丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝原料氣敏感性分析

潘紅宇，李玉星，朱建魯

（中國(guó)石油大學(xué) （華東）儲(chǔ)建學(xué)院，山東 青島266580）

引 言

液化天然氣 （LNG）由于其本身的優(yōu)越性，近年來(lái)得到了快速發(fā)展。天然氣液化后便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)輸，提高儲(chǔ)存效率和安全保證，有利于城市負(fù)荷的調(diào)節(jié)，并且對(duì)環(huán)境效益顯著［1］。在天然氣液化工藝中，20世紀(jì)70年代后期和80年代初期，美國(guó)空氣液化公司 （APCI）成功開(kāi)發(fā)出丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化技術(shù)，在大型LNG工廠得到廣泛的應(yīng)用。到2003年，世界上液化天然氣產(chǎn)量的85%使用丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化工藝，其中預(yù)冷段采用丙烷制冷劑，液化段采用混合制冷劑，很好地提高了液化率和制冷劑循環(huán)效率［2－7］。

天然氣液化裝置運(yùn)行時(shí)，外界條件是時(shí)刻變化的，在存在擾動(dòng)的情況下系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性是選擇液化工藝的一個(gè)重要因素，而動(dòng)態(tài)仿真是驗(yàn)證液化工藝穩(wěn)定性的重要手段。國(guó)外對(duì)液化工藝的動(dòng)態(tài)仿真起步較早，文獻(xiàn) ［8－10］建立了液化工藝中主要設(shè)備的動(dòng)態(tài)模型并對(duì)液化工藝進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，文獻(xiàn) ［11－13］對(duì)單級(jí)混合制冷劑液化工藝和多級(jí)混合制冷劑液化工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)仿真。挪威科技大學(xué)對(duì)混合制冷劑液化工藝的動(dòng)態(tài)仿真做了大量的工作，以挪威建設(shè)的大型天然氣液化裝置為基礎(chǔ)建立了混合制冷劑液化工藝中主要設(shè)備的動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)級(jí)聯(lián)式混合制冷劑液化工藝、單級(jí)混合制冷劑液化工藝和多級(jí)混合制冷劑液化工藝進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真及控制方式的研究，但是僅僅局限于天然氣流量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)仿真，沒(méi)有進(jìn)行存在其他擾動(dòng)變化時(shí)的動(dòng)態(tài)仿真［14－16］。相對(duì)來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)對(duì)混合制冷劑的動(dòng)態(tài)仿真起步較晚，主要集中在上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)。上海交通大學(xué)［17－18］從20世紀(jì)90年代開(kāi)始從事天然氣液化相關(guān)技術(shù)的研究，主要是采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行液化工藝的分析和研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)［19］主要針對(duì)混合制冷劑循環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究、流程操作特性和適應(yīng)性研究。

由于實(shí)際情況中原料氣的入口壓力、溫度、組分均存在變化的可能，需要針對(duì)丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)其原料氣敏感性進(jìn)行分析。通過(guò)分別添加原料氣壓力、溫度、組分的擾動(dòng)，得到了混合制冷劑、丙烷制冷劑、原料氣3個(gè)工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而驗(yàn)證丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝在原料氣入口條件擾動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝模型建立

利用Aspen HSYSY建立動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖1所示。動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，首先根據(jù)丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝建立流程的穩(wěn)態(tài)模型，并以穩(wěn)態(tài)模型的結(jié)果作為建立動(dòng)態(tài)模型的初值，然后根據(jù)實(shí)際中的設(shè)備參數(shù)及邊界條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)的設(shè)定，并增加PID控制器。動(dòng)態(tài)模型采用壓力驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)，模型中的流量通過(guò)阻力和壓力差計(jì)算，因此模型中需要設(shè)置各個(gè)壓縮機(jī)的功率和效率以及閥門(mén)等阻力件的開(kāi)度和流量系數(shù)，從而得到合理的流量。

模型中原料氣入口參數(shù)為24.85℃，5MPa，甲烷含量為89.94%，在此基礎(chǔ)上對(duì)工藝系統(tǒng)添加擾動(dòng)，展開(kāi)原料氣入口條件的敏感性分析。

