天然氣混合制冷液化流程模擬模板

天然氣混合制冷液化步驟模擬摘要混合制冷劑天然氣液化工藝是現在應用最廣泛液化工藝。本文在分析天然氣液化裝置中常見混合制冷劑液化循環(huán)多個基礎工藝基礎上，依據天然氣和混合制冷劑熱物性特點，選擇了PR（Peng-Robinson）方程來計算這兩種混合物相平衡特征。利用HYSYS軟件研究了混合制冷劑步驟冷箱制冷部分，建立了冷箱模擬計算模型，研究了混合制冷劑組分對液化過程影響。關鍵詞:混合制冷液化循環(huán)；步驟模擬；HYSYS；冷箱SimulationofMixedRefrigerantCycleforNaturalGasLiquefactionAbstractTheMixed-RefrigerantCycle(MRC)isthemostwidelyusedliquefactionprocessnowadays.SeveralMRCcyclesforLiquefiedNaturalGas(LNG)productionwereanalyzedinthispaper,--Basedonthethermodynamicpropertiesofnaturalgasandmixed-refrigerant,thePeng-Robinson(PR)equationwasselectedtocalculatethephaseequilibrium.ThecoldboxintheliquefactioncyclewassimulatedbyusedHYSYSsoftware,themodelwasestablishedandthecomponentsofthemixedrefrigerantinfluenceonliquefactionprocesswerestudied.Keywords:MRC;simulation;HYSYS;coldbox目錄第1章前言 11.1工業(yè)背景和研究意義 11.1.1世界液化天然氣工業(yè)發(fā)展 21.1.2中國液化天然氣工業(yè)發(fā)展 21.2中國外研究現實狀況 41.3研究內容 5第2章混合制冷液化步驟 62.1混合制冷液化步驟 62.2混合制冷劑液化步驟分類 62.2.1閉式混合制冷劑液化步驟 62.2.2開式混合制冷劑液化步驟 82.2.3丙烷預冷混合制冷劑液化步驟 92.2.4CII液化步驟 122.2.5新型兩級混合制冷劑液化步驟 14第3章冷箱 163.1冷箱介紹 163.2冷箱技術關鍵 163.2液化天然氣領域冷箱應用 16第4章天然氣液化步驟模擬軟件 194.1HYSYS介紹 194.2HYSYS中各個模塊性質和原理 204.2.1氣液分離器 204.2.2殼管式換熱器 214.2.3LNG換熱器 244.2.4閥門 264.3HYSYS實際應用 26第5章天然氣液化步驟模擬 285.1概述 285.2液化步驟模擬步驟 285.2.1輸入條件 285.2.2步驟搭建 305.3步驟模擬計算 335.3.1收斂計算 335.3.2制冷劑組分對換熱影響 345.3.3結果分析 35第6章結論和展望 376.1結論 376.2展望 37參考文件 38致謝 39第1章前言1.1工業(yè)背景和研究意義天然氣作為一個清潔優(yōu)質燃料，是當今世界能源消耗中關鍵組成部分，其開發(fā)和利用已在全球受到普遍關注[1]。伴隨天然氣探明儲量增加，世界天然氣產量呈連續(xù)增加趨勢。近幾十年，天然氣在能源結構中百分比逐年穩(wěn)步上升。現在，天然氣消費量年平均增加率為2.2%，遠高于同期石油消費增加率0.8%。天然氣消費量增加帶動和促進了天然氣工業(yè)發(fā)展，現在，大家越來越多關心怎樣愈加好、更經濟地利用天然氣來服務于人類生活。液化天然氣就是天然氣利用一個方法。液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，簡稱LNG）是無色透明、無臭低溫液體，是在常壓下將天然氣冷凍至-162℃左右，由氣體變?yōu)橐簯B(tài)，它是天然氣經過凈化（脫水、脫CO2、H2將天然氣液化目標關鍵有以下多個方面[2-4]：（1）天然氣液化后便于進行經濟可靠運輸?，F在，天然氣資源分布不均衡，生產地和消費地常存在相當長距離，在不便敷設管道地域，用專門槽車、火車、輪船，將LNG運輸到銷售地，方便靈活，適應性強。（2）提升儲存效率和安全確保?？蓪崿F低壓儲存及使用，避免了壓縮天然氣（CNG）高壓（壓力20MPa）儲存及使用帶來威脅。（3）將天然氣液化，有利于城市符合調整。可將低負荷時多出天然氣液化后儲存，當用氣或用電高峰時，再將其氣化，能夠達成調整供需和應急目標。（4）液化天然氣突出優(yōu)點是環(huán)境效益顯著。液化天然氣作為汽車發(fā)動機燃料對大氣污染要比汽油少得多。基于以上LNG眾多優(yōu)點，能夠看出，發(fā)展液化天然氣（LNG）項目是現在世界能源發(fā)展時尚，在中國發(fā)展液化天然氣也是勢在所趨。1.1.1世界液化天然氣工業(yè)發(fā)展天然氣是一個很關鍵資源，它燃燒清潔，污染小，通常生產和輸送成本低廉，其儲量十分巨大。不過，天然氣產地往往遠離能源消耗區(qū)，這就需要經過某種方法將天然氣從氣田或資源國輸送至目標用戶。管道輸送是一個好輸送方法，但對于遠距離越洋運輸，現在還沒有成熟技術能夠建造深海長距離輸送管道，所以需要尋求其它方法。