預冷混合冷劑液化天然氣流程優化與對比

茍亞軍，蔣梟瀟，陳俊蕾，李爽

（樂山峨沙天然氣有限責任公司，四川樂山614900）

預冷混合冷劑液化天然氣流程優化與對比

茍亞軍，蔣梟瀟，陳俊蕾，李爽

（樂山峨沙天然氣有限責任公司，四川樂山614900）

為了降低混合冷劑液化天然氣流程的能耗，采用預冷措施。其中，常用的預冷方式有丙烷預冷和混合工質預冷。為獲得兩種預冷混合冷劑液化天然氣流程的最優性能，對預冷混合冷劑液化流程建立比功耗為目標函數進行分析。同時，結合實例對丙烷預冷混合冷劑液化流程和雙混合冷劑液化流程進行對比分析。結果表明：雙混合冷劑液化流程較丙烷預冷液化流程的熵增小，冷凝液化效率高，且比功耗低，裝置運行成本低。

丙烷；混合冷劑；預冷；優化；對比

混合冷劑液化天然氣流程因其低能耗的優點，已被廣泛應用于大型的LNG液化工廠。為了進一步降低流程功耗，混合冷劑液化流程采用預冷的措施。其中，常用的預冷方式有丙烷預冷和混合工質預冷。如何獲得預冷混合冷劑液化天然氣流程的最優操作條件，降低天然氣液化過程中能量消耗從而節約運行成本，已成為LNG液化工廠需解決的問題。本文建立預冷混合冷劑液化天然氣流程比功耗為目標的優化模型，并對丙烷預冷和混合工質預冷兩種預冷混合冷劑液化流程進行對比，為天然氣液化流程的選擇提供技術支持。

1　預冷混合冷劑液化天然氣流程

1.1丙烷預冷混合冷劑循環液化流程

丙烷預冷混合冷劑循環液化工藝流程（見圖1）［1］。該流程由深冷混合冷劑循環、丙烷預冷循環以及天然氣液化回路。

丙烷預冷循環：丙烷經壓縮機壓縮至高壓，經水冷器冷卻后節流閥節流降溫為天然氣和混合冷劑的預冷提供冷量。升溫后的丙烷返回丙烷壓縮機，完成丙烷預冷循環。

深冷混合冷劑循環：混合冷劑經低壓、高壓壓縮機壓縮至高壓，經水冷器帶走一部分熱量，然后通過丙烷預冷循環預冷。預冷后的混合冷劑進入分離器III分離。其中，液相經換熱器I冷卻后節流、降溫，與返流的混合冷劑混合后，為換熱器I提供冷量。氣相經換熱器II、換熱器III冷卻后節流、降溫，為換熱器III、換熱器II提供冷量。升溫后的混合冷劑返回壓縮機，完成混合冷劑循環。

天然氣液化回路：凈化后的天然氣經丙烷預冷循環后進入分離器I進行重烴分離。其中，液相去重烴處理裝置，氣相經換熱器II冷卻、換熱器III液化并過冷，然后經節流閥節流降壓至儲存壓力，最后進入分離器II進行氣液分離，液相為LNG產品進低溫儲罐。

圖1　丙烷預冷混合冷劑液化工藝流程圖

1.2雙混合冷劑循環液化流程

雙混合冷劑循環液化工藝流程（見圖2）［2］。該流程由預冷混合冷劑循環、深冷混合冷劑循環以及天然氣液化回路。

預冷混合冷劑循環：混合冷劑經壓縮機壓縮至高壓，經水冷器冷卻，然后進換熱器I預冷后節流、降溫返回換熱器I，為天然氣和深冷混合冷劑預冷提供冷量，最后返回壓縮機完成預冷混合冷劑循環。

深冷混合冷劑循環：混合冷劑經壓縮機壓縮至高壓，經水冷器冷卻，然后經換熱器I進一步冷卻后進入分離器II分離。其中，液相經換熱器II冷卻后節流、降溫，與返流的混合冷劑混合后，為主換熱器II提供冷量；氣相經換熱器II和換熱器III冷卻后節流、降溫，為換熱器III、主換熱器II提供冷量。升溫后的混合冷劑返回壓縮機，完成深冷混合冷劑循環。

