天然氣液化過程有效能評價分析

＊申濤 閆晶

（陜西延長石油天然氣股份有限公司 陜西 712000）

前言

解決天然氣的運輸和儲存等問題，一般會選用液化天然氣的方法，因為液化天然氣可以在很大程度上減少天然氣在運輸過程中的空間，有效地降低其運輸成本，很好地促進(jìn)天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，加上本身運輸天然氣液化就會消耗大量的能量，而其運輸成本一般就會占全部成本的一半，所以，進(jìn)行天然氣液化過程的有效能的分析就顯得十分的重要和急迫。

在熱學(xué)方面來說，對于能量分析不僅僅要考慮到量的多少程度，還必須要重視質(zhì)的高低，熱學(xué)里的第一定律就是從量的角度對能量的傳遞和轉(zhuǎn)化必須遵循數(shù)量上的均衡進(jìn)行闡述，沒有涉及到質(zhì)的高低程度。所以，熱學(xué)的第一定律無法真正地將能量的合理運用程度說明出來，也不可以將能量在傳遞轉(zhuǎn)化過程中的問題和情況精準(zhǔn)地反映回來。而為了能夠?qū)δ芰康馁|(zhì)量和運用程度實行合理的比較，一位美國的學(xué)者在1932年第一次提出有效能的概念，也就是被稱為?的有效能，而其就是指代在一般環(huán)境的條件下，能量所能轉(zhuǎn)化和運用的那一部分能量。

在天然氣液化的過程中，各個模塊之間的能量轉(zhuǎn)化傳遞的過程是十分復(fù)雜的，一部分可以歸為系統(tǒng)用能設(shè)備與外界環(huán)境發(fā)生能量轉(zhuǎn)化時造成的?損失，還有一部分是內(nèi)部設(shè)備在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化時導(dǎo)致的內(nèi)部?損失。為了能夠給系統(tǒng)進(jìn)行各個模塊的?損失分析，我們常常會選用黑箱、灰箱和白箱的方式來進(jìn)行?分析。其中黑箱模型的使用是將每一個用能設(shè)備看成一個用不透明的邊界所圍攏成的體系模型，并根據(jù)設(shè)備的輸入?以及輸出?的數(shù)據(jù)，運用設(shè)備的?效率來計算出各個模塊間的?情況，這種模型具有比較簡單明確、精確可信的特點，這個也是當(dāng)前最為廣泛使用的一項?分析的技術(shù)手段；灰箱模型是用于評價整個系統(tǒng)的用能情況以及鑒別系統(tǒng)用能的單薄步驟，其實灰箱模型的實質(zhì)也是一種黑箱網(wǎng)絡(luò)模型，因為灰箱模型的特點就是將系統(tǒng)的所有用能設(shè)備全部看作為黑箱；而白箱模型則就是將分析的對象看做成一個用透明邊界圍攏成的體系模型，正好與黑箱相反，這一模型不僅可以將體系內(nèi)的各個用能過程逐個地進(jìn)行分析，還可以對?損失以及各個用能設(shè)備的?效率進(jìn)行統(tǒng)計計算。在對?損失進(jìn)行研究時，可以運用上述方式來找到?損失的主要原因，并針對研究結(jié)果，有針對性地提出減少?損失的方案，最后實現(xiàn)省能降耗、提升有效能質(zhì)量的目標(biāo)。

1.天然氣混合制冷液化工藝的流程

首先將天然氣從冷箱E-401的頂部進(jìn)入到由鋁制釬焊制成的冷劑換熱器的E-401內(nèi)部，讓其在冷劑換熱器中過冷到-158℃，之后運用節(jié)流閥降壓到100kPa后將得到的-164℃的LNG儲存在V-404中，與此同時會出部分地閃蒸氣。再將從V-403的高壓冷劑氣自上而下進(jìn)入到冷箱E-401，然后在進(jìn)行一系列的操作將其過冷到-160℃，之后再按照規(guī)定的操作流程進(jìn)行一系列的復(fù)雜操作，最后可以得到天然氣混合制冷液化的物質(zhì)。

2.混合制冷液化流程各模塊?分析模型的建立

在混合制冷液化的流程中需要建立起冷劑壓縮?分析模型、多股流換熱器?分析模型、節(jié)流閥?分析模型、混合器?分析模型等，運用這幾種模塊的?損失率進(jìn)行運算分析，并將其所涉及到的相均衡的常數(shù)等用一種具有非理想極性體系的熱學(xué)參數(shù)方面的Peng-Robinson模型對其進(jìn)行估算，因為這個模型可以更好地保證結(jié)果的精準(zhǔn)性和可信性。

3.減少混合制冷液化流程?損失的措施

在減少混合制冷液化的?損失，需要對各個部分的操作措施和設(shè)備進(jìn)行合理化的調(diào)整和升級，在優(yōu)化操作壓力和溫度時，可以將中壓冷劑壓力調(diào)整到1894kPa其溫度更改為36℃，高壓則要調(diào)整到3816kPa并將溫度調(diào)整到34℃，在優(yōu)化操作中，還需要根據(jù)實際情況分別將操作流量、冷劑配比和運作設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4.混合制冷液化流程優(yōu)化前后的損失對比分析