LNG是一個越洋大量輸送天然氣商業(yè)化技術。1964年9月27日，阿爾及利亞世界上第一座LNG工廠建成投產。同年，第一艘載著1噸LNG船駛往英國，標志著世界LNG貿易開始。1.1.2中國液化天然氣工業(yè)發(fā)展中國是能源和原材料生產大國，也是消費大國，人均占有資源量相對少。盡管有豐富中國天然氣資源和周圍國家可供利用天然氣資源，不過到現在為止，因為客觀原因，致使中國天然氣消費量在一次能源消費結構中僅占2%左右，而西方發(fā)達國家要占20%左右。伴隨中國國民經濟發(fā)展，尤其是對環(huán)境保護日益重視，天然氣需求量將快速增大。天然氣需求量增加肯定促進液化天然氣工業(yè)發(fā)展。中原油田為了將天然氣資源用于城市燃氣和汽車代用燃料，建造了中國第一座生產型液化天然氣裝置。新疆廣聚集團開始建設一座日處理天然氣量為150萬m3液化天然氣工廠。6月，國家發(fā)改委在《中國能源中長久發(fā)展計劃》基礎上制訂了《相關中國液化天然氣進口方案提議》?！短嶙h》中提出在廣東，福建，山東，浙江，上海，江蘇，遼寧，河北，天津，廣西等沿海地域建設若干LNG接收碼頭和輸氣干線?；A形成以LNG為主體沿海天然氣大通道，并適時和全國主干管網相連接。這標志著中國LNG進口工作全方面開啟，并將經過實施以市場換資源戰(zhàn)略推進石油企業(yè)走出去，進入國際石油天然氣資源地和LNG工業(yè)。多年來全球LNG生產和貿易日趨活躍，正在成為世界油氣工業(yè)新熱點。中國正處于天然氣工業(yè)發(fā)展黃金時期，伴隨更多城市使用更多天然氣，對液化天然氣(LNG)需求也有顯著增加。6月底，深圳大鵬LNG項目標投產，更是吹響了中國LNG事業(yè)全方面發(fā)展號角。同時國際LNG市場正由買方市場轉向賣方市場，但多年內仍處于買方市場，這也為中國發(fā)展LNG產業(yè)發(fā)明了良好外部資源條件。LNG產業(yè)發(fā)展對中國發(fā)展國民經濟，調整能源結構，改善環(huán)境質量，提升生活水平，促進經濟和環(huán)境協調發(fā)展含相關鍵意義!中國LNG工業(yè)應實施全球化，市場化，多元化和系統(tǒng)化發(fā)展戰(zhàn)略，以形成LNG和管道和海洋天然氣共同發(fā)展和石油資源互為補充格局。從而改善中國能源結構，保障國家能源安全!在未來部分年中，除了有數以百萬噸計LNG自海外進口，更多天然氣液化工廠和LNG末端裝置也會快速建設起來。總來說，中國LNG工業(yè)特點是起步晚、潛力大，寬廣市場和客觀經濟和社會效益為中國LNG工業(yè)發(fā)展提供了難得機遇。LNG已經成為一個關鍵不可替換能源，連續(xù)高速度發(fā)展歷程展示了它強大生命力。多年來，LNG基礎技術和天然氣液化、儲運裝置研究蓬勃發(fā)展。伴隨應用研究深入，LNG將有越來越廣泛得到應用。可是預言，中國LNG工業(yè)將會進入一個嶄新發(fā)展階段。我們LNG工業(yè)剛剛起步，未有成熟獨立設計、建造工廠經驗，只能引進國外配套設備和技術。不過因為國情和工廠設計規(guī)模等情況不通，往往使得引進天然氣液化步驟和提供崗位操作參數不合時宜，出現投資費用大、液化率低、功耗大情況。處理上述問題方法就是依據實際情況、利用本身特點優(yōu)選液化步驟及合理選擇操作參數?，F代工業(yè)規(guī)模天然氣液化（即LNG生產）技術通?？捎孟旅婵驁D表示為三部分，即原料氣預處理、液化和儲存三部分。圖1.1天然氣液化技術組成圖其中，液化步驟在整個LNG工廠中占相關鍵地位，實踐證實，在LNG工廠總投資中天然氣液化部分所占百分比大約為40%左右，研究液化工藝步驟含有現實意義和深遠社會和經濟效益，所以對液化步驟進行模擬設計和步驟參數分析顯得尤為關鍵，因為步驟模擬是過程系統(tǒng)工程中最基礎技術不管過程系統(tǒng)分析和優(yōu)化，還是過程系統(tǒng)綜合，全部是以步驟模擬為基礎。而合理地選擇參數不僅使模擬過程能夠順利進行，而且還會使模擬結果切實可行。1.2中國外研究現實狀況中國LNG工業(yè)剛剛起步，獨立設計、建造LNG裝置經驗較少。進行天然氣液化步驟理論分析和設計步驟相關鍵意義。國外從20世紀70年代開始，對LNG裝置液化步驟進行來設計、模擬和評價工作[5-6]。Shell企業(yè)針對基礎負荷型LNG裝置液化步驟最新發(fā)展，模擬計算了級聯式液化步驟、丙烷預冷混合制冷劑液化步驟、兩級混合制冷劑液化步驟和氮氣膨脹液化步驟，并分別分析了其優(yōu)劣[7]。1995年，Melaaen提出了簡化繞管式換熱器模型。在此基礎上，建立了基礎負荷型天然氣液化步驟動態(tài)仿真模型，并采取隱式DASSL進行了仿真計算，指出設計變量初值選擇對仿真計算收斂影響很大。1998年，Terry采取HYSYS軟件對經典調峰型天然氣液化步驟進行了模擬計算和優(yōu)化[8]。1997年，Kikkawa在現有設備基礎上，設計了新型混合制冷劑預冷、膨脹機液化步驟，并采取CHEMCAD=3\*ROMANIII軟件進行了模擬計算[9]。中國現在缺乏天然氣液化步驟設計調試經驗，在專用天然氣液化模擬軟件開發(fā)方面比較欠缺。20世紀90年代初，開始進行天然氣液化步驟理論發(fā)面研究，陳國邦、滕大振分析了調峰型LNG裝置液化步驟特點，對不一樣步驟及其使用條件進行了比較。