天然氣液化流程的發(fā)展及其有效能分析

陳賡良

中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，四川 成都 610213

1 制冷循環(huán)的效率與能耗

在液化天然氣（LNG）工業(yè)領(lǐng)域，生產(chǎn)裝置大型化是生產(chǎn)工藝技術(shù)發(fā)展水平最明顯標(biāo)志。 當(dāng)前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出數(shù)十種工藝流程以適應(yīng)不同現(xiàn)場條件、不同規(guī)模LNG 生產(chǎn)裝置的建設(shè)需要［1-2］。 從制冷循環(huán)原理分析，實(shí)質(zhì)上只涉及2 種制冷方式：冷劑（機(jī)械）制冷和膨脹制冷；后者可細(xì)分為節(jié)流閥膨脹、渦流管（包括脈沖管和氣波機(jī)等）膨脹和透平膨脹機(jī)膨脹等3 種主要膨脹制冷形式，在從等焓膨脹逐步向等熵膨脹靠攏的過程中，制冷效率或制冷系數(shù)（COP，即實(shí)際制冷量與其輸入功的比值）逐步提高，裝置能耗相應(yīng)增加。 從工程熱力學(xué)角度分析，當(dāng)前工業(yè)上名目繁多的工藝流程均是以表1 所示5 種類型液化制冷循環(huán)為基礎(chǔ)開發(fā)的［3］。 以林德循環(huán)為基礎(chǔ)的級(jí)聯(lián)式制冷流程的特點(diǎn)是制冷效率低、能耗低，主要應(yīng)用于大型LNG 生產(chǎn)裝置；MRC 制冷循環(huán)的特點(diǎn)是制冷效率較高、能耗較高；對(duì)不同生產(chǎn)規(guī)模的裝置有很強(qiáng)的適應(yīng)能力， 是目前大、中型生產(chǎn)裝置使用最多的制冷流程。 對(duì)大型裝置，典型級(jí)聯(lián)式流程的比功耗約為0.33 kW·h/kg（LNG），相同條件下單級(jí)MRC 流程比功耗為其1.25 倍；C3/MRC 流程則為其1.15 倍。

根據(jù)熱力學(xué)原理，通過可逆過程獲得一定量LNG所需要的功是最少的（即卡諾功Wm），故可逆過程所需能耗最低。 但在LNG 生產(chǎn)裝置上必須有推動(dòng)力才能進(jìn)行不可逆的制冷過程，必然有一定量的功（或能）損失，故裝置的實(shí)際功等于卡諾功加上損失功。 圖1 為典型（9 溫階）級(jí)聯(lián)式流程（溫焓圖）的組分加熱/冷卻曲線；圖1 中熱源線（實(shí)線）與熱阱線（虛線）之間所示的面積即表示損失功，后者將隨著制冷溫度下降而變大。在低溫工程中常用卡諾因子（Carnot factor，C）來衡量裝置的制冷效率［4］：

圖1 典型 （9 溫階） 級(jí)聯(lián)式流程的組分加熱/冷卻曲線

表1 5種基本制冷循環(huán)

式中：C 為卡諾因子；Wm為卡諾功，kJ； Q 為達(dá)到要求制冷溫度T 需要從系統(tǒng)移出的熱量，kJ；Ts為環(huán)境溫度，K。

圖2 所示數(shù)據(jù)表明，假定以環(huán)境溫度300 K 為基準(zhǔn)，在100～200 K 的低溫范圍內(nèi)C 值急劇下降，從約2.5降至0.5 左右。 因而生產(chǎn)1 MJ 冷量，在100 K 下所需卡諾功比在200 K 下所需卡諾功約高4 倍左右。 由此可見，與熱能工程相反，在低溫工程中制冷效率隨著卡諾因子的增大而下降，且制冷溫度愈低則效率下降愈多。