?的損失最主要的原因是在冷劑壓縮、冷卻、節(jié)流氣化以及不同熱力學(xué)情況下的冷劑混合這幾個因素里，而為了能夠更進(jìn)一步地找出?損失的變化狀況，根據(jù)實施的優(yōu)化措施，再對優(yōu)化后的天然氣混合制冷液化流程進(jìn)行模擬觀察，然后在此基礎(chǔ)上與優(yōu)化之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

(1)冷劑壓縮中的損失

在冷劑壓縮的過程中通過優(yōu)化前后對比情況可知，優(yōu)化后的冷劑壓縮機的一級壓縮的損耗和?損失的情況都得到了優(yōu)化，對比優(yōu)化之前的數(shù)據(jù)都有所降低；二級壓縮的損耗和?損失與優(yōu)化之前的損耗損失相比也都有所降低。但是冷劑壓縮機的損耗主要是被冷劑流量和壓比所進(jìn)行控制的，如果一級的壓縮損耗最大，則?損失也就最大，而如若采取優(yōu)化措施將一級壓縮的壓縮比率從原本的6.345%降到2.075%，并且將流量從83888kg/h降到63527kg/h的時候，該損耗就會有所下降，并且整體的?損失也會下降5.32%之多。因此，優(yōu)化后的冷劑壓縮可以很好的降低?損失，提高有效效能。

(2)冷卻過程中的損失

從冷卻過程優(yōu)化前后的損耗與?損失的對比過程中可知，在優(yōu)化之前的冷卻過程的整體損耗高達(dá)14312.80kW，比較優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，該過程的整體耗能可以下降1370.75kW，而冷劑在轉(zhuǎn)化為液化的天然氣之前，必須要經(jīng)過壓縮機壓縮、換熱器冷卻、冷箱冷凝以及節(jié)流閥節(jié)流氣化的過程，如果天然氣在冷箱中的各個方面的溫度和壓力保持不變的情況下，天然氣液化所必要的冷量就也會保持不變，如果再加上對其混合冷劑的各種關(guān)鍵操作進(jìn)行優(yōu)化升級，就可以使液化過程中的冷劑減少消耗的冷量，從而使冷箱的熱負(fù)荷量下降，并使其整體功耗下降和減少。與此同時，經(jīng)過優(yōu)化的相關(guān)系統(tǒng)，可以使?損失有明顯的下降趨勢。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的比對結(jié)果可知，在優(yōu)化后的換熱器的熱源線與熱阱線之間的距離不會相對的偏大，而且它的?損失也相對的偏小，比優(yōu)化前的情況要好很多，并且優(yōu)化完的系統(tǒng)在液化階段中的?損失最小。

(3)節(jié)流氣化過程中的損失

在必要的冷劑過程中，必須要經(jīng)過中壓液態(tài)冷劑節(jié)流氣化、高壓液態(tài)冷劑節(jié)流氣化、高壓氣態(tài)冷劑節(jié)流氣化，而在節(jié)流氣化過程中會有較大的?損失，其中，造成?損失的主要原因是因為冷機循環(huán)量和壓降。

在優(yōu)化前它們分別的?損失27.99kW、40.26kW、259.12kW，而在優(yōu)化后的節(jié)流氣化中的相對應(yīng)的?損失則是25.35kW、38.64kW、240.49kW，從表1數(shù)據(jù)中可知，在優(yōu)化后的節(jié)流閥整體的?損失已經(jīng)下降到304.48kW，但是在高壓氣態(tài)冷劑節(jié)流氣化的過程中，不管是在優(yōu)化前還是優(yōu)化后，它的?損失都是最大的，即使在優(yōu)化后高壓氣態(tài)冷劑節(jié)流氣化的?損失有所下降，但是其占比依舊最大，而這是因為高壓氣態(tài)冷劑的流量最大，并且它的節(jié)流氣化前后的壓差也是比較高的，所以在這一過程中的?損失是最大的。

表1 節(jié)流氣化過程中的?損失對比

(4)混合過程中的損失

在整個天然氣的液化過程中，需要進(jìn)行混合過程的只有兩處，分別是在中壓液態(tài)冷劑節(jié)流氣化之后與冷箱經(jīng)過冷段出口出的低壓冷劑進(jìn)行流體混合，而第二處則是在高壓液態(tài)冷劑節(jié)流之后與冷箱液化段出口處的低壓冷劑進(jìn)行流體混合。從混合流體過程中?損失的統(tǒng)計和計算中可以看出，中壓液態(tài)冷劑節(jié)流氣化之后與冷箱經(jīng)過冷段出口處的低壓冷劑進(jìn)行流體混合時的?損失在優(yōu)化前是28.35kW，而在優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)顯示中可以知道，它的?損失已經(jīng)下降到22.31kW；高壓液態(tài)冷劑節(jié)流之后與冷箱液化段出口處的低壓冷劑進(jìn)行流體混合時的?損失在優(yōu)化以前保留的數(shù)據(jù)是90.28kW，而做出相對的優(yōu)化之后，它的?損失就降到了73.07kW，在整個流體混合過程中的總?損失則下降了19.60%。