1992年，郭東海對混合制冷劑天然氣液化步驟參數選定及優(yōu)化工作做了初步探討[10]。劉新偉針對煤層天然氣回收，提出了帶循環(huán)壓縮機氮膨脹液化步驟并進行了模擬計算。上海交通大學顧安忠教授領導課題組長久以來從事液化天然氣研究，盡管如此，中國在液化天然氣液化技術水平和應用范圍等方面和國外還是存在一定差距。從中國外研究發(fā)展情況能夠看出，不管國外還是中國，在建設LNG工廠時，首先要仔細分析多種液化步驟依據實際情況，經過模擬計算對步驟性能進行比較；然后優(yōu)選步驟方法，合理選擇步驟參數。該項工作在中國顯得尤為關鍵。伴隨液化天然氣工業(yè)在中國蓬勃發(fā)展，這項工作越來越受到大家重視，并提到研究日程。1.3研究內容在天然氣液化過程中，天然氣和混合制冷劑不僅是混合物，它們伴隨步驟中壓力、溫度不停改變，將會處于氣相、氣液平衡相和液相狀態(tài)，所以混合物相平衡計算理論是整個步驟物性計算基礎。本文針對天然氣和混合制冷劑組分特征，選擇了PR方程作為計算這兩類混合物相平衡方程。本文選擇模擬軟件HYSYS作為此次研究所使用關鍵模擬工具，介紹了HYSYS計算原理和方法，最終用HYSYS軟件對混合制冷劑液化循環(huán)冷箱部分進行模擬，以研究混合工質組分改變對LNG產品（也能夠說是初級LNG產品）溫度影響。第2章混合制冷液化步驟2.1混合制冷液化步驟1934年，美國波特北尼克提出了混合制冷劑液化步驟（MRC:MixedRefrigerantCycle）概念。以后，法國Tecknip企業(yè)佩雷特，具體描述了混合制冷劑液化步驟用于天然氣液化工藝過程。MRC是以C1和C3碳氫化合物及N2等五種以上多組分混合制冷劑為工質，進行逐層冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不一樣溫度水平制冷量，以達成逐步冷卻和液化天然氣目標。MRC既達成類似級聯式液化步驟目標，又克服了其系統(tǒng)復雜缺點。自20世紀70年代以來，對于基礎負荷型天然氣液化裝置，廣泛采取了多種不一樣類型混合制冷劑液化步驟。2.2混合制冷劑液化步驟分類混合制冷劑液化旅程還包含很多個類，如：閉式混合制冷劑液化步驟，開式混合制冷劑液化步驟，丙烷預冷混合制冷劑液化步驟等，下面我們就對上述多個步驟進行簡單介紹。2.2.1閉式混合制冷劑液化步驟圖2.1為閉式混合制冷劑液化步驟（ClosedMixedRefrigerantCycle）示意圖。在閉式液化步驟中，制冷劑和天然氣液化過程分開，自成一個獨立制冷循環(huán)。制冷劑通常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H12組成。這些組分全部能夠從天然氣中提取。液化步驟中天然氣依次流過四個換熱器后，溫度逐步降低，大部分天然氣被液化，最終節(jié)流后在常壓下保留，閃蒸分離產生氣體可直接利用，也可回到天然氣入口再進行液化。液化步驟中制冷劑經過壓縮機壓縮至高溫高壓后，首先用水進行冷卻，然后進入氣液分離器，氣液相分別進入換熱器1。液體在換熱器1中過冷，再經過節(jié)流閥節(jié)流降溫，和后續(xù)步驟返流氣混合后共同為換熱器1提供冷量，冷卻天然氣、氣態(tài)制冷劑和需過冷液態(tài)制冷劑。氣態(tài)制冷劑經換熱器1冷卻后進入閃蒸分離器分離成氣相和液相，分別流入換熱器2，液體經過冷和節(jié)流降壓降溫后，和返流氣混合為換熱器2提供冷量，天然氣深入降溫，氣相流體也被部分冷凝。換熱器3中換熱過程同換熱器1和2。制冷劑在換熱器中被冷卻后，在換熱器4中進行過冷，然后節(jié)流降溫后返回該換熱器，冷卻天然氣和制冷劑。在混合制冷劑液化步驟換熱器中，提供冷量混合工質液體蒸發(fā)溫度隨組分不一樣而不一樣，在換熱器內熱交換過程是個變溫過程，經過合理選擇制冷劑，可使冷熱流體間換熱溫差保持比較低水平。圖2.1閉式混合制冷劑液化步驟示意圖2.2.2開式混合制冷劑液化步驟圖2.2開式混合制冷劑液化步驟示意圖圖2.2為開始混合制冷劑液化步驟（OpenMixedRefrigerantCycle）示意圖。在開式液化步驟中，天然氣既是制冷劑，又是需要液化對象。原料天然氣經凈化后，經壓縮機壓縮后達成高溫高壓，首先用水冷卻，然后進入氣液分離器，分離掉重烴，得到液體經第一個換熱器冷卻并節(jié)流后，和返流氣混合后為第一個換熱氣提供冷量。第一個分離器產生氣體經過第一個換熱器冷卻后，進入第二個氣液分離器。產生液體經第二個換熱器冷卻并節(jié)流后，和返流氣混合為第二個換熱器提供冷量。第二個氣液分離器產生氣體經第二個換熱器冷卻并節(jié)流后，為第三個換熱器提供冷量。第三個氣液分離器產生氣體經第三個換熱器冷卻并節(jié)流后，進入氣液分離器，產生液體進入液化天然氣儲罐儲存。2.2.3丙烷預冷混合制冷劑液化步驟圖2.3丙烷預冷混合制冷劑液化步驟示意圖混合制冷劑循環(huán)；b)丙烷預冷循環(huán)丙烷預冷混合制冷劑液化步驟（C3/MRC:Propane-MixedRefrigerantCycle），結合了級聯式液化步驟和混合制冷劑液化步驟優(yōu)點，步驟既高效又簡單。所以，自20世紀70年代以來，這類液化步驟在基礎負荷型天然氣液化裝置中得到了廣泛應用?