摘要：混合冷剂天然气液化工艺是常用的天然气液化工艺流程，我国LNG技能起步较晚，仍缺少关于该流程的优化规划和模仿核算研讨。针对进厂质料天然气组分在不同温度、压力下进行液化率核算，挑选配比冷剂组成，完成了闭式冷剂天然气液化工艺的模仿，完成了进厂天然气的净化和液化，并核算剖析了冷剂紧缩前后压力和LNG产品贮存压力对收率和能耗的影响。
关键词：天然气液化；工艺流程；模仿
中图分类号：TE624文献标识码：A文章编号：1671-0460（2015）07-1645-03
SimulationandCalculationofGas
LiquefactionProcessWithMixedRefrigerant
PANGBo-xue1，FANGLi2，FANEn-qing1，LIUTian-yuan1，DONGHao-lei1
（1.NortheastPetroleumUniversity，HeilongjiangDaqing163000，China；
2.KaramayXinkeaoPetroleumTechnologicalCo.，Ltd.，XinjiangKaramay834000，China）
Abstract：Mixedrefrigerantliquefactionprocessisacommontypeofnaturalgasliquefactionprocess.ThedevelopmentofLNGtechnologyinChinaislate.Optimizationdesignandsimulationstudyoftheprocessarestilllacking.Inthispaper，liquefactionrateoftypicalnaturalgascomponentsunderdifferenttemperatureandpressurewascalculated，therefrigerantformulawasscreenedout，andthedesignofclosedmixedrefrigerantgasliquefactionprocesswascompleted.Purificationandliquefactionofrawnaturalgaswereaccomplished.Theimpactofhighandlow-pressurerefrigerantandthepressureofstoragecontaineronliquefactionrateandenergyconsumptionwascalculatedandanalyzed.
Keywords：LNG；Process；Simulation
近年来，液化天然气作为一门新兴产业，因其对天然气贮存和运送的特有优势得到了迅速发展，各动力大国均已开始致力于LNG技能的工艺研讨。我国在天然气液化工艺技能领域起步较晚，与欧洲和北美等发达国家尚有差距[1]，关于天然气液化设备的工艺流程规划和模仿核算研讨较少。
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，经过在工艺设备中蒸腾、节省膨胀等进程取得低温进入冷却设备与质料气换热，到达对天然气液化的目的[2]。HYSYS作为油气处理核算仿真软件，在储运、化工等领域得到了广泛应用。国内李士富等人应用HYSYS软件对部分世界上典型的天然气液化处理工艺建立模型，为广阔石化工作者供给了HYSYS模仿学习基础[3]。本文在学习参阅前人建立的核算模型的基础上，针对质料天然气物性组成，对混合冷剂天然气液化流程进行工艺参数优化规划和LNG贮存压力、制冷剂紧缩前后压力优选的模仿核算，为工艺流程规划和出产参数的优化供给理论指导，具有学术理论和工程实践意义[4]。
1质料气及混合冷剂组成
质料天然气及该次核算的混合冷剂成分组成如表1所示。质料天然气中含有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，冷剂工质液体蒸腾温度由冷剂组分决议，经过合理挑选冷剂组成，可使天然气与冷剂物流到达较好的换热条件。
表1质料天然气及混合冷剂组成
Table1Thecompositionoffeedgasandmixedrefrigerant
组分 质料天然气组成，% 混合冷剂组成，%
CH4 78.00 33.00
C2H6 8.20 35.00
C3H8 7.10 24.00
C4H10 1.82 6.00
N2 0.58 2.00
CO2 4.30 -
对该组成天然气进行物性核算，得到各温度与压力下对应的天然气液化率曲线如图1。经过该曲线可以看出：若要使该组分质料天然气在容器压力500kPa以下彻底液化，制冷温度至少要到达-150℃，该压力液化率到达60%的制冷温度约为-140℃。关于天然气彻底液化或部分液化方案的挑选，以及制冷设备的温度、压力控制，要结合LNG接纳储槽规划和流程各设备能耗的经济性目标归纳鉴定[5]。
图1质料气各温度压力下液化率曲线
Fig.1Liquefactionratecurveoffeedgasundervarioustemperatureandpressure
2混合制冷剂天然气液化工艺流程核算模型
本次核算挑选闭式流程，冷剂循环与质料气液化进程互相分开，核算挑选Peng-Robinson状态方程。核算模仿的闭式混合冷剂天然气液化流程如图2所示，由混合冷剂制冷循环和质料天然气冷却流程和两大部分构成。该流程主要由分子筛干燥器、冷箱、冷剂别离器、节省阀、混合器、冷剂循环紧缩机、水冷器和LNG别离器组成。
2.1混合冷剂制冷循环
2.1.1混合冷剂紧缩增压流程
