能地降低工藝的能耗。例如，某天然氣工廠便是采取了上述方法對相關(guān)裝置進(jìn)行優(yōu)化，該裝置便是采取雙級循環(huán)工藝，還應(yīng)用了三級節(jié)流制冷工藝。裝置改造完成后，產(chǎn)量得到了明顯提高，且整體運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性較好，能耗也得到了降低。

3 結(jié)語

混合制冷劑循環(huán)液化工藝具有諸多優(yōu)勢，有著良好的應(yīng)用前景。但能耗問題制約著混合制冷劑循環(huán)液化工藝的應(yīng)用效果及其推廣。因此，有必要對混合制冷劑循環(huán)液化工藝進(jìn)行優(yōu)化，例如可以對混合制冷劑的配比進(jìn)行優(yōu)化、對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，來達(dá)到降低能耗、減少成本、提高效益的目的，更好地發(fā)揮混合制冷劑循環(huán)液化工藝的作用，助力環(huán)保事業(yè)發(fā)展。

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