，F在世界上80%以上基礎負荷型天然氣液化裝置中，采取了丙烷預冷混合制冷劑液化步驟。圖2.3是丙烷預冷混合制冷劑循環(huán)液化天然氣步驟圖。步驟由三部分組成：=1\*GB3①混合制冷劑循環(huán)；=2\*GB3②丙烷預冷循環(huán)；=3\*GB3③天然氣液化回路。在此液化步驟中，丙烷預冷循環(huán)用于預冷混合制冷劑和天然氣，而混合制冷劑用于深冷和液化天然氣?；旌现评鋭┭h(huán)圖2.3a所表示，混合制冷劑經兩級壓縮機壓縮至高壓，首先用水冷卻，帶走一部分熱量，然后經過丙烷預冷循環(huán)預冷，預冷后進入氣液分離器分離成液相和氣相，液相經第一換熱器冷卻后，節(jié)流、降溫、降壓，和返流混合制冷劑混合后，為第一個換熱器提供冷箱，冷卻天然氣和從分離器出來氣相和液相兩股混合制冷劑。氣相制冷劑經第一換熱器冷卻后，進入氣液分離器分離成氣相和液相，液相經第二個換熱器冷卻后節(jié)流、降溫、降壓，和返流混合制冷劑混合后，為第二個換熱器提供冷量，冷卻天然氣和從分離器出來氣相和液相兩股混合制冷劑。從第二個換熱器出來氣相制冷劑，經第三換熱器冷卻后，節(jié)流、降溫后進入第三換熱器，冷卻天然氣和氣相混合制冷劑。丙烷預冷循環(huán)圖2.3b所表示，丙烷預冷循環(huán)中，丙烷經過三個溫度級換熱器，為天然氣和混合制冷劑提供冷量。丙烷經壓縮機壓縮至高溫高壓，經冷卻水冷卻后流經節(jié)流閥降溫降壓，再經分離器產生氣液兩相，氣相返回壓縮機，液相分成兩部分，一部分用于冷卻天然氣和制冷劑，另一部分作為后續(xù)步驟制冷劑。在混合制冷劑液化步驟中，天然氣首先經過丙烷預冷循環(huán)預冷，然后流經各換熱器逐步被冷卻，最終經圖2.3a中節(jié)流閥4進行降壓，從而使液化天然氣在常壓下儲存。圖2.4為空氣產品企業(yè)APCI設計丙烷預冷混合制冷劑循環(huán)液化天然氣步驟[13]。在空氣產品企業(yè)設計液化步驟中，天然氣先經過丙烷預冷，然后用混合制冷劑深入冷卻并液化。低壓混合制冷劑經兩級壓縮機壓縮后，先用水冷卻，然后流經丙烷換熱器深入降溫至約-35℃，以后進入氣液分離器分離成氣、液兩相。生成液體在混合制冷劑換熱器溫度較高區(qū)域（熱區(qū)）冷卻后，經節(jié)流閥降溫，并和返流氣相流體混合后為熱區(qū)提供冷量。分離器生成氣相流體，經混合制冷劑換熱器冷卻后，節(jié)流降溫為冷區(qū)提供冷量，以后和液相流混合為熱區(qū)提供冷量?；旌虾蟮蛪夯旌现评鋭┻M入壓縮機壓縮。圖2.4APCI丙烷預冷混合制冷劑循環(huán)液化天然氣步驟示意圖在丙烷預冷循環(huán)中，從丙烷換熱器來高、中、低壓丙烷，用一個壓縮機壓縮，壓縮后先用水進行預冷，然后經節(jié)流降溫、降壓后，為天然氣和混合制冷劑提供冷量。這種液化步驟操作彈性很大。當生產能力降低時，經過改變制冷劑組成及降低吸入壓力來保持混合制冷劑循環(huán)改變時，可經過調整混合制冷劑組成及混合制冷劑壓縮機吸入和排出壓力，也能使天然氣高效液化。2.2.4CII液化步驟天然氣液化技術發(fā)展要求液化循環(huán)含有高效、低能耗、低成本、可靠性好、易操作等特點。為了適應這一發(fā)展趨勢，法國燃氣企業(yè)研究部門開發(fā)了新型混合制冷劑液化步驟，即整體結合式級聯型液化步驟（IntegralIncorporatedCascade），簡稱CII液化步驟。CII液化步驟吸收了國外LNG技術最新發(fā)展結果，代表天然氣液化技術發(fā)展趨勢。在上海建在CII液化步驟是中國第一座調峰型天然氣液化裝置中采取步驟。CII液化步驟圖2.5所表示，該液化步驟關鍵設備包含混合制冷劑壓縮機、混合制冷劑分餾設備和整體式冷箱三部分。整個液化步驟可分為天然氣液化系統(tǒng)和混合制冷劑循環(huán)兩部分。圖2.5CII液化步驟示意圖在天然氣液化系統(tǒng)中，預處理后天然氣進入冷箱12上部被預冷，在氣液分離器13中進行氣液分離，氣相部分進入冷箱12下部被冷凝和過冷，最終節(jié)流至LNG儲罐。在混合制冷劑循環(huán)中，混合制冷劑是N2和C1~C5烴類混合物。冷箱12出口低壓混合制冷劑蒸汽被氣液分離器1分離后，被低壓壓縮機2壓縮至中間壓力，然后經冷卻器3部分冷凝后進入分餾塔8?；旌现评鋭┓逐s后分成兩部分，分餾塔底部重組分液體關鍵含有丙烷、丁烷和戊烷，進入冷箱12，經預冷后節(jié)流降溫，再返回冷箱上部蒸發(fā)制冷，用于預冷天然氣和混合制冷劑；分餾塔上部輕組分氣體關鍵成份是氮、甲烷和乙烷，進入冷箱12上部被冷卻并部分冷凝，進氣液分離器6進行氣液分離，液體作為分餾塔8回流液，氣體經高壓壓縮機4壓縮后，經水冷卻器5冷卻后，進入冷箱上部預冷，進氣液分離器7進行氣液分離，得到氣液兩相分別進入冷箱下部預冷后，節(jié)流降溫返回冷箱不一樣部位為天然氣和混合制冷劑提供冷量，實現天然氣冷凝和過冷。CII步驟含有以下特點：（=11）步驟精簡、設備少。CII液化步驟出于降低設備投資和建設費用考慮，簡化了預冷制冷機組設計。在步驟中增加了分餾塔，將混合制冷劑分餾為重組分（以丁烷和戊烷為主）和輕組分（以氮、甲烷、乙烷為主）兩部分。重組分冷卻、節(jié)流降溫后返流，作為冷源進入冷箱上部預冷天然氣和混合制冷劑；輕組分氣液分離后進入冷箱下部，用于冷凝、過冷天然氣。