圖2　雙混合冷劑液化工藝流程圖

表1　天然氣組成

天然氣液化回路：凈化后的天然氣經換熱器I預冷后進入分離器I進行重烴分離。其中，液相去重烴處理裝置，氣相經換熱器II冷卻、換熱器III液化并過冷，然后經節流閥節流降壓至儲存壓力，最后進入分離器III進行氣液分離，液相為LNG產品進低溫儲罐。

2　預冷混合冷劑液化天然氣流程優化分析

對某LNG工廠260×104m3/d混合冷劑液化天然氣裝置采用丙烷預冷和混合工質預冷兩種方式工藝進行優化獲得最佳流程性能。該裝置天然氣入口壓力為5.0 MPa，溫度為25℃，LNG儲運壓力為20 kPa（表壓），溫度為-161.2℃。天然氣組成（見表1）。

2.1優化目標

式中：Wy為預冷循環壓縮機功耗，kW；Wc為深冷循環壓縮機功耗，kW；qlng為LNG流量；kg/h。

2.2優化變量

對液化裝置操作參數的優化就是根據實際條件調整決策變量，稱為可調變量。優化變量在可調變量中選取，這些變量在實際生產中必須可調。

丙烷預冷混合冷劑液化流程中：

式中：qCH3為丙烷流量，kg/h；qmr為深冷混合冷劑流量，kg/h；H1～3、H8～9為天然氣液化回路節點1、2、3、8、9處物流總焓，H10～11為預冷循環節點10、11處物流的總焓，H14、H16、H17～18為深冷循環節點14、16、17、18處物流的總焓，（總焓：kJ/h）；h10～11、h13為預冷循環節點10、11、13處物流的比焓；h14、h16、h20為深冷循環節點14、16、20處物流的比焓，（比焓：kJ/kg；節點見圖1）。

雙混合冷劑液化流程中：

式中：qymr為預冷混合冷劑流量，kg/h；H10、H12為預冷循環節點10、12處物流總焓，H16、H18～20為深冷循環節點16、18、19、20處物流的總焓，（總焓：kJ/h）；h10、h12～13為預冷循環節點10、12、13處物流的比焓；h16、h18、h20為深冷循環節點16、18、20處物流的比焓，（比焓：kJ/kg；節點見圖2）。

由式2～9可得，預冷混合冷劑液化天然氣流程性能指標都涉及到焓值。焓值是由某一狀態點的壓力P、溫度T、摩爾分率Zmol及流量q決定。由此可知，在液化裝置的設備條件固定及不考慮設備熱量損失的條件下，確定以上兩種預冷混合冷劑液化天然氣流程的可調變量數及可調變量的選擇（見表2）。

2.3約束條件

在天然氣液化裝置處理量一定的的情況下，優化變量的取值除了使各換熱器滿足能量平衡外，同時應使液化流程滿足以下約束條件［3］：

式中：Thmr為分離器III處高壓冷劑的溫度，℃；Tbhmr為分離器III處高壓冷劑的泡點溫度，℃；Tdhmr為分離器III處高壓冷劑的露點溫度，℃；Tlmr為換熱器I熱端面處低壓冷劑的溫度，℃；Tblmr為換熱器I熱端面處低壓冷劑的泡點溫度，℃；Tng為換熱器I熱端面處天然氣溫度，℃；ΔSHEAT為各換熱器熵增，J。

2.4優化方法

優化方法主要有黑盒子法、混合法和序列善次歸化法。其中，序列善次歸化即SQP法是當前公認的最有效的方法之一，同時在實際工程中應用廣泛。因此，預冷混合冷劑液化天然氣流程參數優化選擇SQP優化方法。

目標函數和約束條件可以寫成如下形式［4-5］：

表2　可調變量數及可調變量選擇

SQP法的計算步驟為：

（1）將式（14）轉化為善次歸化問題式（15）

（2）選定初始點x（0），給定初始矩陣Q（0）=I，置k=0；

（3）對善次歸化問題（13）進行迭代求解x（k）；

（4）若滿足終止準則，輸出結束；否則，轉（5）；

（5）直線搜索，確定步長，令x（k+1）=xk+αΔx；

（6）修正近似矩陣Q（k），轉（3）。

3　混合冷劑配比計算方法

以上兩種預冷混合冷劑液化流程中，混合冷劑組成及配比通過影響混合冷劑的焓值從而對天然氣液化流程的比功耗產生影響。因此，混合冷劑合理的組成和配比是預冷混合冷劑液化天然氣流程追求低能耗的基礎。

