預冷式混合工質循環天然氣液化系統實驗及組分影響分析

魯 凱 鹿來運 張 鐠 郭開華

(中山大學工學院 廣州 510006)

1 引 言

天然氣液化過程是先將原料天然氣經過預處理，脫除液化過程的不利組分(酸性組分、水分、較重烴類及汞等)之后，經過制冷系統，如級聯式制冷循環，混合工質制冷循環，膨脹機制冷循環的高效換熱器不斷降溫，將丁烷、丙烷、乙烷等烴類逐級冷凝分離，在常壓下使天然氣溫度降低到－162℃左右，成為液體狀態，即液化天然氣(LNG)，其體積僅為原來氣體體積的1/625，易于在常壓下儲存、運輸和使用［1－4］。由于經過凈化處理，去除掉了有害雜質，LNG是一種比天然氣更為清潔的一次能源燃料，因此越來越受到重視，在中國已形成了一個快速發展的清潔能源產業［5］。

針對中國以邊遠離散小氣田、油井殘氣、沼氣等多種氣源為主的情況，小型撬裝式天然氣液化裝置更能符合目前的需求。小型天然氣液化裝置可使得零散氣田天然氣的開發利用成為可能，有利于改善能源結構，在中國大規模開發利用天然氣的新形勢下，具有廣闊的應用前景［6－7］。

本研究旨在開發一種實用的小型預冷式混合工質低溫循環天然氣液化裝置，進行實驗測試并分析調整混合工質組分對低溫循環特性的影響。該裝置采用常規的制冷設備和器件，力求做到設備簡單易得，投資少，建設周期短，能符合現今中國能源發展的實際需求。

2 實驗裝置及液化流程

本文設計一個小型混合制冷工質液化裝置，其詳細流程如圖1所示，裝置圖片示于圖2。

圖1 新型無丙烷預冷的混合制冷劑液化流程Fig.1 New mixed refrigerant liquefaction process without propane pre-cooling

圖2 混合制冷劑液化裝置實圖Fig.2 Picture of mix refrigerant liquefaction device

流程包括了天然氣液化回路(A1→A2)，混合工質制冷循環(B1→B6)，水冷機組預冷循環(C1→C4)3個部分。混合制冷劑循環經過兩級冷卻(一級冷水卻預冷及一級水冷機組預冷)后，進入多股流換熱器中降溫至天然氣需要的液化溫度，得到最終的液化氣體產品。

該裝置的優點在于:整個系統的制冷僅需要一次節流，無需專用的汽液分離設備，低溫端無運動部件，采用毛細或者節流閥節流，結構緊湊、簡單，易于維修;制冷循環中的制冷劑由常見的烷烴和氮氣組成，易于補充和調整;無膨脹機等設備，投資低，便于移動、撬裝。本液化系統的制冷壓縮機的選取全封閉式渦旋式制冷壓縮機;多股流板翅式換熱器委托外協單位制造，冷箱外殼采用不銹鋼材料，外殼與換熱器芯體之間填充珠光砂真空絕熱。

工藝設計中考慮到:(1)工藝流程的復雜程度;(2)設備數量和投資;(3)控制與調節簡單;(4)運行是否可靠;(5)功率消耗等5方面。通過優化設計，使得設備可以安全穩定的運行，且功耗較低。設定天然氣的入口溫度、壓力和質量流量，液化天然氣所需要的冷量是一定的，可以主要以壓縮機的功率損失作為氣體液化性能的目標。

實驗中主要的數據壓力和溫度分別由壓力傳感器GE druck PTX-5717和熱電阻PT-1000測得，并通過數據采集儀FLUKE-2860輸出;壓力傳感器的量程是0 MPa—4 MPa，誤差可控制在0.01 MPa，而熱電阻的精確度在0.1℃之內。

3 實驗結果和分析

本次實驗采用了干燥的壓縮空氣取代天然氣進行液化。空氣經過除雜、壓縮、水冷并且干燥后，可得到壓力為0.7 MPa—0.9 MPa的潔凈壓縮空氣。在此壓力下，壓縮空氣大約在－172.5℃時完全液化，實驗表明本實驗系統可以達到空氣液化的要求。以下給出系統典型制冷降溫過程的測試結果和相關分析計算。

3.1 實驗結果

表1和圖3給出了系統制冷降溫過程中幾個特征點(B1、B2、B3)溫度及節流閥前后溫差隨時間的變化的測試結果。

表1 制冷降溫過程中特征點溫度變化Table 1 Characteristic point temperature changes in refrigeration cooling process

圖3 降溫過程中預冷溫度和節流后最低溫度變化Fig.3 The lowest temperature after throttling and pre-cooling temperature curve in refrigeration cooling process

該過程持續時間較長，實驗條件為:環境溫度夜晚最低7℃，白天最高21℃，相對濕度在70%—86%之間。混合工質壓縮機額定功率為15 P，預冷機組壓縮機功率為3 P。過程中混合工質壓縮機出口壓力大約在 1.6 MPa，最大壓比為 4.4，效率在65%—70%之間。過程降溫持續時間約為47個小時，達到的最低制冷溫度為－186.6℃。此時混合工質節流閥前后的溫差約為在4℃—6℃左右。

