LNG工廠液化冷箱制冷工藝模擬與分析

金明皇 郭海新 馮文斌

（1.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司；2.湖北新捷天然氣有限公司）

LNG工廠液化冷箱制冷工藝模擬與分析

金明皇1郭海新1馮文斌2

（1.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司；2.湖北新捷天然氣有限公司）

液化天然氣作為一種運輸方便、環(huán)保清潔的綠色能源，在能源行業(yè)中占有舉足輕重的地位。在天然氣液化裝置中冷箱制冷是天然氣液化裝置運行調(diào)試過程的重點。通過對冷箱制冷工藝進行模擬，分析甲烷冷劑組分、物料進冷箱溫度和壓力、甲烷冷劑流量對LNG產(chǎn)品溫度和液相分率的影響。通過理論與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比指導(dǎo)生產(chǎn)運行，減少BOG的放空量達(dá)到降低生產(chǎn)運行成本、節(jié)能降耗的目的。為天然氣的液化設(shè)計提供參考，對國內(nèi)已建或擬建的LNG裝置設(shè)計參數(shù)優(yōu)化及生產(chǎn)運行起技術(shù)支撐和指導(dǎo)作用。

LNG工廠；冷箱；HYSYS；模擬

LNG是經(jīng)預(yù)處理后低溫液化的天然氣，主要成分為甲烷，常壓條件下，其露點溫度為-162℃左右，是增長最快的清潔能源。為提高LNG儲量，建造LNG裝置，并將此能源作為一種低排放的清潔燃料加以推廣[1-2]。而液化工藝的模擬是LNG技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)。通過對液化裝置的仿真模擬，可以研究其調(diào)試、啟動及運行的工作特性，有助于合理制定調(diào)試方案、操作規(guī)程和系統(tǒng)控制方案，并可以此為基礎(chǔ)發(fā)展仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，提高工廠的運行管理水平[3-4]。

某500×104m3/dLNG工廠采用改進的天然氣液化工藝，適用于大型LNG裝置，具有工藝技術(shù)和設(shè)備國產(chǎn)化特點。以HYSYS軟件為工具，對工廠冷箱的制冷過程進行模擬仿真，仿真結(jié)果對于指導(dǎo)設(shè)備控制、優(yōu)化設(shè)備運行等方面有一定意義。

1 冷箱制冷工藝流程模型建立

在實際的LNG工廠中，冷箱的降溫過程不僅與冷箱以及J-T閥的工況有關(guān)，還會受到上游壓縮機以及空冷器運行狀況的影響。通過著重探討冷箱進口壓力、溫度和甲烷混合冷劑組分對降溫過程的影響，建立冷箱制冷工藝流程模型（圖1）。

工藝中冷劑為混合冷劑，其主要成分為甲烷，代稱為甲烷冷劑。甲烷冷劑經(jīng)壓縮機增壓后，丙烯、乙烯系統(tǒng)對其進行預(yù)冷，而后進入冷箱與出冷箱節(jié)流后的甲烷冷劑部分進行換熱，進行熱量交換，經(jīng)J-T閥HV-101節(jié)流，降壓降溫，而后進入冷箱為甲烷冷劑自身和天然氣提供冷量，換熱后的甲烷冷劑出冷箱經(jīng)氣液分離后進壓縮機增壓，完成甲烷制冷循環(huán)。

圖1 冷箱工藝流程

經(jīng)預(yù)處理和預(yù)冷并脫重?zé)N后的天然氣進入冷箱與甲烷冷劑進行換熱，出冷箱溫后，經(jīng)J-T閥HV-102節(jié)流，降壓降溫，溫度降至-162℃左右，產(chǎn)品經(jīng)管線輸送進入LNG儲罐儲存。工藝中主要設(shè)計和模擬結(jié)果主要參數(shù)見表1。

對于LNG最佳儲存溫度：因常壓條件下LNG露點溫度在-162℃左右，在低于-162℃以液態(tài)形式存在；由于其低溫特性，LNG在高于-162℃存儲時，易閃蒸出BOG，而降低LNG的儲存周期，造成LNG的損耗增大；在低于-162℃條件下更有利于LNG的儲存，但LNG要達(dá)到更低溫度，會相應(yīng)增加能耗，增加生產(chǎn)成本[5-6]；因此，LNG工廠一般選取在常壓條件下-162℃作為LNG的最佳儲存溫度。

表1 設(shè)計參數(shù)與模擬結(jié)果

2 模擬結(jié)果與分析

基于上述建立的模型，通過模擬仿真，根據(jù)設(shè)計的天然氣組分、冷劑組分及其流量等相關(guān)參數(shù)，對天然氣物料的溫度、壓力和冷劑流量對LNG的溫度和液相分率的影響進行分析。

2.1 甲烷冷劑不同組分對LNG產(chǎn)品溫度的影響

根據(jù)甲烷冷劑設(shè)計組分含量和開車運行狀況，在冷劑組分N2、C2H4和CH4含量不同的狀況下，出冷箱后產(chǎn)品溫度隨其變化。

1）C2H4含量對LNG產(chǎn)品溫度的影響較大，隨其增加，LNG產(chǎn)品溫度降低趨勢明顯；N2含量對LNG產(chǎn)品溫度的影響較小，隨之總體增加LNG產(chǎn)品溫度呈升高趨勢；CH4含量對LNG產(chǎn)品溫度較為明顯，CH4含量增加LNG產(chǎn)品溫度隨之升高。

2）從模擬數(shù)據(jù)來看，當(dāng)N2摩爾分?jǐn)?shù)為0、C2H4摩爾分?jǐn)?shù)為30%、CH4摩爾分?jǐn)?shù)為70%，或N2摩爾分?jǐn)?shù)為5%、C2H4摩爾分?jǐn)?shù)為30%、CH4摩爾分?jǐn)?shù)為65%時，LNG產(chǎn)品溫度較低，此時更有利于常壓條件下存儲。

