帶丙烷預冷的混合制冷劑液化天然氣工藝優化

劉玉強，司云航（.海洋石油工程股份有限公司，天津　30045；.蘇州辰光工程咨詢有限公司，江蘇蘇州　50）

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帶丙烷預冷的混合制冷劑液化天然氣工藝優化

劉玉強1，司云航2
（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.蘇州辰光工程咨詢有限公司，江蘇蘇州215101）

摘要：采用HYSYS軟件，建立丙烷一級、二級和三級預冷的液化天然氣工藝模擬流程。對相同操作條件的原料天然氣，在冷量功耗相同條件下，丙烷預冷級數越多，節能效果越好，但效果逐漸減緩，而流程的復雜程度、設備數量增加較快。利用帶三級丙烷預冷的混合制冷劑液化天然氣流程，對原料天然氣進行液化。通過對混合制冷劑組分配比等參數進行優化，得到流程的最小比功耗是6.717 kW·h/kmol。液化2 000 kmol/h的原料氣，僅需3 827 kmol/h混合制冷劑，達到了工況優化和節能的目的。

關鍵詞：丙烷預冷；混合制冷劑；液化天然氣；工藝優化；HYSYS軟件

據統計，2014年我國天然氣表觀消費量超過1 800 億m3，同比增長8.9 %。天然氣在一次能源中的比重為6.3 %，遠低于世界平均水平的23.58 %[1]。能源發展的迫切需要，為我國天然氣行業的發展，尤其是液化天然氣工業技術水平的提高提出了新的要求。

目前，帶丙烷預冷的混合制冷劑循環工藝是液化天然氣工業中應用最廣泛的技術[2]。大量文獻對該工藝的混合制冷劑技術進行了研究。袁樹明[3]描述了混合制冷劑組分的選取和組分比例的確定方法；夏丹[4]以LNG比功耗為目標函數，以制冷劑壓力和組成為決策變量，對天然氣液化流程進行了優化；趙敏等[5，6]提出了依據原料氣Cp-T特性調節制冷劑組分比例的方法。文獻對混合制冷劑組分和配比的研究，要么限于定性描述，要么基于理論計算，而對于如何利用HYSYS模擬軟件盡快實現流程收斂，從而確定最優的制冷劑組分和操作參數鮮有文獻報道。

本文基于HYSYS軟件，以某操作條件下的天然氣為例，首先對液化天然氣工藝的丙烷一級、二級和三級預冷系統的能耗進行了對比，然后針對帶三級丙烷預冷的混合制冷劑液化天然氣流程，提出了如何利用BOX方法通過調節混合制冷劑組分和操作條件加速流程收斂的方法。

1　原料氣

原料天然氣組分（見表1）。利用HYSYS軟件得到該原料氣的相包絡圖（見圖1）。由圖1可知，原料氣臨界溫度是-34.28℃，臨界壓力是11.24 MPa。一般的，當操作壓力高于臨界壓力時，原料氣更容易被壓縮液化。但考慮到經濟成本，原料氣壓力常在4 MPa～5.5 MPa范圍內選擇。本流程模擬中，原料氣操作壓力為4.5 MPa，操作溫度為40℃。根據原料氣組成和操作條件，相平衡計算選擇PR狀態方程，焓熵等熱物性采用Lee-Kesler方程。

2　液化流程

丙烷單級預冷液化天然氣工藝流程（見圖2）。原料氣經過丙烷單級預冷后，溫度降至-35℃，在分離器（V-101）進行氣液分離，氣相在冷卻器（E-102）中進一步冷凝至-162℃，再經過節流閥（VLV-100）降壓得到常壓下的LNG，進入儲罐。在單級預冷模擬流程中，液化2 000 kmol/h的原料天然氣，丙烷的消耗量為1 173 kmol/h，對應的冷量為3 128 kW。保持實際預冷功耗不變，采用丙烷二級預冷和丙烷三級預冷，流程圖（見圖3），相應的功耗（見表2）。由表2可知，液化天然氣過程中，在實際預冷功耗不變的前提下，丙烷預冷的級數越多，節能效果越好。但隨著預冷級數的增加，節能效果逐漸減緩，而流程的復雜程度、設備數量增加較快。尹全森[7]在研究混合制冷劑循環級數對制冷性能的影響時，也得到了類似的結論。為了更好的兼顧能耗與設備費用，本文天然氣液化流程選擇帶丙烷三級預冷的工藝流程。