圖2 卡諾因子與制冷溫度的關(guān)系 （環(huán)境溫度Ts=300 K）

以上分析表明： 天然氣液化是一種能耗極高，能量利用效率很低的工藝過程，其設(shè)備投資在總投資中所占比例甚大。 制冷循環(huán)的效率可通過使過程在盡量靠近熱力學(xué)平衡的條件下進(jìn)行而得到改善，盡可能減少損失功。 因此，在LNG 工程前端設(shè)計(jì)（FEED）中，運(yùn)用有效能Ex分析以改進(jìn)各種制冷流程的熱力學(xué)效率是降低設(shè)備能耗、尺寸和投資的重要技術(shù)措施。 近年來開發(fā)成功的，以透平膨脹機(jī)取代簡單的節(jié)流閥膨脹即為一個(gè)典型實(shí)例。

2 丙烷預(yù)冷/MRC 流程有效能分析

APCI 丙烷預(yù)冷/MRC 流程是目前大型LNG 生產(chǎn)裝置最常用的制冷流程。 在此流程中壓縮機(jī)是有效能Ex損失最多的設(shè)備，其次為換熱器；設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)工廠規(guī)模、現(xiàn)場條件、原料氣組成和環(huán)保要求等影響因素， 分析兩者的有效能損失ΔEx找出合理工藝方案。 若忽略工質(zhì)的動(dòng)能和位能，穩(wěn)流工質(zhì)在工況條件下的焓H 和Ex之間的關(guān)系為：

式中：H0為環(huán)境條件下的焓，kJ/mol；H 為工況條件下的焓，kJ/mol；S0為環(huán)境條件下的熵，kJ/mol·K；S 為工況條件下的熵，kJ/mol·K；T0為環(huán)境溫度，K。

以制冷循環(huán)中的壓縮機(jī)為例，其有效能Ex平衡方程為：

式中：Ex，1、Ex，2—單位工質(zhì)壓縮前、后的Ex值，kJ；Wc為壓縮機(jī)的能耗，kJ；ΔEx為壓縮機(jī)制有效能損失，kJ。

根據(jù)式（2），壓縮機(jī)的有效能損失ΔEx可以表示為：

式中：H1、H2為單位工質(zhì)壓縮前、后的焓值，kJ/mol；ηc為壓縮機(jī)的效率，%。

流程中其它設(shè)備如換熱器、節(jié)流閥、水冷器和混合器， 也可以按其工作原理建立相應(yīng)的有效能損失ΔEx計(jì)算式，進(jìn)行全流程的有效能分析。

根據(jù)圖3 所示流程，按表2-3 所示的操作參數(shù)及組分摩爾分?jǐn)?shù)，對(duì)典型APCI 丙烷預(yù)冷/MRC 流程中主要設(shè)備進(jìn)行（單位工質(zhì)）有效能分析，計(jì)算結(jié)果見表4。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，設(shè)定表2-3 中混合冷劑各組分的摩爾分?jǐn)?shù)、天然氣溫度、高低壓制冷劑溫度均為第一個(gè)換熱器熱端面處的值，各換熱器熱端面的溫差為3 K，天然氣入口溫度為298 K，壓縮機(jī)效率為0.75，丙烷預(yù)冷循環(huán)的壓縮機(jī)出口壓力為1.3 MPa［5］。

圖3 典型的APCI 丙烷預(yù)冷/MRC 流程

通常采取合理選擇壓縮機(jī)入口溫度及壓縮系數(shù)、改進(jìn)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)等措施減少有效能損失；通過強(qiáng)化傳熱、增加換熱面積、回收低溫冷量等方法，減少換熱系統(tǒng)的有效能損失。

3 MRC 混合冷劑制冷流程的有效能分析

MRC 制冷系統(tǒng)是以C1～C5烴類及N2等5 種或更多組分組成的混合冷劑MR 作為工質(zhì)， 進(jìn)行逐級(jí)冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹而得到不同溫度水平的冷量，達(dá)到冷卻和液化天然氣的目的。 我國目前生產(chǎn)規(guī)模最大的新疆廣匯150×104m3/d 裝置即采用此制冷流程。

