基于改良?分析方法的LNG冷能空分工藝優化

馬國光 李雅嫻 張 晨

西南石油大學石油與天然氣工程學院

我國作為能源化工產業大國，各行各業對空氣分離產品種類和產量的需求日益增多，推動了整個空分行業的飛速發展[1-2]。傳統的電壓縮制冷空分技術雖然可以得到O2和N2，但其能耗很高，對電能的需求量非常大。隨著環境問題的日益嚴峻，LNG作為一種綠色能源被大量進口和廣泛應用，這使得潛在的LNG冷能逐漸顯現出了其巨大的經濟價值[3-4]。將LNG冷能用于空氣分離裝置時，由于工藝溫度比LNG溫度還要低，所以與用于冷藏冷凍、低溫發電、制取干冰和低溫粉碎等場合相比，LNG的冷量?可以得到最大程度的利用。因此，將LNG冷能應用于空分工藝既符合我國向節能型社會發展的國策，又具有非常深遠的戰略意義[5-7]，是當前冷能回收工藝中最有效的利用方式[8-10]。已經有很多學者對空分工藝的優化進行了研究，都旨在降低?損失、提高?效率。筆者在傳統?分析的基礎上提出了改良的?分析方法[11-12]，對LNG冷能空分工藝進行了詳細的效能分析并提出了相應的優化方案，以期為實際工程中空分工藝的優化奠定基礎。

1 工藝流程提出

空分工藝一般分為空氣預處理系統、制冷系統和低溫分離系統，本文研究的氣體組分如表1所示，從表1可看出氣質較干凈，故本文對空氣預處理系統不做贅述。整體的LNG冷能空分工藝流程如圖1所示。

循環氮氣同LNG換熱后分為兩個部分，一部分用于膨脹前預冷，另一部分則用于降低氮氣的入口溫度；空氣經空壓機增壓、水冷器降溫后依次進入換熱器4、主換熱器換熱降溫，換熱后的低溫空氣經節流閥節流后再次降溫，之后進入精餾塔進行空氣分離；空氣部分液化后自下塔塔底進入，然后自下而上經過塔板進行精餾，在下塔頂部得到高純氮氣，在冷凝蒸發器中被冷凝后一部分作為下塔回流液，沿塔板自上而下與氣體進行熱交換，最終在下塔底部得到含氧量為35%～40%的液態空氣，另一部分則經過節流閥節流降壓后分為兩部分，一部分儲存，另一部分送入上塔頂部作為回流液，以提高氧提取率；富氧液空從上塔中部進料后，沿塔板逐塊流下與上升蒸汽進行熱交換，于是在上塔底部獲得高純液氧，液氧在冷凝蒸發器換熱后一部分作為上塔精餾過程的上升蒸汽，另一部分則進入儲存裝置。從上塔塔頂抽出的低溫廢氣回輸至主換熱器回收冷量，最大限度的利用有效能，并為精餾塔中的空分過程提供動力。

2 工藝流程模擬及?分析

基于大連LNG接收站的基礎數據（表2），利用HYSYS軟件對提出的LNG冷能空分工藝進行模擬（圖2）。在模擬時，將入口空氣視為已深度凈化，設定空氣壓縮機、氮氣壓縮機、膨脹機的機械效率為0.75，并且將膨脹機的增壓端用于循環氮氣的增壓，增壓過程的級間冷卻采用水冷器，物性方程選用RKS方程。

表1 LNG組成表

圖1 基于LNG冷能的空分工藝流程圖

表2 空氣分離產品參數表

圖2 基于LNG冷能的空分工藝流程模擬圖

2.1 傳統?分析模型及計算

?分析模型可分為黑箱模型、白箱模型及灰箱模型3種[13]。在優化過程中，將工藝體系中的各個設備視為獨立黑箱。?包括動能?、勢能?、物理?及化學?4個部分，LNG冷能用于空分工藝的流程多處于沿海平原地區，物流中的動能及勢能變化可以忽略不計，故本文?分析主要針對物理?。

假設所有能量平衡的系統邊界為參考環境T0，則?值計算、第k個設備的能量平衡分別為：

工程上一般采用?效率表示有效能的轉化效率，故第k個設備的?效率（εk）[14]表示為：

在LNG冷能空分工藝的制冷系統中，系統消耗的?主要包括輸入系統物流攜帶的?和額外輸入設備的?，分析制冷系統的?平衡可以寫作：

根據系統的?平衡方程，結合式（3）可以推導出系統的?效率為：

式中分別表示設備額外輸入的?、輸入系統物流的?、輸出系統物流的?，kJ/h；分別表示液化后空氣物流的輸出?、空氣物流的輸入?、廢氣物流的?、系統的總?損、LNG物流的輸入?、NG物流的輸出?，kJ/h。

利用HYSYS軟件結合式（1）、（2），計算各設備的?損，結果如圖3所示。分析發現，換熱器LNG-104、LNG-101、膨脹機K-103和壓縮機K-101為主要的?損設備。傳統?分析方法的局限性在于，雖然可以找到制冷系統中?損失較大的設備，但無法了解各設備的改進潛力以及優化的方向，因此，本文提出改良的?分析方法，對各設備進行詳細的?分析，以提出相應的優化方案，達到降低?損、提高?效率的目的。

2.2 改良?分析模型及計算

圖3 主要設備實際?損圖

將由于技術和經濟限制造成的?損失稱為不可避免?損失，即采用最先進的技術該部分的?損失也不會減少；而通過改進工藝或設備可以減少的?損失則稱為可避免?損失。基于此，第k個設備的總能量損失可以表示為：

