天然气液化混合制冷技术研究

·186·云南化工YunnanChemicalTechnologyJun.2018Vol.45，No.62018年6月第45卷第6期天然气液化（LNG，LiquefiedNaturalGas）工艺技术[1]是将天然气经过预净化处理（脱酸、脱水等）后，采用节流、膨胀或外加冷源制冷工艺，在常压和-162℃条件下变成液态天然气的处理过程。天然气液化后其体积缩小99.8%左右。本工程利用HYSYS工艺模拟计算软件，进行液化装置的物料和热量平衡计算。以某LNG液化装置为例，建立液化工艺计算模型，通过能耗、液化率等参数进行优化；同时分析原料气和制冷剂在不同压力下的制冷曲线，确定工艺制冷压力；分析制冷剂不同配比对原料气的影响，确定最优的制冷剂配比。1　建立模型在HYSYS软件中，选择Peng-Robinson型的流体包，建立模型。该模型包括天然气增压、脱酸、脱水、脱汞、脱苯、脱烃、液化、制冷等工艺系统。天然气液化工艺流程见图1。图1　天然气液化工艺流程图2　主要技术分析与讨论2.1　原料气制冷压力确定图2为原料气经脱烃后的P-T相图。图2中，红色线为泡点线，蓝色线为露点线，黄色点为临界点。泡点线的左上方为单相液体区域，露点线的右下方为单相气体区域。对于该原料气，从图2可知，临界压力为5414kPa，临界温度为-72.2℃，临界冷凝压力为5546kPa，临界冷凝温度为-46.7℃。图2　原料气P-T相图在模型中固定制冷剂的配比条件下，通过调整原料气进冷箱压力，可以计算得出冷箱对数平均温差（LMTD）、最小温差。计算结果见表1。表1　进气压力-LMTD-最小温差数据表进气压力/kPa48304930503051305230533054305530LMTD/℃4.8354.9365.0335.1275.2175.3025.3835.462最小温差/℃2.8212.9082.9943.0473.0473.0473.0473.047由表1知，原料气压力与冷箱的LMTD成正比例关系，LMTD越大，冷箱的换热能力越差，需增加冷箱换热面积，故原料气进气压力不宜过高；原料气压力增加，最小温差是先增加而后保持不变。但混合制冷工艺的温差应≥3℃，因此选定原料气制冷压力为5.13MPa。doi：10.3969/j.issn.1004-275X.2018.06.081天然气液化混合制冷技术研究丁　锋（中石化中原石油工程设计有限公司天然气设计所，河南　濮阳　457001）摘　要：利用HYSYS工艺模拟计算软件进行液化装置的物料和热量平衡。以某LNG液化装置为工程背景，根据原料气组分，建立不同液化工艺计算模型。分析制冷剂在不同压力和不同配比下的制冷曲线，确定最优的制冷剂技术。为天然气液化技术研究提供技术参考。关键词：天然气液化，工艺模拟，物料平衡，制冷压力中图分类号：TE646　　文献标识码：A　　文章编号：1004-275X（2018）06-186-02ResearchonTheLiquefactionTechnologyofNaturalGasDingFeng（Sinopecpetroleumengineeringzhongyuancorporation，naturalgasdesigndepartment，puyang，henan457001）Abstract：TheprocesssimulationofnaturalgasliquefactionwasusedbyHYSYS，andtherefrigeratprocessofthemixedrefrigerantionwasstudied.IntheengineeringbackgroundofanLNGplant，basedonthecharacteristicsoffeedgastoestablishdifferentliquefactionprocesscalculationmodel，analysisofmixedrefrigerantrefrigerationcurveunderdifferentpressureanddifferentratiooftheimpactonthenaturalgasliquefactionprocess，determinetheoptimummixingratioofrefrigeration.TherefrigerationtechnologyisappliedtoLNGplant，andprovidesantechnicalandreferenceofnaturalgasliquefactiontechnology.Keywords：naturalgasliquefaction；processsimulation；materialbalance；refrigerationpressure·187·云南化工YunnanChemicalTechnologyJun.2018Vol.45，No.62018年6月第45卷第6期2.2　混合冷剂配比[2，3]与原料气组分适应性研究冷箱换热过程近似等温差换热操作，其最理想的情况是制冷剂吸热曲线与合成放热曲线平行。通过在流程模拟中只改变氮气、丙烷摩尔分数，其他组分（甲烷、乙烷、异戊烷、乙烯）摩尔分数不变，定性分析组分变化在换热中的影响。通过分析氮气摩尔分数增加5%，丙烷减少5%，模拟了3组冷箱中温度与热流之间的关系。（a）氮气9%丙烷16%（b）氮气14%丙烷11%（c）氮气19%丙烷6%图3　冷箱中温度与热流关系图结果表明，在冷箱出口，冷热物流有5℃以上温差，但在中间及出口处发生多次交叉，最小温差达到-4.768℃，冷量在冷热物流中反复传递，须增加丙烷组分。2.3　复合制冷技术特点采用丙烷、乙烯制冷与氮气膨胀复合制冷工艺生产LNG，将LNG装置液化率由50%提高至99.6%，能耗较传统制冷方式降低5%。其工艺技术特点：1）混合制冷剂在换热器内的热交换过程是个变温过程，能与同样是混合组分的天然气相匹配，可保持换热器内较低的换热温差。2）混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充。3）工艺过程的自平衡能力强、操作简便，同时可适应不同原料气组分的变化。4）工艺流程简单，设备少，投资少，维护方便。3　结语利用HYSYS工艺模拟计算软件，进行液化装置的物料和热量平衡。以某LNG液化装置为工程背景，优选制冷剂，结合阶式制冷和膨胀制冷的特点，开发了丙烷、乙烯制冷与膨胀制冷复合LNG生产工艺技术，装置液化率达到99.6%；通过建立工艺模拟数值模型，优化混合冷剂配比，降低冷剂循环量，优化经济、合理液化率指标，形成适合中小规模装置的混合冷剂液化工艺技术；优选关键设备，掌握控制节点，对运行过程进行安全危险识别，为工程应用提供技术支撑。参考文献：[1]位雅莉.天然气液化工艺模拟与分析[D].西南石油学院,西南石油大学,2004.[2]曹乐.天然气液化工艺中多元混合制冷剂循环的模拟实验研究[D].华南理工大学,2012.[3]孙花珍.中小型天然气液化工艺流程选择及制冷剂配比研究[D].中国石油大学(华东),2014.收稿日期：2018-04-02作者简介：丁锋（1984-），男，陕西咸阳人，硕士，工程师，中石化中原石油工程设计有限公司天然气设计所，研方向：天然气处理、地面集输和化工仪控等方面的研究与设计。