圖1 丙烷預(yù)冷混合制冷劑流程圖Fig.1 Flow chart of propane pre－cooled mixed refrigerant liquefaction

2 原料氣壓力敏感性分析

在20min時(shí)將原料氣入口壓力由5000kPa升至6000kPa后，混合制冷劑、丙烷、原料氣系統(tǒng)分別出現(xiàn)不同的響應(yīng)，結(jié)果如下。

圖2是原料氣入口壓力改變時(shí)混合制冷劑系統(tǒng)的響應(yīng)。在原料氣壓力增高后，混合制冷劑流量下降7.27%，直至166.67min時(shí)穩(wěn)定在21004kmol·h－1左右；混合制冷劑壓力上升11.32%，直至250 min時(shí)穩(wěn)定在1846kPa；混合制冷劑溫度上升1.47%，直至250min時(shí)穩(wěn)定在－22℃。這是因?yàn)椋谠蠚馊肟趬毫ι仙螅捎贚NG節(jié)流閥的作用，會(huì)導(dǎo)致原料氣流量下降，換熱器負(fù)荷下降，混合制冷劑流量下降，所以混合制冷劑的溫度和壓力均上升，直到達(dá)到新的平衡后穩(wěn)定。

圖2 原料氣入口壓力改變時(shí)混合制冷劑系統(tǒng)的響應(yīng)Fig.2 Response of mixed refrigerant system when inlet pressure of feed gas changes

圖3是原料氣入口壓力改變時(shí)原料氣系統(tǒng)的響應(yīng)。在原料氣壓力增高后，原料氣流量增高，然后迅速下降12.55%，并在166.67min時(shí)穩(wěn)定至7878kmol·h－1；原料氣入口溫度、壓力基本維持不變；末端節(jié)流閥入口原料氣溫度小幅波動(dòng)后在166.67min時(shí)穩(wěn)定在－151.8℃；經(jīng)丙烷預(yù)冷后原料氣溫度升高2.39%，至25min時(shí)穩(wěn)定在－28.3℃。這是因?yàn)椋?dāng)原料氣入口壓力突然上升時(shí)，原料氣流量隨之上升，但受到LNG末端節(jié)流閥的串級(jí)控制，流量迅速回落并穩(wěn)定，節(jié)流閥入口原料氣溫度受到串級(jí)控制影響，經(jīng)過(guò)小幅波動(dòng)后也保持穩(wěn)定，由于原料氣入口壓力上升，新的流量穩(wěn)定值小于原流量穩(wěn)定值。另外原料氣入口溫度并不受壓力變化影響，所以保持不變。由于最初原料氣流量增高，在最初丙烷流量沒(méi)有變化時(shí)換熱器負(fù)荷不變，導(dǎo)致經(jīng)丙烷預(yù)冷后的原料氣溫度上升，直到達(dá)到新的平衡后保持穩(wěn)定。

圖3 原料氣入口壓力改變時(shí)原料氣系統(tǒng)的響應(yīng)Fig.3 Response of feed gas system when inlet pressure of feed gas changes

圖4是原料氣入口壓力改變時(shí)丙烷系統(tǒng)的響應(yīng)。在原料氣壓力增高后，丙烷流量下降3.48%，并在166.67min時(shí)穩(wěn)定在15064kmol·h－1。第三級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力上升5.53%，并在166.67min時(shí)穩(wěn)定在1363.5kPa；第二級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力上升8.24%，并在166.67min時(shí)穩(wěn)定在525.04kPa；第一級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力上升7.63%， 并 在 166.67min 時(shí) 穩(wěn) 定 在 271.05 kPa。這是因?yàn)椋蠚馊肟趬毫ο陆祵?dǎo)致原料氣流量下降，換熱器負(fù)荷減少，所以丙烷流量下降，進(jìn)而導(dǎo)致第一、二、三級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力上升，直到達(dá)到新的平衡后穩(wěn)定。

圖4 原料氣入口壓力改變時(shí)丙烷系統(tǒng)的響應(yīng)Fig.4 Response of propane refrigerant system when inlet pressure of feed gas changes

3 原料氣溫度敏感性分析

在20min時(shí)將原料氣入口溫度由24.85℃降至20℃后，混合制冷劑、丙烷、原料氣系統(tǒng)分別出現(xiàn)不同的響應(yīng)，結(jié)果如下。

