混合制冷劑循環(huán)液化天然氣流程的優(yōu)化

趙軍(重慶龍冉能源科技有限公司，重慶 408017)

0 引言

伴隨技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)也產(chǎn)生了許多新型的清潔能源，在這之中就包括液化天然氣，因?yàn)槠洳僮髁鞒谭浅：?jiǎn)便，而且所需成本費(fèi)用相對(duì)較少，所以它被廣泛運(yùn)用到各個(gè)相關(guān)行業(yè)中。特別是近些年的發(fā)展，促使液化天然氣項(xiàng)目也得到了快速發(fā)展。根據(jù)具體的實(shí)踐來(lái)看，雖然我國(guó)大多數(shù)的技術(shù)以及設(shè)備都是比較完善的，且能夠進(jìn)行自主研發(fā)，但是在其運(yùn)行過(guò)程中，其流程以及配比等方面都還有著許多問(wèn)題，若是想維持健康運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)對(duì)其展開深入分析和探討。

1 混合制冷劑循環(huán)液化天然氣流程

就天然氣流程而言，通常可將其分為兩部分：一部分是制冷循環(huán)；另一部分就是液化回路。前者往往基于對(duì)制冷劑的使用，在壓縮機(jī)的作用下進(jìn)行升壓，接著借助冷水進(jìn)到換熱器，以達(dá)到分離氣液的目的。基于第一換熱器，制冷劑會(huì)進(jìn)行冷卻，然后實(shí)施一系列手段，如降溫，與返流制冷劑相互融合，由此產(chǎn)生一定的冷量，以供換熱器使用，與此同時(shí)與氣相制冷劑相互融合，在完成這一環(huán)節(jié)后，基于換熱器進(jìn)行冷卻，在流到第三換熱器時(shí)，可為后續(xù)冷卻工藝的開展，提供足夠的冷量。就后者來(lái)講，往往是基于已凈化的天然氣來(lái)開展的，可以更好滿足有關(guān)規(guī)范以及要求。基于第一換熱器，天然氣進(jìn)行冷卻，接著在分離器的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)重?zé)N的分離，在流到換熱器之后，隨之進(jìn)到閃蒸系統(tǒng)，然后基于換熱器，氣相再進(jìn)行冷卻，在此環(huán)節(jié)之后，完成節(jié)流、降壓等一系列操作，最終基于第三換熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液的分離，由此產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，并將其置于液化罐。

2 混合制冷劑循環(huán)液化天然氣工藝技術(shù)

就這一天然氣工藝而言，一般可結(jié)合制冷方式的不同，進(jìn)一步分成多個(gè)類型，比如單級(jí)制冷劑循環(huán)。首先，對(duì)于單級(jí)的混合制冷劑循環(huán)工藝而言，其特點(diǎn)就是在整個(gè)流程中，它只有一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)機(jī)制，這是我國(guó)當(dāng)前比較常見的工藝。在此需要注意的是，在這個(gè)工藝當(dāng)中，不但僅存在一個(gè)壓縮機(jī)，而且也僅存在1個(gè)節(jié)流閥，所以就混合制冷劑來(lái)講，僅能夠開展1次節(jié)流。另外就丙烷預(yù)冷工藝而言，往往是借助丙烷預(yù)冷系統(tǒng)，然后開展制冷劑循環(huán)，同時(shí)冷卻液化，該工藝有著一定的獨(dú)特性，主液化系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。此外以雙級(jí)循環(huán)工藝來(lái)分析，在此工藝過(guò)程中，可選用多種物質(zhì)，來(lái)當(dāng)作預(yù)冷循環(huán)，比如較為常用的乙烷，這一循環(huán)工藝也有著一定的不同，即擁有兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)這三個(gè)工藝性能的對(duì)比，我們能夠從中看出，當(dāng)在實(shí)踐過(guò)程中使用時(shí)，每一個(gè)工藝的性能都存在一定的不同，因此可以根據(jù)這三個(gè)工藝技術(shù)的特點(diǎn)，將其流程以及配比等進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上加以完善，要確保其具有可操作性，從而使工藝流程操作變得更為簡(jiǎn)單，加強(qiáng)這類工藝技術(shù)的適應(yīng)力，并強(qiáng)化其運(yùn)行效果，減少其能源消耗，使其在國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)得以推廣和使用，進(jìn)而對(duì)后續(xù)工作打下夯實(shí)基礎(chǔ)。

3 混合制冷劑循環(huán)液化天然氣流程優(yōu)化

3.1 明確目標(biāo)函數(shù)與約束條件

將以上三個(gè)工藝流程進(jìn)行聯(lián)系，從而明確實(shí)際的目標(biāo)函數(shù)，分別從兩個(gè)方面來(lái)完成：一方面是該工藝流程中有關(guān)壓縮機(jī)的功耗；另一方面是甲烷預(yù)冷量。