3　流程目標函數、約束條件和優化方法

3.1目標函數

表1　原料天然氣組分構成（摩爾分數/%）Tab.1 Composition of natural gas（Mole Fraction/%）

圖1　原料天然氣相包絡圖Fig.1 The envelope utility of natural gas

圖2　丙烷單級預冷液化天然氣工藝Fig.2 Natural gas liquefaction process with propane single stage pre-cooled

圖3　丙烷一、二、三級預冷系統圖Fig.3 Propane single stage, two stages and three stages pre-cooled system

表2　一二三級丙烷預冷系統對應的能耗Tab.2 Energy consumption on one，two and three stage propane pre-cooled system

天然氣液化流程建立以比功耗[4，5，8]為評價指標的目標函數，如式（1）。

式中：Ep-流程總功耗，kW；QLNG-原料天然氣的摩爾流量，kmol/h；ω-液化單位千摩爾天然氣的比功耗，kW·h/kmol。

3.2約束條件

為了滿足工藝流程和設備的要求，約束條件設置如下：

（1）多股流換熱器冷熱復合曲線的夾點溫差約等于3℃[3]，對數平均溫差約等于5℃。

（2）離心式壓縮機出口溫度低于150℃（過熱保護溫度）[9]。

（3）壓縮機進口溫度必須在混合制冷劑露點溫度以上（Vcom=1），防止離心式壓縮機發生喘振。

（4）壓縮機等熵效率取75 %。

3.3優化方法

在HYSYS7.2中，建立以混合制冷劑的組分配比、壓縮機系統的進出口壓力以及原料氣壓力為自變量，根據拓撲結構為對應法則，以液化單位千摩爾天然氣比功耗的最小值為目標函數的模擬流程。采取適用于穩態模式的Original數據模型和等式約束問題的BOX參數優化方法。

模擬優化即在滿足約束條件的前提下，主要通過調節制冷劑組分，輔助調節壓縮機系統進出口壓力和原料氣壓力的方法，使全流程目標函數最小的方法實現。同時，換熱器冷熱物流曲線應盡可能平行或者趨勢一致，既避免了換熱過程的能量損失，又降低了因低溫突變對設備產生潛在危害的風險[6]。

當優化結果暫不滿足約束條件時，可通過調節自變量的上下限逼近目標函數的期望值[10]。采用上述方法仍未能使流程完全優化時，可以增加約束函數的Penalty Value到原來的3～6倍繼續解算。

4　流程優化

由于原料天然氣溫度（TNG）是40℃，丙烷的標準沸點是-42.09℃，在［-42℃，40℃］溫度段為丙烷三級預冷系統分別預設制冷下限T41=-1℃，T42=-18℃，T1=-35℃。由于甲烷的標準沸點是161.5℃，混合制冷劑制冷溫度范圍選擇在［-163℃，-42℃］區間內，故混合制冷劑冷凝溫度預設為-100℃。一般的，一級壓縮機進口壓力選擇在0.5 MPa左右，二級壓縮機出口壓力選擇在5 MPa左右，壓縮機組的中間壓力采用等比壓縮的方式確定。在HYSYS軟件的Optimizer中導入制冷劑組分和壓縮機進出口壓力作為流程優化的自變量，設置制冷換熱器的夾點溫差等于3℃、壓縮機進口物料等于1作為流程優化的約束變量。通過優化，全流程目標函數-比功耗的最小值是6.717 kW·h/kmol。此時多股流換熱器冷熱物流的溫度-熱負荷曲線（見圖4、圖5）。該曲線圖中紅色的熱源線和藍色的熱阱線間面積即為換熱器的熱損失，它直觀地反映了多股流換熱器的熱集成效果。流程優化前后的參數對比（見表3）。