圖5是原料氣入口溫度改變時(shí)混合制冷劑系統(tǒng)的響應(yīng)。在原料氣溫度降低后，混合制冷劑流量上升0.24%，直至66.67min時(shí)穩(wěn)定在22702kmol·h－1左右；混合制冷劑壓力下降0.45%，直至78.33min時(shí)穩(wěn)定在1643.5kPa；混合制冷劑溫度下降0.05%，直至78.33min時(shí)穩(wěn)定在－25.9℃。這是因?yàn)椋谠蠚馊肟跍囟认陆岛螅谌肟趬毫Σ蛔兊那闆r下原料氣流量會(huì)上升，換熱器負(fù)荷增大，混合制冷劑流量上升，所以混合制冷劑的溫度和壓力均下降，直到達(dá)到新的平衡后穩(wěn)定。

圖5 原料氣入口溫度改變時(shí)混合制冷劑系統(tǒng)的響應(yīng)Fig.5 Response of mixed refrigerant system when inlet temperature of feed gas changes

圖6是原料氣入口溫度改變時(shí)原料氣系統(tǒng)的響應(yīng)。在原料氣溫度降低后，原料氣流量上升0.78%，在83.33min時(shí)穩(wěn)定至9021.5kmol·h－1；原料氣入口溫度壓力及末端節(jié)流閥入口原料氣溫度基本維持不變；經(jīng)丙烷預(yù)冷后原料氣溫度小幅下降0.36%，在21.67min時(shí)穩(wěn)定在－34.9℃。這是因?yàn)椋?dāng)原料氣入口溫度突然下降時(shí)，在入口壓力不變的情況下原料氣流量上升，但受到LNG末端節(jié)流閥的串級(jí)控制，流量迅速回落并波動(dòng)上升，最終穩(wěn)定，節(jié)流閥入口原料氣溫度受到串級(jí)控制影響基本維持不變，另外原料氣入口壓力不受影響，所以基本保持不變。此外，由于原料氣入口溫度下降，經(jīng)丙烷預(yù)冷后原料氣溫度小幅下降。

圖7是原料氣入口溫度改變時(shí)丙烷系統(tǒng)的響應(yīng)。在原料氣溫度降低后，丙烷流量上升0.66%，并在26.67min時(shí)穩(wěn)定在15712kmol·h－1。第三級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力下降0.66%，并在30min時(shí)穩(wěn)定在1283.5kPa；第二級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力下降0.68%，并在30min時(shí)穩(wěn)定在481.6kPa；第一級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力下降0.71%，并在30 min時(shí)穩(wěn)定在250.1kPa。這是因?yàn)椋蠚馊肟跍囟认陆祵?dǎo)致原料氣流量上升，換熱器負(fù)荷增加，所以丙烷流量上升，進(jìn)而導(dǎo)致第一、二、三級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力下降，直到達(dá)到新的平衡后穩(wěn)定。但由于丙烷流量上升不大，第一、二、三級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力下降也不大。

圖6 原料氣入口溫度改變時(shí)原料氣系統(tǒng)的響應(yīng)Fig.6 Response of feed gas system when inlet temperature of feed gas changes

圖7 原料氣入口溫度改變時(shí)丙烷系統(tǒng)的響應(yīng)Fig.7 Response of propane refrigerant system when inlet temperature of feed gas changes

4 原料氣組分敏感性分析

在20min時(shí)將原料氣中甲烷含量由89.94%改為80%，其余組分按比例增加后，混合制冷劑、丙烷、原料氣系統(tǒng)分別出現(xiàn)不同的響應(yīng)，結(jié)果如下。

圖8是原料氣組分改變時(shí)混合制冷劑系統(tǒng)的響應(yīng)。在原料氣組分改變后，混合制冷劑流量下降7.85%，直至143.33min時(shí)穩(wěn)定在20868kmol·h－1左右；混合制冷劑壓力上升13.70%，直至150 min時(shí)穩(wěn)定在1877.3kPa；混合制冷劑溫度上升1.47%，直至150min時(shí)穩(wěn)定在－22℃。這是因?yàn)椋蠚饨M分改變后，原料氣流量下降，換熱器負(fù)荷減小，混合制冷劑流量下降，所以混合制冷劑溫度和壓力均上升，直到達(dá)到新的平衡后穩(wěn)定。