文章主要設(shè)立了多個(gè)限制條件：第一，對(duì)于首個(gè)換熱器來(lái)講，無(wú)論是熱端面，還是制冷劑，均存在于兩個(gè)相區(qū)，以便基于分離器，可以產(chǎn)生氣液兩種狀態(tài)；第二，基于首個(gè)熱端面，其制冷器都存在于氣相狀態(tài)；第三，針對(duì)換熱器而言，確保其端面沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)溫差，而以別的換熱器來(lái)分析，在對(duì)傳熱溫差進(jìn)行明確時(shí)，均依據(jù)端面溫差來(lái)開展；第四，應(yīng)把換熱器的熵增進(jìn)行設(shè)立，保證所有的換熱器熵增都超過(guò)0，防止其產(chǎn)生負(fù)溫差；第五，基于每一個(gè)調(diào)節(jié)閥開關(guān)部位，應(yīng)當(dāng)實(shí)施降溫舉措，從而為其提供一定的驅(qū)動(dòng)力，針對(duì)全部的換熱器與燃?xì)獾龋赃_(dá)到互相傳熱的目的；第六，明確其工藝流程后，對(duì)于每一個(gè)分離器來(lái)講，均要能夠形成氣液兩種形態(tài)。

3.2 明確最優(yōu)值與參數(shù)值

在對(duì)最優(yōu)值和其流程參數(shù)進(jìn)行明確之前，應(yīng)先聯(lián)系混合制冷劑循環(huán)液化天然氣的配比，將獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也應(yīng)將其配比參數(shù)貫徹到優(yōu)化之后的流程操作中，而且還應(yīng)對(duì)其實(shí)際上限和下限進(jìn)行設(shè)立，以便其對(duì)自變量進(jìn)行調(diào)整。接著將流程中目標(biāo)函數(shù)以及優(yōu)化值導(dǎo)入其中，在此應(yīng)特別重視容差、最大變量以及迭代次數(shù)等數(shù)據(jù)，當(dāng)將優(yōu)化器開啟之后，就能夠?qū)?shù)據(jù)自動(dòng)完成優(yōu)化。當(dāng)最優(yōu)值處于6.726，就熱端面而言，在處于高壓的情況下，其壓力應(yīng)為2.4 Pa。溫度應(yīng)為0.42 ℃，在處于低壓的情況下，其壓力應(yīng)為117.2 Pa，溫度應(yīng)為0.12 ℃；通常在混合制冷劑中，會(huì)存在一定量的甲烷，而其摩爾分率應(yīng)當(dāng)達(dá)到0.55。就不一樣的最優(yōu)值來(lái)講，所對(duì)應(yīng)的流程參數(shù)也存在著一定的不同，應(yīng)結(jié)合具體狀況對(duì)其展開分析[1]。

依照具體的數(shù)據(jù)對(duì)其展開分析后，我們能夠知道擁有回?zé)岬墓に嚵鞒?，其功耗?huì)比較高，實(shí)際上，從整體角度上來(lái)看，其工藝效果較為理想?；诖?，在優(yōu)化后的工藝流程中，我們可以以雙級(jí)循環(huán)工藝為切入點(diǎn)，對(duì)其工藝流程開展優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，可以降低設(shè)備所需的費(fèi)用，盡可能減少工藝能耗，并且創(chuàng)造更多的收益，從而幫助后續(xù)工作順利進(jìn)行。比如某天然氣工廠，就是實(shí)施了以上的方法，對(duì)有關(guān)裝置進(jìn)行了優(yōu)化，從而獲取一定的效益，就該裝置而言，就是以雙級(jí)循環(huán)工藝為切入點(diǎn)，除此之外，還運(yùn)用了三級(jí)節(jié)流制冷工藝，當(dāng)其完成改造之后，其材質(zhì)彈性可以實(shí)現(xiàn)50%至115%作用，并且其產(chǎn)量也獲得了很大提高，從其整體運(yùn)行狀況來(lái)看，它是非常安全穩(wěn)定的，且其還具有較佳的效果，非常值得推廣[2]。

4 混合制冷劑配比優(yōu)化

4.1 優(yōu)化遺傳算法

利用遺傳算法來(lái)找出最優(yōu)解，這是非常關(guān)鍵的，可以將其使用到配比優(yōu)化中，以便全面發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，首先應(yīng)先明確決策變量以及約束條件，然后構(gòu)建相應(yīng)的配比優(yōu)化模型，明確具體的優(yōu)化方法，運(yùn)用量化評(píng)價(jià)法，接著設(shè)計(jì)出遺傳算子，最后利用遺傳算法明確運(yùn)行參數(shù)。就該算法自身而言，其能夠有效解決復(fù)雜的非線性問(wèn)題以及離散問(wèn)題，在這上面具有很大優(yōu)勢(shì)，可以為其提供通用型結(jié)構(gòu)框架。

