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天然气混合制冷液化步骤模拟

摘 要

混合制冷剂天然气液化工艺是现在应用最广泛液化工艺。本文在分析天然气液化装置中常见混合制冷剂液化循环多个基础工艺基础上，依据天然气和混合制冷剂热物性特点，选择了PR（Peng-Robinson）方程来计算这两种混合物相平衡特征。利用HYSYS软件研究了混合制冷剂步骤冷箱制冷部分，建立了冷箱模拟计算模型，研究了混合制冷剂组分对液化过程影响。

关键词: 混合制冷液化循环；步骤模拟；HYSYS；冷箱

Simulation of Mixed Refrigerant Cycle for Natural Gas Liquefaction

Abstract

The Mixed-Refrigerant Cycle (MRC) is the most widely used liquefaction process nowadays. Several MRC cycles for Liquefied Natural Gas (LNG) production were analyzed in this paper,--Based on the thermodynamic properties of natural gas and mixed-refrigerant, the Peng-Robinson (PR) equation was selected to calculate the phase equilibrium. The cold box in the liquefaction cycle was simulated by used HYSYS software, the model was established and the components of the mixed refrigerant influence on liquefaction process were studied.

Key words: MRC; simulation; HYSYS; cold box
目 录

第1章 前 言 1
1.1 工业背景和研究意义 1
1.1.1 世界液化天然气工业发展 2
1.1.2 中国液化天然气工业发展 2
1.2 中国外研究现实状况 4
1.3 研究内容 5
第2章 混合制冷液化步骤 6
2.1 混合制冷液化步骤 6
2.2 混合制冷剂液化步骤分类 6
2.2.1 闭式混合制冷剂液化步骤 6
2.2.2 开式混合制冷剂液化步骤 8
2.2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化步骤 9
2.2.4 CII液化步骤 12
2.2.5 新型两级混合制冷剂液化步骤 14
第3章 冷箱 16
3.1 冷箱介绍 16
3.2 冷箱技术关键 16
3.2 液化天然气领域冷箱应用 16
第4章 天然气液化步骤模拟软件 19
4.1 HYSYS介绍 19
4.2 HYSYS中各个模块性质和原理 20
4.2.1 气液分离器 20
4.2.2 壳管式换热器 21
4.2.3 LNG换热器 24
4.2.4 阀门 26
4.3　HYSYS实际应用 26
第5章 天然气液化步骤模拟 28
5.1 概述 28
5.2 液化步骤模拟步骤 28
5.2.1 输入条件 28
5.2.2　步骤搭建 30
5.3　步骤模拟计算 33
5.3.1　收敛计算 33
5.3.2制冷剂组分对换热影响 34
5.3.3 结果分析 35
第6章 结论和展望 37
6.1 结论 37
6.2 展望 37
参考文件 38
致 谢 39