（2）冷箱采取高效釬焊鋁板翅式換熱器，體積小，便于安裝。整體式冷箱結構緊湊，分為上下兩部分，由經過優(yōu)化設計高效釬焊鋁板翅式換熱器平行排列，換熱器面積大，絕熱效果好。天然氣在冷箱內由環(huán)境溫度冷卻至-160℃左右液體，降低了漏熱損失，并很好地處理了兩相流體分布問題。冷箱以模塊化型式制造，便于安裝，只需在施工現場對預留管路進行連接，降低了建設費用。（3）壓縮機和驅動機型式簡單、可靠、降低了投資和維護費用。2.2.5新型兩級混合制冷劑液化步驟丙烷預冷天然氣液化步驟含有功耗低有點，不過因為該液化步驟采取單獨丙烷循環(huán)預冷天然氣，步驟復雜，設備數量較多；膨脹機液化步驟簡便，設備緊湊，不過功耗偏高。出于簡化步驟設備和確保步驟效率考慮，本研究中結合目前天然氣液化步驟追求簡便、高效發(fā)展趨勢，綜合考慮了丙烷預冷混合制冷劑液化步驟、單級混合制冷劑液化步驟，和整體級聯式液化步驟等多個混合制冷劑液化步驟技術特點，提出了新型兩級混合制冷劑液化步驟。新型兩級混合制冷劑液化步驟圖2.6所表示?；旌现评鋭┯傻?、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷和異戊烷組成。該步驟包含制冷劑循環(huán)和天然氣循環(huán)兩部分。制冷循環(huán)以下：來自冷箱制冷劑低壓氣體進入低壓壓縮機A1，經冷卻器冷卻后進入預冷換熱器A4，冷卻降溫使部分高沸點組分凝結后，進入氣液分離器A3。分離出來液體制冷劑經節(jié)流閥A5節(jié)流降溫，和來自主換熱器A7返流低壓氣體匯合，作為預冷換熱器A4冷源；分離出氣體制冷劑被高壓壓縮機A2壓縮至高壓，經預冷換熱器A4降溫后，和來自過冷換熱器A9低壓制冷劑匯合，返回主換熱器A7提供冷量；氣相經主換熱器A7和過冷換熱器A9冷凝和過冷后，經節(jié)流閥A10節(jié)流降溫后，返流為過冷換熱器A9提供冷量。預處理后天然氣經預冷換熱器A4預冷后，進入主換熱器A7繼續(xù)冷卻，然后進入氣液分離器A11脫除已凝結重烴組分。重烴返流回預冷換熱器A4提供部分冷量，天然氣中輕組分則繼續(xù)進入主換熱器A7和過冷換熱器A9冷凝和過冷，最終經節(jié)流閥A12節(jié)流降壓后注入LNG儲罐[12]。圖2.6新型兩級混合制冷劑液化步驟示意圖第3章冷箱3.1冷箱介紹冷箱在中國最先關鍵是用于乙烯制冷工藝中乙烯冷箱，冷箱是一個換熱器組裝后形式，它能夠是多個換熱器組合。通常為了避免現場工作量，大容積裝置換熱器是在制造廠完成，組裝成冷箱。3.2冷箱技術關鍵冷箱實際上是鋁板翅式換熱器加上鋼殼保溫箱。關鍵部分是鋁板翅式換熱器，設計和制造難點亦集中于此。多股持壓物流在其中按化工工藝條件和參數進行復雜、有相變換熱過程，其操作溫度通常為+30℃～-170℃，最高操作壓力約為5Mpa。技術關鍵有三個方面：1.正確、精密板翅式換熱器單元設計；2.專用制造技術和嚴謹工藝程序；3.嚴格質量監(jiān)控和優(yōu)異測試技術[14]。3.2液化天然氣領域冷箱應用混合制冷劑液化步驟中，冷箱應用也有很多，其外形圖3.1所表示，內部結構圖3.2所表示：圖3.1混合制冷劑冷箱圖3.2冷箱內部結構現在中國東海調峰型天然氣液化裝置和新疆廣匯液化天然氣工程均采取冷箱作為液化單元。步驟圖3.3和3.4所表示。圖3.3即為CII液化步驟，在前面2.2.4中已經有介紹。圖3.3東海調峰型天然氣液化裝置圖3.4新疆廣匯液化天然氣工程冷箱及制冷劑循環(huán)系統(tǒng)部分工藝步驟示意圖第4章天然氣液化步驟模擬軟件4.1HYSYS介紹ASPEN出品HYSYS是一個化工步驟模擬動態(tài)仿真軟件，是一款環(huán)境模擬設計軟件，許可設計者經過概念上設計而簡化制作過程來完成項目工作。完整交互性能充足發(fā)揮你發(fā)明力。該軟件分動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大部分。用于過程和設備模擬、分析、設計、優(yōu)化及開停車指導、動態(tài)仿真培訓、設計優(yōu)異控制系統(tǒng)等。ASPEN企業(yè)創(chuàng)建于1976年，是世界上最早開拓石油、化工方面工業(yè)模擬、仿真技術跨國企業(yè)。其技術廣泛應用于石油開采、儲運、天然氣加工、石油化工、精細化工、制藥、煉制等領域。它在世界范圍內石油化工模擬、仿真技術領域占主導地位。HYSYS軟件和同類軟件相比含有很好操作界面，方便易學，軟件智能化程度高。另外HYSYS還有著以下部分特點：（1）集成式工程環(huán)境HYSYS使用了面向目標新一代編程工具，實現了集成式工程模擬軟件。在這種集成系統(tǒng)中，步驟、單元操作是相互獨立。步驟只是多種單元操作這種目標集合，單元操作之間靠步驟中物流發(fā)生聯絡。在工程設計中穩(wěn)態(tài)和動態(tài)使用同一個目標，然后共享目標數據，不須進行數據傳輸。從而得到最大效益，對復雜工藝步驟分成多個部分模擬。因為其小步驟分析方便，速度快，且對不一樣體系采取不一樣熱力學方法以取得更正確結果。其集成式工程環(huán)境能在一個模擬環(huán)境中將步驟分為若干個子步驟，可大可小。獨到之處是子步驟、主步驟之間數據相互共享，不須傳輸。它們之間還能夠采取不一樣物性計算包。