基于HYSYS的C3/MRC液化天然氣流程分析

司云航，杜德奔，王智杰，張開行，袁曉霞，賈延超

（1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710065；2.新疆勝星工程建設(shè)有限公司，新疆鐵門關(guān)841007；3.中建安裝工程有限公司，江蘇南京210046；4.蘇州中本碩機電工程有限公司，江蘇蘇州215011）

基于HYSYS的C3/MRC液化天然氣流程分析

司云航1，杜德奔2，王智杰1，張開行3，袁曉霞2，賈延超4

（1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710065；2.新疆勝星工程建設(shè)有限公司，新疆鐵門關(guān)841007；3.中建安裝工程有限公司，江蘇南京210046；4.蘇州中本碩機電工程有限公司，江蘇蘇州215011）

運用ASPEN HYSYS軟件建立C3/MRC液化天然氣流程模型，依據(jù)熱力學(xué)衡算方程，對各單元設(shè)備進(jìn)行損失模擬計算。結(jié)果表明：壓縮機的損失占整流程設(shè)備損失的56.74%，LNG換熱器的占比為16.04%，這兩者是流程節(jié)能減排的重點。通過對各設(shè)備損失影響的工況研究可以得出能夠顯著影響損失的關(guān)鍵工藝參數(shù)。為了盡量降低壓縮機、LNG換熱器等設(shè)備的損失，調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)可以達(dá)到優(yōu)化流程、提高工藝經(jīng)濟性的效果。

C3/MRC；HYSYS；損失；工況研究

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源問題隨之日益凸顯。為了保證國民經(jīng)濟與環(huán)境保護的平衡發(fā)展，作為清潔高效的液化天然氣備受公眾的關(guān)注［1］。據(jù)中國石油經(jīng)濟技術(shù)研究院披露，2013年我國天然氣表觀消費量為1 676億m3，預(yù)計2030年，這一數(shù)據(jù)將超過4 000億m3。天然氣液化工藝依據(jù)制冷循環(huán)原理實質(zhì)分為兩種［2］：冷劑（機械）制冷和膨脹制冷，而目前應(yīng)用最廣的是丙烷預(yù)冷混合制冷工藝（C3/MRC）。利用ASPEN HYSYS軟件建立該流程模型，對各單元設(shè)備進(jìn)行損失模擬計算。通過工況分析，調(diào)節(jié)能夠顯著影響損失的關(guān)鍵參數(shù)來達(dá)到優(yōu)化流程、提高工藝經(jīng)濟性。

縱觀天然氣液化工藝的歷史沿革，流程簡單、效率較高以及生產(chǎn)規(guī)模較大的丙烷預(yù)冷混合制冷工藝（C3/ MRC）是目前天然氣液化的主導(dǎo)工藝［3］。然而，該流程耗能較高，設(shè)備費占總投資的比例甚高。運用分析來提高制冷流程的熱力學(xué)效率是降低設(shè)備功耗、優(yōu)化工藝循環(huán)的重要技術(shù)措施［4］。分析不僅能反映能量轉(zhuǎn)化中量的變化，而且還能反映能量質(zhì)的變化，從更深的能量層次對液化流程進(jìn)行分析，向著最優(yōu)流程的方向出發(fā)，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

1.1C3/MRC工藝流程的損失計算

在HYSYS軟件上建模如圖1（設(shè)所有設(shè)備壓降均為零），通過模擬得到各節(jié)點參數(shù)。在穩(wěn)態(tài)條件下，忽略流程單元操作中工質(zhì)動能和勢能的影響，各設(shè)備損失的計算表達(dá)式為：

式中：T0為環(huán)境溫度，取其值為298.15℃，ηc為壓縮機的等熵效率，Ex為損失，Hin與Hout分別為制冷介質(zhì)進(jìn)出各流程設(shè)備的焓，Sin與Sout分別為制冷介質(zhì)進(jìn)出各流程設(shè)備的熵。依據(jù)式（2）～式（3），求出流程中各設(shè)備的損失（見圖2）。

