天然氣液化流程的發展及其有效能分析

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 制冷循環的效率與能耗

在液化天然氣（LNG）工業領域，生產裝置大型化是生產工藝技術發展水平最明顯標志。 當前國內外已經開發出數十種工藝流程以適應不同現場條件、不同規模LNG 生產裝置的建設需要［1-2］。 從制冷循環原理分析，實質上只涉及2 種制冷方式：冷劑（機械）制冷和膨脹制冷；后者可細分為節流閥膨脹、渦流管（包括脈沖管和氣波機等）膨脹和透平膨脹機膨脹等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（COP，即實際制冷量與其輸入功的比值）逐步提高，裝置能耗相應增加。 從工程熱力學角度分析，當前工業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為基礎開發的［3］。 以林德循環為基礎的級聯式制冷流程的特點是制冷效率低、能耗低，主要應用于大型LNG 生產裝置；MRC 制冷循環的特點是制冷效率較高、能耗較高；對不同生產規模的裝置有很強的適應能力， 是目前大、中型生產裝置使用最多的制冷流程。 對大型裝置，典型級聯式流程的比功耗約為0.33 kW·h/kg（LNG），相同條件下單級MRC 流程比功耗為其1.25 倍；C3/MRC 流程則為其1.15 倍。

根據熱力學原理，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 生產裝置上必須有推動力才能進行不可逆的制冷過程，必然有一定量的功（或能）損失，故裝置的實際功等于卡諾功加上損失功。 圖1 為典型（9 溫階）級聯式流程（溫焓圖）的組分加熱/冷卻曲線；圖1 中熱源線（實線）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） 級聯式流程的組分加熱/冷卻曲線

表1 5種基本制冷循環

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

圖2 所示數據表明，假定以環境溫度300 K 為基準，在100～200 K 的低溫范圍內C 值急劇下降，從約2.5降至0.5 左右。 因而生產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系 （環境溫度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，其設備投資在總投資中所占比例甚大。 制冷循環的效率可通過使過程在盡量靠近熱力學平衡的條件下進行而得到改善，盡可能減少損失功。 因此，在LNG 工程前端設計（FEED）中，運用有效能Ex分析以改進各種制冷流程的熱力學效率是降低設備能耗、尺寸和投資的重要技術措施。 近年來開發成功的，以透平膨脹機取代簡單的節流閥膨脹即為一個典型實例。

2 丙烷預冷/MRC 流程有效能分析

APCI 丙烷預冷/MRC 流程是目前大型LNG 生產裝置最常用的制冷流程。 在此流程中壓縮機是有效能Ex損失最多的設備，其次為換熱器；設計時首先根據工廠規模、現場條件、原料氣組成和環保要求等影響因素， 分析兩者的有效能損失ΔEx找出合理工藝方案。 若忽略工質的動能和位能，穩流工質在工況條件下的焓H 和Ex之間的關系為：

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

以制冷循環中的壓縮機為例，其有效能Ex平衡方程為：

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

根據式（2），壓縮機的有效能損失ΔEx可以表示為：

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

流程中其它設備如換熱器、節流閥、水冷器和混合器， 也可以按其工作原理建立相應的有效能損失ΔEx計算式，進行全流程的有效能分析。

根據圖3 所示流程，按表2-3 所示的操作參數及組分摩爾分數，對典型APCI 丙烷預冷/MRC 流程中主要設備進行（單位工質）有效能分析，計算結果見表4。進行計算時，設定表2-3 中混合冷劑各組分的摩爾分數、天然氣溫度、高低壓制冷劑溫度均為第一個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，壓縮機效率為0.75，丙烷預冷循環的壓縮機出口壓力為1.3 MPa［5］。

圖3 典型的APCI 丙烷預冷/MRC 流程

通常采取合理選擇壓縮機入口溫度及壓縮系數、改進壓縮機結構等措施減少有效能損失；通過強化傳熱、增加換熱面積、回收低溫冷量等方法，減少換熱系統的有效能損失。

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， 進行逐級冷凝、蒸發、節流膨脹而得到不同溫度水平的冷量，達到冷卻和液化天然氣的目的。 我國目前生產規模最大的新疆廣匯150×104m3/d 裝置即采用此制冷流程。

表2 溫度與壓力參數

表3 組分的摩爾分數

表4 有效能分析計算結果

表5 原料天然氣組成

表6 產品LNG的組成

表7 壓縮機與換熱器的計算結果

圖4 典型三級壓縮MRC 制冷示意流程

假定進裝置的原料天然氣壓力為6.54 MPa，溫度為43 ℃，原料氣的質量流量為60 397 kg/h，其組成見表5。如圖4 所示，經預處理的天然氣首先在預冷換熱器（E-301）中預冷，并在重烴分離器（V-301）中分離掉可能存在的重烴組分；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流閥節流降溫至-163.5 ℃進入LNG 儲罐。 產品LNG 的壓力為0.107 MPa，組成見表9，此組成也被設定為混合冷劑的組成［6］。

組成與LNG 產品類似的混合冷劑MR 經壓縮機三級壓縮（C351.1～C351.3）后，進入由3 個繞管式換熱器（E301～E303）集成的冷箱，MR 經過與原料天然氣換熱后由CWHE 殼程側下部排出。MR 最終離開冷箱的溫度為25.5 ℃。 低溫換熱器的最小溫差設定為≥2.5 ℃，工藝物流經水冷器后的溫度統一定為40 ℃，所有壓縮機的等熵效率定為76.2%。 環境溫度（T0）定為25 ℃。

使用Aspen Plus 軟件對上述天然氣液化流程中的壓縮機與換熱器進行有效能分析的計算結果見表7， 對M-1～M-4 四個流體混合點的計算結果見表8，該單級MRC 制冷流程的全部有效能損失ΔEx計算結果匯總見表9。