(5)混合制冷液化流程損失的分析

在優(yōu)化前，整個的天然氣混合制液化過程中的冷劑壓縮過程、冷卻過程、節(jié)流氣化過程和混合過程中分別的?損失是2006.00kW、1425.49kW、328.12kW、118.64kW，而其分別的占比為51.72%、36.76%、8.46%、3.06%；而在進(jìn)行完優(yōu)化操作之后，它們的?損失可以下降到1899.17kW、1016.06kW、304.48kW、95.38kW，冷箱的整體?損失下降到了3315.09kW，很好地降低了在混合制冷液化流程中的?損失，從表2的數(shù)據(jù)中，我們也可以發(fā)現(xiàn)?損失在冷劑壓縮的過程中的損失最大，可以約占整體?損失的一半，僅次于冷劑壓縮的就是冷卻過程和節(jié)流氣化過程，而其中?損失占比最小的就是混合過程的?損失僅僅只占2.88%。

表2 混合制冷液化流程?損失對比

在冷劑壓縮過程中的?損失較大的原因是因為壓縮機的不可逆?zhèn)鳠嵝院徒^熱流體性，造成?損失主要集中在冷熱流體?損失、散熱?損失和溫差傳熱?損失等，并且在這些環(huán)節(jié)中的?損失是無法避免的，因此，在換熱過程中只能不斷通過改變傳熱的溫差來達(dá)到降低?損失的目的。

5.液化流程概述

(1)天然氣液化流程分類

天然氣液化流程可分成兩種，一種為功能分類，主要為基本負(fù)荷型液化裝置以及調(diào)峰型液化裝置，同時小型的LNG裝置也可調(diào)整為峰型液化裝置。另外一種是通過制冷方式分類，可將其分為三種：①級聯(lián)式液化流程。②混合制冷劑液化流程，其中涵蓋閉式、開式等。③帶膨脹機液化流程，其中涵蓋天然氣膨脹、氮氣膨脹、氮-甲烷膨脹等。此外需要說明的是，此劃分不嚴(yán)格，工程上一般涵蓋液化流程中某部分不同組合復(fù)合流程。而且每種方式也包括多種形式。

(2)液化流程優(yōu)缺點

首先，級聯(lián)式液化流程是一種階式液化流程、復(fù)疊式液化流程、串聯(lián)蒸發(fā)冷凝液流程，這些都可應(yīng)用在基本負(fù)荷型天然液化裝置中，此流程都是經(jīng)由許多獨立制冷循環(huán)構(gòu)成，在較低的循環(huán)將會將其熱量轉(zhuǎn)移到相鄰較高溫度循環(huán)中。級數(shù)逐漸增多，越是節(jié)能，簡單來講，功耗低、運行費用少，但是初期投資成本也會增大，在實際循環(huán)中采用級數(shù)從整體思考投資費用、運行費用方面因素來決定。

(3)帶膨脹機的液化流程

帶膨脹機液化流程（Expander Cycle)，是指利用高壓制冷劑通過透平膨脹機絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷實現(xiàn)天然氣液化的流程。氣體在膨脹機中膨脹降溫的同時輸出功，可用于驅(qū)動流程中的壓縮機。當(dāng)管路輸來的進(jìn)入裝置的原料氣與離開液化裝置的商品氣有“自由”壓差時，液化過程就可能不要“從外界”加入能量，而是靠“自由”壓差通過膨脹機制冷，使進(jìn)入裝置的天然氣液化。流程的關(guān)鍵設(shè)備是透平膨脹機。

根據(jù)制冷劑的不同，可分為氮氣膨脹液化流程、氮-甲烷膨脹液化流程和天然氣膨脹液化流程。

這類流程的優(yōu)點是：

①流程簡單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、易起動、易操作、維護(hù)方便；

②用天然氣本身作制冷工質(zhì)時，省去專門生產(chǎn)、運輸、儲存制冷劑的費用。

缺點是：

①送入裝置的氣流須全部深度干燥；

②用天然氣本身作制冷工質(zhì)時，回流壓力低，換熱面積大，單位設(shè)備投入大；受低壓用戶多少的限制；液化率低，如再循環(huán)，則在增加循環(huán)壓縮機后，功耗大大增加。

6.結(jié)論

在天然氣液化中，利用Peng-Robinson模型可以很好地對混合制冷過程進(jìn)行精準(zhǔn)的描述和預(yù)判，并且可以很好地達(dá)到減少?損失的效果；在液化過程中，可以采取優(yōu)化各個過程和環(huán)節(jié)的措施或是條件，來降低?損失，提高有效能的保留，從而完善天然氣液化的過程。