圖1　丙烷預(yù)冷混合制冷天然氣液化工藝流程圖

圖2　丙烷預(yù)冷混合制冷天然氣液化工藝流程中各設(shè)備損失構(gòu)成

2　C3/MRC工藝流程關(guān)鍵參數(shù)對設(shè)備損失的影響

開展C3/MRC工藝流程關(guān)鍵參數(shù)（混合制冷系統(tǒng)的高低段壓力、溫度以及混合制冷劑的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)）對各設(shè)備損失影響的研究顯得尤為重要。通過工況分析，可以得出某些參數(shù)能夠顯著影響流程設(shè)備損失。為了盡量降低壓縮機、LNG換熱器等設(shè)備的損失，只需調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)來達(dá)到優(yōu)化流程、提高工藝經(jīng)濟性的效果。

圖3　工藝流程高壓端壓力對設(shè)備損失的影響

圖4　工藝流程高壓端溫度對設(shè)備損失的影響

3　減少設(shè)備?損失的建議與措施

圖5　工藝流程低壓端壓力對設(shè)備損失的影響

圖6　工藝流程低壓端溫度對設(shè)備損失的影響

圖7　工藝流程混合制冷劑甲烷組分對設(shè)備損失的影響

表1　工藝流程關(guān)鍵參數(shù)對各設(shè)備損失增減的情況

表1　工藝流程關(guān)鍵參數(shù)對各設(shè)備損失增減的情況

注：“-”代表保持不變或幾乎保持不變，“↑”代表增加，“↓”代表降低。

Exergy LossesCompressor/%LNG HEX/%J-T Valve/%Heater/%Cooler/%Mix/%高壓段壓力增高-↑106.39↑41.39↑339.06↓114.81↓35.14高壓端溫度增高----↓2.92-低壓端壓力增高↓9.63↓18.11↓2.88↓2.95↓22.31↓64.89低壓端溫度增高-↑55.44-↓21.95-↑1.42甲烷含量增高↑0.47↑16.31↓1.40↓55.39↑3.35↑13.15

［1］丁賀，孫恒，張明，等.膨脹劑液化流程中的冷劑配比及性能優(yōu)化［J］.低溫與超導(dǎo)，2014，42（8）：81-85.

［2］陳賡良.天然氣液化流程的發(fā)展及其有效能分析［J］.天然氣與石油，2012，31（1）：27-32.

［3］李青平，孟偉，張進(jìn)盛，等.天然氣液化制冷工藝比較與選擇［J］.煤氣與熱力，2012，32（9）：4-10.

［4］陳賡良.天然氣液化流程的發(fā)展及其有效能分析［J］.天然氣與石油，2013，31（1）：27-32.

［5］石玉美，汪榮順，顧安忠.流程參數(shù)對C3/MRC天然氣液化流程性能的影響（下）［J］.天然氣化工，2004，24（3）：111-114.

［6］Li Q.Y.，Ju Y.L.Design and analysis of liquefaction process for offshore associated gas resources［J］.Applied Thermal Engineering，2002，（30）：2518-2525.

［7］王遇冬，鄭欣，李迓紅，等.天然氣處理原理與工藝（第Ⅱ版）［M］.北京：中國石化出版，2011：174.

Exergy analysis of C3/MRC process of liquefied natural gas（LNG）based on HYSYS

SI Yunhang1，DU Deben2，WANG Zhijie1，ZHANG Kaihang3，YUAN Xiaoxia2，JIA Yanchao4
（1.Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；2.Xinjiang Shengxing Engineering Construction Co.，Ltd.，Tiemenguan Xinjiang 841007，China；3.China Construction Installation Engineering Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210046，China；4.Suzhou Mechanical and Electrical Engineering Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215011，China）

With ASPEN HYSYS software to establish the C3/MRC process of liquefied natural gas（LNG）model，the exergy losses are simulated for each unit of equipments on the basis of thermodynamics exergy balance equation.The results show that the compressor exergy losses account for 56.74%of the whole process equipment exergy losses，16.04%of LNG exchanger，which is central to the process of energy saving and emission reduction.Case study of the impact on each equipment exergy losses can be concluded to find the key process parameters that can significantly affect exergy losses.As far as possible in order to reduce equipment exergy losses，such as compressor，LNG heat exchanger，adjusting the parameters of the key processes can achieve the effect of optimizing process and improving technological economy.

C3/MRC；HYSYS；exergy losses；case study

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.011

TE646

A

1673-5285（2015）02-0041-04

2014－12-23

司云航（1986-），碩士，西安石油大學(xué)，從事化工工藝設(shè)計的學(xué)習(xí)與研究，郵箱：514256700@qq.com。