混合冷劑液化天然氣流程的混合制冷劑研究

楊國通，都榮彬，高　俊，魏志會，石利星

（1.中海油山西清潔能源技術(shù)開發(fā)有限公司，山西太原　030000；2.中國石油長城鉆探工程公司伊朗項目部，北京　100000；3.山西天然氣有限公司，山西太原　030000；4.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津　300000）

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混合冷劑液化天然氣流程的混合制冷劑研究

楊國通1，都榮彬2，高俊3，魏志會4，石利星4

（1.中海油山西清潔能源技術(shù)開發(fā)有限公司，山西太原030000；2.中國石油長城鉆探工程公司伊朗項目部，北京100000；3.山西天然氣有限公司，山西太原030000；4.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300000）

摘要：混合冷劑液化天然氣流程具有低能耗的優(yōu)點。其中，混合制冷劑組成及配比直接影響液化流程能耗。以混合冷劑液化流程中混合制冷劑的制冷溫區(qū)和能耗較低為目的選擇混合制冷劑組成，并以比功耗最小為目標函數(shù)確定混合制冷劑最佳配比。同時，研究了原料氣甲烷含量和壓力對混合制冷劑的影響得出：原料氣中CH4含量決定低溫冷劑的含量，從而影響混合制冷劑最佳配比。

關(guān)鍵詞：混合制冷劑；液化；組成；配比優(yōu)化；低溫冷劑

天然氣液化過程是一個低溫的物理過程，按制冷方式的不同可分為級聯(lián)式液化流程、混合冷劑液化流程和膨脹制冷液化流程[1]。其中，混合冷劑液化天然氣流程具有流程簡單、造價低、能耗較低的優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于大型的LNG液化工廠[2]。在混合冷劑液化流程中，其中最佳的冷劑組成及配比是降低流程能耗的關(guān)鍵。本文主要對混合冷劑液化天然氣工藝進行分析，提出混合制冷劑組成優(yōu)選及配比優(yōu)化的方法，并研究了原料氣的組成和壓力對混合冷劑的影響，為混合冷劑天然氣液化工藝提供技術(shù)支持。

1　混合冷劑液化流程

混合冷劑液化工藝流程（見圖1）。該流程包括混合制冷劑循環(huán)和天然氣液化回路[3]。

混合制冷劑循環(huán)：混合制冷劑經(jīng)低壓、高壓壓縮機壓縮至高壓，經(jīng)水冷器冷卻后進入分離器III分離氣相和液相。液相經(jīng)換熱器I冷卻后節(jié)流，降溫、降壓與返流的混合制冷劑混合后，為換熱器I提供冷量。氣相制冷劑經(jīng)換熱器I冷卻后，進入分離器IV分離氣相和液相，液相經(jīng)換熱器II冷卻后節(jié)流，降溫、降壓與返流的混合制冷劑混合后為換熱器II提供冷量。從換熱器II出來的氣相制冷劑經(jīng)換熱器III冷卻后節(jié)流、降溫，進入換熱器III為天然氣的過冷提供冷量。

天然氣液化回路：凈化后的天然氣經(jīng)換熱器I預(yù)冷后進入分離器I進行重烴分離。其中，液相返回換熱器I回收冷量后去凝析油閃蒸系統(tǒng)；氣相經(jīng)換熱器II冷卻、換熱器III液化并過冷，然后經(jīng)節(jié)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(chǎn)品進低溫儲罐。

2　混合制冷劑的選擇

2.1混合制冷劑組成選擇

混合冷劑液化流程的混合制冷劑應(yīng)由許多種不同沸點的氣體組分構(gòu)成，利用部分冷凝和逐級閃蒸的原理，高壓混合制冷劑經(jīng)過降壓和多級分離，提供不同溫度位級的制冷劑。其中，混合制冷劑多以C1至C5的碳氫化合物及N2等5種以上的多組分混合制冷劑為工質(zhì)[4]。