表2 溫度與壓力參數(shù)

表3 組分的摩爾分?jǐn)?shù)

表4 有效能分析計(jì)算結(jié)果

表5 原料天然氣組成

表6 產(chǎn)品LNG的組成

表7 壓縮機(jī)與換熱器的計(jì)算結(jié)果

圖4 典型三級(jí)壓縮MRC 制冷示意流程

假定進(jìn)裝置的原料天然氣壓力為6.54 MPa，溫度為43 ℃，原料氣的質(zhì)量流量為60 397 kg/h，其組成見表5。如圖4 所示，經(jīng)預(yù)處理的天然氣首先在預(yù)冷換熱器（E-301）中預(yù)冷，并在重?zé)N分離器（V-301）中分離掉可能存在的重?zé)N組分；然后在液化換熱器（E-302）中冷卻，在過冷換器（E-303）中過冷。過冷后的流體通過節(jié)流閥節(jié)流降溫至-163.5 ℃進(jìn)入LNG 儲(chǔ)罐。 產(chǎn)品LNG 的壓力為0.107 MPa，組成見表9，此組成也被設(shè)定為混合冷劑的組成［6］。

組成與LNG 產(chǎn)品類似的混合冷劑MR 經(jīng)壓縮機(jī)三級(jí)壓縮（C351.1～C351.3）后，進(jìn)入由3 個(gè)繞管式換熱器（E301～E303）集成的冷箱，MR 經(jīng)過與原料天然氣換熱后由CWHE 殼程側(cè)下部排出。MR 最終離開冷箱的溫度為25.5 ℃。 低溫?fù)Q熱器的最小溫差設(shè)定為≥2.5 ℃，工藝物流經(jīng)水冷器后的溫度統(tǒng)一定為40 ℃，所有壓縮機(jī)的等熵效率定為76.2%。 環(huán)境溫度（T0）定為25 ℃。

使用Aspen Plus 軟件對(duì)上述天然氣液化流程中的壓縮機(jī)與換熱器進(jìn)行有效能分析的計(jì)算結(jié)果見表7， 對(duì)M-1～M-4 四個(gè)流體混合點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果見表8，該單級(jí)MRC 制冷流程的全部有效能損失ΔEx計(jì)算結(jié)果匯總見表9。

表8 四個(gè)混合點(diǎn)（器）的有效能損失ΔEx

表9 單級(jí)MRC制冷流程有效能損失ΔEx計(jì)算結(jié)果匯總

4 循環(huán)級(jí)數(shù)對(duì)制冷效率的影響

制冷循環(huán)的結(jié)構(gòu)選擇是優(yōu)化工藝流程的基礎(chǔ)。 以MRC 工藝為例，目前有單級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和多級(jí)混合冷劑制冷循環(huán)等多種應(yīng)用于工業(yè)的工藝流程。 雖然增加制冷循環(huán)級(jí)數(shù)時(shí)工藝過程的效率肯定增加，但制冷能耗、 設(shè)備投資和流程復(fù)雜程度同時(shí)增加。 必須結(jié)合LNG 生產(chǎn)裝置的具體情況，通過有效能分析才能確定合理的級(jí)數(shù)［7］。

表10 原料氣組成（摩爾分?jǐn)?shù)）

表11 循環(huán)級(jí)數(shù)對(duì)MRC制冷循環(huán)效率的影響

表12 原料天然氣與MR的組成x/（%）

按圖4 所示的原理流程， 將表10 所示組分的原料天然氣液化。 原料天然氣的壓力為4.5 MPa，進(jìn)入冷箱的溫度為27 ℃，天然氣處理量為10×104m3/d，環(huán)境溫度為27 ℃。 在過冷過程中，將LNG 過冷至-150 ℃后節(jié)流至0.2 MPa 時(shí)的溫度為-148.3 ℃。采用由甲烷、乙烷、丙烷、異戊烷和氮?dú)饨M成的MR。 假定壓縮機(jī)等熵效率為0.75、忽略換熱器的壓力降及壓縮機(jī)出入口之間的壓力差別； 并采用PR 方程計(jì)算天然氣和MR 的物性。 上述條件下Ex分析計(jì)算結(jié)果見表11［7］。

