基于MRC天然氣液化流程能耗的影響因素分析

寧 蕾 傅 皓 中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

隨著煤和石油的短缺以及環(huán)境污染問題的日益加劇，天然氣作為一種集高熱值、低污染等優(yōu)點(diǎn)于一身的優(yōu)質(zhì)清潔能源，已被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用。天然氣主要通過管道輸送，但對(duì)于管道無法抵達(dá)的區(qū)域，液化天然氣因其同質(zhì)量的體積僅為氣態(tài)天然氣體積1/625的優(yōu)勢(shì)，為天然氣遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和存儲(chǔ)提供了極大的便利[1,2]。

目前，天然氣的液化流程根據(jù)制冷方式的不同，大致分為三種形式，即階式制冷循環(huán)、混合冷劑制冷循環(huán)和膨脹制冷循環(huán)[3,4]，其中混合冷劑制冷循環(huán)以其流程簡(jiǎn)單、機(jī)組設(shè)備少、投資省、管理方便等優(yōu)勢(shì)而應(yīng)用最廣?；旌侠鋭┲评溲h(huán)工藝是以C1～C5的碳?xì)浠衔镆约癗2等混合制冷劑為工質(zhì)，進(jìn)行逐級(jí)冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹，從而得到不同溫度水平的制冷量，達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣的目的[5]。

雖然混合冷劑循環(huán)制冷工藝應(yīng)用很廣，但其存在能耗較高、混合冷劑配比困難等問題。故本文采用Aspen Hysys軟件對(duì)混合冷劑制冷循環(huán)工藝進(jìn)行全流程模擬，并基于熱力學(xué)基礎(chǔ)分析流程的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)功耗、循環(huán)水用量等性能指標(biāo)的影響。

1 混合冷劑循環(huán)制冷流程

1.1 天然氣組成及初始參數(shù)

此液化單元的流程模擬基于天然氣壓力為5.0MPa(G)，入口溫度為25℃，流量為30×104Nm3/h，組分參考《天然氣處理原理與工藝》(第二版)P5 表1-3中長(zhǎng)慶氣田(蘇里格)的(干氣)組分。具體組成見表1。

表1 天然氣組成

1.2 冷劑組成及初始參數(shù)

冷劑組成及初始參數(shù)見表2。

表2 冷劑組成及初始參數(shù)

1.3 流程描述

圖1 混合冷劑循環(huán)制冷流程圖

2 模擬調(diào)整基準(zhǔn)

混合冷劑中各組分對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間如下:

氮?dú)猓?140～-160℃

甲烷：-80～-120℃

乙烯：-60～-80℃

丙烷：-20～-60℃

異戊烷：0～-20℃

2）盡管英語(yǔ)專業(yè)大三學(xué)生的英語(yǔ)綜合能力較之低年級(jí)學(xué)生有較大提高和進(jìn)步，但是由于語(yǔ)言環(huán)境的限制，他們用英語(yǔ)練習(xí)翻譯和交流的時(shí)間并不多，所以容易受漢語(yǔ)母語(yǔ)的影響，做漢譯英的翻譯練習(xí)時(shí)，不可避免地把漢語(yǔ)中的一些詞語(yǔ)，短語(yǔ)以及句型與英語(yǔ)相互聯(lián)系，導(dǎo)致他們的譯文里頻繁地出現(xiàn)“中國(guó)式”英語(yǔ)。學(xué)生們的譯文翻譯腔較重，譯文往往只是勉強(qiáng)達(dá)意，干癟生硬，缺乏可讀性。

冷箱的冷量損失為1%，對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)控制在4～5℃，LMTD越大，所需冷劑越多，能耗越高。

通過冷熱夾點(diǎn)溫度(最小溫差)判斷組分量的增減，最小溫差越大，能耗越高；最小溫差越小，則冷箱尺寸越大。從各冷箱供應(yīng)商反饋的參數(shù)可知，最小溫差控制在3℃左右比較合適。在模擬調(diào)整過程中，若最小溫差<3℃，可減少對(duì)應(yīng)溫區(qū)的組分；若最小溫差>3℃，可增加對(duì)應(yīng)溫區(qū)的組分。

