混合制冷天然氣液化工藝模擬及優(yōu)化研究

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 花亦懷 張 春

小型天然氣液化裝置具有投資省、建設(shè)周期短和見效快等優(yōu)點(diǎn)，可用于開發(fā)邊遠(yuǎn)及零散氣田。該類型天然氣液化裝置不僅可用于大型LNG接收站的建設(shè)，還可用于部分城市的事故調(diào)峰，具有良好的經(jīng)濟(jì)意義。

珠海液化天然氣項(xiàng)目是中海油第一套天然氣液化裝置，位于廣東省珠海市橫琴島小橫琴山西側(cè)，其氣源來自中海油在南海上的油氣田:惠州21-1、番禺30-1和番禺34-1。該液化裝置不僅可為珠海和中山等城市提供調(diào)峰及應(yīng)急氣源，同時還可為中海油開拓城市燃?xì)馐袌鎏峁╈`活的LNG資源，對于中海油小型天然氣田及伴生氣田的開發(fā)具有重要的意義。

1 工藝流程

珠海LNG工廠將由界區(qū)外引入工廠的天然氣經(jīng)調(diào)壓計(jì)量、脫碳、干燥及液化等一系列處理過程，將天然氣液化后送入儲罐儲存，經(jīng)泵送裝車出廠。其工藝流程框圖見圖1。

圖1 珠海LNG工廠工藝流程示意

該液化裝置的設(shè)計(jì)年供氣量為2億m3，日液化量為60萬m3，設(shè)計(jì)彈性為50%～110%，生產(chǎn)年限為15年，年運(yùn)行時間為8 000 h。

天然氣液化部分是整個液化裝置的核心。通過對比各種液化流程并結(jié)合現(xiàn)有條件，其液化工藝選用美國Black&Veatch公司研發(fā)的PRICOR工藝流程。整個液化工藝包括天然氣液化單元和制冷劑循環(huán)單元，工藝流程如下:

凈化后的天然氣進(jìn)入冷箱，并沿冷箱向下流動，冷卻至-48 ℃左右后，引出冷箱進(jìn)入重?zé)N分離器，以分出其中的重組分。分離后的原料氣返回冷箱進(jìn)一步冷卻，-152 ℃的LNG自冷箱底部流出，經(jīng)節(jié)流進(jìn)一步降溫至-161 ℃左右后進(jìn)入LNG儲罐儲存。

PRICOR工藝采用一種簡單閉式制冷循環(huán)。制冷劑循環(huán)流程如下:自冷箱頂部流出的低壓氣相制冷劑(0.28 MPa)，經(jīng)一級壓縮機(jī)增壓至1.65 MPa后進(jìn)入級間冷卻器及級間分液罐。分離出的氣、液相制冷劑分別經(jīng)二級壓縮機(jī)及冷劑泵增壓至4.0 MPa后混合，經(jīng)冷劑冷凝器、分離器進(jìn)一步冷凝分離后，分別進(jìn)入冷箱。氣相制冷劑以其自身壓力進(jìn)入，液相制冷劑則由冷劑泵注入。

高壓氣液相制冷劑在冷箱內(nèi)部匯合，并沿冷箱向下流動，經(jīng)低壓制冷劑冷卻至-149 ℃左右后由冷箱底部流出，然后經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)一步降溫降壓為-151 ℃左右的低壓制冷劑。液相低壓制冷劑進(jìn)入冷箱底部，在冷箱中向上流動，吸收原料氣和高壓制冷劑的熱量。自冷箱頂部出來的低壓氣相制冷劑依次進(jìn)入冷劑壓縮機(jī)吸入罐及冷劑壓縮機(jī)，完成整個制冷劑循環(huán)。

2 流程模擬

天然氣液化流程的模擬，即對液化流程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的熱力和物料衡算，確定液化流程各節(jié)點(diǎn)的熱力參數(shù)及流程的重要性能指標(biāo)，既是對液化流程進(jìn)行系統(tǒng)分析的重要手段，也是天然氣液化流程參數(shù)優(yōu)化分析的基礎(chǔ)。本文采用化工模擬軟件HYSYS對珠海天然氣液化工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算。