表11 數(shù)據(jù)表明， 增加制冷循環(huán)級(jí)數(shù)可以有效地提高Ex效率。 二級(jí)和三級(jí)MRC 制冷循環(huán)比單級(jí)制冷循環(huán)的Ex效率分別提高了8.1%和15.7%； 制冷壓縮機(jī)的軸出功率則分別降低了7.4%和12.6%。 目前大型LNG 生產(chǎn)裝置均采用多級(jí)MR 制冷循環(huán)以降低操作成本；中小型裝置采用單級(jí)MR 制冷循環(huán)。

5 NGE/MRC 制冷流程的有效能分析

2005 年11 月投產(chǎn)的四川犍為裝置是國內(nèi)第一套利用輸氣管網(wǎng)壓力差建設(shè)的開式循環(huán)天然氣 （部分）液化裝置，該裝置的功能為基荷型。 在此成功基礎(chǔ)上，四川瀘州、江蘇蘇州、青海西寧和河南安陽等地相繼建成了多套類似裝置，其功能大多為調(diào)峰型。 從發(fā)展角度看，此類裝置可以完全立足于國內(nèi)技術(shù)，發(fā)展速度頗快，將成為今后城市供氣的主要調(diào)峰手段［8］。

近期文獻(xiàn)中提出一種新型的NGE/MRC 制冷流程，其特點(diǎn)是將部分城市輸氣管網(wǎng)中的高壓天然氣作為透平膨脹機(jī)的膨脹氣，將高壓天然氣的壓力能轉(zhuǎn)化為冷能與機(jī)械功，兩者分別應(yīng)用于原料氣的預(yù)冷和驅(qū)動(dòng)混合冷劑壓縮機(jī)［9］。NGE/MRC 制冷流程包括3 個(gè)部分： 膨脹機(jī)預(yù)冷系統(tǒng)、MRC 制冷系統(tǒng)和天然氣液化系統(tǒng)。 在膨脹預(yù)冷系統(tǒng)中，一部分來自高壓管網(wǎng)的原料天然氣作為膨脹氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)EPX 膨脹端膨脹降溫后， 進(jìn)入預(yù)冷換熱器E1 以提供天然氣預(yù)冷及混合冷劑MR 所需的冷量。MRC 制冷系統(tǒng)及天然氣液化系統(tǒng)的流程則與常規(guī)的MRC 流程類似，見圖5。

設(shè)定原料天然氣壓力為3.5 MPa，溫度為293.15 K；膨脹氣終端壓力為1.0 MPa；LNG 產(chǎn)量為30 000 m3/d（天然氣），儲(chǔ)存壓力為120 kPa。 低壓壓縮機(jī)入口處MR的壓力為0.33 MPa， 高壓壓縮機(jī)入口處的壓力為2.0 MPa。多股流換熱器換熱端面的溫差約為3 ℃。壓縮機(jī)與膨脹機(jī)的效率取軟件默認(rèn)值；換熱器及冷卻水的壓降取10 kPa，不考慮其它功損失［10］。

圖5 NGE/MRC 制冷流程示意圖

使用Aspen Plus 軟件進(jìn)行流程模擬時(shí)，原料天然氣和MR 的組成見表12；模擬得到的各節(jié)點(diǎn)熱力學(xué)參數(shù)與設(shè)備的操作參數(shù)見表13。根據(jù)流程模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行NGE/MRC 制冷流程的有效能分析計(jì)算結(jié)果見表14。