第1章 前 言
1.1 工业背景和研究意义
天然气作为一个清洁优质燃料，是当今世界能源消耗中关键组成部分，其开发和利用已在全球受到普遍关注[1]。伴随天然气探明储量增加，世界天然气产量呈连续增加趋势。近几十年，天然气在能源结构中百分比逐年稳步上升。现在，天然气消费量年平均增加率为2.2%，远高于同期石油消费增加率0.8%。天然气消费量增加带动和促进了天然气工业发展，现在，大家越来越多关心怎样愈加好、更经济地利用天然气来服务于人类生活。液化天然气就是天然气利用一个方法。
液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）是无色透明、无臭低温液体，是在常压下将天然气冷冻至-162℃左右，由气体变为液态，它是天然气经过净化（脱水、脱CO2、H2S等酸性气体）后，采取节流、膨胀和外加冷源制冷工艺使甲烷变成液体而形成，其体积约为气态体积1/600。
将天然气液化目标关键有以下多个方面[2-4]：
（1）天然气液化后便于进行经济可靠运输。现在，天然气资源分布不均衡，生产地和消费地常存在相当长距离，在不便敷设管道地域，用专门槽车、火车、轮船，将LNG运输到销售地，方便灵活，适应性强。
（2）提升储存效率和安全确保。可实现低压储存及使用，避免了压缩天然气（CNG）高压（压力20MPa）储存及使用带来威胁。
（3）将天然气液化，有利于城市符合调整。可将低负荷时多出天然气液化后储存，当用气或用电高峰时，再将其气化，能够达成调整供需和应急目标。
（4）液化天然气突出优点是环境效益显著。液化天然气作为汽车发动机燃料对大气污染要比汽油少得多。
基于以上LNG众多优点，能够看出，发展液化天然气（LNG）项目是现在世界能源发展时尚，在中国发展液化天然气也是势在所趋。
1.1.1 世界液化天然气工业发展
天然气是一个很关键资源，它燃烧清洁，污染小，通常生产和输送成本低廉，其储量十分巨大。
不过，天然气产地往往远离能源消耗区，这就需要经过某种方法将天然气从气田或资源国输送至目标用户。管道输送是一个好输送方法，但对于远距离越洋运输，现在还没有成熟技术能够建造深海长距离输送管道，所以需要寻求其它方法。LNG是一个越洋大量输送天然气商业化技术。
1964年9月27日，阿尔及利亚世界上第一座LNG工厂建成投产。同年，第一艘载着1吨LNG船驶往英国，标志着世界LNG贸易开始。
1.1.2 中国液化天然气工业发展
中国是能源和原材料生产大国，也是消费大国，人均占有资源量相对少。尽管有丰富中国天然气资源和周围国家可供利用天然气资源，不过到现在为止，因为客观原因，致使中国天然气消费量在一次能源消费结构中仅占2%左右，而西方发达国家要占20%左右。伴随中国国民经济发展，尤其是对环境保护日益重视，天然气需求量将快速增大。天然气需求量增加肯定促进液化天然气工业发展。
中原油田为了将天然气资源用于城市燃气和汽车代用燃料，建造了中国第一座生产型液化天然气装置。
新疆广聚集团开始建设一座日处理天然气量为150万m3液化天然气工厂。
6月，国家发改委在《中国能源中长久发展计划》基础上制订了《相关中国液化天然气进口方案提议》。《提议》中提出在广东，福建，山东，浙江，上海，江苏，辽宁，河北，天津，广西等沿海地域建设若干LNG接收码头和输气干线。基础形成以LNG为主体沿海天然气大通道，并适时和全国主干管网相连接。这标志着中国LNG进口工作全方面开启，并将经过实施以市场换资源战略推进石油企业走出去，进入国际石油天然气资源地和LNG工业。
多年来全球LNG生产和贸易日趋活跃，正在成为世界油气工业新热点。中国正处于天然气工业发展黄金时期，伴随更多城市使用更多天然气，对液化天然气(LNG)需求也有显著增加。6月底，深圳大鹏LNG项目标投产，更是吹响了中国LNG事业全方面发展号角。同时国际LNG市场正由买方市场转向卖方市场，但多年内仍处于买方市场，这也为中国发展LNG产业发明了良好外部资源条件。LNG产业发展对中国发展国民经济，调整能源结构，改善环境质量，提升生活水平，促进经济和环境协调发展含相关键意义!中国LNG工业应实施全球化，市场化，多元化和系统化发展战略，以形成LNG和管道和海洋天然气共同发展和石油资源互为补充格局。从而改善中国能源结构，保障国家能源安全!
在未来部分年中，除了有数以百万吨计LNG自海外进口，更多天然气液化工厂和LNG末端装置也会快速建设起来。
总来说，中国LNG工业特点是起步晚、潜力大，宽广市场和客观经济和社会效益为中国LNG工业发展提供了难得机遇。LNG已经成为一个关键不可替换能源，连续高速度发展历程展示了它强大生命力。多年来，LNG基础技术和天然气液化、储运装置研究蓬勃发展。伴随应用研究深入，LNG将有越来越广泛得到应用。可是预言，中国LNG工业将会进入一个崭新发展阶段。
我们LNG工业刚刚起步，未有成熟独立设计、建造工厂经验，只能引进国外配套设备和技术。不过因为国情和工厂设计规模等情况不通，往往使得引进天然气液化步骤和提供岗位操作参数不合时宜，出现投资费用大、液化率低、功耗大情况。处理上述问题方法就是依据实际情况、利用本身特点优选液化步骤及合理选择操作参数。
现代工业规模天然气液化（即LNG生产）技术通常可用下面框图表示为三部分，即原料气预处理、液化和储存三部分。