（2）動態(tài)模擬功效動態(tài)模擬方法及過程是步驟穩(wěn)態(tài)模擬收斂后，首先定義單元操作動態(tài)數據(如分離器幾何尺寸、液位高度等)，安裝控制儀表，然后就能夠進入動態(tài)，開始動態(tài)模擬。動態(tài)模擬過程中，能夠隨時調整溫度、壓力等多種工藝變量(這就是WINDOWS多任務)，觀察它們對產品影響和改變規(guī)律。還能夠隨時停下來，轉回靜態(tài)。因為動態(tài)和靜態(tài)是相同對象共享，所以動靜之間轉換很輕易。HYSYS提供了PID控制器、傳輸函數發(fā)生器、數控開關、變量計算表等進行動態(tài)模擬控制單元。（3）事件驅動加物性計算包等HYSYS提供了一組物性計算包，其基礎數據經過嚴格校驗，包含16000個交互作用參數和1500個純物質數據。為實現復雜工藝步驟模擬提供了基礎。將模擬技術和完全交互操作方法結合，使HYSYS取得成功。而利用面向目標技術使HYSYS這一交互方法提升到一個更高層次，即事件驅動。在研究方案時，需要將很多工藝參數放在一張表中。當改變一個或多個變量時，另部分也要隨之改變，算出結果也要在表中自動刷新。另外HYSYS還提供了數據回歸包，內置人工智能等功效。為我們驗證方案提供了很好試驗平臺。HYSYS軟件以其高效、正確模擬特征贏得了廣泛好評，得到天然氣行業(yè)內高度認可。基于HYSYS這些特點，所以本文選擇使用HYSYS作為進行研究模擬工具。4.2HYSYS中各個模塊性質和原理本文中是用HYSYS進行關鍵是制冷系統(tǒng)模擬，利用模擬設備關鍵包含:壓縮機、LNG換熱器、殼管式換熱器、節(jié)流閥等。下面我們來分別介紹一下HYSYS中以上模塊特點。4.2.1氣液分離器模擬軟件HYSYS中氣液分離器圖4.1所表示：圖4.1HYSYS中氣液分離器注：“3”是經過初步冷卻天然氣，“2”是經分離器后氣相組分，即輕組分，“1”是經分離器后液相組分，即重烴。氣液分離器是液化步驟中一個關鍵設備。步驟中氣液分離器分離出液相冷卻后，進入節(jié)流閥產生溫降，為換熱器提供冷量，分離出氣相，為后續(xù)步驟提供制冷劑。(4.1)(4.2)(i=1,2,3N)(4.3)(i=1,2,3N)(4.4)物流在氣液分離器中經歷是一個等溫等壓閃蒸過程，式（4.1）至（4.4）分別為物料平衡、能量平衡和相平衡關系式，可利用HYSYS軟件中閃蒸計算程序進行求解，得到物流經氣液分離器后氣相流量、氣相摩爾分率、液相流量和液相摩爾分率，還能夠深入得出氣液相焓值和熵值。4.2.2殼管式換熱器模擬軟件HYSYS中壓縮機圖4.2所表示：圖4.2HYSYS中殼管式換熱器HYSYS中換熱器能夠進行雙向能量和質量計算，其計算是基于冷流體和熱流體能量守恒。換熱器計算很靈活，能解出溫度、壓力、熱流量(包含熱損失和熱泄露)，質量流量或綜合換熱系數等參數。其實，熱泄漏就是環(huán)境中熱量泄漏到換熱器冷端，造成冷端溫度升高。熱損失就是換熱器熱端熱量泄漏到環(huán)境中去，造成了熱端溫度降低。（1）總熱傳熱系數UA值在換熱器殼側和管側總換熱量(換熱器功率)能夠根據總換熱系數、總換熱面積和對數平均溫差來確定：(4.5)式中，U為總換熱系數，A為總換熱面積，ΔTLM為對數平均溫差(LMTD)，Ft為LMTD修正因子。出于方便考慮，換熱系數和換熱面積常常合并為一個變量，這就是UA。（2）換熱器換熱模式在HYSYS中用戶能夠選擇模擬中換熱器所用到換熱模式，一共有四種換熱模式能夠選擇:=1\*GB3①末端點分析設計模式；=2\*GB3②理想權重設計模式(F=1)；=3\*GB3③穩(wěn)態(tài)參數方法；=4\*GB3④用于動態(tài)模擬動態(tài)參數方法。下面我們關鍵介紹前三種模式：=1\*GB3①換熱器設計端點模式(EndPointModel)換熱器設計端點模式是基于標準換熱器功率方程，依據總傳熱系數，總換熱面積和對數平均溫度差來確定。其關聯式參見式(4.5)。該模式存在兩個假定：a.總傳熱系數U為一個常數；b.殼側和管側流體比熱是一個常數。端點模式中，換熱器兩側熱曲線是線性。對于沒有相變且q是一個常數時簡單問題，利用該模式模擬換熱器己經足夠了。對于非線性熱流動問題則要利用權重模式。當選中端點模式時能夠從HYSYS中得到參數見表4.1：表4-1換熱器選中端點模式時得到參數參數描述管側和殼側△P(壓力降)此處能夠確定換熱器管側和殼側壓力降，假如用戶不確定△P值，則HYSYS依據上下游流體壓力計算該值。UA為總換熱系數和總換熱面積乘積，換熱器功率正比于對數平均溫差，UA為百分比因數。UA能夠由用戶確定或由HYSYS計算出來eq\o\ac(○,2)換熱器設計權重模式(weightedmodel)權重模式是處理非線性熱曲線問題很好一個模式，比如換熱器一側或兩側純組分發(fā)生相變情況。在權重模式中，熱曲線斷成一段段間隔線，沿著每斷間隔線全部有能量平衡。熱曲線每一段中對數平均溫差(LMTD)和UA全部能計算出來，而且加在一起計算換熱器總UA。只有在逆流換熱器中才有權重模式，這種模式肯定是一個能量和質量平衡模式。換熱器幾何結構對于修正因子F,影響在權重模式下不予考慮。eq\o\ac(○,3)穩(wěn)態(tài)參數模型(SteadyStateRating)穩(wěn)態(tài)模型就是合并了參數計算一個端點模型擴展形式，其假設基礎和端點模型是完全一致。