经配比后的混合冷剂（16℃，140kPa）首先进入冷剂循环紧缩机进行一级紧缩，增压后的物流8（282℃，8840kPa）进入水冷器-100冷却。物流9（50℃，900kPa）再次经紧缩机进行二级紧缩，加压后的物流10（150℃，冷库工程3398kPa）进入水冷器-101进行二次冷却，物流12（29℃，3378kPa）打入冷剂别离器-100进行液气别离。
2.1.2混合冷剂暖流流程
冷剂别离器-100罐顶别离出的气相物流13（29℃，3378kPa）作为暖流进入大冷箱1，出流14（10℃，3378kPa）进入别离器-101进行别离；别离器-100罐底液相物流15（29℃，3378kPa）进入大冷箱1进行换热后，出流16（10℃，3358kPa）经过节省阀-104降压，物流17（-50℃，300kPa）进入别离器-106。
别离器-101罐顶气相出流18（10℃，3358kPa）作为暖流进入大冷箱2，出流19（-37℃，3338kPa）进入别离器-102。别离器-101罐底液相出流20（10℃，3358kPa）进入大冷箱2换热后，出流21（-40℃，3338kPa）经过节省阀-101，降压后的物流22（-75℃，300kPa）进入别离器-105。
别离器-102罐顶气相出流23（-37℃，3338kPa）作为暖流进入大冷箱3，出流24（-100℃，3318kPa）进入三股流小冷箱3继续换热。别离器-102罐底液相出流28（-37℃，3338kPa）经大冷箱3换热后，物流29（-100℃，3318kPa）经节省阀-102降压至200kPa后，进入别离器-104。
2.1.3混合冷剂冷流流程
小冷箱出流25（-170℃，3318kPa）经节省阀-103降压至300kPa后作为冷流进入小冷箱对质料气制冷。出流27（-134.9℃，280kPa）与前述降压后的大冷箱3出流30（-110℃，280kPa）一起进入别离器-104别离后，经混合器-100混合，得到物流31（-120.9℃，280kPa），作为冷流进入大冷箱3对质料气制冷。出流32（-65℃，240kPa）与前述降压后的大冷箱2出流22（-75℃，300kPa）一起进入别离器-105别离后，进入混合器-101混合，得到物流33（-85.75℃，180kPa），作为冷流进入大冷箱2对质料气制冷。同样地，出流34（-15.72℃，160kPa）与前述降压后的大冷箱1出流17一起进入别离器-106别离后，经混合器-102混合，得到物流35（-56.74℃，160kPa），作为冷流进入大冷箱1对质料气制冷。
大冷箱1出流36（16℃，140kPa）与混合冷剂物流一致，打入循环进入一级紧缩机紧缩。
至此，闭式混合冷剂循环完成。
2.2质料天然气液化流程
质料天然气物流（35℃，5500kPa）先进入分子筛干燥器脱除CO2。净化后的天然气（35℃，5490kPa）进入四股流大冷箱1进行冷却换热，大冷箱1出流2（10℃，5470kPa）进入大冷箱2进行二级冷却，大冷箱2出流3（-37℃，5450kPa）进入大冷箱3进行三级冷却，大冷箱3出流4（-90℃，5430kPa）经节省阀-100节省降压。物流5（-160℃，200kPa）进入小冷箱进行深度冷却，冷却后的质料物流6（-175℃，180kPa）终究进入LNG别离器进行别离，罐顶别离出气相物流（-175℃，180kPa），罐底得到LNG产品（-175℃，180kPa）进储罐贮存。
至此，质料天然气液化完成。
图2混合冷剂天然气液化工艺流程
Fig.2Mixedrefrigerantgasliquefactionprocess
3紧缩前冷剂压力对液化工艺的影响
对该混合冷剂天然气液化工艺流程模仿核算，得到紧缩前冷剂压力对流程的比功耗、液化率的影响，如图3所示。
图3紧缩前冷剂压力对液化率和比功耗的影响
Fig.3Theimpactoflow-pressureofrefrigerant
该液化工艺流程核算制冷剂紧缩前压力规模为0.08～0.98MPa。跟着制冷剂紧缩前压力的添加，紧缩机压比减小，紧缩机功耗应随之下降，但由于制冷剂供给的冷量削减，制冷负荷相应下降，然后致使液化率下降。制冷剂单位制冷量削减，为了维持冷箱热量平衡，天然气取得的冷量下降，温度升高。若低压压力过高，致使深冷冷箱冷量缺乏，冷暖流体之间的温差将削减；若低压压力继续升高，将会导致冷箱出现温度穿插而不能到达工艺要求。制冷剂紧缩前压力的升高终究导致流程比功耗的添加和液化率的下降，故制冷剂紧缩前压力不可过高。
4紧缩后冷剂压力对液化工艺的影响
对该混合冷剂天然气液化工艺流程模仿核算，得到紧缩后冷剂压力对流程的比功耗、液化率的影响，如图4所示。该液化工艺流程核算制冷剂经紧缩机紧缩后压力规模为3.2～8.1MPa。跟着紧缩机出口压力的添加，紧缩机功耗添加，天然气取得的冷量随之添加，液化率上升；同时制冷剂返回紧缩机的温度下降，会下降紧缩机功耗。
图4紧缩后冷剂压力对液化率和比功耗的影响
Fig.4Theimpactofhigh-pressureofrefrigerant
但紧缩后压力升高导致紧缩机功耗添加的起伏，大于温度下降带来的紧缩机功耗下降起伏，所以终究流程比功耗上升。归纳天然气液化率和流程总功耗的一起作用，该混合冷剂制冷流程的比功耗呈现出先下降后上升的趋势。
在制冷剂紧缩后压力低于5.3MPa时，跟着紧缩压力下降，冷剂给流程供给的冷量下降，液化率急剧下降，比功耗下降趋势明显。当紧缩后压力高于5.3MPa时，跟着制冷剂紧缩后压力的升高，液化率和比功耗均上升。
5LNG贮存压力对液化工艺的影响
LNG贮存压力即别离器底端液相出口终究得到的液化天然气产品压力，该压力直接影响质料天然气的液化率以及冷剂循环进程的能耗。依据本文第一部分对该组分天然气液化物性核算结果，保持LNG液化工艺终温-175℃不变，改变LNG产品贮存压力，核算得到各贮存压力对应的LNG收率以及总能耗曲线如图5。
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