图1.1 天然气液化技术组成图
其中，液化步骤在整个LNG工厂中占相关键地位，实践证实，在LNG工厂总投资中天然气液化部分所占百分比大约为40%左右，研究液化工艺步骤含有现实意义和深远社会和经济效益，所以对液化步骤进行模拟设计和步骤参数分析显得尤为关键，因为步骤模拟是过程系统工程中最基础技术不管过程系统分析和优化，还是过程系统综合，全部是以步骤模拟为基础。而合理地选择参数不仅使模拟过程能够顺利进行，而且还会使模拟结果切实可行。
1.2 中国外研究现实状况
中国LNG工业刚刚起步，独立设计、建造LNG装置经验较少。进行天然气液化步骤理论分析和设计步骤相关键意义。
国外从20世纪70年代开始，对LNG装置液化步骤进行来设计、模拟和评价工作[5-6]。Shell企业针对基础负荷型LNG装置液化步骤最新发展，模拟计算了级联式液化步骤、丙烷预冷混合制冷剂液化步骤、两级混合制冷剂液化步骤和氮气膨胀液化步骤，并分别分析了其优劣[7]。1995年，Melaaen提出了简化绕管式换热器模型。在此基础上，建立了基础负荷型天然气液化步骤动态仿真模型，并采取隐式DASSL进行了仿真计算，指出设计变量初值选择对仿真计算收敛影响很大。1998年，Terry采取HYSYS软件对经典调峰型天然气液化步骤进行了模拟计算和优化[8]。1997年，Kikkawa在现有设备基础上，设计了新型混合制冷剂预冷、膨胀机液化步骤，并采取CHEMCADIII软件进行了模拟计算[9]。
中国现在缺乏天然气液化步骤设计调试经验，在专用天然气液化模拟软件开发方面比较欠缺。20世纪90年代初，开始进行天然气液化步骤理论发面研究，陈国邦、滕大振分析了调峰型LNG装置液化步骤特点，对不一样步骤及其使用条件进行了比较。1992年，郭东海对混合制冷剂天然气液化步骤参数选定及优化工作做了初步探讨[10]。刘新伟针对煤层天然气回收，提出了带循环压缩机氮膨胀液化步骤并进行了模拟计算。上海交通大学顾安忠教授领导课题组长久以来从事液化天然气研究，尽管如此，中国在液化天然气液化技术水平和应用范围等方面和国外还是存在一定差距。
从中国外研究发展情况能够看出，不管国外还是中国，在建设LNG工厂时，首先要仔细分析多种液化步骤依据实际情况，经过模拟计算对步骤性能进行比较；然后优选步骤方法，合理选择步骤参数。该项工作在中国显得尤为关键伴随液化天然气工业在中国蓬勃发展，这项工作越来越受到大家重视，并提到研究日程。
1.3 研究内容
在天然气液化过程中，天然气和混合制冷剂不仅是混合物，它们伴随步骤中压力、温度不停改变，将会处于气相、气液平衡相和液相状态，所以混合物相平衡计算理论是整个步骤物性计算基础。本文针对天然气和混合制冷剂组分特征，选择了PR方程作为计算这两类混合物相平衡方程。本文选择模拟软件HYSYS作为此次研究所使用关键模拟工具，介绍了HYSYS计算原理和方法，最终用HYSYS软件对混合制冷剂液化循环冷箱部分进行模拟，以研究混合工质组分改变对LNG产品（也能够说是初级LNG产品）温度影响。
第2章 混合制冷液化步骤
2.1 混合制冷液化步骤
1934年，美国波特北尼克提出了混合制冷剂液化步骤（MRC: Mixed Refrigerant Cycle）概念。以后，法国Tecknip企业佩雷特，具体描述了混合制冷剂液化步骤用于天然气液化工艺过程。
MRC是以C1和C3碳氢化合物及N2等五种以上多组分混合制冷剂为工质，进行逐层冷凝、蒸发、节流膨胀得到不一样温度水平制冷量，以达成逐步冷却和液化天然气目标。MRC既达成类似级联式液化步骤目标，又克服了其系统复杂缺点。自20世纪70年代以来，对于基础负荷型天然气液化装置，广泛采取了多种不一样类型混合制冷剂液化步骤。
2.2 混合制冷剂液化步骤分类
混合制冷剂液化旅程还包含很多个类，如：闭式混合制冷剂液化步骤，开式混合制冷剂液化步骤，丙烷预冷混合制冷剂液化步骤等，下面我们就对上述多个步骤进行简单介绍。
2.2.1 闭式混合制冷剂液化步骤
图2.1为闭式混合制冷剂液化步骤（Closed Mixed Refrigerant Cycle）示意图。在闭式液化步骤中，制冷剂和天然气液化过程分开，自成一个独立制冷循环。
制冷剂通常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H12组成。这些组分全部能够从天然气中提取。液化步骤中天然气依次流过四个换热器后，温度逐步降低，大部分天然气被液化，最终节流后在常压下保留，闪蒸分离产生气体可直接利用，也可回到天然气入口再进行液化。
液化步骤中制冷剂经过压缩机压缩至高温高压后，首先用水进行冷却，然后进入气液分离器，气液相分别进入换热器1。液体在换热器1中过冷，再经过节流阀节流降温，和后续步骤返流气混合后共同为换热器1提供冷量，冷却天然气、气态制冷剂和需过冷液态制冷剂。气态制冷剂经换热器1冷却后进入闪蒸分离器分离成气相和液相，分别流入换热器2，液体经过冷和节流降压降温后，和返流气混合为换热器2提供冷量，天然气深入降温，气相流体也被部分冷凝。换热器3中换热过程同换热器1和2。制冷剂在换热器中被冷却后，在换热器4中进行过冷，然后节流降温后返回该换热器，冷却天然气和制冷剂。
在混合制冷剂液化步骤换热器中，提供冷量混合工质液体蒸发温度随组分不一样而不一样，在换热器内热交换过程是个变温过程，经过合理选择制冷剂，可使冷热流体间换热温差保持比较低水平。

