混合制冷劑氫氣液化工藝優(yōu)化

王國聰，徐則林，多志麗，朱建魯，李玉星

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555；2.中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

液氫具有較高的體積和質(zhì)量儲存密度，將氫氣液化便于大規(guī)模運(yùn)輸及有效利用，同時也會降低運(yùn)輸?shù)瘸杀?通過制冷對氫氣進(jìn)行冷卻，使溫度降低到其沸點(diǎn)以下，以獲得液氫，因此氫液化工藝是制液氫技術(shù)中的重要研究課題.國外氫氣液化技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)較為成熟，從產(chǎn)能上看北美占全球液氫產(chǎn)能總量的85%以上，美國本土已有15座以上的液氫工廠，產(chǎn)能達(dá)326 t/d以上，居全球首位；歐洲4座液氫工廠液氫產(chǎn)能24 t/d；亞洲16座液氫工廠產(chǎn)能36.3 t/d，其中日本占2/3.我國國內(nèi)氫液化技術(shù)起步較晚，技術(shù)與國外差距較大，現(xiàn)液氫工廠僅有海南文昌、北京101所和西昌基地，總產(chǎn)能只有4 t/d[1].在低碳能源結(jié)構(gòu)改革的背景之下，氫能在我國未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中具有重要作用，預(yù)計到2050年，氫能在我國終端能源體系中占比為10%左右[2].

氫氣液化工藝分為預(yù)冷循環(huán)和深冷循環(huán).按照預(yù)冷方式來劃分，可以分為氮預(yù)冷循環(huán)、氦預(yù)冷循環(huán)、J-B預(yù)冷循環(huán)、混合制冷劑預(yù)冷循環(huán)和LNG預(yù)冷循環(huán).不同氫液化系統(tǒng)的單位能耗差異如表1所示，可以看出LNG預(yù)冷循環(huán)的單位能耗最低，為4 kWh/kgLH2，但有學(xué)者認(rèn)為該液化過程只能用于由LNG制成的氫氣，且工廠應(yīng)位于海港附近[3].因此混合制冷劑制冷將是近幾年氫液化工藝流程主要的發(fā)展方向，如何優(yōu)化預(yù)冷循環(huán)(烷烴類混合物)和深冷循環(huán)(氫氣、氦氣等混合物)冷劑配比，進(jìn)而更好地匹配氫氣和混合制冷劑的冷熱復(fù)合曲線、降低單位能耗，是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn).

表1 不同氫液化系統(tǒng)的單位能耗差異[4]

氫液化流程溫度范圍較寬，流程復(fù)雜、能耗高、效率低，因此眾多研究者對氫氣液化流程進(jìn)行優(yōu)化研究.例如殷靚[19]等基于針對前期設(shè)計完成的采用液氮預(yù)冷和氦氣透平膨脹制冷的1 000 L/h氫液化裝置工藝流程進(jìn)行模擬計算分析，通過對遺傳算法編程進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化，S.Krasae-In[14]通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法來優(yōu)化大規(guī)模氫液化流程，U.Cardella等[20]人計算混合制冷劑預(yù)冷的大規(guī)模氫氣液化流程，并采用二次規(guī)劃算法耦合MATLAB對過程仿真進(jìn)行優(yōu)化.通過文獻(xiàn)調(diào)研，研究者多以總能耗和單位能耗為目標(biāo)函數(shù)，采用反復(fù)試驗(yàn)、序列二次規(guī)劃、遺傳算法[4]等優(yōu)化方法對氫液化工藝進(jìn)行優(yōu)化.混合制冷劑氫氣液化流程是一個具有許多局部最優(yōu)解的高度非線性問題，優(yōu)化過程復(fù)雜，工作量大，而遺傳算法提供了一種非線性、多模型等復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題的通用框架，對該優(yōu)化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性及優(yōu)勢，同時擬采取將氫氣液化流程分為預(yù)冷工藝、深冷工藝兩部分同時進(jìn)行優(yōu)化，可提高工作效率，有效避免局部最優(yōu)問題的出現(xiàn).