假如用戶能夠提供換熱器具體幾何信息，那么能夠使用這種模型進行模擬。正如其名稱，這種模型只適適用于穩(wěn)態(tài)過程。在處理線性或近似線性熱曲線問題時，能夠使用穩(wěn)態(tài)參數模型。因為求解器包含了這種參數模型，穩(wěn)態(tài)參數模型比動態(tài)參數模型計算速度愈加快。對于端點模式和權重模式，用戶能夠確定換熱器是否經歷熱泄漏或熱損失。（3）換熱器中壓力降換熱器壓力降能夠由以下三個方法之一來確定：=1\*GB3①用戶給出壓力降；=2\*GB3②依據換熱器幾何特征和組成計算壓力降；=3\*GB3③經過確定k值方法定義換熱器中壓力流量關系。假如在換熱器決定壓力降時選中壓力流量選項，則k值使得經過換熱器摩擦壓力降和流量產生聯絡，此關系以下面方程所表示：(4.6)總流量方程使用經過換熱器壓力降，沒有任何靜壓頭作用。P1-P2定義為摩擦壓力損失。4.2.3LNG換熱器模擬軟件HYSYS中壓縮機圖4.3所表示：LNG(液化天然氣)換熱器模型處理了多相流換熱器和換熱器網絡熱量和物質平衡。該方法能夠求解大量已知或未知變量。對于整個換熱器，用戶能夠得到各類參數，包含熱泄漏量、熱損失和UA值等。LNG換熱器求解通常使用兩種方法。圖4.3HYSYS中LNG換熱器就單一未知量情況，算法直接從能量平衡得到未知量；對于多重未知量情況，采取迭代方法使得其結果不僅滿足能量守恒而且滿足對應約束條件，比如，溫度約束條件等。LNG換熱器和一般換熱器區(qū)分是，LNG換熱器允很多相流，而一般換熱器只有一個熱流側和一個冷流側。（1）LNG換熱器計算理論LNG換熱器計算是基于熱流體和冷流體能量守恒。在LNG換熱器操作單元任何一個換熱層面中，應用以下總關系式：(4.7)式中，M為LNG一個換熱層面中流體流量，ρ為密度，H為焓，Qinternal為從周圍層中得熱，Qexternal為從外部環(huán)境得熱，V為殼程或管程持液體。（2）LNG換熱器中壓力降在LNG操作單元任何層中壓力降能夠有下列兩項中一項來確定，明確壓力降；=1\*GB3①經過定義K值，來定義每個換熱層壓力流關系；=2\*GB3②在LNG操作中，假如選擇壓力流量選項來確定壓力降，K值則將經過換熱器摩擦損失和流量聯絡起來。關聯式如式(4.6)。總流方程使用經過換熱器壓力降，其中不含任何靜態(tài)壓頭項。式中P1-P2被定義為摩擦壓力損失，其使用K值來表現了LNG換熱器規(guī)格尺寸。4.2.4閥門模擬軟件HYSYS中壓縮機圖4.4所表示：圖4.4HYSYS中閥門在閥門操作過程中，HYSYS對入口物流和出口物流進行了能量平衡和物量平衡計算。HYSYS依據物質平衡和焓守恒標準對入口物流和出口物流進行了計算。假定閥門操作是等焓。在閥門操作中，用戶能夠明確下列變量：=1\*GB3①入口物流溫度；=2\*GB3②入口物流壓力；=3\*GB3③出口物流溫度；=4\*GB3④出口物流壓力；=5\*GB3⑤閥門壓力降。在閥門操作求解之前需要有三個參數，最少需要一個溫度參數和一個壓力參數。HYSYS能夠計算其它兩個未知參數。閥門總壓力降依據入口物流總壓力和出口物流總壓力間壓力差來求得。經過閥門總壓力降由閥門摩擦壓力損失，靜態(tài)壓頭壓力損失計算而求得[15]。4.3HYSYS實際應用HYSYS在中國應用很廣泛，中國用戶總數已超出50。全部油田設計系統(tǒng)全部采取該軟件進行工藝設計。下面是部分中國油田用戶名單：大慶油田設計院、遼河油田設計院、華北油田設計院、大港油田設計院、四川油田設計院、長慶油田設計院、青海油田設計院、中原油田設計院、江漢油田設計院、克拉瑪依油田設計院、克拉瑪依油田研究院、獨山子煉油廠、獨山子石化設計院、廊坊管道勘察設計研究院、中國海洋總企業(yè)生產研究中心、中國海洋總企業(yè)石油工程企業(yè)（天津塘沽）。中國海洋總企業(yè)南海分企業(yè)、殼牌中國分企業(yè)（Shell）、遼陽化纖企業(yè)、遼陽石化設計院、大慶石化設計院、岳陽石化企業(yè)、九江石化企業(yè)、南京石化企業(yè)、揚子石化企業(yè)、揚子石化設計院、撫順石化設計院、撫順石化企業(yè)、金陵石化企業(yè)、茂名石化設計院、鎮(zhèn)江煉化工程企業(yè)等[16]。第5章天然氣液化步驟模擬5.1概述天然氣液化步驟模擬,即對液化步驟進行穩(wěn)態(tài)熱力和物料衡算,確定液化步驟各節(jié)點熱力參數和液化步驟關鍵性能指標,既對液化步驟進行系統(tǒng)分析關鍵手段,也是天然氣液化步驟參數優(yōu)化分析基礎。本文是利用步驟模擬了解混合工質(天然氣和混合制冷劑)組分改變會對LNG產品溫度有什么影響。5.2液化步驟模擬步驟5.2.1輸入條件（1）組分列表分為常規(guī)組分（TraditionalComponents）和假定組分(HypotheticalComponents)。我們首先假定天然氣組分分別為如表5.1所表示：表5.1天然氣混合制冷劑組分列表混合制冷劑組分天然氣組分CH4CH4C2H6C2H6C3H8--N2--打開HYSYS選擇組分界面，“添加”，選擇組分：雙擊添加所需組分。界面顯示圖5.1所表示：圖5.1HYSYS中組分選擇視圖以上為簡化假設，為是使創(chuàng)建模擬步驟時計算收斂比較簡單。步驟搭建計算收斂后，可將參數修改為實際情況下組分。