天然氣及制冷劑的組分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。原料氣的壓力為4.34 MPa，溫度為50 ℃。

表1 天然氣及制冷劑組分參數(shù)

結(jié)合設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對珠海天然氣液化工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算，模擬流程見圖2。

圖2 珠海天然氣液化工藝模擬流程

3 敏感性分析

在混合制冷劑液化工藝中，一方面由于天然氣和制冷劑均為混合物，另一方面由于工藝中涉及眾多設(shè)備，整個工藝較為復(fù)雜，影響參數(shù)較多，主要有:

(1)天然氣入口壓力、溫度和各組分的摩爾含量；

(2)LNG的儲存溫度及壓力；

(3)高壓制冷劑的壓力和溫度；

(4)低壓制冷劑的壓力和溫度；

(5)混合制冷劑的組成等。

本文分析了以上參數(shù)對流程性能指標(biāo)的影響，選用的指標(biāo)主要有壓縮機(jī)和冷劑泵的耗功、冷卻器的制冷負(fù)荷及換熱器中低壓制冷劑的制冷量等。各指標(biāo)的計(jì)算公式見表2。

表2 流程性能指標(biāo)參數(shù)的計(jì)算公式(符號含義)

說明:根據(jù)目前的原料氣組分，預(yù)計(jì)裝置中不會有重?zé)N產(chǎn)生，故分析時做了簡化處理，去掉重?zé)N分離器，冷箱用一個多股流換熱器代替。

3.1 天然氣入口壓力和溫度的影響

3.1.1 天然氣入口壓力的影響

由熱力學(xué)知:天然氣的入口壓力越高，越容易液化。保持其它參數(shù)不變，改變天然氣入口壓力，流程中只有一級壓縮機(jī)耗功Wc1、級間冷卻器制冷負(fù)荷Q1及低壓制冷劑的制冷量Qmr發(fā)生變化。

隨天然氣入口壓力的增加，天然氣的焓值降低，因LNG儲存條件不變，故液化天然氣所需的冷量減少，即低壓制冷劑的制冷量Qmr減少。相應(yīng)地，冷箱中低壓制冷劑出口溫度降低，一級壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度隨之降低，在進(jìn)出口壓力不變的條件下，焓差(h14-h13)減少，制冷劑流量不變，故一級壓縮機(jī)耗功Wc1減少。出口溫度一定，隨入口溫度的降低，焓差(h15-h14)減少，級間冷卻器制冷負(fù)荷Q1降低。由此可見，增加天然氣入口壓力對于降低運(yùn)行成本是有利的。

3.1.2 天然氣入口溫度的影響

隨天然氣入口溫度的升高，天然氣越不容易液化。保持其它參數(shù)不變，改變天然氣入口溫度，流程中只有一級壓縮機(jī)耗功Wc1、級間冷卻器的制冷負(fù)荷Q1和低壓制冷劑的制冷量Qmr發(fā)生變化。

天然氣入口溫度升高時，天然氣焓值增加，因LNG儲存條件不變，故液化天然氣所需的冷量增加，即低壓制冷劑的制冷量Qmr增加。相應(yīng)地，冷箱中低壓制冷劑出口溫度增加，一級壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度隨之增加，在進(jìn)出口壓力不變的條件下，焓差(h14-h13)增加，一級壓縮機(jī)耗功Wc1增加。出口溫度一定，隨入口溫度的升高，焓差(h15-h14)增加，級間冷卻器的制冷負(fù)荷Q1增加。

由此可見，天然氣入口溫度的升高對流程性能指標(biāo)優(yōu)化不利。在天然氣入口溫度較高時，應(yīng)采用預(yù)冷的方式(如丙烷預(yù)冷)先使天然氣冷卻，然后再進(jìn)入液化流程。