本文通過模擬混合制冷劑氫氣液化工藝，以單位能耗為目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法對氫液化預(yù)冷循環(huán)和深冷循環(huán)工藝進(jìn)行全局優(yōu)化計算，獲得最優(yōu)設(shè)計參數(shù).通過模擬及優(yōu)化分析獲取合適的預(yù)冷循環(huán)混合冷劑配比組成以及深冷循環(huán)冷劑組成.

1 混合冷劑制冷的氫液化工藝

1.1 氫液化工藝流程介紹

混合冷劑制冷的氫液化工藝流程，如圖1所示.該液化流程由三部分組成：氫氣系統(tǒng)、混合冷劑(烷烴類混合物)預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)和混合冷劑(氫氣、氦氣混合物)深冷循環(huán)系統(tǒng).

圖1 混合冷劑制冷氫液化工藝流程

原料氫氣進(jìn)入混合冷劑預(yù)冷的HX-1、HX-2、HX-3三級換熱器進(jìn)行三級換熱，完成預(yù)冷達(dá)到預(yù)冷溫度-193 ℃，再進(jìn)入混合冷劑深冷的HX-4換熱器冷卻，并進(jìn)入一級正仲氫轉(zhuǎn)化器絕熱轉(zhuǎn)化，同時放熱升溫后再次回到四級換熱器HX-4冷卻，冷卻后的氫氣經(jīng)HX-5、HX-6兩級換熱后進(jìn)入二級正仲氫轉(zhuǎn)化器絕熱轉(zhuǎn)化，同時放熱升溫后再次回到六級換熱器HX-6冷卻，經(jīng)節(jié)流降溫通過氣液分離器V-103，最終液氫LH進(jìn)入液氫儲罐.

混合冷劑(烷烴類混合物)預(yù)冷系統(tǒng)中預(yù)冷混合冷劑M1首先通過氣液分離器分離，氣體流股M2以及液相流股M3作為熱流股進(jìn)入一級換熱器HX-1降溫，液相出口經(jīng)節(jié)流降溫作為冷流股回到一級換熱器HX-1提供冷量.氣相出口M4含氣液兩相，進(jìn)入氣液分離器分離后氣相流股M6以及液相流股M7作為熱流股進(jìn)入二級換熱器HX-2降溫，液相出口M10經(jīng)節(jié)流降溫作為冷流股回到二級換熱器HX-2提供冷量.氣相出口M9含氣液兩相，進(jìn)入三級換熱器HX-3降溫，液化為純液相，經(jīng)節(jié)流降溫作為冷流股回到三級換熱器HX-3、二級換熱器HX-2、一級換熱器HX-1提供冷量，冷流股末端出口M18經(jīng)過壓縮、水冷降溫后進(jìn)行氣液分離，隨后氣相M21經(jīng)壓縮、水冷降溫，液相M22經(jīng)泵增壓完成預(yù)冷循環(huán).

混合冷劑(氫氣、氦氣混合物)深冷循環(huán)系統(tǒng)中深冷混合冷劑N1分為三個流股N1.2、N1.3、N1.4，分別作為熱流股進(jìn)入換熱器HX-7、HX-8、HX-9降溫，隨后分別進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹降溫作為冷流股進(jìn)入四級換熱器HX-4、五級換熱器HX-5、六級換熱器HX-6提供冷量，出口流體又為換熱器HX-7、HX-8、HX-9提供冷量，最后混合經(jīng)三級壓縮、水冷降溫完成深冷循環(huán).

