原料氣液化壓力對(duì)并聯(lián)式氮膨脹制冷天然氣液化工藝影響的模擬分析和優(yōu)化

蔣洪，黃靖珊，王金波，宋曉娟

（1-西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500；2-中油（新疆）石油工程有限公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

天然氣是一種污染小且單位質(zhì)量熱值高的清潔能源，在全球能源需求中扮演了重要的角色，預(yù)計(jì)到2030年，天然氣將提供全球約30%的一次能源供應(yīng)[1-2]。中國(guó)非常規(guī)天然氣資源十分豐富，可采資源量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)天然氣資源量[3]，但是由于天然氣資源分布比較分散而無(wú)法集中開(kāi)采，在此情況下，根據(jù)液化天然氣具有使天然氣體積縮小600倍的特性[4-5]，小型液化裝置被廣泛應(yīng)用。氮?dú)馀蛎浿评涔に囉捎诎踩愿?、流程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，十分適合應(yīng)用于小型天然氣液化裝置[6-8]。在LNG生產(chǎn)中，液化能耗占總能耗的41%[9]。賀天彪等[10]通過(guò)增加預(yù)冷循環(huán)降低能耗，提出了丙烷預(yù)冷與R410A預(yù)冷的兩種氮?dú)馀蛎浟鞒?，研究結(jié)果表明，與氮?dú)馀蛎浌に囅啾饶芎姆謩e降低20.02%與22.7%。袁宗明等[11]提出了帶二氧化碳預(yù)冷的氮?dú)馀蛎浿评涔に?，該流程操作安全性高、設(shè)備少，但是能耗較高，液化率較低僅為77%。賀天彪等[12]提出了并聯(lián)式氮膨脹液化流程，該流程優(yōu)點(diǎn)在于降低了換熱器冷熱組合曲線(xiàn)溫差，?損失減少，能耗降低，其單位能耗為0.515 3 (kW·h)/(N·m3)。丁 賀 等[13]對(duì) 丙 烷 預(yù) 冷N(xiāo)2-CH4膨脹工藝進(jìn)行優(yōu)化采用新方法，優(yōu)化結(jié)果與單級(jí)氮膨脹以及二氧化碳預(yù)冷的N2-CH4膨脹相比能耗分別降低36.06%與22.17%，與使用遺傳算法優(yōu)化結(jié)果相比能耗增加5.35%。

上述文獻(xiàn)的共同缺點(diǎn)是并未考慮原料氣液化壓力對(duì)換熱器夾點(diǎn)的影響，因此導(dǎo)致?lián)Q熱器溫差較大。本文采用丙烷預(yù)冷的并聯(lián)式氮?dú)馀蛎浌に嚕⒖紤]原料氣液化壓力對(duì)換熱器夾點(diǎn)的影響，然后通過(guò)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。

1 流程描述

該流程用Aspen HYSYS軟件進(jìn)行模擬，其中狀態(tài)方程選擇Peng-Robinson，流程如圖1所示。

圖1 丙烷預(yù)冷并聯(lián)式氮膨脹制冷天然氣液化改進(jìn)流程

工藝流程分為：1）天然氣液化；2）并聯(lián)式氮?dú)馀蛎浿评渑c丙烷預(yù)冷循環(huán)。天然氣增壓到4 456 kPa，再經(jīng)過(guò)水冷器與換熱器（HEX-1），冷卻至-40.5 ℃，此時(shí)大部分重?zé)N成為液相。然后液烴被分離通過(guò)原料氣分離器（S-1）。氣相從原料氣分離器（S-1）被壓縮機(jī)（C-3）增壓至5 400 kPa同時(shí)溫度升高至-26.31 ℃，再被換熱器HEX-1和HEX-2冷卻至-151 ℃。隨后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓至LNG儲(chǔ)罐壓力。經(jīng)過(guò)兩相分離器（S-2）分離后，為回收冷量，氣相經(jīng)過(guò)換熱器HEX-1與HEX-2升溫至30 ℃。

在并聯(lián)式氮?dú)馀蛎浿评涔に囍?，氮?dú)饨?jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入水冷器被冷卻至40 ℃。高壓氮?dú)饨?jīng)過(guò)換熱器HEX-1降溫后被分流器分成N11與N7兩股物流，物流N7進(jìn)入換熱器HEX-2進(jìn)一步降低溫度，然后經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)E-1后為HEX-2提供冷量。物流N11經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)N12后與物流N10混合后在換熱器HEX-2降溫后為HEX-1提供冷量。丙烷預(yù)冷循環(huán)中，丙烷經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓后經(jīng)過(guò)水冷器冷卻至40 ℃，然后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降低溫度為換熱器HEX-1提供冷能。