混合制冷劑組成對流程功耗影響較大。理論上，制冷劑組分越多，換熱器內(nèi)的冷熱流換熱溫差越均勻，但制冷劑組分的增多會造成冷劑儲配系統(tǒng)復雜化。因此，選擇合適的冷劑組成非常重要[5]。混合制冷劑為天然氣的預(yù)冷、液化及過冷段提供冷量，制冷溫區(qū)通常為25℃至-160℃。為了滿足混合冷劑最低制冷溫度，混合制冷劑應(yīng)配有制冷溫位低于-160℃的N2和CH4。同時，混合制冷劑組成還應(yīng)包含中溫冷劑C2、高溫冷劑C3。C4～C5配有必要含量以降低冷劑壓縮功。同時，LNG過冷度必須滿足，因此N2和CH4的必要含量應(yīng)予以保證。

2.2混合制冷劑配比優(yōu)化

混合冷劑配比是否恰當，對混合冷劑液化流程的經(jīng)濟指標具有較大的影響。混合冷劑配比直接決定其相平衡狀態(tài)，從而對換熱過程產(chǎn)生影響，具體體現(xiàn)在壓縮機的功耗。

圖1　混合冷劑液化天然氣流程

2.2.1目標函數(shù)混合制冷劑配比的優(yōu)化以約束條件下液化流程的最小比功耗為目標函數(shù)：

式中：Wcmr－混合冷劑循環(huán)的總功耗（kW）；qLNGLNG產(chǎn)量（kg/h）。其中h（x1，x2，···，xn）=0為等式約束，g（x1，x2，···，xn）＞0為不等式約束。

2.2.2約束條件混合制冷劑液化流程的換熱器滿足能量守恒，因此，混合冷劑配比優(yōu)化計算的約束條件為[6]：

式中：ΔTmin－各換熱器夾點溫度（K）；ΔTLMTD－各換熱器平均換熱溫差（K）。

2.2.3優(yōu)化方法混合制冷劑配比的優(yōu)化計算采用HYSYS軟件的優(yōu)化器（Optimizer）。根據(jù)其約束條件可知，混合制冷劑配比優(yōu)化為等式約束，因此，采用HYSYS軟件的優(yōu)化器中的SQP法進行優(yōu)化計算。具體優(yōu)化步驟為：

（1）對混合制冷劑物流各組分進行拆分，將各組分流量作為優(yōu)化自變量導入Optimizer的變量中，并合理設(shè)置上下限，全部選中來實現(xiàn)自變量的調(diào)整變化。

（2）在Optimizer中導入流程的目標函數(shù)和約束條件。

（3）設(shè)置容差、最大迭代次數(shù)及最大改變量等參數(shù)，進行優(yōu)化器自動優(yōu)化運行。

3　混合制冷劑的影響因素

3.1原料氣組成對混合制冷劑影響

LNG的主要成分為甲烷。原料氣中甲烷的含量直接關(guān)系混合冷劑中低溫冷劑N2和CH4的含量。而混合冷劑中低溫冷劑含量的變化使其流程功耗會發(fā)生明顯的變化。以原料氣進站壓力5 MPa、溫度25℃、流量為100×104m3/d，LNG產(chǎn)品儲存壓力20 kPa為例進行原料氣甲烷含量對混合冷劑液化流程中混合制冷劑的低溫冷劑含量及單位混合制冷劑功耗影響（見圖2）。

其中：Z（低溫冷劑）=Z（N2）+Z（CH4）（4）

式中：Z－組分摩爾分數(shù)；J－單位混合制冷劑能耗，kJ/mol；WMR－混合制冷劑壓縮機功耗，kJ/h；QMR－混合制冷劑水冷器負荷，kJ/h；qMR-混合制冷劑流量，mol/h。

圖2　原料氣甲烷含量對混合制冷劑影響

圖2表明了混合冷劑液化流程中，混合制冷劑中低溫冷劑含量隨原料氣CH4含量的增加呈上升變化。而單位混合制冷劑能耗隨原料氣CH4含量的增加呈先下降后上升。由于低溫冷劑含量的增加，混合制冷劑循環(huán)量降低。在其過程中，混合制冷劑循環(huán)量降低占主導地位使得單位混合制冷劑能耗呈下降變化，但隨著低溫冷劑含量的進一步增加，低溫冷劑的壓縮功呈主導地位使得單位混合制冷劑能耗呈上升變化。