1.2 氫液化工藝流程模擬

本文采用Aspen HYSYS軟件對上述混合制冷劑氫氣液化工藝流程進(jìn)行詳細(xì)穩(wěn)態(tài)模擬，模擬過程采用Peng-Robinson方程，模擬的條件如下：

(1)進(jìn)入氫液化流程的原料氣為25 ℃、2 100 kPa下純氫氣；

(2)多股流換熱器、水冷器的壓降均為零；

(3)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)的絕熱效率均為75%；

(4)多股流換熱器最小溫差大于等于3 ℃；

(5)液氫儲存條件為-253.8 ℃、120 kPa；

(6)預(yù)冷混合冷劑組分：甲烷、丙烷、戊烷、乙烯、氫氣、氮?dú)饣旌衔?，深冷混合冷劑組分：氦氣、氫氣混合物；

(7)由于Aspen HYSYS軟件中沒有正仲氫轉(zhuǎn)化模擬模塊，該流程模擬中采用加熱器和換熱器表示，轉(zhuǎn)化熱在流程中被消耗，與實(shí)際相符[19].

1.3 氫液化工藝流程敏感性分析

為確定氫液化工藝流程的待優(yōu)化變量，根據(jù)流程模擬進(jìn)行敏感性分析，篩選出預(yù)冷混合冷劑各組分流量等18個參數(shù)作為待優(yōu)化變量，參數(shù)敏感性分析分為以下三部分.

1.3.1 氫氣液化回路參數(shù)敏感性分析

氫氣液化回路里面H4和節(jié)流前的溫度是可操作變量，由于節(jié)流前溫度是受深冷循環(huán)控制，因此只分析H4的溫度.氫液化工藝流程由預(yù)冷工藝、深冷工藝兩部分組成，H4節(jié)點(diǎn)為兩工藝部分的連接點(diǎn).在滿足模擬條件下，對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行敏感性分析，如圖2所示，當(dāng)H4節(jié)點(diǎn)溫度為-193 ℃時，該液化工藝總功耗為最低值.由于敏感性分析過程中氫氣液化率不變，因此比功耗與總功耗變化趨勢相同，在H4溫度為-193 ℃時比功耗為最低值.當(dāng)H4節(jié)點(diǎn)溫度低于-193 ℃時，預(yù)冷工藝需要通過增加預(yù)冷混合冷劑的流量或冷劑中增加氫等輕組分比例來為預(yù)冷循環(huán)提供更多冷量.冷劑流量增加將會增加功耗，添加輕組分會使得節(jié)流閥前物流的氣相分率升高，節(jié)流膨脹制冷效果降低.因此當(dāng)溫度低于-193 ℃時，總功耗大大增加，由圖示總功耗變化曲線可以看出，溫度低于-193 ℃部分曲線斜率絕對值較大.H4節(jié)點(diǎn)溫度受預(yù)冷循環(huán)控制，由圖示可看出相比預(yù)冷工藝功耗，深冷工藝功耗變化較小，總功耗變化趨勢與預(yù)冷工藝功耗變化趨勢相近.預(yù)冷混合冷劑中以氮?dú)鉃橹黧w，液氮沸點(diǎn)為-196 ℃.通過敏感性分析，設(shè)定H4預(yù)冷溫度為-193 ℃.

圖2 預(yù)冷工藝、深冷工藝連接節(jié)點(diǎn)H4敏感性分析變化曲線

為保證后續(xù)氫液化工藝流程優(yōu)化工作高效、穩(wěn)定進(jìn)行，擬將該工藝流程分為預(yù)冷工藝、深冷工藝兩部分同時進(jìn)行優(yōu)化計算，由于該氫液化工藝流程中多股流換熱器、水冷器的壓降均為零，因此H4節(jié)點(diǎn)壓力與原料氫氣壓力相同，溫度為-193 ℃，各參數(shù)均為固定值，因此該優(yōu)化計算方法不會影響優(yōu)化結(jié)果.將氫液化工藝流程分為預(yù)冷、深冷兩部分同時計算可提高工作效率且會避免出現(xiàn)局部優(yōu)化的現(xiàn)象.為確定合適優(yōu)化變量，對冷劑組分以及流程關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，由于預(yù)冷工藝、深冷工藝連接點(diǎn)H4的參數(shù)為固定值，因此本節(jié)將氫液化工藝分為預(yù)冷工藝、深冷工藝兩部分敏感性分析.在進(jìn)行敏感性分析時，只改變進(jìn)行分析的參數(shù)值，其他參數(shù)值不變.

