调峰型天然气液化工艺的模拟计算.pdf

第 51 卷第 9 期2023 年 5 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.9May.2023调峰型天然气液化工艺的模拟计算朱昌伟(众一伍德工程有限公司广东分公司,广东 惠州 516086)摘 要:研究了调峰型天然气液化工艺技术,建立了三种典型 LNG 工艺流程的模拟流程:(1)无预冷双级氮膨胀天然气液化流程;(2)有丙烷预冷氮膨胀天然气液化流程;(3)混合制冷剂天然气液化流程。分别用 HYSYS 软件对其进行模拟计算,并对计算结果进行对比与分析,重点进行了混合制冷剂天然气液化流程的模拟计算。根据混合制冷剂构成原则,挑选了 4 组分、5 组分、6 组分三大类制冷剂各 10 组分别进行模拟计算,总结出制冷剂的不同组分对系统功耗的影响规律。关键词:液化天然气;HYSYS;模拟中图分类号:TE646 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)09-0153-04 作者简介:朱昌伟,工学硕士,工程师,研究方向为石油化工设计。Simulation Calculation on Peak-conditioning Natural Gas Liquefied ProcessZHU Chang-wei(Wood China Guangdong Branch,Guangdong Huizhou 516086,China)Abstract:The peak-conditioning natural gas liquefied process was studied,and three typical LNG processsimulation models were established as follows:non precooled two stage nitrogen expansion natural gas liquefied process,propane precooled nitrogen expansion natural gas liquefied process and mixed-refrigerant precooled natural gas liquefiedprocess with.These three proceses were simulated with HYSYS software,and the results were analyzed.According to themixed-refrigerant standard,the four components,the five components,the six components types of refrigerant 10 wereselected respectively,then these data to simulate the process and find out different refrigerants element on the influence ofpower system were applied.Key words:LNG;HYSYS;simulation1 LNG 调峰简述利用 LNG 调峰通常有两种方式:第一种是在输气管道干线末端附件建一个调峰型 LNG 工厂,它与输气干线连接,并具有天然气液化、再气化装置,以及足够容量的 LNG 储罐;另一种是 LNG 卫星站,它本身无液化流程,目的是把用汽车槽车运来的 LNG 储存起来,根据下游用户的需要 LNG 气化后进入管网。2 调峰型天然气液化工艺的模拟计算2.1 模拟的基础数据和思路本次研究的天然气液化装置主要用于城市用气负荷调峰,一般建在大城市周围的高压管网或输气干线的城市门站。下面的流程模拟、参数分析中,用到的已知参数来源西气东输管道苏浙沪段某分输处:A.本研究中采用 PR 方程计算天然气的相平衡特性。B.原料气的压力:4.0 MPa;温度:35。C.原料气处理规模:4.3104m3/d。D.原 料 气 摩 尔 组 成:87.2105%的 CH4,5.5414%的C2H6,2.0780%的 C3H8,1.3033%的 i-C4H10,3.2581%的N2,0.6086%的 CO2。E.LNG 的储存压力:150 kPa;储存温度:-160。F.压缩机的绝热效率:80%。