圖8 原料氣組分改變時(shí)混合制冷劑系統(tǒng)的響應(yīng)Fig.8 Response of mixed refrigerant system when components of feed gas changes

圖9是原料氣組分改變時(shí)原料氣系統(tǒng)的響應(yīng)。在原料氣組分改變后，原料氣流量下降18.06%，并在166.67min時(shí)穩(wěn)定至7335kmol·h－1；原料氣入口溫度、壓力基本維持不變；末端節(jié)流閥入口原料氣溫度小幅波動(dòng)后基本穩(wěn)定在－151.8℃；經(jīng)丙烷預(yù)冷后原料氣溫度上升4.18%，并在30min時(shí)穩(wěn)定在－24℃。這是因?yàn)椋?dāng)原料氣組分改變時(shí)，隨著甲烷含量的減小，原料氣分子量增加、密度增大，在入口閥門(mén)系數(shù)及壓力不變的情況下原料氣流量減小，換熱器負(fù)荷減小，經(jīng)丙烷預(yù)冷后原料氣溫度上升，節(jié)流閥入口原料氣溫度受到串級(jí)控制影響基本保持穩(wěn)定，原料氣流量受串級(jí)控制影響也逐漸趨于穩(wěn)定。另外，原料氣入口溫度并不受原料氣組分變化影響，所以保持不變。

圖9 原料氣組分改變時(shí)原料氣系統(tǒng)的響應(yīng)Fig.9 Response of feed gas system when components of feed gas changes

圖10是原料氣組分改變時(shí)丙烷系統(tǒng)的響應(yīng)。在原料氣組分改變后，丙烷流量持續(xù)下降，并在143.33min時(shí)穩(wěn)定在15020kmol·h－1。第三級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力上升，并在143.33min時(shí)穩(wěn)定在1366.64kPa；第二級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力上升，并在143.33min時(shí)穩(wěn)定在525.67kPa；第一級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力上升，并在143.33min時(shí)穩(wěn)定在271.31kPa。這是因?yàn)椋蠚饨M分改變導(dǎo)致原料氣流量減小，換熱器負(fù)荷減小，丙烷流量下降，進(jìn)而導(dǎo)致第一、二、三級(jí)丙烷壓縮機(jī)出口壓力上升，直到達(dá)到新的平衡后穩(wěn)定。

圖10 原料氣組分改變時(shí)丙烷制冷劑系統(tǒng)的響應(yīng)Fig.10 Response of propane refrigerant system when components of feed gas changes

5 結(jié) 論

通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真的方式給丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝流程分別添加原料氣入口壓力、溫度、組分的擾動(dòng)，獲得混合制冷劑、丙烷制冷劑、原料氣3個(gè)工藝系統(tǒng)的響應(yīng)。當(dāng)原料氣壓力擾動(dòng)時(shí)，混合制冷劑系統(tǒng)需要160～250min恢復(fù)穩(wěn)定，丙烷制冷劑系統(tǒng)需要160min左右恢復(fù)穩(wěn)定，原料氣系統(tǒng)需要160min左右恢復(fù)穩(wěn)定；當(dāng)原料氣溫度擾動(dòng)時(shí)，混合制冷劑系統(tǒng)需要60～80min恢復(fù)穩(wěn)定，丙烷制冷劑系統(tǒng)需要20～30min恢復(fù)穩(wěn)定，原料氣系統(tǒng)需要20～80min恢復(fù)穩(wěn)定；當(dāng)原料氣組氣擾動(dòng)時(shí)，混合制冷劑系統(tǒng)需要150min左右恢復(fù)穩(wěn)定，丙烷制冷劑系統(tǒng)需要140min左右恢復(fù)穩(wěn)定，原料氣系統(tǒng)需要30～160min恢復(fù)穩(wěn)定。驗(yàn)證了丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝在原料氣入口條件擾動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。而且原料氣壓力和組分的擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響較大，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定所需時(shí)間教長(zhǎng)；原料氣溫度的擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響相對(duì)較小，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定所需時(shí)間較短。

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