4.2 優(yōu)化開發(fā)技術(shù)

就配比優(yōu)化開發(fā)而言，就是基于HYSYS技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行再次開發(fā)，該技術(shù)有著一系列的優(yōu)勢(shì)，存在較好的軟件架構(gòu)。除此之外，還具備一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即對(duì)象連接融入，由于具備這些優(yōu)勢(shì)，使其工作量化繁為簡(jiǎn)，將不再取決于語(yǔ)言架構(gòu)，可以實(shí)行遠(yuǎn)程組件的方式來(lái)完成。現(xiàn)階段，以HYSYS軟件來(lái)分析，可以達(dá)到開放數(shù)百個(gè)對(duì)象的目的，而且在該軟件中，包含了數(shù)千種研究方式。通常狀況下，能夠通過(guò)Visual Basic程序來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)，這也是目前最為便捷的方式。根據(jù)實(shí)際的訪問(wèn)方法，對(duì)其類庫(kù)對(duì)象以及屬性等進(jìn)行查看，接著將其變量值進(jìn)行調(diào)整?；赩isual Basic程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變量值的調(diào)節(jié)，且不受時(shí)間的約束，此外就其變量申明而言，通常屬于Dim，對(duì)于這一對(duì)象變量來(lái)講，往往屬于一般對(duì)象，實(shí)際上，在開展程序編寫時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)一定的限制情況[3]。

4.3 優(yōu)化實(shí)際案例

從上述論述中，我們能夠知道文章主要借助遺傳算法，并且依據(jù)HYSYS技術(shù)，來(lái)對(duì)配比展開分析，主要可以將其分為三部分來(lái)完成：首先基于配比優(yōu)化問(wèn)題，除了要確定決策變量，也需要明確限制條件；其次，對(duì)于配比優(yōu)化問(wèn)題中的遺傳參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)也要對(duì)其運(yùn)算程序進(jìn)行設(shè)定；最后，利用Visual Basic程序?qū)YSYS進(jìn)行訪問(wèn)，然后完成賀歲，隨后將獲得最優(yōu)結(jié)果。在這一過(guò)程，為了有效確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以將其種群數(shù)設(shè)定為200，其他參數(shù)可以設(shè)定位默認(rèn)值，接著通過(guò)VB程序構(gòu)建工藝流程模型，并且適當(dāng)對(duì)其調(diào)整，更為關(guān)鍵的是，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整制冷劑構(gòu)成。并以此為前提，利用HYSYS軟件完成模擬核算，在配比條件的基礎(chǔ)上，獲取有關(guān)的比功耗值，并把它運(yùn)用到Matlab中，若是該工藝流程的模型并未進(jìn)行收斂，那么在Matlab之中的比值就是10。依照具體的模擬效果來(lái)看，在液化流程中，其比功耗值應(yīng)是2，然而其HYSYS模型卻并沒(méi)收斂，這也就意味著，混合制冷劑的構(gòu)成配比應(yīng)當(dāng)再進(jìn)行調(diào)整，繼續(xù)重復(fù)這一計(jì)算，直到將不合理的個(gè)體排除掉。文章選取的甲烷材料含量是100%、50%、20%，然后再依照以上方案實(shí)行優(yōu)化。表1所示為優(yōu)化結(jié)果[4]。

表1 優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于混合制冷劑循環(huán)，其液化天然氣工藝不但能夠運(yùn)用到工業(yè)燃?xì)夥矫?，還能夠?qū)Τ鞘泄灰约按笮涂ㄜ嚿厦孢M(jìn)行使用，不但能夠降低能源損耗，還能提升城市空氣質(zhì)量。通過(guò)本文的論述，雙級(jí)的混合制冷劑流程比丙烷預(yù)冷的混合制冷劑流程更加完善，帶回?zé)岬幕旌现评鋭┝鞒桃脖炔粠Щ責(zé)岬囊谩⑵涔に嚵鞒踢M(jìn)行優(yōu)化，可以有效降低設(shè)備所需的費(fèi)用，而且還能有效減少工藝能耗，將在很大程度上增加其經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)該工藝進(jìn)行優(yōu)化，能夠使其在良好的運(yùn)行條件下被運(yùn)用，從而促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，為其提供優(yōu)質(zhì)的清潔能源，促進(jìn)其健康發(fā)展。