2.2 三种典型天然气液化流程的模拟及选择本文选用 HYSYS 模拟软件,初步选择了三种典型的工艺流程方案1-3,分别为:方案一:无预冷的双级氮膨胀天然气液化流程;方案二:有丙烷预冷氮膨胀天然气液化流程;方案三:混合制冷剂天然气液化流程。2.3 液化流程的模拟方案一:无预冷双级氮膨胀天然气液化流程4。此流程由两部分组成:(1)氮气膨胀制冷循环;(2)天然气液化回路及天然气返流气回路,HYSYS 模拟流程见图 1。在氮气膨胀制冷循环,氮气首先经过压缩机 Compressor-1和 Compressor-2 两级压缩,低压制冷剂的压力由 150 kPa 压缩至4000 kpa,经过冷却器冷却后,进入多股流换热器 HEX-1 进行预冷,被预冷至267.1 K,再经透平膨胀机 Expander-1 膨胀,输出轴功后温度进一步下降到 178.5 K,压力下降到 1000 kPa,然后返流换热器 HEX-2,用来给 HEX-2 提供冷量。换热后的氮制冷剂再经透平膨胀机 Expander-2 第二次膨胀,输出轴功后温度进一步下降到 122.6 K,压力下降到 150 kPa,然后在依次返流换热器 HEX-3、HEX-2、HEX-1,为其提供冷量。154 广 州 化 工2023 年 5 月在天然气液化回路及天然气返流气回路中,天然气首先经过换热器 HEX-1 预冷至 223 K,进入换热器 HEX-2 被冷却至173 K,进入换热器 HEX-3 被冷却至 123 K,最后经节流阀VLV-1 进行降压至 150 kPa,降温至 113 K,产生 9.30%的气相,液相进入 LNG 储罐进行储存;气相作为返流气依次为换热器 HEX-3、HEX-2、HEX-1 提供冷量,复热后作为天然气预处理中纯化器的再生气。图 1 无预冷双级氮膨胀天然气液化 HYSYS 模拟流程图Fig.1 Non precooled two stage nitrogen expansion naturalgas liquefied flow chart used HYSYS此流程的功耗为:压缩机 Compressor-1 是 636.86 kW/h,压缩机 Compressor-2 是 772.61 kW/h;膨胀机 Expander-1 是277.50 kW/h,膨胀机 Expander-2 是 187.20 kW/h,产量为2.60 m3/h,因此比功耗为:(636.86+772.61-277.50-187.2)2.60625=0.581 kW/m3方案二:丙烷预冷氮膨胀天然气液化流程。此流程由三部分组成:(1)氮气膨胀制冷循环;(2)丙烷预冷循环;(3)天然气液化回路及天然气返流气回路,HYSYS 模拟流程见图 2。在氮气膨胀制冷循环中,氮气首先经过 Compressor-1 和Compressor-2 两级压缩,低压氮制冷剂的压力由 200 kPa 压缩至 4.0 MPa,经冷却后,进入 HEX-2 进行预冷,被预冷至223 K,再经透平膨胀机 Expander 膨胀,输出轴功后温度进一步下降到 113.4 K,压力下降到 210 kPa,然后再返流换热器HEX-3。在丙烷预冷循环中,经过丙烷压缩机由 23.19 kPa 压缩至高压 1.23 MPa,然后经水冷却器由水带走一部分热量后全部液化,再经节流阀 VLV-1 降温降压产生气液两相,进入多股流换热器 HEX-1 预冷天然气和高压制冷剂。图 2 丙烷预冷氮膨胀天然气液化 HYSYS 模拟流程图Fig.2 Propane precooled nitrogen expansion natural gasliquefied flow chart used HYSYS在天然气液化及返流气回路中,天然气首先经过丙烷预冷循环预冷,在 HEX-2 被预冷至 223 K,进入 HEX-3 冷却至119.1 K,最后经 VLV-2 进行降压至 150 kPa,降温至 113 K,液相进入 LNG 储罐;产生的 6.15%气相作为返流气为 HEX-2和 HEX-3 提供冷量。此流程的功耗为:氮压缩机是 691 kW/h、丙烷压缩机是213.93 kW/h,膨胀机是 208.60 kW/h,产量为 2.69 m3/h,因此比功耗为:(691+213.93-208.60)2.69625=0.414 kW/m3方案三:混合制冷剂天然气液化流程。此流程由两部分组成:(1)混合制冷剂循环;(2)天然气液化回路及天然气返流气回路,HYSYS 模拟流程见图 3。在混合制冷剂循环中,混合制冷剂首先经过 Compressor 压缩,将低压制冷剂压力由 400 kPa 压缩至 2 MPa,高压制冷剂与低压制冷剂在 HXE-4 中进行换热后经过冷却器 Cooler 冷却至 253 K,进入分离器 Sep-1 进行气液分离,气液两相进入HEX-1 预冷,温度降至186 K。