表3中，P57和PMR分別指壓縮機的進出口壓力，MPa；PNG指原料氣壓力，MPa；T41、T42、T1分別指丙烷一級、二級、三級預冷的進口溫度，℃；T47指混合冷劑液化后的進口溫度，℃；CH4、C3H8、N2、C2H4分別指混合冷劑的摩爾組分；FMR指混合冷劑的流量，kmol/h；ωMR、ωC3、ωMR分別指混合冷劑系統、丙烷預冷系統和全流程的比功耗，kW·h/kmol。

依據相關工程經驗：混合制冷劑循環液化天然氣工藝中，制冷劑用量約為液化天然氣量的3倍。通過流程優化，混合制冷劑用量為3 827 kmol/h，不到原料氣量的1.92倍。優化后的流程在滿足工藝要求的同時，又達到了節能的目的。

圖4　LNG-104換熱器優化冷熱復合曲線（T-Q）圖Fig.4 Hot and cold composite curves of heat exchanger LNG-104 after optimization

圖5　LNG-105換熱器優化冷熱復合曲線T-Q圖Fig.5 Hot and cold composite curves of heat exchanger LNG-105 after optimization

表3　優化前后流程參數對比Tab.3 Composition of mixed refrigerants

5　結論

（1）采用丙烷一級、二級、三級預冷系統液化相同條件下的原料天然氣，在冷量功耗相同的條件下，丙烷預冷的級數越多，節能效果越好，但隨著預冷級數的增加，節能效果逐漸減緩，而流程的復雜程度、設備數量增加較快。

（2）利用帶丙烷三級預冷的混合制冷劑液化天然氣流程，對給定條件下的天然氣進行液化。通過對混合制冷劑的組分配比、壓縮機系統的進出口壓力以及原料氣壓力等自變量進行優化，得到流程的最小比功耗是6.717 kW·h/kmol。液化2 000 kmol/h的原料氣，僅需要3 827 kmol/h的混合制冷劑，不到原料氣的1.92倍，達到了工況優化和節能的目的。

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［10］孫蘭義，等.過程模擬實訓-Aspen HYSYS教程［M］.北京:中國石化出版社，2015：359.

Process optimization of liquefied natural gas with propane pre-cooled mixed refrigerant cycle

LIU Yuqiang1，SI Yunhang2
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China；2.Suzhou Chenguang Engineering Consulting Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215101，China）

Abstract:Using HYSYS software,simulation processes of liquefied natural gas（LNG）were established with propane single stage,two stages and three stages pre-cooled system,respectively.For the raw material in same operation condition, the larger number of stages of propane pre-cooled,the better energy-saving effect was obtained in the case of the same cooling power cost.But the energy-saving effectiveness declined gradually.Multistage cycles made the process configuration complex and the quantity of equipments increased a lot.Liquefied natural gas process with propane three stages pre-cooled system mixed refrigerant cycle（MRC）is choosed for the liquefication of the raw material.Through process optimization such as regulating the composition of MRC, the minimum specific power consumption 6.717 kW·h/kmol was obtained.At this time, only 3 827 kmol/h mixed refrigerants were cost to liquefy 2 000 kmol/h raw gas, and achieving the goal of operaration condition optimization and energy conservation.

Key words：propane pre-cooled system；mixed refrigerants；liquefied natural gas；process optimization；HYSYS software

作者簡介：劉玉強，男（1980-），工程師，主要從事LNG、油氣田、煉油裝置工藝設計工作，郵箱：huaruilyq@163.com。

*收稿日期：2016－02-15

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.041

中圖分類號：TE646

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）03-0151-05