小型N2-CH4膨脹機天然氣液化流程影響因素分析

（西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500）

小型N2-CH4膨脹機天然氣液化流程影響因素分析

蔣 鵬，諸 林，范峻銘，張 政

（西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500）

利用HYSYS對小型N2-CH4膨脹機天然氣液化流程進行模擬，分析關鍵參數對流程性能（比功耗、液化率）的影響。結果顯示：降低制冷劑高壓壓力、LNG儲存壓力、制冷劑中甲烷含量和提高制冷劑低壓壓力、天然氣入口壓力，有利于減少比功耗; 提高制冷劑高壓壓力、LNG儲存壓力、制冷劑中甲烷含量和降低制冷劑低壓壓力、天然氣入口壓力，有利于提高天然氣液化率。

N2-CH4天然氣液化流程；流程模擬；因素分析

我國經濟總量的快速增長，促使對能源的需求也不斷攀升。天然氣以其高效、優質、清潔等特性愈加受到人們關注。液化天然氣（LNG）是經液化處理后，以液體形式存在的天然氣。LNG具有適合遠洋貿易、回收邊遠天然氣等優勢[1]。

天然氣液化裝置通常分為基本負荷型、調峰型。小型液化裝置屬于調峰型裝置的一種，也是目前正在研發的新型液化裝置，液化能力約為1～100 m3/d的LNG[2]。目前，小型天然氣液化技術是該領域研究熱點之一。本文利用HYSYS對小型N2-CH4膨脹機天然氣液化流程進行模擬，分析流程關鍵參數對流程性能（比功耗、液化率）的影響。

1 N2-CH4膨脹機液化流程

N2-CH4膨脹機液化流程如圖1所示。該流程由N2-CH4制冷系統及天然氣液化系統組成。

對于N2-CH4制冷系統，采用N2-CH4混合氣作為制冷劑。制冷劑經兩級壓縮（C1、C2）、冷凝（E4、E5）后經預冷換熱器（E1）降溫，預冷后的制冷劑在分流器（S2）的分離作用下，一部分制冷劑先后經主換熱器（E2）和過冷換熱器（E3）冷凝、過冷后，再經節流閥節流降溫，返流為過冷換熱器（E3）和主換熱器（E2）提供冷量；另一部分制冷劑進入膨脹機（C3）膨脹，降壓降溫，膨脹后的制冷劑與返流的制冷劑在物流混合器（V2）混合后一起進入主換熱器（E2），作為主換熱器的冷源為其提供冷量。

圖1 N2-CH4膨脹機液化流程Fig.1 N2-CH4expander liquefaction process

對于天然氣液化系統，天然氣經過預處理脫酸脫水后，經預冷換熱器（E1）冷卻，然后進入主換熱器（E2）進一步冷卻至一定溫度后進入氣液分離器（S1）氣液分離，氣相部分進入主換熱器（E2）繼續冷卻液化，后經過冷換熱器（E3）過冷，最后經節流閥節流降溫后進入LNG儲槽（V1）。從氣液分離器（S1）底部出來的液相部分由于具有一定冷量，返流作為預冷換熱器（E1）的部分冷源。

2 進料條件與計算方法

進料天然氣處理量為15×104Nm3/d，溫度為25℃、壓力為4 400 kPa，組成見表1。

表1 進料組成Table 1 Feed gas compositions %(mol）

本文采用HYSYS V7.2進行模擬、分析。選定Peng-Robinson方程計算天然氣和制冷劑物性[3,4]。

3 影響因素分析

衡量流程性能主要指標是比功耗和液化率[5]。定義比功耗為：

式中：ω—比功耗，J/mol;

Wc—壓縮機總功耗，J/s;

We—膨脹機總輸出功，J/s；

qLNG—液化天然氣流量，mol/s。

定義液化率為：

式中：qNG—進入裝置的天然氣流量，mol/s。

3.1 制冷劑高壓壓力對流程性能影響

由圖2可知，隨著制冷劑高壓壓力（即壓縮機C2出口壓力）增加，比功耗、液化率呈現上升趨勢。高壓壓力升高，膨脹機單位制冷量增加，液化率升高。但由于制冷負荷上升，制冷劑總流量也隨之上升，壓縮機壓縮比增加，功耗增加。綜合以上兩方面的作用，LNG的比功耗呈現上升趨勢[6]。

3.2 制冷劑低壓壓力對流程性能影響

圖3顯示，隨著制冷劑低壓壓力（即膨脹機C3出口壓力）增加，比功耗和液化率呈降低趨勢。低壓壓力增加，膨脹機單位制冷量減少，液化率下降。

圖2 制冷劑高壓壓力對比功耗和液化率影響Fig.2 Influence of refrigerant high pressure on specific power consumption and liquefaction rate