HEX-1 换热后的液相经 VLV-1节流降压至400 kPa,然后与低压混合制冷剂在 Mixer-1 混合后为预冷换热器 HEX-1 提供冷量;气相进入 Sep-2 进行气液分离,分离后的气液两相进入 HEX-2 进行原料气液化换热,温度降至159 K。HEX-2 后的液相经 VLV-2 节流降压至400 kPa,然后与低压混合制冷剂在 Mixer-2 混合后为液化换热器 HEX-2提供冷量;气相进入过冷换热器 HEX-3 进行换热,换热后经节流阀 VLV-3 节流降压至 400 kPa,然后在返流 HEX-3 为过冷换热提供冷量。在天然气液化回路及天然气返流气回路中,天然气首先经过 HEX-1 预冷,温度降至 186 K,在 HEX-2 被预冷至 159 K,进入 HEX-3 被冷却至119 K,最后经 VLV-4 进行降压至150 kPa,降温至 113 K,液相进入 LNG 储罐;产生的 6.15%气相作为返流气依次为 HEX-3、HEX-2、HEX-1 提供冷量,复热后作为天然气预处理中纯化器的再生气。图 3 混合制冷剂天然气液化 HYSYS 模拟流程图Fig.3 Mixed-refrigerant precooled natural gas liquefied flowchart used HYSYS此流程的功耗为:压缩机功耗 395.21 kW/h,产量为2.69 m3/h,因此比功耗为:395.212.69625=0.235 kW/m32.4 液化流程的分析与选择从表 1 可以看出,方案一液化单位体积天然气的比功耗、制冷剂流量最高,而天然气的液化率最低;在天然气的液化率和制冷剂流量相同的情况下,通过模拟计算可以发现,方案二第 51 卷第 9 期朱昌伟:调峰型天然气液化工艺的模拟计算155 的比功耗高于方案三。通过对以上三种方案进行分析,方案三为最佳方案,下面重点分析混合制冷剂天然气液化流程。表 1 三种天然气液化流程模拟结果的比较Table 1 Simulation results of three natural gas liquefied processes液化流程原料气流量/(kmol/h)制冷剂流量/(kmol/h)丙烷预冷量/(kmol/h)比功耗/(kw/m3)LNG液化率/%方案一80420-0.58190.70方案二8028051.240.41493.85方案三80280-0.23593.853 混合制冷剂液化流程中混合制冷剂的选择3.1 混和制冷剂的选择原则混合制冷剂循环的总效率受多种因素影响,主要取决于混合制冷剂的组成。本文选择三大类制冷剂,分别是 4 组分制冷剂(甲烷、乙烷、丙烷、氮气);5 组分制冷剂(甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、氮气);6 组分制冷剂(甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、异戊烷、氮气),所选择的制冷剂体积百分比见表 2,表 3,表 45。表 2 4 组分混合制冷剂Table 2 The four components types of refrigerant序号甲烷乙烷丙烷氮气10.350.360.180.1120.360.390.160.0930.370.400.170.0640.380.400.150.0750.390.410.140.0660.400.390.150.0670.410.360.160.0780.420.370.130.0890.430.340.130.10100.440.390.100.07表 3 5 组分混合制冷剂Table 3 The five components types of refrigerant序号甲烷乙烷丙烷异丁烷氮气10.240.400.150.150.0620.250.450.120.110.0730.260.430.080.140.0940.270.400.090.150.0950.280.410.110.130.0760.290.350.160.120.0870.300.400.110.150.0480.310.350.070.190.0890.330.400.090.130.05100.340.390.080.150.04表 4 6 组分混合制冷剂Table 4 The six components types of