改進(jìn)流程中考慮了原料氣在換熱器HEX-2相變對(duì)平均對(duì)數(shù)溫差的影響，通過(guò)控制原料氣在換熱器HEX-2的壓力來(lái)改變換熱器HEX-2的平均對(duì)數(shù)溫差。在液化工藝中氮?dú)庋h(huán)能耗為主要部分，通過(guò)增加丙烷預(yù)冷降低氮?dú)饽柫髁?，從而降低能耗?/p>

為了方便與其他文獻(xiàn)對(duì)比，原料氣氣質(zhì)條件、摩爾組成參照文獻(xiàn)[10]，參數(shù)如表1和表2所示。

表1 原料氣氣質(zhì)及相關(guān)規(guī)定

表2 原料氣摩爾組成

2 流程優(yōu)化

2.1 遺傳算法

1975年，Holland描述了如何將自然進(jìn)化原理應(yīng)用于優(yōu)化問(wèn)題，并建立了第一個(gè)遺傳算法，遺傳算法的基礎(chǔ)是遺傳和進(jìn)化原理[14]。遺傳算法已經(jīng)成為解決優(yōu)化問(wèn)題的有力工具。遺傳算法在天然氣液化工藝中被廣泛使用，并獲得良好的優(yōu)化效果[15-18]。遺傳算法從初始函數(shù)隨機(jī)生成的種群開(kāi)始，然后通過(guò)變異，選擇和交叉等方法在全局解中搜索優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[19]。ActiveX技術(shù)被用于將Aspen HYSYS與Matlab連接，然后通過(guò)編碼使Matlab讀取HYSYS中的參數(shù)并對(duì)HYSYS中的參數(shù)賦值，以此為基礎(chǔ)即可在Matlab中使用遺傳算法對(duì)HYSYS中工藝流程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。遺傳算法參數(shù)如表3所示。

表3 遺傳算法參數(shù)

2.2 目標(biāo)函數(shù)

以單位能耗作為遺傳算法的優(yōu)化目標(biāo)，單位能耗w（(kW·h)/(N·m3)）定義為流程的總能耗與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體積流量的比值[10]：

式中，X為決策變量。

2.3 約束條件及懲罰函數(shù)

流程中參數(shù)的變化可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器HEX-1與換熱器HEX-2的最小換熱溫差小于3 ℃，這種情況并不符合實(shí)際生產(chǎn)，因此需要引入懲罰函數(shù)，換熱器HEX-1與換熱器HEX-2夾點(diǎn)溫差大于3 ℃。

壓縮機(jī)B-6與壓縮機(jī)B-7出口壓力相同。物流N12與N10的溫度相同。

優(yōu)化過(guò)程中懲罰函數(shù)將代替目標(biāo)函數(shù)當(dāng)約束條件不滿(mǎn)足時(shí)，表達(dá)式為：

2.4 決策變量

表4所示為對(duì)能耗、液化率有重大影響的參數(shù)。

表4 決策變量

式(1)也可以表示為：

壓縮機(jī)C-3增壓壓力規(guī)律如圖3所示，由圖3可知，在大約-80~-40 ℃發(fā)生相變，而隨著壓力升高，物流9摩爾相變焓降低，換熱器HEX-2冷熱曲線(xiàn)溫差變大。因此在氮?dú)庵评溲h(huán)中氮?dú)饽柫髁靠梢员粶p少，從而降低制冷循環(huán)能耗。

圖3 壓縮機(jī)C-3增壓壓力影響

3 優(yōu)化結(jié)果及分析

3.1 主要參數(shù)分析

圖4所示為改進(jìn)流程遺傳算法進(jìn)化，由于前三代不滿(mǎn)足約束條件導(dǎo)致單位能耗較大，圖中陰影部分是第4代進(jìn)化到第200代進(jìn)化曲線(xiàn)，進(jìn)化曲線(xiàn)細(xì)節(jié)如圖4中箭頭所指部分。當(dāng)進(jìn)化到198代時(shí)有最小單位能耗0.420 6 (kW·h)/(N·m3)。