不同的混合冷劑循環，要求的混合冷劑組成不同。丙烷預冷混合冷劑液化流程中，丙烷預冷溫度約-30℃左右；深冷循環的制冷溫區為-30℃至-160℃左右，混合冷劑應由CH4～C3H8和N2成分組成。雙混合冷劑液化流程中，預冷溫度最佳溫度為-50℃，預冷混合冷劑應由C2H6～C5H12成分組成，深冷循環的制冷溫區為-50℃至-160℃左右，混合冷劑應由CH4～C3H8和N2成分組成。

混合冷劑配比的計算以APCI提出的確定混合冷劑構成的一般原則［6］為基礎，通過HYSYS模擬優化得出。混合冷劑配比優化策略（見圖3）。

圖3　混合冷劑配比優化策略

表3　預冷混合冷劑液化天然氣流程優化參數對比

4　優化結果及對比

通過優化計算確定了以上兩預冷混合冷劑液化天然氣流程的優化變量。優化后的各參數（見表3）。

通過表3可知：雙混合冷劑液化天然氣流程，制冷劑循環量少，水冷卻負荷及流程壓縮功耗較小。同時，混合工質預冷的液化流程的比功耗比丙烷預冷液化流程降低了10.9%，裝置的運行費用降低。

丙烷預冷混合冷劑循環和雙混合冷劑循環的天然氣冷卻曲線（見圖4、圖5）。

比較圖4～5可知：雙混合冷劑液化天然氣流程中，混合冷劑冷卻曲線更貼近原料氣的冷卻曲線，使得熵增減少，傳熱效率提高。

圖4　丙烷預冷混合冷劑循環的天然氣冷卻曲線

圖5　雙混合冷劑循環的天然氣冷卻曲線

5　結論

預冷混合冷劑液化天然氣流程中，混合冷劑作為預冷工質使得液化流程的熵增減少，冷凝液化效率提高。同時，液化相同量的天然氣時，雙混合冷劑液化流程的冷劑循環量少，水冷卻負荷及比功耗較丙烷預冷混合冷劑液化流程低，裝置運行成本低。因此，大型的LNG液化工廠的預冷混合冷劑液化流程應采用運行成本較低的混合冷劑作為預冷工質。

［1］袁樹明，劉蘭慧，等.丙烷預冷混合制冷劑天然氣液化流程工藝計算［J］.煤氣與熱力，2010，30（8）：7-9.

［2］馬國光，吳曉楠，等.液化天然氣技術［M］.北京：石油工業出版社，2012：36-40.

［3］位雅莉.天然氣液化工藝模擬與分析［D］.四川：西南石油大學，2004.

［4］蔣金山，何春雄，等.最優化計算方法［M］.廣州：華南理工大學出版社，2007：165-173.

［5］王治紅，李智，等.塔河一號聯合站天然氣處理裝置參數優化研究［J］.石油與天然氣化工，2013，46（6）：565.

［6］牛亞楠，等.多元混合制冷劑小型天然氣液化裝置的模擬研究［D］.上海：同濟大學，2007.

Optimization and comparison of the pre-cooled mixed refrigerant LNG process

GOU Yajun，JIANG Xiaoxiao，CHEN Junlei，LI Shuang
（Leshan Mindanao Sand Natural Gas Company，Leshan Sichuan 614900，China）

To reduce the power of MRC，the process use the pre-cooling measures.Among them，the common methods are propane pre-cooling way and MR pre-cooling.To obtain the optimum performance of those two LNG process，this paper establishes the objective function of unit power consumption of the pre-cooling mixed refrigerant cycle to analyze and compares these two process with the examples.As the result，the double mixed refrigerant liquefaction process has the smaller entropy and the higher efficiency of liquefaction.Meanwhile it is lower than propane pre-cooled MRC in the power consumption and the unit operating costs.

propane；mixed refrigerant；pre-cooling；optimization；comparison

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.031

TE646

A

1673-5285（2015）02-0112-05

2014－12-18

茍亞軍，男（1986-），四川南充人，本科學歷，助理工程師，現任職于樂山峨沙天然氣有限責任公司，主要從事天然氣儲運技術和天然氣工程工作，郵箱：gougouwudi@126.com。