在調(diào)整過程中，必須保證冷箱最大溫差(天然氣進(jìn)口和返流冷劑出口)不超過25℃，為操作留有余量。

3 壓縮機(jī)能耗和循環(huán)水用量等指標(biāo)的影響因素分析

3.1 天然氣入口溫度的影響

壓縮機(jī)為兩級(jí)壓縮，一級(jí)壓縮出口壓力設(shè)置為11.4bar(G)，二級(jí)壓縮機(jī)出口壓力設(shè)置為35.6bar(G)。出冷箱的LNG減壓至3bar(G)得到LNG產(chǎn)品。

通過Aspen hysys的case study來模擬分析天然氣入口溫度變化對(duì)壓縮機(jī)功耗及冷卻水量、冷箱LMTD及最小溫差的影響，具體如圖2～5。

圖2 壓縮機(jī)功耗變化曲線

圖3 循環(huán)水用量變化曲線

圖4 冷箱LMTD變化曲線

圖5 冷箱最小溫差變化曲線

由圖2～5可知，天然氣進(jìn)冷箱溫度越高，壓縮機(jī)功耗越高，其用冷卻水量越大；冷箱的LMTD在天然氣入口溫度不大于35℃時(shí)基本維持不變；當(dāng)溫度大于35℃時(shí)，LMTD隨溫度升高急劇下降；冷箱的最小溫差隨天然氣入口溫度升高呈先增大后減小趨勢(shì)，在溫度為25℃時(shí)，冷箱的最小溫差達(dá)到峰值。

冷箱入口天然氣溫度越高，其摩爾焓值越高，但目標(biāo)狀態(tài)LNG-1的溫度、壓力等參數(shù)均為設(shè)定的某一定值，而焓值又為狀態(tài)函數(shù)，故LNG-1的焓值不變。冷箱入口天然氣與冷箱出口LNG-1的焓差增大，液化等量天然氣需要的冷量增加。

在混合冷劑流量一定時(shí)，混合冷劑出壓縮機(jī)的狀態(tài)參數(shù)一定，則混合冷劑進(jìn)冷箱前的焓值不變，為匹配由于天然氣進(jìn)料溫升帶來的冷量增加，出冷箱的冷劑焓值需相應(yīng)增加，即出冷箱的冷劑溫度升高。冷劑壓縮機(jī)進(jìn)出口焓差增加，壓縮機(jī)的總功耗增加。因壓縮機(jī)一級(jí)壓縮入口溫度升高，壓比不變，則一級(jí)壓縮出口溫度相應(yīng)升高，一級(jí)壓縮冷卻器需要的循環(huán)水量增加；二級(jí)壓縮進(jìn)出口狀態(tài)不變，則二級(jí)壓縮冷卻器循環(huán)水量不變，總循環(huán)水量增加。

由此可見，天然氣入口溫度越低，壓縮機(jī)總功耗越低，循環(huán)水用量越少。但天然氣入口溫度受上游預(yù)處理工藝影響不可能很低，從冷箱性能曲線圖4～5可以看出，天然氣入口溫度為25℃時(shí)最為適宜。

3.2 天然氣入口壓力的影響

混合冷劑流量及組成不變，壓縮機(jī)一級(jí)壓縮和二級(jí)壓縮出口壓力不變(壓比不變)，同3.1。分析天然氣入口壓力變化對(duì)壓縮機(jī)功耗及冷卻水量、冷箱LMTD及最小溫差的影響，具體如圖6～9。

圖6 壓縮機(jī)功耗變化曲線

圖7 循環(huán)水用量變化曲線

圖8 冷箱LMTD變化曲線

圖9 冷箱最小溫差變化曲線

由圖6～9可知，天然氣進(jìn)冷箱壓力越高，壓縮機(jī)功耗越低，壓縮機(jī)用冷卻水量越??；冷箱的LMTD隨壓力升高急劇上升；冷箱的最小溫差隨天然氣入口壓力升高而急劇上升。但在天然氣入口壓力達(dá)到50bar(G)時(shí)，冷箱的對(duì)數(shù)平均溫差基本維持在3℃左右不變。