（2）物性方法（狀態(tài)方程）狀態(tài)方程是物質P-V-T關系解析式。從19世紀理想氣體方程開始，狀態(tài)方程一直在完善和發(fā)展中。狀態(tài)方程能夠分為下列三類。第一類是立方型狀態(tài)方程，如VanderWaals、RK、SRK、PR等；第二類是多常數狀態(tài)方程，如Virial、BWR、MH等；第三類是理論型狀態(tài)方程。第一類和第二類狀態(tài)方程直接以工業(yè)應用為目標，在分析和探討流體性質規(guī)律基礎上，結合一定理論指導，由半經驗方法建立模型，并帶有若干個模型參數，需要從試驗數據確定。通常來說，狀態(tài)方程包含流體性質規(guī)律愈多，方程就越可靠，描述流體性質正確性越高，范圍越廣，模型越有價值。即使是試驗型狀態(tài)方程也不是簡單擬合試驗數據，和研究者理論素質、經驗和技巧親密相關。物質宏觀性質決定于其微觀結構，科學工作者一直致力于從微觀出發(fā)建立狀態(tài)方程。第三類狀態(tài)方程就是分子間相互作用和統(tǒng)計力學結合結果，不過，微觀現象如此復雜，現在情況下，其結果離實際使用仍有差距。綜上特點，本文決定采取第一類立方型狀態(tài)方程進行計算。在第一類狀態(tài)方程中，因為PR方程能夠較正確估計液相摩爾體積，所以此次研究中我們選擇PR方程進行氣液平衡計算。圖5.2所表示：圖5.2HYSYS中求解方程選擇視圖（3）.創(chuàng)建物流等控件輸入條件、選定物性方程后，進入模擬環(huán)境，創(chuàng)建物流。添加物流包含天然氣和混合制冷不一樣狀態(tài)參數下各物流。添加其它控件包含：LNG換熱器（兩個）、節(jié)流閥（兩個）、氣液分離器（一個），這些控件全部在第三章中進行了比較具體介紹。5.2.2步驟搭建（1）分析步驟圖4.3所表示，該步驟系混合制冷劑制冷循環(huán)。關鍵步驟為：天然氣進入冷箱（換熱器）初步冷卻，約至-40℃～-50℃左右，分離掉部分重烴（關鍵是C3以上組分），氣相組分繼續(xù)流過冷箱，深入冷卻，至約-150℃低溫，再經節(jié)流閥節(jié)流降壓至約-160℃低溫，成為液態(tài)形式（LNG）；混合制冷劑物流進入冷箱，被冷混合制冷劑物流冷卻，至-140℃左右。然后經節(jié)流閥節(jié)流降溫、降壓，至-150℃圖5.3珠海液化步驟項目混合制冷劑制冷部分（2）搭建步驟模型因為天然氣經冷箱時，中間有一個分離重烴操作，所以模擬時需將冷箱（換熱器）部分等同為兩個換熱器串聯形式。搭建時，關鍵先分為三部分：氣液分離器（圖5.4（a）），換熱器1（圖5.4（b）），換熱器2（圖5.4（c））。計算至收斂后再把這幾部分連接起來。圖5.4（a）氣液分離器圖5.4（b）換熱器1圖5.4（c）換熱器2最終搭建成步驟圖5.5所表示：圖5.5最終搭建步驟（已計算收斂步驟）5.3步驟模擬計算5.3.1收斂計算針對搭建各獨立控件模塊，參考實際情況，輸入其進出口物流參數，將各項參數：各組分摩爾分數，物流壓力、溫度、流量等輸入進去。初步收斂計算情況下參數設置如表5.2所表示：表5.2初步收斂計算參數設置列表物流名稱溫度（℃）壓力（Mpa）流量(kgmol/h)備注NG28.04.3401000NG1-48.34.3101000輕組分-48.34.311000LNG1-84.764.2701000LNG-161.00.1001000MR40.04.0008000MR1-50.03.9608000MR2-145.04.2701000MR3-161.30.3308000MR4-79.680.29648000MR532.00.2708000注：混合制冷劑組分為甲烷0.25，乙烷0.25，丙烷0.25，氮氣0.25；天然氣組分為甲烷0.98，乙烷0.02（均為摩爾分數）。正體字為輸入數據，斜體字為軟件計算生成出數據。5.3.2制冷劑組分對換熱影響表5.3所表示為輸入數值，各模擬過程均在此條件下進行，為不改變值（壓力、流量如表5.2中，不改變），換熱效率經過觀察最終LNG產品（節(jié)流降壓降溫前溫度，即步驟中物流“LNG1”溫度）溫度來進行對比。表5.3不改變數據物流名NGNG1輕組分MRMR1MR2MR5溫度（℃）38.0-48.3-48.340.0-50-145.032.0在此以初步收斂計算時組分情況為基礎（混合制冷劑中各組分摩爾分數均為0.25），以“0.02”為步長，以下表所表示改變混合制冷劑組分：表5.4改變組分計算結果列表組分CH4C2H6C3H8N2LNG1溫度（℃）摩爾分數050.25-84.761摩爾分數10.23-85.62摩爾分數20.250.270.25-87.84摩爾分數7-89.792摩爾分數10.21-86.63摩爾分數20.250.290.25-91.93摩爾分數9-97.643摩爾分數10.39-87.78摩爾分數20.250.310.25-97.32摩爾分數1-108.34摩爾分數10.37-89.06摩爾分數20.250.330.25-103.9摩爾分數3-結果分析對表5.4中對應不一樣制冷劑組分下，模擬計算所得數據進行分析，做趨勢圖，圖5.6所表示：圖5.6各組組分計算結果示圖每組中，對于固定N2摩爾分數，分別增加其它三種烴類摩爾分數，我們從圖5.6中能夠很直觀、清楚地看出，“LNG1”溫度值隨較重組分摩爾組分增加而降低，即