图2.1 闭式混合制冷剂液化步骤示意图
2.2.2 开式混合制冷剂液化步骤

图2.2 开式混合制冷剂液化步骤示意图

图2.2为开始混合制冷剂液化步骤（Open Mixed Refrigerant Cycle）示意图。在开式液化步骤中，天然气既是制冷剂，又是需要液化对象。
原料天然气经净化后，经压缩机压缩后达成高温高压，首先用水冷却，然后进入气液分离器，分离掉重烃，得到液体经第一个换热器冷却并节流后，和返流气混合后为第一个换热气提供冷量。第一个分离器产生气体经过第一个换热器冷却后，进入第二个气液分离器。产生液体经第二个换热器冷却并节流后，和返流气混合为第二个换热器提供冷量。第二个气液分离器产生气体经第二个换热器冷却并节流后，为第三个换热器提供冷量。第三个气液分离器产生气体经第三个换热器冷却并节流后，进入气液分离器，产生液体进入液化天然气储罐储存。
2.2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化步骤

图2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化步骤示意图
a) 混合制冷剂循环； b) 丙烷预冷循环

丙烷预冷混合制冷剂液化步骤（C3/MRC: Propane-Mixed Refrigerant Cycle），结合了级联式液化步骤和混合制冷剂液化步骤优点，步骤既高效又简单。所以，自20世纪70年代以来，这类液化步骤在基础负荷型天然气液化装置中得到了广泛应用。现在世界上80%以上基础负荷型天然气液化装置中，采取了丙烷预冷混合制冷剂液化步骤。
图2.3是丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气步骤图。步骤由三部分组成：①混合制冷剂循环；②丙烷预冷循环；③天然气液化回路。在此液化步骤中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂用于深冷和液化天然气。
混合制冷剂循环图2.3a所表示，混合制冷剂经两级压缩机压缩至高压，首先用水冷却，带走一部分热量，然后经过丙烷预冷循环预冷，预冷后进入气液分离器分离成液相和气相，液相经第一换热器冷却后，节流、降温、降压，和返流混合制冷剂混合后，为第一个换热器提供冷箱，冷却天然气和从分离器出来气相和液相两股混合制冷剂。气相制冷剂经第一换热器冷却后，进入气液分离器分离成气相和液相，液相经第二个换热器冷却后节流、降温、降压，和返流混合制冷剂混合后，为第二个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来气相和液相两股混合制冷剂。从第二个换热器出来气相制冷剂，经第三换热器冷却后，节流、降温后进入第三换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。
丙烷预冷循环图2.3b所表示，丙烷预冷循环中，丙烷经过三个温度级换热器，为天然气和混合制冷剂提供冷量。丙烷经压缩机压缩至高温高压，经冷却水冷却后流经节流阀降温降压，再经分离器产生气液两相，气相返回压缩机，液相分成两部分，一部分用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为后续步骤制冷剂。
在混合制冷剂液化步骤中，天然气首先经过丙烷预冷循环预冷，然后流经各换热器逐步被冷却，最终经图2.3a中节流阀4进行降压，从而使液化天然气在常压下储存。
图2.4为空气产品企业APCI设计丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气步骤[13]。在空气产品企业设计液化步骤中，天然气先经过丙烷预冷，然后用混合制冷剂深入冷却并液化。低压混合制冷剂经两级压缩机压缩后，先用水冷却，然后流经丙烷换热器深入降温至约-35℃，以后进入气液分离器分离成气、液两相。生成液体在混合制冷剂换热器温度较高区域（热区）冷却后，经节流阀降温，并和返流气相流体混合后为热区提供冷量。分离器生成气相流体，经混合制冷剂换热器冷却后，节流降温为冷区提供冷量，以后和液相流混合为热区提供冷量。混合后低压混合制冷剂进入压缩机压缩。