3.2原料氣壓力對混合制冷劑影響

以原料氣（甲烷摩爾含量為75 %）進站溫度25℃、流量為100×104m3/d，LNG產(chǎn)品儲存壓力20 kPa為例進行原料氣壓力對混合冷劑液化流程中混合制冷劑的低溫冷劑含量及單位混合制冷劑功耗影響（見圖3）。

圖3　原料氣壓力對混合制冷劑影響

圖3表明了混合冷劑液化流程中，混合制冷劑中低溫冷劑含量不隨原料氣壓力的變化而變化。而單位

混合制冷劑能耗隨原料氣壓力的增加呈上升趨勢。由于原料氣壓力升高，單位流量天然氣焓值降低，混合制冷劑循環(huán)量下降使得流程能耗降低，同時循環(huán)量下降占主導，從而單位混合制冷劑能耗呈上升變化。

綜合可得，在混合冷劑液化天然氣流程中，低溫冷劑含量僅受原料氣甲烷含量影響，而原料氣組成和壓力同時影響混合制冷劑循環(huán)的能耗。

4　結(jié)論

（1）混合制冷劑的制冷溫區(qū)為25℃～-160℃，所以混合制冷劑應(yīng)由低溫冷劑N2、CH4，中溫冷劑C2，高溫冷劑C3組成，并應(yīng)配有適量的C4～C5以降低壓縮功耗。

（2）混合制冷劑各組分的最佳配比應(yīng)按流程比功耗最小，采用HYSYS軟件的優(yōu)化器來確定。

（3）原料氣的CH4含量決定混合制冷劑中低溫冷劑的含量。同時，原料氣壓力的改變并不影響混合制冷劑最佳配比。

參考文獻：

［1］王保慶.天然氣液化工藝技術(shù)比較分析［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（1）：111-113.

［2］張雷，車立新，畢勝山，等.天然氣膨脹預(yù)冷混合制冷劑液化流程操作條件優(yōu)化［J］.西安交通大學學報，2014，48（2）：112－113.

［3］馬國光，吳曉楠，王春元.液化天然氣技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2012：36-40.

［4］顧安忠，魯雪生.液化天然氣技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010：77-78.

［5］牛亞楠.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.

［6］Amidpour，M.Hamedi，M H.Mafi, M.et al.Sensitivity analysis，economic optimization，and configuration design of mixed refrigerant cycles by NLP techniques［J］．Journal of Natural Gas Science and Engineering，2015，24：144-155.

Mixed refrigerant research of LNG process with mixed refrigerant cycle

YANG Guotong1，DU Rongbin2，GAO Jun3，WEI Zhihui4，SHI Lixing4
（1.Shanxi Clean Energy Technology Development Limited Company，CNOOC，Taiyuan Shanxi 030000，China；2.Iran Project Department，Great Wall Drilling Company，PetroChina，Beijing 100000，China；3.Shanxi Natural Gas Limited Company，Taiyuan Shanxi 030000，China；4.Engineering Branch，Energy Development Limited Company，CNOOC，Tianjin 300000，China）

Abstract:The natural gas liquefaction process with mixed refrigerant cycle has the advantage which is lower power consumption.Wherein, the composition and the ratio of mixed refrigerant directly affect the energy consumption of this liquefaction process.For the purpose of achieving the refrigeration temperature zone of mixed refrigerant and reducing the energy consumption of MRC, this paper chooses the mixed refrigerant composition.And this paper determines the best ratio of mixed refrigerant to achieve the objective function of the minimum unit power consumption.At the same time, by studying the effect of content of methane and the pressure of the feed gas on mixed refrigerant to analyze that methane content of the feed gas determines the content of cryogenic refrigerant.As the result, it affects the optimalbook=105,ebook=110ratio of mixed refrigerant.

Key words：mixed refrigerant；liquefaction；composition；proportion optimization；cryogenic refrigerant

作者簡介：楊國通，男（1983-），工程師，工學學士，主要從事非常規(guī)油氣的開發(fā)、鉆完井廢棄物處理的科研工作，郵箱：yanggt@cnooc.com.cn。

*收稿日期：2015－12-10

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.02.025

中圖分類號：TE646

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）02-0104-04