1.3.2 預(yù)冷循環(huán)參數(shù)敏感性分析

預(yù)冷循環(huán)流程中混合冷劑各組成部分流量、壓縮機(jī)出口壓力、節(jié)流閥出口壓力及氫氣液化節(jié)點(diǎn)溫度為可操作變量，由于氫氣節(jié)點(diǎn)溫度受預(yù)冷循環(huán)控制，因此對其他可操作變量進(jìn)行敏感性分析.預(yù)冷混合冷劑為由甲烷、丙烷、戊烷、乙烯、氫氣、氮?dú)饬N組分組成的混合物，有學(xué)者研究[14]混合冷劑制冷工藝中預(yù)冷混合冷劑為九種組分組成的混合物，組分種類多雖然會降低能耗，但操作困難，對于實(shí)際生產(chǎn)來說并不可行.預(yù)冷工藝中固定其他參數(shù)不變，通過增加或減少預(yù)冷混合冷劑中任一組分的流量(增加0.02 kmole/s或減少0.02 kmole/s)研究混合冷劑配比對預(yù)冷循環(huán)工藝總功耗的影響，通過改變其任一組分的流量來改變混合冷劑的比例組成如圖3所示，相應(yīng)的預(yù)冷循環(huán)總功耗變化明顯.

圖3 預(yù)冷混合冷劑配比敏感性分析變化曲線

由于多股流換熱器以及水冷器的壓降為零，因此預(yù)冷循環(huán)工藝流程中節(jié)流閥出口壓力(三級換熱器處節(jié)流閥出口壓力相同)、壓縮機(jī)出口壓力(壓縮機(jī)出口壓力與泵出口壓力相同)為關(guān)鍵參數(shù)，由圖4曲線變化可知，升高節(jié)流閥出口壓力或降低壓縮機(jī)出口壓力都會使預(yù)冷工藝的功耗降低”.模擬分析中采用設(shè)置器Set將二級、三級換熱器處節(jié)流閥出口壓力設(shè)置為與一級換熱器處節(jié)流閥出口壓力相同，將泵出口壓力設(shè)置為與壓縮機(jī)出口壓力相同，因此此處五個待優(yōu)化變量減少為兩個.

圖4 節(jié)流閥出口壓力

通過敏感性分析，確定預(yù)冷工藝中預(yù)冷混合制冷劑甲烷、丙烷、戊烷、乙烯、氫氣、氮?dú)饬N組分流量、節(jié)流閥出口壓力、壓縮機(jī)出口壓力、氫氣中間換熱兩節(jié)點(diǎn)溫度共10個變量為待優(yōu)化變量.

1.3.3 深冷循環(huán)參數(shù)敏感性分析

深冷循環(huán)中混合冷劑以氦氣為主體，并添加少量氫氣.添加氫氣后會使制冷劑性質(zhì)與氫氣更為貼近，達(dá)到更好的換熱效果.以第五級換熱器為例進(jìn)行分析，由圖5對比曲線可以看出，添加少量氫氣后換熱器冷熱側(cè)復(fù)合曲線更為貼合，最小換熱溫差減小，換熱效果更好.有學(xué)者研究[15]混合冷劑制冷工藝中深冷混合冷劑在氦氣基礎(chǔ)上添加了少量氫氣以及少量氖氣，然而在模擬研究中發(fā)現(xiàn)，由于第六級換熱器冷劑入口前膨脹機(jī)的出口溫度低，添加少量氖氣后會導(dǎo)致膨脹機(jī)出口帶液，降低換熱效率.由圖6所示，冷劑添加10%的氖氣后第六級換熱器的冷熱側(cè)復(fù)合曲線更加偏離，換熱效果變差.在此研究的基礎(chǔ)上，本文模擬的深冷工藝混合冷劑采用氦氣、氫氣混合物，并不再進(jìn)行配比優(yōu)化.氫氣液化深冷流程中采用分為三股膨脹制冷的方法對氫液化進(jìn)行溫度分區(qū)，若分為兩股進(jìn)行膨脹制冷，則氫氣冷卻區(qū)間減少，較大溫差使兩股冷劑膨脹中所需流量急劇上升，這使膨脹機(jī)負(fù)荷加大，不利于設(shè)備選型，不具有現(xiàn)實(shí)意義.