由圖3可以看出，隨著制冷溫度的降低，預冷后混合工質溫度也有所降低。當預冷溫度降低時，預冷循環和混合工質流量均減少，混合制冷壓縮機的功耗也減小，制冷循環所消耗的總功率小于預冷溫度較高時。當預冷級的冷量增大，預冷溫度越低，整個液化系統的功耗下降，效率上升，系統運行向著有利的方向進行。

不同組分的混合制冷工質，可以獲取的最低溫度也不同。本研究對幾個典型組分工質的制冷最低溫度進行了測試，其結果由圖4示出。由圖4可以看出，當整個制冷工質為丙烷單質時，系統在節流閥后溫度降至－42.3℃就不再降溫。當充入一定量乙烷后，系統最低溫度有顯著下降，直至降到－79.1℃。此后加入適量甲烷和氮氣，系統分別會降溫至－143.6℃和最終所獲得的－186.6℃。將每次系統保持平衡時的混合工質進行取樣，分別得出4個組分:第1次的純丙烷;第2次39.98%乙烷+60.02%丙烷的兩元混合工質;第3次42.77%甲烷+22.88%乙烷+34.35%丙烷的三元混合工質;第4次35.54%甲烷+19.01%乙烷+28.53%丙烷+16.92%氮氣的四元混合工質。

圖4 不同組分的混合工質節流后最低溫度Fig.4 The lowest temperature after mixed refrigeration throttling with different mixtures

3.2 組分影響分析

通過對系統進行模擬計算分析，發現當混合制冷工質組分中含有較多的重組分時，如丙烷、異丁烷和異戊烷，會使得系統的總功耗降低;相反的，當混合制冷工質組分中含有較多的輕組分時，如氮氣和甲烷，會使得系統的總功耗上升。根據不同的混合制冷工質組分所記錄的實驗記錄點，可以得到各組分變化對的系統平均能耗影響趨勢，如圖5—圖10所示。

圖5 氮氣組分變化對系統功耗的影響Fig.5 Effect of nitrogen molar concentration on compressor power

異丁烷和異戊烷在常壓下的熔點溫度和沸點溫度較其它組分都要高，因此這兩種組分在混合工質中含量過多時，容易導致在壓縮機入口處不能完全被氣化，從而出現汽液兩相，引起壓縮機液擊現象發生。因此，在對混合工質組分調整優化時，異丁烷和異戊烷的摩爾百分比應較其它組分少很多。

圖6 甲烷組分變化對系統功耗的影響Fig.6 Effect of methane molar concentration on compressor power

圖7 乙烷組分變化對系統功耗的影響Fig.7 Effect of ethane molar concentration on compressor power

圖8 丙烷組分變化對系統功耗的影響Fig.8 Effect of propane molar concentration on compressor power

本系統采用的混合制冷工質是由氮氣、甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷和異戊烷6種組分組成的，各單質的相變溫度幾乎覆蓋了整個換熱器工作區間。由于低壓工質的相變潛熱大于高壓工質，從而導致低壓混合工質有效比熱可能大于高壓工質，所以將分子量更大的重烴加入混合制冷劑可以使混合制冷劑高低壓的熱當量匹配，從而使系統效率得到提高。

圖9 異丁烷組分變化對系統功耗的影響Fig.9 Effect of isobutane molar concentration on compressor power

圖10 異戊烷組分變化對系統功耗的影響Fig.10 Effect of isopentane molar concentration on compressor power

4 結 論

本小型混合制冷工質循環氣體液化裝置采用常規的制冷設備和器件，力求做到設備簡單易得。因其具有機組設備少，流程簡單，投資省，管理方便等，易于在各種場合靈活采用。實驗測試結果表明該裝置可成功制取了－186.6℃的低溫，且運行穩定。通過對混合制冷工質的組分和預冷級溫度的分析，揭示不同組分對整個液化系統效率的影響。具體歸納如下:

(1)當液化系統的預冷級溫度降低時，在制取相同產量的液化天然氣時，制冷壓縮機的功耗也隨之下降，此時能耗有所降低。

(2)當混合工質中氮氣和甲烷等輕組分的比例相對增加時，在制取相同產量的液化天然氣時，制冷壓縮機的功耗和冷卻水的負荷都會有所增加，而重烴組分影響則反之。

1 顧安忠，魯雪生，汪榮順.液化天然氣技術［M］.北京:機械工業出版社，2003:70-87.

2 Layin T.Comparison of Liquefaction Process［J］.LNG Journal，1998(3):28-33.

3 Avidan A，Vessersmith D，Martinez B.LNG Lique-faction Technologies Moves Toward Greater Efficiencies，Lower Emissions［J］.Oil＆Gas Journal，2002，8(19):60-681.

4 Kleemenko A P.One flow cascade cycle［C］.Proceedings of the 10th international congress of refrigeration，1959，1:34-39.

5 邱孝培.中國天然氣勘探開發利用形式和化工利用設想［J］.天然氣化工，1996，21:12.

6 Wenzel L A.LNG Peak Shaving Plants-A Comparison of Cycles［J］.Advances in Cryogenic Engineering，1973(20):90-102.

7 Vink K J.Comparison of Base-Load Liquefaction Process［C］.12th International Conference＆Exhibition on Liquefied Natural Gas，Perch，Australia，1998.