冷箱入口天然氣壓力越高，其摩爾焓值越低，但目標(biāo)狀態(tài)LNG-1的溫度、壓力等參數(shù)均為設(shè)定的某一定值，而焓值又為狀態(tài)函數(shù)，故LNG-1的焓值不變。冷箱入口天然氣與冷箱出口LNG-1的焓差減小，液化等量天然氣需要的冷量減少。

在混合冷劑流量一定時(shí)，混合冷劑出壓縮機(jī)的狀態(tài)參數(shù)一定，則混合冷劑進(jìn)冷箱前的焓值不變。為匹配由于天然氣進(jìn)料壓力升高帶來的冷量減少，出冷箱的冷劑焓值需相應(yīng)減少，即出冷箱的冷劑溫度降低。冷劑壓縮機(jī)進(jìn)出口焓差減小，壓縮機(jī)的總功耗降低。因壓縮機(jī)一級(jí)壓縮入口溫度降低，壓比不變，則一級(jí)壓縮出口溫度相應(yīng)降低，一級(jí)壓縮冷卻器需要的循環(huán)水量減少；二級(jí)壓縮進(jìn)出口狀態(tài)不變，則二級(jí)壓縮冷卻器循環(huán)水量不變，總循環(huán)水量減少。

由此可見，天然氣入口壓力越高，壓縮機(jī)總功耗越低，循環(huán)水用量越少。但天然氣壓力越高，對(duì)管材的質(zhì)量要求也越高，管壁要求更厚，這就提高了管道的建設(shè)成本和運(yùn)輸成本[6]。同時(shí)在溫度一定時(shí)，壓力越高，天然氣內(nèi)重組分越容易液化，甚至凝固，可能導(dǎo)致管道及冷箱的堵塞。故結(jié)合冷箱性能曲線圖8～9及操作經(jīng)驗(yàn)，天然氣入口壓力取50bar(G)最為適宜。

3.3 天然氣組成

因天然氣組成較復(fù)雜(以上述天然氣組成為例)，故僅考慮天然氣總量不變，甲烷和乙烷總含量為97%(v)(以下含量均為體積分?jǐn)?shù))，改變甲烷和乙烷的相對(duì)組成(通過調(diào)整甲烷的摩爾流量)，甲烷含量變化區(qū)間為50%～97%，分析其對(duì)壓縮機(jī)功耗、壓縮機(jī)冷卻水量、冷箱LMTD和冷箱最小溫差的影響，具體如圖10～13。

圖10 壓縮機(jī)功耗變化曲線

圖11 循環(huán)水用量變化曲線

圖12 冷箱LMTD變化曲線

圖13 冷箱最小溫差變化曲線

由圖10～13可知，天然氣中甲烷含量小于84.3%時(shí)，壓縮機(jī)的總功耗和循環(huán)水用量基本保持不變；當(dāng)天然氣中甲烷含量大于84.3%時(shí)，壓縮機(jī)功耗和冷卻水用量隨甲烷含量的增加而呈先減少后增加趨勢(shì)；冷箱的LMTD和最小溫差變化不大。

天然氣中甲烷含量增加，表明低沸點(diǎn)的組分含量增加，天然氣在相同的儲(chǔ)存條件下不易被液化[7]，所以,在天然氣總量不變的情況下，未液化的天然氣量增加，LNG產(chǎn)品量降低。

甲烷的摩爾焓值比乙烷的摩爾焓值大，當(dāng)甲烷含量增加，乙烷含量減少時(shí)，天然氣的焓值增加。但天然氣消耗的冷量即冷箱入口天然氣的焓值- LNG產(chǎn)品焓值略有下降[7]，故壓縮機(jī)的總功耗和循環(huán)水量均下降。當(dāng)甲烷含量大于93.5%時(shí)，隨著甲烷含量的進(jìn)一步增加，天然氣更難被液化，此時(shí)液化天然氣需要的冷量增加占主導(dǎo)地位，混合冷劑進(jìn)冷箱焓值不變，則出冷箱的焓值應(yīng)相應(yīng)增加，即溫度相應(yīng)增大，故壓縮機(jī)的功耗及循環(huán)水量均增加。但從上圖可知，天然氣中甲烷含量變化雖然會(huì)影響壓縮機(jī)總功耗和循環(huán)水用量，但影響幅度很小。