3.2 天然氣組成的影響

在原料氣和制冷劑流量不變的條件下，隨天然氣中甲烷含量的增加，低沸點(diǎn)組分含量增加，天然氣在相同的儲存壓力和溫度下不易被液化，天然氣的液化率降低，LNG產(chǎn)量減少，天然氣消耗的冷量減少，故低壓制冷劑的制冷量Qmr減少。結(jié)合前述分析知，制冷劑循環(huán)中焓差(h14-h13)、(h15-h14)均降低，一級壓縮機(jī)耗功Wc1和級間冷卻器的制冷負(fù)荷Q1均減少。

由此可見，天然氣中甲烷含量的增加對流程性能指標(biāo)優(yōu)化不利。在珠海LNG工廠中，從凈化單元出來的原料氣主要由甲烷、乙烷組成，另外還含有少量的氮?dú)夂捅椤?/p>

從設(shè)計(jì)的角度考慮，儲存條件一定時，適當(dāng)?shù)販p少甲烷含量有利于提高天然氣的液化率，減少原料氣的消耗量。

3.3 高壓制冷劑壓力的影響

保持流程中其它參數(shù)不變，分析高壓制冷劑壓力對低壓制冷劑的制冷量Qmr、流程耗功及冷卻器制冷負(fù)荷的影響。

隨高壓制冷劑壓力的升高，各參數(shù)的變化規(guī)律如下:

(1)混合制冷劑的焓值h20b降低，故焓差(h20b-h22)降低，高壓制冷劑消耗的冷量降低，低壓制冷劑的制冷量Qmr隨之降低。

(2)相同溫度條件下，高壓制冷劑壓力越高，越容易液化，故節(jié)點(diǎn)19的液化率增加。

(3)低壓制冷劑出口溫度降低，壓比不變，一級壓縮機(jī)進(jìn)出口焓差(h14-h13)減少，故一級壓縮機(jī)耗功Wc1減少；二級壓縮機(jī)耗功Wc2及冷劑泵-1耗功Wp1均增大；由于節(jié)點(diǎn)19的液化率提高，冷劑泵-2的流量增大，耗功Wp2也增大；流程總耗功W增大。

(4)節(jié)點(diǎn)14的溫度降低，出口溫度不變，故級間冷卻器的制冷負(fù)荷Q1降低；節(jié)點(diǎn)19a的溫度升高，出口溫度不變，故冷劑冷凝器的制冷負(fù)荷Q2升高；流程中冷卻器的總制冷負(fù)荷Q逐漸增大。

由此可見，隨高壓制冷劑壓力的升高，低壓制冷劑的制冷量有所降低，但流程總耗功及冷卻器的總制冷負(fù)荷逐漸增大，故高壓制冷劑壓力不宜過高，珠海天然氣液化流程中，混合制冷劑壓力控制在4.0MPa左右較為合適。

3.4 高壓制冷劑溫度的影響

隨高壓制冷劑溫度的升高，流程指標(biāo)的變化規(guī)律如下:(1)節(jié)點(diǎn)20b的焓值增大，出口條件一定，h22不變，故焓差(h20b-h22）增大，高壓制冷劑消耗的冷量增加，低壓制冷劑的制冷量Qmr增大。(2)壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度增加，壓比一定，焓差(h14-h13)增加，一級壓縮機(jī)耗功Wc1增加；二級壓縮機(jī)耗功Wc2冷劑泵-1的耗功Wp1均不變；節(jié)點(diǎn)19的溫度升高，故其液化率降低，冷劑泵-2的耗功Wp2有所減少；壓縮機(jī)總耗功Wc增加，冷劑泵總耗功Wp減少，流程總耗功W逐漸增加。(3)冷卻器的制冷負(fù)荷Q1增大；冷劑冷凝器的制冷負(fù)荷Q2降低；冷卻器總制冷負(fù)荷Q逐漸增加。

由此可見，隨高壓制冷劑溫度的升高，冷卻器的制冷負(fù)荷及流程總耗功均增加，故應(yīng)盡可能降低高壓制冷劑的溫度，珠海天然氣液化流程中高壓制冷劑溫度在40 ℃左右較為合適。