深冷循環(huán)流程中第三級壓縮機(jī)出口壓力、膨脹機(jī)出口壓力、水冷器出口溫度及混合冷劑換熱器出口節(jié)點(diǎn)溫度為可操作變量，由于水冷器出口溫度、混合冷劑節(jié)點(diǎn)溫度受深冷循環(huán)控制，因此對其他可操作變量進(jìn)行敏感性分析.由于各多股流換熱器、水冷器等設(shè)備的壓降為零，通過敏感性分析，可以得出第四級換熱器冷劑入口前膨脹機(jī)的出口壓力(深冷工藝中三個膨脹機(jī)的出口壓力相同)以及三級壓縮機(jī)的出口壓力為關(guān)鍵參數(shù)，由圖7可以看出增加膨脹機(jī)出口壓力或降低壓縮機(jī)出口壓力都會使深冷工藝比功耗降低.模擬分析中采用設(shè)置器Set將其余兩膨脹機(jī)出口壓力設(shè)置為與四級換熱器前的膨脹機(jī)出口壓力相同，此處三個待優(yōu)化變量減少為一個.

圖7 膨脹機(jī)出口壓力

通過敏感性分析，確定深冷工藝中膨脹機(jī)出口壓力、壓縮機(jī)出口壓力、三股進(jìn)行膨脹制冷冷劑流量及換熱后溫度共8個變量為待優(yōu)化變量.

1.4 氫液化工藝流程優(yōu)化

基于敏感性分析中確定的多個優(yōu)化變量，遺傳算法在一定范圍內(nèi)進(jìn)行全局搜索，從而找到最小的目標(biāo)函數(shù)值，待優(yōu)化參數(shù)的上、下限如表2所示.

表2 優(yōu)化變量參數(shù)上、下限

本文氫液化工藝流程整體采用單位能耗作為遺傳算法的目標(biāo)函數(shù).為提高優(yōu)化工作效率，優(yōu)化分為預(yù)冷工藝流程優(yōu)化和深冷工藝流程優(yōu)化兩部分同步進(jìn)行，預(yù)冷工藝中采用預(yù)冷工藝的總功耗為目標(biāo)函數(shù)，深冷工藝部分以深冷工藝單位能耗為目標(biāo)函數(shù)，兩最優(yōu)值經(jīng)計算即為氫液化工藝流程整體目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值.通過設(shè)定約束條件和罰函數(shù)來保證氫液化流程能夠安全穩(wěn)定地進(jìn)行優(yōu)化，本次優(yōu)化模型的適應(yīng)度函數(shù)表達(dá)式如公式(1)所示.

f(x)min=(W1+W2+W3+W4+W5+W6-W7-W8-W9)/QLH，

(1)

公式中：W1為壓縮機(jī)k-100的功耗，kW；W2為壓縮機(jī)k-101的功耗，kW；W3為壓縮機(jī)k-102的功耗，kW；W4為壓縮機(jī)k-103的功耗，kW；W5為壓縮機(jī)k-104的功耗，kW；W6為泵P-100的功耗，kW；W7為膨脹機(jī)EXP-4的功耗，kW；W8為膨脹機(jī)EXP-5的功耗，kW；W9為膨脹機(jī)EXP-6的功耗，kW；QLH為液氫LH的質(zhì)量流量，kg/h.

約束條件為各級換熱器的最小溫差必須大于等于3 ℃，預(yù)冷工藝部分為保證壓縮機(jī)入口流體M18全為氣相，以M18溫度大于等于露點(diǎn)溫度5 ℃作為約束條件，函數(shù)表達(dá)式如公式(2)所示，式中min為換熱器最小溫差，HX-1-19為換熱器1-19.