图2.4 APCI丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气步骤示意图

在丙烷预冷循环中，从丙烷换热器来高、中、低压丙烷，用一个压缩机压缩，压缩后先用水进行预冷，然后经节流降温、降压后，为天然气和混合制冷剂提供冷量。这种液化步骤操作弹性很大。当生产能力降低时，经过改变制冷剂组成及降低吸入压力来保持混合制冷剂循环改变时，可经过调整混合制冷剂组成及混合制冷剂压缩机吸入和排出压力，也能使天然气高效液化。
2.2.4 CII液化步骤
天然气液化技术发展要求液化循环含有高效、低能耗、低成本、可靠性好、易操作等特点。为了适应这一发展趋势，法国燃气企业研究部门开发了新型混合制冷剂液化步骤，即整体结合式级联型液化步骤（Integral Incorporated Cascade），简称CII液化步骤。CII液化步骤吸收了国外LNG技术最新发展结果，代表天然气液化技术发展趋势。
在上海建在CII液化步骤是中国第一座调峰型天然气液化装置中采取步骤。CII液化步骤图2.5所表示，该液化步骤关键设备包含混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三部分。整个液化步骤可分为天然气液化系统和混合制冷剂循环两部分。

图2.5 CII液化步骤示意图
在天然气液化系统中，预处理后天然气进入冷箱12上部被预冷，在气液分离器13中进行气液分离，气相部分进入冷箱12下部被冷凝和过冷，最终节流至LNG储罐。
在混合制冷剂循环中，混合制冷剂是N2和C1~C5烃类混合物。冷箱12出口低压混合制冷剂蒸汽被气液分离器1分离后，被低压压缩机2压缩至中间压力，然后经冷却器3部分冷凝后进入分馏塔8。混合制冷剂分馏后分成两部分，分馏塔底部重组分液体关键含有丙烷、丁烷和戊烷，进入冷箱12，经预冷后节流降温，再返回冷箱上部蒸发制冷，用于预冷天然气和混合制冷剂；分馏塔上部轻组分气体关键成份是氮、甲烷和乙烷，进入冷箱12上部被冷却并部分冷凝，进气液分离器6进行气液分离，液体作为分馏塔8回流液，气体经高压压缩机4压缩后，经水冷却器5冷却后，进入冷箱上部预冷，进气液分离器7进行气液分离，得到气液两相分别进入冷箱下部预冷后，节流降温返回冷箱不一样部位为天然气和混合制冷剂提供冷量，实现天然气冷凝和过冷。
CII步骤含有以下特点：
（1）步骤精简、设备少。CII液化步骤出于降低设备投资和建设费用考虑，简化了预冷制冷机组设计。在步骤中增加了分馏塔，将混合制冷剂分馏为重组分（以丁烷和戊烷为主）和轻组分（以氮、甲烷、乙烷为主）两部分。重组分冷却、节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合制冷剂；轻组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝、过冷天然气。
（2）冷箱采取高效钎焊铝板翅式换热器，体积小，便于安装。整体式冷箱结构紧凑，分为上下两部分，由经过优化设计高效钎焊铝板翅式换热器平行排列，换热器面积大，绝热效果好。天然气在冷箱内由环境温度冷却至-160℃左右液体，降低了漏热损失，并很好地处理了两相流体分布问题。冷箱以模块化型式制造，便于安装，只需在施工现场对预留管路进行连接，降低了建设费用。
（3）压缩机和驱动机型式简单、可靠、降低了投资和维护费用。
2.2.5 新型两级混合制冷剂液化步骤
丙烷预冷天然气液化步骤含有功耗低有点，不过因为该液化步骤采取单独丙烷循环预冷天然气，步骤复杂设备数量较多；膨胀机液化步骤简便，设备紧凑，不过功耗偏高。出于简化步骤设备和确保步骤效率考虑，本研究中结合目前天然气液化步骤追求简便、高效发展趋势，综合考虑了丙烷预冷混合制冷剂液化步骤、单级混合制冷剂液化步骤，和整体级联式液化步骤等多个混合制冷剂液化步骤技术特点，提出了新型两级混合制冷剂液化步骤。
新型两级混合制冷剂液化步骤图2.6所表示。混合制冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷组成。该步骤包含制冷剂循环和天然气循环两部分。制冷循环以下：来自冷箱制冷剂低压气体进入低压压缩机A1，经冷却器冷却后进入预冷换热器A4，冷却降温使部分高沸点组分凝结后，进入气液分离器A3。分离出来液体制冷剂经节流阀A5节流降温，和来自主换热器A7返流低压气体汇合，作为预冷换热器A4冷源；分离出气体制冷剂被高压压缩机A2压缩至高压，经预冷换热器A4降温后，和来自过冷换热器A9低压制冷剂汇合，返回主换热器A7提供冷量；气相经主换热器A7和过冷换热器A9冷凝和过冷后，经节流阀A10节流降温后，返流为过冷换热器A9提供冷量。
预处理后天然气经预冷换热器A4预冷后，进入主换热器A7继续冷却，然后进入气液分离器A11脱除已凝结重烃组分。重烃返流回预冷换热器A4提供部分冷量，天然气中轻组分则继续进入主换热器A7和过冷换热器A9冷凝和过冷，最终经节流阀A12节流降压后注入LNG储罐[12]。

