混合冷剂制冷的天然气液化工艺研究与分析

混合冷剂制冷的天然气液化工艺研究与分析

摘要：天然气液化过程是一个能耗非常高的过程，出于这个原因，需要研究液化过程的关键因素对流程性能的影响。考察天然气中甲烷的含量变化，对流程参数进行优化，用MATLAB软件对优化后的结果做拟合，得出混合冷剂配比与比功耗之间的二次多项式拟合方程，对拟合方程进行取值范围内的最小值求解，将其代入实际生产中进行验证，结果表明两者的值分别为3.4973和3.5148，相差为0.5%，误差较小，符合工程要求。鉴于此，本文主要分析混合冷剂制冷的天然气液化工艺。

关键词：混合冷剂制冷；天然气液化；工艺

1、国内外液化天然气技术的研究发展现状

随着全球能源清洁低碳化的日益发展，天然气将在未来能源格局中担当重任｡尽管在短期内面临供应过剩的危机，但长期看，需求依然具有较大的潜力，发展前景广阔｡未来天然气可能超越石油成为全球第一大一次能源消费，燃气工程项目也将会在中国得到快速发展｡

根据液化天然气进口国集团组织（GIIGNL）统计随着液化天然气技术的不断发展､完善，其生产能力大幅扩增，2000年末全球已建成LNG生产线68条，总能力达1.4亿吨/年，在建LNG生产线14条，2009年LNG总能力将达1.9亿吨/年以上｡2008年海运LNG贸易量增长了10.3%，LNG在天然气国际贸易量中己占到1/4以上，发展速度超过了管输天然气，2015年，全球LNG出口量达到2.45亿吨，同比增长2.5%｡预计到2020年，全球LNG产能将比2015年增长将近50%，将有21个项目30条生产线投产｡天然气液化技术也在不断地发展与进步｡

天然气液化行业至今己经经历了半个多世纪的发展，液化装置的规模和所采用的流程都发生了相应的变化，随着天然气液化装置的规模不断扩大，单线生产能力也不断提高，但是，装置规模的发展并不是一味地追求最大化，而应该是根据实际情况兼顾操作的灵活性、负荷调节能力以及设备检修停产等方面的问题，追求技术经济的最大化。在大力发展大型天然气液化装置的同时，也开展了装置小型化、撬装化的研究，其高效、经济的特点使其有利于边远气田、海上气田气源的开发利用，应用前景较为广阔。随之刺激了液化工艺技术和装置建设的进一步发展，以用于海上浮式装置和极端气候环境下的液化装置的设计建设。开发浮式液化技术以及建设施工技术是技术研究的新方向，另外，天然气液化所使用的设备的高效性和天然气液化流程的节能方面也是未来LNG发展所要面临的问题。

2、原料气及混合冷剂组成

原料天然气及该次计算的混合冷剂成分组成如表1所示。原料天然气中含有CO2，天然气制冷前须经分子筛干燥器将其脱除。在制冷换热器中，冷剂工质液体蒸发温度由冷剂组分决定，通过合理筛选冷剂组成，可使天然气与冷剂物流达到较好的换热条件。

表1 原料天然气及混合冷剂组成

图1 原料气各温度压力下液化率曲线

对该组成天然气进行物性计算，得到各温度与压力下对应的天然气液化率曲线如图1。通过该曲线可以看出：若要使该组分原料天然气在容器压力500kPa以下完全液化，制冷温度至少要达到-150℃，该压力液化率达到60%的制冷温度约为-140℃。对于天然气完全液化或部分液化方案的选择，以及制冷设备的温度、压力控制，要结合LNG接收储槽设计和流程各设备能耗的经济性指标综合评定。

3、混合冷剂制冷的天然气液化工艺具体分析

3.1、混合制冷剂配比优化

（1）优化器

HYSYS中包含了一个多变量的稳态优化器。只要建立了流程，并且流程己经收敛，就可

以用优化器算到一个合适的操作条件使得目标函数最小（最大）化。优化器只能在HYSYS的

稳态中使用。对多个或者可能相互冲突的目标函数进行优化时，很少存在绝对最优解，但是

存在一系列无法进行简单相互比较的解，在这个解集中，对于其中的某一个解来说，一个子

目标的变化可能会引起另一个子目标的变化，这种变化可能是相同或相反，因此使其他子目

标一起达到最优值是不可能的，只能将他们协调并且折中出来，使得子目标尽可能地达到最优。

（2）优化方法

HYSYS优化器中的优化方法主要有黑盒子法、混合法和序列二次规划（SQP）法，各种优

化方法使用范围的比较如表2所示：

表2 各种优化方法的适用范围

（3）优化变量

（1）天然气预冷温度；（2）混合制冷剂的冷凝压力；（3）混合制冷剂的蒸发压力；（4）混合制冷剂中甲烷的含量；（5）混合制冷剂中乙烯的含量；（6）混合制冷剂中丙烷

的含量；（7）混合制冷剂中氮气的含量｡

3.2、装置有效能分析及工艺改进

（1）热力学中用物质的另一个状态参数“有效能”来表示单位质量物质所含热量的可用性，可以定义为：在无其他（除环境介质外）热源的条件下，稳定的流动工质从初始状态经可逆

过程变化到与环境介质处于热平衡时所能做的最大有用功，称为工质在该初始状态时的热力

有效能。有效能用来表示能量转变为功的能力和技术上的有用程度，可以用于评价能量的品质。

有效能分析方法是基于热力学第二定律的热力学分析方法，通过衡算方程来计算过程系

统中各单元的有效能损失及其分布，能够直观地反映整个系统的用能情况，为发现系统节能

潜力、提高用能效率提供理论依据。近年来，有效能分析方法以其特有的优势在各个工程领

域中得到了广泛的应用，本章将采用有效能分析方法对整个过程主要单元进行分析，分别计

算各单元的有效能效率及有效能损失，并比较各单元有效能损失对整个流程有效能损失的影响，为提高整个系统的用能效率提供方向。

（2）有效能分析的三箱模型

在实际设备运行中进行能量转换和传递过程，通常可以概括为两类：一类是设备与外界

之间的有效能交换，一类是设备内部的有效能耗散。在设备的有效能分析中，取有效能流线

来表示有效能交换的方向，用有效能损失值来表示有效能耗散的大小。设备的有效能分析模型，即是用有效能流线和有效能损符号来表示的热力学模型。有效能分析模型不仅使设备与

外部之间及设备内部的各种能量传递过程一目了然，而且为建立有效能分析平衡方程，计算

有效能分析评价指标带来了很大方便。

总之，混合冷剂制冷液化流程是以 C1~C5 组分的轻烃及 N2等组成的混合物为制冷剂工质，通过在工艺设备中蒸发、节流膨胀等过程获得低温进入冷却装置与原料气换热，达到对天然

气液化的目的。近年来，液化天然气作为一门新兴产业，因其对天然气储存和运输的特有优

势得到了迅速发展，各能源大国均已开始致力于LNG技术的工艺研究。因此，本文的研究已

经显得十分的有意义。

参考文献：

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