表8 四個混合點（器）的有效能損失ΔEx

表9 單級MRC制冷流程有效能損失ΔEx計算結果匯總

4 循環級數對制冷效率的影響

制冷循環的結構選擇是優化工藝流程的基礎。 以MRC 工藝為例，目前有單級、二級、三級和多級混合冷劑制冷循環等多種應用于工業的工藝流程。 雖然增加制冷循環級數時工藝過程的效率肯定增加，但制冷能耗、 設備投資和流程復雜程度同時增加。 必須結合LNG 生產裝置的具體情況，通過有效能分析才能確定合理的級數［7］。

表10 原料氣組成（摩爾分數）

表11 循環級數對MRC制冷循環效率的影響

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，進入冷箱的溫度為27 ℃，天然氣處理量為10×104m3/d，環境溫度為27 ℃。 在過冷過程中，將LNG 過冷至-150 ℃后節流至0.2 MPa 時的溫度為-148.3 ℃。采用由甲烷、乙烷、丙烷、異戊烷和氮氣組成的MR。 假定壓縮機等熵效率為0.75、忽略換熱器的壓力降及壓縮機出入口之間的壓力差別； 并采用PR 方程計算天然氣和MR 的物性。 上述條件下Ex分析計算結果見表11［7］。

表11 數據表明， 增加制冷循環級數可以有效地提高Ex效率。 二級和三級MRC 制冷循環比單級制冷循環的Ex效率分別提高了8.1%和15.7%； 制冷壓縮機的軸出功率則分別降低了7.4%和12.6%。 目前大型LNG 生產裝置均采用多級MR 制冷循環以降低操作成本；中小型裝置采用單級MR 制冷循環。

5 NGE/MRC 制冷流程的有效能分析

2005 年11 月投產的四川犍為裝置是國內第一套利用輸氣管網壓力差建設的開式循環天然氣 （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，其功能大多為調峰型。 從發展角度看，此類裝置可以完全立足于國內技術，發展速度頗快，將成為今后城市供氣的主要調峰手段［8］。

近期文獻中提出一種新型的NGE/MRC 制冷流程，其特點是將部分城市輸氣管網中的高壓天然氣作為透平膨脹機的膨脹氣，將高壓天然氣的壓力能轉化為冷能與機械功，兩者分別應用于原料氣的預冷和驅動混合冷劑壓縮機［9］。NGE/MRC 制冷流程包括3 個部分： 膨脹機預冷系統、MRC 制冷系統和天然氣液化系統。 在膨脹預冷系統中，一部分來自高壓管網的原料天然氣作為膨脹氣進入透平膨脹機EPX 膨脹端膨脹降溫后， 進入預冷換熱器E1 以提供天然氣預冷及混合冷劑MR 所需的冷量。MRC 制冷系統及天然氣液化系統的流程則與常規的MRC 流程類似，見圖5。

設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 產量為30 000 m3/d（天然氣），儲存壓力為120 kPa。 低壓壓縮機入口處MR的壓力為0.33 MPa， 高壓壓縮機入口處的壓力為2.0 MPa。多股流換熱器換熱端面的溫差約為3 ℃。壓縮機與膨脹機的效率取軟件默認值；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 軟件進行流程模擬時，原料天然氣和MR 的組成見表12；模擬得到的各節點熱力學參數與設備的操作參數見表13。根據流程模擬得到的數據進行NGE/MRC 制冷流程的有效能分析計算結果見表14。

表13 各節點的熱力學參數和設備的操作參數

表14 NGE/MRC制冷流程的有效能分析計算結果

有效能分析結果表明：NGE/MRC 制冷流程的有效能損失ΔEx集中在膨脹機和壓縮機，分別占總損失量的49.14%和36.64%。 膨脹機和壓縮機的有效能損失分為內部損失與外部損失兩個部分。 內部損失主要由工作過程的熱力學不可逆性造成，可以通過改進兩者的結構、提高其絕熱效率、合理選擇其進出口參數，采取多級膨脹或多級壓縮等措施來改善。 外部損失主要由壓縮和膨脹工質的熱損及傳動裝置的效率造成，應盡可能減少熱損及泄漏，提高傳動機械的效率。 常規膨脹機流程換熱器的溫差較大，導致有效能損失量增加。 NGE/MRC 流程將利用輸氣管網壓差得到的能量，分別應用于預冷原料氣及MR 制冷壓縮機，大大改善有效能利用效率。

6 結論與建議

a） 生產裝置大型化是LNG 生產工藝技術發展水平最明顯標志。 為適應我國“充分發揮國內資源的基礎性保障作用”戰略的需要，中小型LNG 裝置在我國的發展極為迅速， 目前已建和在建的裝置總數超過30 套，其規模則在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，也有調峰型。

b）中小型LNG 生產裝置的建設對我國邊遠分散氣田與海上氣田開發、 城鎮供氣及調峰、LNG 車用燃料及非常規天然氣利用等方面， 發揮了關鍵性作用，必將成為我國天然氣工業發展的一個重要分支。 建議有關部門充分重視其發展動向。

c）在LNG 工程可行性研究和/或前端設計（FEED）中，運用有效能Ex分析以改進各種制冷流程的熱力學效率是降低設備能耗、 尺寸和投資的重要技術措施。同時，此技術也是我國開發具有自主知識產權新工藝的必由之路，應引起有關部門充分重視。

d）有效能分析結果表明：液化流程中壓縮機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入口溫度及壓縮系數、改進壓縮機結構等措施減少有效能損失；通過強化傳熱、增加換熱面積、回收低溫冷量等方法，可以減少換熱系統的有效能損失。

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

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

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