图2.6 新型两级混合制冷剂液化步骤示意图
第3章 冷箱
3.1 冷箱介绍
冷箱在中国最先关键是用于乙烯制冷工艺中乙烯冷箱，冷箱是一个换热器组装后形式，它能够是多个换热器组合。通常为了避免现场工作量，大容积装置换热器是在制造厂完成，组装成冷箱。
3.2 冷箱技术关键
冷箱实际上是铝板翅式换热器加上钢壳保温箱。关键部分是铝板翅式换热器，设计和制造难点亦集中于此。多股持压物流在其中按化工工艺条件和参数进行复杂、有相变换热过程，其操作温度通常为+30℃～-170℃，最高操作压力约为5Mpa。
技术关键有三个方面：1. 正确、精密板翅式换热器单元设计；2.专用制造技术和严谨工艺程序；3. 严格质量监控和优异测试技术[14]。
3.2 液化天然气领域冷箱应用
混合制冷剂液化步骤中，冷箱应用也有很多，其外形图3.1所表示，内部结构图3.2所表示：

图3.1 混合制冷剂冷箱

图3.2冷箱内部结构

现在中国东海调峰型天然气液化装置和新疆广汇液化天然气工程均采取冷箱作为液化单元。步骤图3.3和3.4所表示。图3.3即为CII液化步骤，在前面2.2.4中已经有介绍。

图3.3 东海调峰型天然气液化装置

图3.4 新疆广汇液化天然气工程冷箱及制冷剂循环系统部分工艺步骤示意图

第4章 天然气液化步骤模拟软件
4.1 HYSYS介绍
ASPEN出品HYSYS是一个化工步骤模拟动态仿真软件，是一款环境模拟设计软件，许可设计者经过概念上设计而简化制作过程来完成项目工作。完整交互性能充足发挥你发明力。该软件分动态和稳态两大部分。用于过程和设备模拟、分析、设计、优化及开停车指导、动态仿真培训、设计优异控制系统等。
ASPEN企业创建于1976年，是世界上最早开拓石油、化工方面工业模拟、仿真技术跨国企业。其技术广泛应用于石油开采、储运、天然气加工、石油化工、精细化工、制药、炼制等领域。它在世界范围内石油化工模拟、仿真技术领域占主导地位。HYSYS软件和同类软件相比含有很好操作界面，方便易学，软件智能化程度高。
另外HYSYS还有着以下部分特点：
（1）集成式工程环境
HYSYS使用了面向目标新一代编程工具，实现了集成式工程模拟软件。在这种集成系统中，步骤、单元操作是相互独立。步骤只是多种单元操作这种目标集合，单元操作之间靠步骤中物流发生联络。在工程设计中稳态和动态使用同一个目标，然后共享目标数据，不须进行数据传输。从而得到最大效益，对复杂工艺步骤分成多个部分模拟。因为其小步骤分析方便，速度快，且对不一样体系采取不一样热力学方法以取得更正确结果。其集成式工程环境能在一个模拟环境中将步骤分为若干个子步骤，可大可小。独到之处是子步骤、主步骤之间数据相互共享，不须传输。它们之间还能够采取不一样物性计算包。
（2）动态模拟功效
动态模拟方法及过程是步骤稳态模拟收敛后，首先定义单元操作动态数据(如分离器几何尺寸、液位高度等)，安装控制仪表，然后就能够进入动态，开始动态模拟。动态模拟过程中，能够随时调整温度、压力等多种工艺变量(这就是WINDOWS多任务)，观察它们对产品影响和改变规律。还能够随时停下来，转回静态。因为动态和静态是相同对象共享，所以动静之间转换很轻易。HYSYS提供了PID控制器、传输函数发生器、数控开关、变量计算表等进行动态模拟控制单元。
（3）事件驱动加物性计算包等
HYSYS提供了一组物性计算包，其基础数据经过严格校验，包含16000个交互作用参数和1500个纯物质数据。为实现复杂工艺步骤模拟提供了基础。将模拟技术和完全交互操作方法结合，使HYSYS取得成功。而利用面向目标技术使HYSYS这一交互方法提升到一个更高层次，即事件驱动。在研究方案时，需要将很多工艺参数放在一张表中。当改变一个或多个变量时，另部分也要随之改变，算出结果也要在表中自动刷新。另外HYSYS还提供了数据回归包，内置人工智能等功效。为我们验证方案提供了很好试验平台。
HYSYS软件以其高效、正确模拟特征赢得了广泛好评，得到天然气行业内高度认可。基于HYSYS这些特点，所以本文选择使用HYSYS作为进行研究模拟工具。
4.2 HYSYS中各个模块性质和原理
本文中是用HYSYS进行关键是制冷系统模拟，利用模拟设备关键包含:压缩机、LNG换热器、壳管式换热器、节流阀等。
下面我们来分别介绍一下HYSYS中以上模块特点。
4.2.1 气液分离器
模拟软件HYSYS中气液分离器图4.1所表示：