圖3 制冷劑低壓壓力對比功耗和液化率影響Fig.3 Influence of refrigerant low pressure on specific power consumption and liquefaction rate

3.3 天然氣入口壓力對流程性能影響

圖4表明，隨著天然氣入口壓力（即進預冷換熱器E1的天然氣壓力）增加，比功耗、液化率均呈下降趨勢。天然氣入口壓力增加，氣液分離器（S1）分離出的液相部分（重烴）增加，液化天然氣流量降低，液化率降低；天然氣液化所需制冷劑流量減少，液化天然氣耗冷量減少，功耗降低[7]。

圖4 天然氣入口壓力對比功耗和液化率影響Fig.4 Influence of gas inlet pressure on specific power consumption and liquefaction rate

3.4 LNG儲存壓力對流程性能影響

圖5顯示，隨著LNG儲存壓力（即儲罐V1的壓力）增加，比功耗及液化率呈上升趨勢。LNG儲

存壓力增加，天然氣液化量增加，易被液化。天然氣入口狀態與液化后狀態間的焓差增大[8]，即液化天然氣所需要的冷量增加，制冷劑流量增加，使得比功耗增加。

圖5 LNG儲存壓力對比功耗和液化率影響Fig.5 Influence of LNG storage pressure on specific power consumption and liquefaction rate

3.5 制冷劑中CH4含量對流程性能影響

由圖6可見，隨著制冷劑中甲烷含量增加，比功耗及液化率呈上升趨勢。甲烷含量增加，膨脹機的實際焓降增加，膨脹機單位制冷量增加，制冷劑流量、制冷負荷也隨著增加，液化率增加，比功耗增加。

4 結 論

本文運用HYSYS對小型N2-CH4膨脹機天然氣液化流程進行了模擬，并分析了壓力、溫度、制冷劑組成等主要參數對流程性能的影響。得到如下結論。

(1)降低制冷劑高壓壓力、LNG儲存壓力、制冷劑中甲烷含量和提高制冷劑低壓壓力、天然氣入口壓力，有利于減少比功耗。

(2)提高制冷劑高壓壓力、LNG儲存壓力、制冷劑中甲烷含量和降低制冷劑低壓壓力、天然氣入口壓力，有利于提高天然氣液化率。

圖6 制冷劑中CH4含量對比功耗和液化率影響Fig.6 Influence of the refrigerant in the methane content on specific power consumption and liquefaction rate

［1］ 顧安忠,等．液化天然氣技術[M].北京：機械工業出版社，2004．

［2］ 徐文淵．小型液化天然氣生產裝置[J].石油與天然氣化工，2002，34(3)：161-164．

［3］ 李佩銘，焦文玲，張世澤，等．天然氣液化中采用PR方程的氣液相平衡計算[J].煤氣與熱力，2008，28(4)：B21-B24．

［4］ 唐迎春，陳保東,等．P-R方程在天然氣熱物性計算中的應用[J].石油化工高等學校學報，2005，18(2)：47-49．

［5］ 譚建宇，李紅艷，等．小型天然氣液化裝置工藝流程數值模擬和優化[J]. 天然氣工業，2005，25(5)：112-114．

［6］ C.W. Remeljej, A.F.A. Hoadley An exergy analysis of small-scale liquefied natural gas(LNG) liquefaction processes [J]. Energy，2006 (31)：2005-2019．

［7］ 宋磊．影響天然氣液化的工藝參數分析[J]. 甘肅科技，2004，20(12)：111-112．

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Analysis of Influence Factors on Small N2-CH4Expender Liquefaction Process

JIANG Peng，ZHU Lin，FAN Jun-ming，ZHANG Zheng
（School of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500,China）

HYSYS was used to simulate N2-CH4expander natural gas liquefaction process; influences of key parameters on the performance (including power consumption ratio and liquefaction rate) of N2-CH4expander liquefaction process were analyzed. The results show that, reducing refrigerant high pressure, LNG storage pressure, the methane content in the refrigerant, as well as improving the refrigerant low pressure and gas inlet pressure, can reduce power consumption ratio; improving the refrigerant high-pressure, LNG storage pressure, the methane content in the refrigerant, as well as reducing refrigerant low-pressure, gas inlet pressure, can improve natural gas liquefaction rate.

N2-CH4natural gas liquefaction; Process simulation; Parametric analysis

TE 64

： A

： 1671-0460（2014）01-0132-03

2013-07-08

蔣鵬（1991-），男，四川資陽人，2013年6月畢業于西南石油大學化學工程與工藝專業，研究方向：化工數值計算及分析。E-mail：zealforyou@sohu.com。