refrigerant序号甲烷乙烷丙烷异丁烷异戊烷氮气10.240.450.070.130.070.0420.260.380.100.100.070.0930.270.380.090.130.070.0640.280.360.080.120.090.0750.290.370.100.110.090.0460.300.420.090.080.060.0570.310.380.040.140.060.0780.330.350.060.120.070.0790.340.360.070.110.060.06100.350.360.060.050.110.073.2 不同组分的混合制冷剂对系统功耗的影响HYSYS 模型完成后进行计算,因为天然气入口温度、压力、摩尔流量是定值,LNG 储存温度和压力是定值,所以冷却天然气所需的冷量也是确定的,LNG 产品的液化率也是确定的,混合制冷剂流量 420 kmol/h,模拟计算所得的压缩机功耗见表 5。表 5 不同制冷剂组分消耗的系统功耗Table 5 System power consumption used different components refrigerant组分序号123456789104 组分612.827612.937610.110613.003613.372613.326614.208617.798620.293620.1895 组分584.563592.958594.293593.050592.996592.592588.985590.982595.510593.3786 组分577.157584.939579.719579.456577.164588.603586.955587.517589.628589.865由表 5 可知,当混合制冷剂中增加重烃组分时,系统功耗会降低,根据三大类混合制冷剂的模拟计算结果,得到图 4 不同制冷剂组分功耗比较图。由图 4 可知,5 组分制冷剂比 4 组分制冷剂增加了异丁烷,其功耗有所降低。6 组分制冷剂比 5 组分制冷剂又增加了异戊烷,功耗进一步降低。图 5 表示不同制冷剂组分平均功耗趋势图,这是由于采用更高沸点组分,能够扩展混合工质的相变区间。由于高压工质的相变潜热小于低压工质,导致高压工质有效比热小于低压工质,所以将大分子量的重烃加入混合制冷剂能够使高低压的热当量匹配,使系统效率得到提高。由以上分析可知,6 组分 5 号配比的混合制冷剂使系统的功耗最小。156 广 州 化 工2023 年 5 月图 4 不同制冷剂组分功耗比较Fig.4 Power used different components refrigerant图 5 不同制冷剂组分平均功耗趋势 Fig.5 Average power trend used different refrigerant components4 结 论本文选择三种典型的天然气液化工艺流程,分别用 HYSYS软件对其进行模拟计算,通过对计算结果的对比与分析,采用了混合制冷剂天然气液化工艺,并对其进行深入的分析,取得以下成果:(1)根据混合制冷剂构成原则,挑选了 4 组分、5 组分、6 组分三大类制冷剂各 10 组分别进行了模拟计算,找出制冷剂的不同组分对系统功耗的影响规律。(2)通过 30 组数据模拟发现,系统的功耗会随着混合制冷剂重烃组分的加入,呈下降趋势,在其他参数不变的情况下,采用 6 组分制冷剂的平均功耗明显小于采用 4 组分和 5 组分的制冷剂。本文从降低流程比功耗的思路,对调峰型 LNG 流程进行优化分析。今后可考虑对 LNG 流程进行经济学优化,将优化的经济学目标和热力学目标结合起来,达到液化流程运行能耗和投资费用最少的效果。参考文献1牛刚,王经,黄玉华.2104m3/d 天然气液化装置的设计及分析J.天然气工业,2002,22(3):92-95.2 李素燕.小型氮气膨胀天然气液化流程数值模拟及增压透平膨胀机的设计D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,20063 顾安忠.液化天然气技术M.北京:机械工业出版社,2004:60-67.4 李素燕,马彩凤,刘政委,等.小型氮膨胀天然气液化流程的设计及优化分析J.低温工程,2009(2):47-51.5 牛亚楠.多元混合制冷剂小型天然气液化装置的模拟研究D.上海:同济大学,2007.(上接第 76 页)参考文献1 杨超,丁根胜,万里兴,等.基于烟叶化学成分的卷烟叶组感官质量和风格研究J.烟草科技,2018,51(8):85-91.2 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