Tmin，HX-1-9≥ 3 ℃，

(2)

如果優(yōu)化過程中不滿足約束條件，為確保優(yōu)化過程收斂，則設(shè)定懲罰函數(shù)對適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行懲罰，用懲罰函數(shù)代替目標(biāo)函數(shù)，懲罰函數(shù)如下公式所示.

P(x)=f(x)×(1+eq(x))，

(3)

q(x)=max[(3-ΔTmin，i)，(9-ΔTM18)](i=1-19).

(4)

遺傳算法優(yōu)化的進(jìn)化參數(shù)設(shè)置如表3所示.

表3 遺傳算法進(jìn)化設(shè)定參數(shù)

將MATLAB與HYSYS連接，通過遺傳算法對氫液化流程進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化變量設(shè)定的上、下限間進(jìn)行全局搜索，最終得到如表4所示優(yōu)化變量最優(yōu)值，優(yōu)化后氫液化流程主要節(jié)點(diǎn)參數(shù)見附錄A.遺傳算法優(yōu)化所得兩收斂曲線，如圖9所示.

附錄A 優(yōu)化后氫液化流程主要節(jié)點(diǎn)參數(shù)

圖8 遺傳算法優(yōu)化框圖

表4 優(yōu)化變量最優(yōu)值

圖9 遺傳算法優(yōu)化收斂曲線

1.5 氫液化工藝流程優(yōu)化結(jié)果分析

經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后的氫液化流程的單位能耗為19.88 kWh/kgLH2，相比優(yōu)化之前的26.182 kWh/kgLH2，減少了24.07%，優(yōu)化前后各設(shè)備功耗以及總功耗對比圖如圖10所示，經(jīng)優(yōu)化后大部分設(shè)備功耗均有所降低，總功耗2.472×105kW相比優(yōu)化前2.962×105kW降低了16.56%.各換熱器換熱量優(yōu)化前后對比圖如圖11所示，優(yōu)化前后氫氣液化工藝流程換熱器冷熱側(cè)復(fù)合曲線如圖12所示，換熱器優(yōu)化前后性能參數(shù)如表5所示，由對比圖可見經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化后氫液化工藝流程整體功耗降低，換熱量減少，換熱效率升高.

表5 優(yōu)化前后換熱器性能參數(shù)

圖12 換熱器冷熱側(cè)復(fù)合曲線圖

任何不可逆的過程都會造成系統(tǒng)機(jī)械能的損失[21].氫液化工藝過程中各設(shè)備均存在不可逆的損失，降低系統(tǒng)的做功能力，產(chǎn)生損失，經(jīng)過優(yōu)化后損失為2.424×105kW，相比優(yōu)化前的3.101×105kW減少了21.85%，優(yōu)化前后各設(shè)備損失餅圖如圖13所示，大部分設(shè)備損失均有所下降，系統(tǒng)整體損失降低，系統(tǒng)效率提高.

圖13 各設(shè)備損失餅圖

2 結(jié) 論

本文針對混合冷劑制冷的氫液化工藝流程，經(jīng)敏感性分析確定預(yù)冷混合冷劑組成、深冷混合冷劑組成以及18個優(yōu)化變量，以單位能耗為目標(biāo)函數(shù)采用遺傳算法對氫液化工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，可得出以下結(jié)論：

(1)預(yù)冷工藝與深冷工藝連接節(jié)點(diǎn)溫度為-193 ℃時系統(tǒng)總功耗、比功耗最低.

(2)將整個流程分為兩個部分同時進(jìn)行優(yōu)化，減少了優(yōu)化變量，可以避免出現(xiàn)局部最優(yōu)問題，提高了優(yōu)化工作效率及優(yōu)化準(zhǔn)確性.

(3)得出優(yōu)化后混合制冷劑配比，優(yōu)化后混合制冷劑流量減少3.09%，換熱效率升高.