图4.1 HYSYS中气液分离器
注：“3”是经过初步冷却天然气，“2”是经分离器后气相组分，即轻组分，“1” 是经分离器后液相组分，即重烃。

气液分离器是液化步骤中一个关键设备。步骤中气液分离器分离出液相冷却后，进入节流阀产生温降，为换热器提供冷量，分离出气相，为后续步骤提供制冷剂。
(4.1) (4.2) (i=1, 2, 3......N) (4.3)
(i=1, 2, 3......N) (4.4)
物流在气液分离器中经历是一个等温等压闪蒸过程，式（4.1）至（4.4）分别为物料平衡、能量平衡和相平衡关系式，可利用HYSYS软件中闪蒸计算程序进行求解，得到物流经气液分离器后气相流量、气相摩尔分率、液相流量和液相摩尔分率，还能够深入得出气液相焓值和熵值。
4.2.2 壳管式换热器
模拟软件HYSYS中压缩机图4.2所表示：

图4.2 HYSYS中壳管式换热器

HYSYS中换热器能够进行双向能量和质量计算，其计算是基于冷流体和热流体能量守恒。换热器计算很灵活，能解出温度、压力、热流量(包含热损失和热泄露)，质量流量或综合换热系数等参数。
其实，热泄漏就是环境中热量泄漏到换热器冷端，造成冷端温度升高。热损失就是换热器热端热量泄漏到环境中去，造成了热端温度降低。
（1） 总热传热系数UA值
在换热器壳侧和管侧总换热量(换热器功率)能够根据总换热系数、总换热面积和对数平均温差来确定：
(4.5)
式中，U为总换热系数，A为总换热面积，ΔTLM为对数平均温差(LMTD)，Ft为 LMTD修正因子。
出于方便考虑，换热系数和换热面积常常合并为一个变量，这就是UA 。
（2） 换热器换热模式
在HYSYS中用户能够选择模拟中换热器所用到换热模式，一共有四种换热模式能够选择:①末端点分析设计模式；②理想权重设计模式(F =1)；③稳态参数方法；④用于动态模拟动态参数方法。
下面我们关键介绍前三种模式：
① 换热器设计端点模式(End Point Model )
换热器设计端点模式是基于标准换热器功率方程，依据总传热系数，总换热面积和对数平均温度差来确定。其关联式参见式(4.5)。
该模式存在两个假定：a. 总传热系数U为一个常数；b. 壳侧和管侧流体比热是一个常数。
端点模式中，换热器两侧热曲线是线性。对于没有相变且q是一个常数时简单问题，利用该模式模拟换热器己经足够了。对于非线性热流动问题则要利用权重模式。
当选中端点模式时能够从HYSYS中得到参数见表4.1：
表4-1 换热器选中端点模式时得到参数
参数
描述
管侧和壳侧△P(压力降)
此处能够确定换热器管侧和壳侧压力降，假如用户不确定△P值，则HYSYS依据上下游流体压力计算该值。
UA
为总换热系数和总换热面积乘积，换热器功率正比于对数平均温差，UA为百分比因数。UA能够由用户确定或由HYSYS计算出来