3.4 高壓冷劑(深冷冷劑)壓力影響

高壓冷劑壓力為壓縮機(jī)出口壓力。現(xiàn)保持混合冷劑組成不變，天然氣組成、溫度、壓力等參數(shù)均不變，分析高壓冷劑壓力變化對(duì)壓縮機(jī)功耗及冷卻水量、冷箱LMTD及最小溫差的影響，具體如圖14～17。

圖14 壓縮機(jī)功耗變化曲線

圖15 循環(huán)水用量變化曲線

圖16 冷箱LMTD變化曲線

圖17 冷箱最小溫差變化曲線

由圖14～15可知，高壓冷劑壓力越高，壓縮機(jī)的總功耗和循環(huán)水用量都增大。

在天然氣進(jìn)冷箱流量、溫度、壓力不變時(shí)，LNG-1出冷箱流量、溫度、壓力不變，則天然氣液化消耗的冷量基本不變?；旌侠鋭┝髁坎蛔?，進(jìn)冷箱壓力升高，由熱力學(xué)知識(shí)可知，冷劑進(jìn)冷箱的焓值降低，為了保證冷劑提供的冷量不變，則冷劑出冷箱的焓值相應(yīng)降低。冷劑出冷箱的壓力由JT閥決定，JT閥設(shè)定的節(jié)流后壓力一定，故出冷箱冷劑的壓力恒定。若要保證焓值降低，則出冷箱冷劑的溫度需降低。在冷劑壓縮機(jī)一級(jí)壓縮入口壓力不變、溫度降低、壓比不變時(shí)，則一級(jí)壓縮功耗不變，循環(huán)水用量降低。在二級(jí)壓縮入口壓力不變、溫度不變、二級(jí)壓縮出口壓力升高、壓比升高時(shí)，則二級(jí)壓縮功耗增大，循環(huán)水用量增加，且壓縮機(jī)壓比升高帶來的溫升導(dǎo)致循環(huán)水用量增加值大于冷劑出冷箱溫度降低導(dǎo)致的一級(jí)壓縮冷卻器循環(huán)水用量降低值。故壓縮機(jī)總功耗增加，壓縮機(jī)的循環(huán)水用量增加。

由圖16～17可知，當(dāng)高壓冷劑壓力為35bar(G)時(shí)，冷箱的LMTD值為～5°C，冷箱的最小溫差為～3°C，與經(jīng)驗(yàn)值比較吻合。故為了保證壓縮機(jī)總功耗和循環(huán)水用量不至于過高，同時(shí)冷箱的性能達(dá)到最佳，高壓冷劑的壓力取值為35bar(G)最為適宜。

3.5 冷劑組成

因冷劑組成較復(fù)雜(以上述混合冷劑組成為例)，故僅考慮冷劑總量不變，甲烷和丙烷總含量為38.536%(v)(以下含量均為體積分?jǐn)?shù))，其它組分不變。改變甲烷和丙烷(甲烷代表低溫區(qū)間，丙烷代表高溫區(qū)間)的相對(duì)組成，甲烷含量變化區(qū)間為10%～37%，從而分析冷劑組成變化對(duì)壓縮機(jī)功耗和冷卻水量、冷箱LMTD和冷箱最小溫差的影響，具體如圖18～21。

圖18 壓縮機(jī)功耗變化曲線

圖19 循環(huán)水用量變化曲線

圖20 冷箱LMTD變化曲線

圖21 冷箱最小溫差變化曲線

由圖18～19可知，隨著冷劑中甲烷含量增加、丙烷含量減小，冷劑壓縮機(jī)的總功耗和循環(huán)水用量均增加。

壓縮機(jī)功耗計(jì)算公式如下：

式中，W為壓縮機(jī)功耗；P1為介質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)壓力；P2為介質(zhì)出壓縮機(jī)壓力；Vc為體積流量；k為絕熱指數(shù)，Cp/Cv。