3.5 低壓制冷劑壓力和溫度的影響

低壓制冷劑壓力的影響與高壓制冷劑有所不同，在珠海天然氣液化工藝模擬中，低壓制冷劑的溫度和壓力不是獨(dú)立變化的，溫度隨壓力的改變而變化。改變低壓制冷劑的壓力，流程指標(biāo)中只有一級壓縮機(jī)耗功Wc1、級間冷卻器制冷負(fù)荷Q1發(fā)生變化。

通過分析知:

(1)隨低壓制冷劑壓力的升高，其溫度也隨之升高，總的結(jié)果是低壓制冷劑的焓值h23不變。冷箱中天然氣及高壓制冷劑消耗的冷量不變，故低壓制冷劑的制冷量Qmr不變，節(jié)點(diǎn)24的焓值不變。

(2)低壓制冷劑壓力的變化對一級壓縮機(jī)出口溫度T14有兩方面的影響:一方面，隨進(jìn)口壓力的升高，壓縮機(jī)壓比減少，T14隨之減少；另一方面，隨進(jìn)口溫度的升高，T14將增大。壓比的影響大于溫度的影響，總的結(jié)果是T14降低，焓值h14減少。故一級壓縮機(jī)耗功Wc1減少，級間冷卻器制冷負(fù)荷Q1減少。其它指標(biāo)基本不變。

由此可見，低壓制冷劑壓力的升高可降低壓縮機(jī)耗功及冷卻器的制冷負(fù)荷。但升高壓力易產(chǎn)生氣液兩相，在低壓制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)之前需先進(jìn)行氣液分離，以防止壓縮機(jī)發(fā)生液擊。

3.6 制冷劑組成的影響

混合制冷劑由甲烷、丙烷、異戊烷、氮?dú)饧耙蚁┙M成，其組分配比直接影響天然氣液化工藝的好壞。組分配比的調(diào)整原則為:盡量使冷劑蒸發(fā)曲線與天然氣的溫降曲線相接近，兩條曲線的接近程度是評價一個制冷系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)。在珠海LNG工廠中，制冷劑中各組分的配比問題是整個液化流程中最重要的問題，合理地選擇各組分含量是液化流程的關(guān)鍵。

對于珠海天然氣液化裝置，甲烷及乙烯總摩爾含量占整個混合制冷劑含量的60%，故分析甲烷、乙烯含量變化對液化流程指標(biāo)的影響具有重要的意義。保持甲烷及乙烯的總摩爾含量不變，分析甲烷含量的變化對流程指標(biāo)的影響。

隨著混合制冷劑中甲烷含量的增加，兩級壓縮機(jī)耗功Wc1、Wc2均增加，級間冷卻器的制冷負(fù)荷Q1增加，冷箱中低壓制冷劑提供的冷量Qmr降低；甲烷含量增加時，混合制冷劑不易被液化，冷劑泵的耗功有所降低，冷劑冷凝器的制冷負(fù)荷Q2略有減少；流程總耗功W及冷卻器總制冷負(fù)荷Q逐漸增加的。

由此可見，混合制冷劑中甲烷含量的增加將增大流程耗功及冷卻器制冷負(fù)荷，故甲烷含量不宜太高，能保證天然氣被液化及流程能合理運(yùn)行即可。珠海天然氣液化裝置中，混合制冷劑中甲烷的摩爾含量控制在29%左右較為合適。

4 結(jié)論

本文對珠海天然氣液化流程(PRICOR工藝)進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了天然氣入口壓力及溫度、天然氣組成、LNG儲存壓力及溫度、高低壓制冷劑壓力及溫度、制冷劑組成等參數(shù)的變化對壓縮機(jī)及泵的耗功、冷卻器的制冷負(fù)荷及換熱器中低壓制冷劑的制冷量的影響，并從降低流程耗功及制冷量的角度，給出了參數(shù)優(yōu)化的建議。