换热器设计权重模式(weighted model )
权重模式是处理非线性热曲线问题很好一个模式，比如换热器一侧或两侧纯组分发生相变情况。在权重模式中，热曲线断成一段段间隔线，沿着每断间隔线全部有能量平衡。热曲线每一段中对数平均温差(LMTD)和UA全部能计算出来，而且加在一起计算换热器总UA。
只有在逆流换热器中才有权重模式，这种模式肯定是一个能量和质量平衡模式。换热器几何结构对于修正因子F,影响在权重模式下不予考虑。
稳态参数模型(Steady State Rating)
稳态模型就是合并了参数计算一个端点模型扩展形式，其假设基础和端点模型是完全一致。假如用户能够提供换热器具体几何信息，那么能够使用这种模型进行模拟。正如其名称，这种模型只适适用于稳态过程。
在处理线性或近似线性热曲线问题时，能够使用稳态参数模型。因为求解器包含了这种参数模型，稳态参数模型比动态参数模型计算速度愈加快。
对于端点模式和权重模式，用户能够确定换热器是否经历热泄漏或热损失。
（3） 换热器中压力降
换热器压力降能够由以下三个方法之一来确定：①用户给出压力降；②依据换热器几何特征和组成计算压力降；③经过确定k值方法定义换热器中压力流量关系。
假如在换热器决定压力降时选中压力流量选项，则k值使得经过换热器摩擦压力降和流量产生联络，此关系以下面方程所表示：
(4.6)
总流量方程使用经过换热器压力降，没有任何静压头作用。P1-P2定义为摩擦压力损失。
4.2.3 LNG换热器
模拟软件HYSYS中压缩机图4.3所表示：
LNG(液化天然气)换热器模型处理了多相流换热器和换热器网络热量和物质平衡。该方法能够求解大量已知或未知变量。
对于整个换热器，用户能够得到各类参数，包含热泄漏量、热损失和UA值等。LNG换热器求解通常使用两种方法。

图 4.3 HYSYS中LNG换热器

就单一未知量情况，算法直接从能量平衡得到未知量；对于多重未知量情况，采取迭代方法使得其结果不仅满足能量守恒而且满足对应约束条件，比如，温度约束条件等。
LNG换热器和一般换热器区分是，LNG换热器允很多相流，而一般换热器只有一个热流侧和一个冷流侧。
（1） LNG换热器计算理论
LNG换热器计算是基于热流体和冷流体能量守恒。在LNG换热器操作单元任何一个换热层面中，应用以下总关系式：
(4.7)
式中，M 为LNG一个换热层面中流体流量，ρ为密度，H为焓，Qinternal为从周围层中得热，Qexternal为从外部环境得热，V为壳程或管程持液体。
（2）LNG换热器中压力降
在LNG操作单元任何层中压力降能够有下列两项中一项来确定，明确压力降；①经过定义K值，来定义每个换热层压力流关系；②在LNG操作中，假如选择压力流量选项来确定压力降，K值则将经过换热器摩擦损失和流量联络起来。关联式如式(4.6 )。
总流方程使用经过换热器压力降，其中不含任何静态压头项。式中P 1-P2被定义为摩擦压力损失，其使用K值来表现了LNG换热器规格尺寸。
4.2.4 阀门
模拟软件HYSYS中压缩机图4.4所表示：

图 4.4 HYSYS中阀门

在阀门操作过程中，HYSYS对入口物流和出口物流进行了能量平衡和物量平衡计算。HYSYS依据物质平衡和焓守恒标准对入口物流和出口物流进行了计算。假定阀门操作是等焓。
在阀门操作中，用户能够明确下列变量：①入口物流温度；②入口物流压力；③出口物流温度；④出口物流压力；⑤阀门压力降。
在阀门操作求解之前需要有三个参数，最少需要一个温度参数和一个压力参数。HYSYS能够计算其它两个未知参数。
阀门总压力降依据入口物流总压力和出口物流总压力间压力差来求得。经过阀门总压力降由阀门摩擦压力损失，静态压头压力损失计算而求得[15]。
4.3　HYSYS实际应用
HYSYS 在中国应用很广泛，中国用户总数已超出50。全部油田设计系统全部采取该软件进行工艺设计。下面是部分中国油田用户名单： 大庆油田设计院、辽河油田设计院、华北油田设计院、大港油田设计院、四川油田设计院、长庆油田设计院、青海油田设计院、中原油田设计院、江汉油田设计院、克拉玛依油田设计院、克拉玛依油田研究院、独山子炼油厂、独山子石化设计院、廊坊管道勘察设计研究院、中国海洋总企业生产研究中心、中国海洋总企业石油工程企业（天津塘沽）。中国海洋总企业南海分企业、壳牌中国分企业（ Shell ）、辽阳化纤企业、辽阳石化设计院、大庆石化设计院、岳阳石化企业、九江石化企业、南京石化企业、扬子石化企业、扬子石化设计院、抚顺石化设计院、抚顺石化企业、金陵石化企业、茂名石化设计院、镇江炼化工程企业等[16]。
第5章 天然气液化步骤模拟
5.1 概述
天然气液化步