圖4 遺傳算法收斂曲線(xiàn)

表5所示為優(yōu)化前后參數(shù)的差異。改進(jìn)流程單位能耗降低6.78%，天然氣進(jìn)入換熱器HEX-2的壓力由5 400 kPa升至6 607 kPa，天然氣過(guò)冷溫度由-150 ℃降至-158.3 ℃。氮?dú)馀蛎浿评洳糠值獨(dú)饬髁坑?5 000 kg/h降至14 268 kg/h。氮?dú)庵评涔慕档?.42%。丙烷制冷部分，丙烷流量由2 090 kg/h升高2 699 kg/h，總功耗升高21.02%。表6所示為改進(jìn)流程優(yōu)化結(jié)果。

表5 改進(jìn)流程優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

表6 改進(jìn)流程優(yōu)化結(jié)果

圖5所示為改進(jìn)前后換熱器HEX-1與HEX-2的冷熱曲線(xiàn)溫差，平均換熱器HEX-1與HEX-2對(duì)數(shù)溫度分別降低4.8%與12.05%，由圖5可知，換熱器HEX-2溫度波動(dòng)范圍顯著下降，說(shuō)明其平均對(duì)數(shù)溫度減小。

圖5 換熱器冷熱曲線(xiàn)溫差

3.2 ?分析

通過(guò)?分析可以揭示流程中不可逆損失的位置及數(shù)量，參照蔣洪等[20-21]?損失計(jì)算方法對(duì)各設(shè)備?損失進(jìn)行計(jì)算。圖6所示為改進(jìn)流程優(yōu)化前后的?損失。由圖6可知，優(yōu)化后?損失降低43.12 kW，在所有設(shè)備中水冷器?損失最大，約占總?損失的25%，原因是換熱溫差較大。換熱器?損失降低9.07%，原因是換熱器HEX-2對(duì)數(shù)平均溫度降低。節(jié)流閥?損失增大20.5%與基礎(chǔ)流程相比，原因是丙烷制冷循環(huán)中丙烷質(zhì)量流量增加了22.56%。

圖6 優(yōu)化前后?損失對(duì)比

3.3 流程對(duì)比

在原料氣溫度、壓力、流量和組成相同，壓降以及夾點(diǎn)最小溫差一致時(shí)，單位能耗降低18.54%，由于天然氣的過(guò)冷溫度由-150 ℃降低至-158 ℃，物流16閃蒸氣質(zhì)量流量減少，LNG產(chǎn)量略微增加。由于天然氣預(yù)冷溫度由-34.02 ℃降低至-39.5 ℃，壓力由4 119.174 kPa升高至4 418.91 kPa，物流7重?zé)N產(chǎn)量增加；由于氮?dú)庵评溲h(huán)中氮?dú)赓|(zhì)量流量降低37.8%，氮?dú)庵评溲h(huán)能耗降低288.3 kW；由于改進(jìn)流程中增加了丙烷制冷循環(huán)與一臺(tái)壓縮機(jī)，總能耗降低162.21 kW。

與文獻(xiàn)[10]相比，換熱器HEX-1負(fù)荷降低22.82%，通過(guò)改變天然氣在換熱器HEX-2的相變焓，使得換熱曲線(xiàn)更加匹配，其平均對(duì)數(shù)溫度也由13.15 ℃降低至5.27 ℃，換熱器HEX-2換熱負(fù)荷降低54.44%，具體數(shù)據(jù)如表7所示。

4 結(jié)論

本文研究了并聯(lián)式氮膨脹制冷天然氣液化工藝中原料氣液化壓力對(duì)換熱器HEX-1中冷熱曲線(xiàn)溫差的影響，得出如下結(jié)論：

1）隨著壓縮機(jī)壓力增加，物流9的摩爾相變焓降低，使換熱器HEX-2換熱負(fù)荷降低；

2）通過(guò)遺傳算法優(yōu)化流程，其優(yōu)化后流程單位能耗降低6.78%；

3）通過(guò)對(duì)流程中主要設(shè)備進(jìn)行?分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后流程總?損失減少43.12 kW，其中以換熱器?損失減少幅度最大，占總?損失減少量的26.13%；

4）在基礎(chǔ)條件相同的基礎(chǔ)下與已有文獻(xiàn)對(duì)比，LNG質(zhì)量流量略微增加，單位能耗降低18.53%，?損失降低16.33%。