表13 各節(jié)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)和設(shè)備的操作參數(shù)

表14 NGE/MRC制冷流程的有效能分析計(jì)算結(jié)果

有效能分析結(jié)果表明：NGE/MRC 制冷流程的有效能損失ΔEx集中在膨脹機(jī)和壓縮機(jī)，分別占總損失量的49.14%和36.64%。 膨脹機(jī)和壓縮機(jī)的有效能損失分為內(nèi)部損失與外部損失兩個(gè)部分。 內(nèi)部損失主要由工作過程的熱力學(xué)不可逆性造成，可以通過改進(jìn)兩者的結(jié)構(gòu)、提高其絕熱效率、合理選擇其進(jìn)出口參數(shù)，采取多級(jí)膨脹或多級(jí)壓縮等措施來改善。 外部損失主要由壓縮和膨脹工質(zhì)的熱損及傳動(dòng)裝置的效率造成，應(yīng)盡可能減少熱損及泄漏，提高傳動(dòng)機(jī)械的效率。 常規(guī)膨脹機(jī)流程換熱器的溫差較大，導(dǎo)致有效能損失量增加。 NGE/MRC 流程將利用輸氣管網(wǎng)壓差得到的能量，分別應(yīng)用于預(yù)冷原料氣及MR 制冷壓縮機(jī)，大大改善有效能利用效率。

6 結(jié)論與建議

a） 生產(chǎn)裝置大型化是LNG 生產(chǎn)工藝技術(shù)發(fā)展水平最明顯標(biāo)志。 為適應(yīng)我國“充分發(fā)揮國內(nèi)資源的基礎(chǔ)性保障作用”戰(zhàn)略的需要，中小型LNG 裝置在我國的發(fā)展極為迅速， 目前已建和在建的裝置總數(shù)超過30 套，其規(guī)模則在2×104～150×104t/a（單列）之間。中型裝置大多為基荷型；小型裝置既有基荷型，也有調(diào)峰型。

b）中小型LNG 生產(chǎn)裝置的建設(shè)對(duì)我國邊遠(yuǎn)分散氣田與海上氣田開發(fā)、 城鎮(zhèn)供氣及調(diào)峰、LNG 車用燃料及非常規(guī)天然氣利用等方面， 發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，必將成為我國天然氣工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要分支。 建議有關(guān)部門充分重視其發(fā)展動(dòng)向。

c）在LNG 工程可行性研究和/或前端設(shè)計(jì)（FEED）中，運(yùn)用有效能Ex分析以改進(jìn)各種制冷流程的熱力學(xué)效率是降低設(shè)備能耗、 尺寸和投資的重要技術(shù)措施。同時(shí)，此技術(shù)也是我國開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)新工藝的必由之路，應(yīng)引起有關(guān)部門充分重視。

d）有效能分析結(jié)果表明：液化流程中壓縮機(jī)與換熱器是有效能損失最多的部位。 通常采取合理選擇壓縮機(jī)入口溫度及壓縮系數(shù)、改進(jìn)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)等措施減少有效能損失；通過強(qiáng)化傳熱、增加換熱面積、回收低溫冷量等方法，可以減少換熱系統(tǒng)的有效能損失。

e） 在制冷效率提高的同時(shí)，制冷能耗、設(shè)備投資和流程復(fù)雜程度同時(shí)增加。 目前大型LNG 生產(chǎn)裝置均采用多級(jí)MR 制冷循環(huán)以降低操作成本，中小型裝置則采用單級(jí)MR 制冷循環(huán)。

f） 由于常規(guī)膨脹機(jī)流程換熱器的溫差較大，導(dǎo)致有效能損失量增加；NGE/MRC 流程將利用輸氣管網(wǎng)壓差而得到的能量，分別應(yīng)用于預(yù)冷原料氣及MR 制冷壓縮機(jī)，大大改善了有效能利用效率。

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