2.2 天然氣進冷箱溫度和壓力的影響

根據(jù)甲烷冷劑設(shè)計組分含量和開車運行狀況，通過模擬天然氣進冷箱不同的溫度和壓力條件下，對LNG溫度和液相分率的影響進行分析（圖2、圖3）。

1）物料進口溫度對LNG產(chǎn)品溫度的影響較為明顯，隨其降低而降低，液相分率反之；隨物料進口壓力增大，LNG溫度降低，液相分率反之，在大于3.25MPa時進口壓力對LNG溫度和液相分率影響程度較小。

2）當(dāng)進口溫度為-96℃時，LNG產(chǎn)品溫度達(dá)到-162℃，液相分率為93.67%，達(dá)到設(shè)計溫度和設(shè)計液相分率，較適合作為工作溫度；在4.5MPa左右時，LNG溫度達(dá)到-162℃，液相分率為93.73%，接近設(shè)計參數(shù)，故在4.5MPa左右較適合作為工作壓力。

圖2 天然氣進冷箱溫度的影響

圖3 天然氣進冷箱壓力的影響

因此，在生產(chǎn)運行時將進口溫度設(shè)置為-96℃左右，壓力設(shè)置為4.5MPa左右時，LNG產(chǎn)品溫度達(dá)到-162℃，液相分率達(dá)到94%左右，較適合作為工廠生產(chǎn)運行條件，可減少BOG（閃蒸氣）的放空量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.3 甲烷冷劑流量的影響

在保持其他參數(shù)為設(shè)計參數(shù)條件下，通過模擬甲烷冷劑進冷箱的不同流量時，對LNG產(chǎn)品溫度和液相分率，以及冷箱負(fù)荷進行分析，結(jié)果見圖4。

從模擬數(shù)據(jù)可以看出：隨著甲烷冷劑流量的增大，LNG溫度降低趨勢明顯，LNG液相分率和冷箱負(fù)荷隨之增大；在甲烷冷劑流量在4750kmol/h左右時，LNG溫度在-162℃左右，液相分率為94%左右。生產(chǎn)運行時，將甲烷冷劑流量設(shè)定為4750 kmol/h左右時，較為合理。這樣，即可以保證LNG產(chǎn)品溫度和液化率，又可以降低冷劑壓縮機負(fù)荷，減少生產(chǎn)運行成本。

表2 模擬結(jié)果與運行參數(shù)對比

圖4 甲烷冷劑進口壓力與LNG產(chǎn)品溫度的關(guān)系

2.4 冷箱實際運行情況

在生產(chǎn)運行過程中，根據(jù)實際天然氣組分含量、壓力、溫度，冷劑組分、壓力、溫度運行條件，調(diào)整運行參數(shù)，根據(jù)運行條件的調(diào)整情況，對其進行數(shù)據(jù)模擬，模擬結(jié)果和實際運行主要相關(guān)參數(shù)見表2。

根據(jù)天然氣相關(guān)參數(shù)，對冷劑循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整，并對其模擬，對比模擬結(jié)果和運行相關(guān)數(shù)據(jù)，各節(jié)點參數(shù)基本吻合。可以看出，對系統(tǒng)的模擬可以為生產(chǎn)運行提供技術(shù)支持，更好的指導(dǎo)生產(chǎn)。

在同類裝置中，通過以上試驗分析方法，可以較好模擬得到在物料條件變化情況，LNG溫度及其液化分率的變化趨勢和冷箱負(fù)荷的變化情況，優(yōu)化參數(shù)，為生產(chǎn)實際操作運行提供數(shù)據(jù)參考，以提高工廠的運行管理水平。

3 結(jié)論

對湖北500×104m3/dLNG工廠天然氣液化裝置的冷箱制冷過程進行模擬，結(jié)果與實際過程基本一致。通過模擬分析甲烷冷劑組分、物料進冷箱溫度和甲烷冷劑進冷箱壓力對LNG產(chǎn)品溫度的影響，所得到的結(jié)論對液化裝置的調(diào)整參數(shù)、優(yōu)化參數(shù)、提高產(chǎn)率、降低能耗具有一定的參考價值。

[1]王勇，張玉璽，白劍鋒.LNG制冷HYSYS計算模型研究[J].天然氣與石油，2012，30（4）：30-32.

[2]孫恒，余霆，舒丹.LNG液化裝置冷箱降溫過程的動態(tài)模擬[J].低溫與超導(dǎo)，2009，37（7）：14-43.

[3]石玉美，顧安忠，汪榮順，等.混合制冷劑循環(huán)（MRC）液化天然氣流程的設(shè)備模擬[J].低溫與超導(dǎo)，2000，28（2）：41-46.

[4]秦燕，閻振貴.百萬噸級乙烯冷箱的設(shè)計[J].杭氧科技，2008（1）：10-16.

[5]王坤，徐風(fēng)雨，李紅艷，等.小型MRC天然氣液化裝置中板翅式換熱器動態(tài)特性仿真研究[J].低溫工程，2007（3）：44-49.

[6]李士富，呼延念超，李亞萍.調(diào)峰型天然氣液化HYSYS軟件模型[J].石油與天然氣化工，2010，39（1）：1-10.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.09.001

金明皇，工程師，2013年畢業(yè)于長江大學(xué)（化學(xué)工程專業(yè)），從事天然氣液化技術(shù)研究工作，E-mail：jmh_001@163.com，地址：湖北省黃岡市黃州火車站經(jīng)濟開發(fā)區(qū)京九大道1號，438011。

2017-06-07

（編輯鞏亞清）