改變甲烷和丙烷相對(duì)含量時(shí)，混合冷劑的體積流量不變，進(jìn)出壓縮機(jī)的壓力一定，且壓縮機(jī)的多變系數(shù)為一設(shè)定值，而甲烷的絕熱指數(shù)k值大于丙烷的k值。故隨著甲烷含量增加，丙烷含量減少，混合冷劑的k值逐漸增大，壓縮機(jī)的功耗相應(yīng)增加，壓縮機(jī)需要的冷卻水用量也隨之增加。

溫差代表了該點(diǎn)的傳熱推動(dòng)力，即溫差越大，推動(dòng)力越大。故適當(dāng)增加混合冷劑中甲烷含量，冷箱的最小溫差逐漸增大(如圖21所示)，有利于提高冷箱的傳熱推動(dòng)力，但當(dāng)甲烷含量增加至19%時(shí)，最小溫差約為3℃，同時(shí)從圖20可知，此時(shí)冷箱的LMTD約為5℃，最小溫差和LMTD都達(dá)到峰值，故當(dāng)混合冷劑中甲烷含量為19%時(shí)，冷箱處于最佳狀態(tài)，壓縮機(jī)功耗和循環(huán)水用量也均在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)基于MRC的天然氣液化流程進(jìn)行了模擬。分析了天然氣入口溫度、入口壓力、組成及高壓冷劑(深冷冷劑)壓力、組成對(duì)壓縮機(jī)功耗、循環(huán)水耗量、冷箱的對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)和冷箱最小溫差的影響，得出如下結(jié)論：

(1)天然氣入口溫度越高，壓縮機(jī)功耗越高，冷卻水用量越大；冷箱的LMTD在天然氣入口溫度不大于35℃時(shí)基本維持不變，約為5℃；冷箱的最小溫差在天然氣入口溫度為25℃時(shí)達(dá)到最佳值。故在其它參數(shù)不變的前提下，為保證壓縮機(jī)功耗及冷卻水用量相對(duì)較低，天然氣入口溫度取25℃為宜。

(2)天然氣入口壓力越高，壓縮機(jī)功耗越低，冷卻水用量越??；冷箱的LMTD隨天然氣入口壓力升高而升高；冷箱的最小溫差隨天然氣入口壓力先升高后基本維持不變。但天然氣入口壓力過高，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和管道的建設(shè)成本和運(yùn)輸成本均增加。故從模擬參數(shù)及操作經(jīng)驗(yàn)來看，在其它參數(shù)不變的前提下，壓縮機(jī)入口壓力取50bar(G)為宜。

(3)天然氣總量不變，甲烷含量增加同時(shí)乙烷含量降低時(shí)，壓縮機(jī)功耗和冷卻水用量呈先減少后增加趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)較平緩；冷箱的LMTD和最小溫差變化不大。故天然氣中甲烷含量變化會(huì)影響壓縮機(jī)總功耗和循環(huán)水用量，但影響幅度很小。

(4)高壓冷劑壓力越高，壓縮機(jī)的總功耗和循環(huán)水用量都增大。但冷箱的最小溫差在高壓冷劑壓力為35bar(G)前均為負(fù)值，沒有參考價(jià)值，但在高壓冷劑壓力大于或等于35bar(G)后，最小溫差基本維持不變。故在其它參數(shù)不變的前提下，為保證壓縮機(jī)功耗及冷卻水用量相對(duì)較低，高壓冷劑壓力取35bar(G)為宜。

(5)冷劑總量不變，增加冷劑中甲烷含量并同時(shí)降低丙烷含量時(shí)，冷劑壓縮機(jī)的總功耗和循環(huán)水用量均呈增加趨勢(shì)，冷箱的LMTD和最小溫差均呈先增大后減小趨勢(shì)。故在其它參數(shù)不變的前提下，為保證壓縮機(jī)功耗及冷卻水用量相對(duì)較低，混合冷劑中甲烷含量取19%為宜。