不可避免?損的計算結果取決于研究過程假設的工作條件。以壓縮機為例，當效率提高時壓縮機產生的?損將降低，這一點將改善整個系統的性能，但是由于技術和經濟的限制，設備的效率存在上限。本文采用來計算第k個設備每單位產品的不可避免?損所占的比例。這個式子是在同時考慮了技術和經濟限制并假定性能在最佳運行條件（理想狀態）下計算的第k個設備的性能。因此，不可避免?損失的計算模型為：

利用HYSYS軟件對各個換熱器、水冷器、膨脹機和壓縮機的理想狀態進行模擬，得到各個物流的?值，分別帶入式（1）、（4）、（5）中后得到的各設備可避免和不可避免?損失，結果如圖4所示。

圖4 主要設備可避免和不可避免?損失分布圖

設備的內源性?損計算比不可避免的?損計算更繁瑣，這是改良?分析方法的主要難點，而且計算精度會直接影響分析結果。目前國外學者提出了多種方法來計算內源性?損，其中熱力循環法和工程圖法是目前主要的計算方法。熱力循環法要求設備處于理想操作狀態，而一些設備的理想操作及某些循環的理想參數無法準確獲得，這使得該方法的精度較差，而工程圖法是用數學的方法將設備的?損分為內源性和外源性，它是基于對系統整體進行有效能敏感性分析，進一步利用圖表求解的方法，該方法雖然計算量較大，但適應性較強且精度較高，于是本文對系統的內源性和外源性?損進行分析時采用該種方法求解。工程圖法能量平衡的基礎為：

圖6 各設備的內源性或外源性?損失分布圖

完成對設備?損失的兩種劃分后，帶入表3中的各公式中，即可求取各個部分的?損失，結果如表4所示。

圖7反映了主要設備的各類?損占比情況，分析發現，換熱設備中LNG-100、LNG-101、LN-102、LNG-103、E-100和E-102的?損失大部分均為內源性的，這表明設備間的相互作用對這些設備的?損影響不明顯。但對換熱器LNG-104、水冷器E-101、壓縮設備和膨脹設備而言，外源性?損均占有一定比例，說明這些設備的?效率受到其他設備的影響較大，可通過調整其他設備的運行參數，減小這些設備的?損。

表3 各部分?損失計算公式表 kJ/h

按照增壓設備和換熱設備將LNG冷能空分系統中的主要設備分為兩類，對?損分布進行詳細分析。

1）壓縮機/膨脹機：各個壓縮機的分布情況較類似，可避免的內源性?損均占較大比例，這是由于在進行不可避免?損失計算時，假定壓縮機效率達到了理想狀態（95%），而壓縮機的內源性?損則是由于實際狀態的低效率造成的，這可以通過更換設備以提高壓縮機的效率，但會受到技術和經濟的限制，一味地提高效率會增加設備投資與實際背離，所以在本次優化時，不考慮這部分的?損失。壓縮機可避免的外源性?損失是由壓縮設備前設備可避免的低效率造成的，例如二級壓縮機K-106，可避免的外源性?損失所占比例可達34%。這是由于改變一級壓縮機K-101和水冷器E-102的效率會使輸出物流的溫度有較大變化，對K-106的?損失影響顯著，對于膨脹機壓縮端K-104和K-105具有相同的原理。

2）換熱設備/水冷器：不同換熱設備的?損分布有較大區別，除LNG-104、E-100、E-101之外，其他換熱設備的?損絕大部分為不可避免內源性的，并且通過調整工藝參數也不會減少?損。換熱器LNG-104的大部分?損是可避免的，其中可避免外源性?損失約占35%，這是由于LNG-104前的水冷器和換熱器LNG-100中可改善的那部分低效率造成的，提高兩者的效率，可以降低進入換熱器LNG104的溫度，有效地減少換熱過程的?損；水冷器E-100和E-101的可避免外源性?損占比很大，主要是受到水冷器前的壓縮機效率影響，當效率提高時，壓縮機出口物流的溫度會降低，從而降低水冷器的換熱溫差，降低?損；換熱器LNG-103的?效率只有13.8%，但可避免的?損失卻不到20%，這主要是換熱過程溫度不匹配造成的，推薦增加冷流或調整物流的連接順序。

表4 主要設備各種類型?損失、?效率計算結果表

3 基于改良?分析結果的工藝優化

3.1 確定優化方向

根據制冷系統中各設備改良的?分析結果，得到提高系統?效率的優化方向。

1）針對增壓設備的?損中，由其他設備可避免的低效率引起的可避免外源性?損失，利用低溫換熱器替換原水冷器，并以低溫天然氣和低溫廢氣的余冷冷卻增壓后的循環氮氣降低壓縮機入口溫度；同時將原壓縮機替換為低溫循環氮氣壓縮機進行優化。

2）針對換熱器LNG-103冷熱物流換熱不匹配而造成的大量不可避免內源性?損，通過調整LNG-103的位置，或增加冷流的方式進行優化。

3）針對換熱器LNG-104可避免外源性?損，通過增加預冷過程以降低進入LNG-104的熱物流溫度優化換熱。

3.2 優化方案提出

優化方案一：將原流程中的換熱器LNG-103移動至圖8中的換熱器B處，增加低溫天然氣作為冷源；并將水冷器替換為換熱器A，利用低溫天然氣作為循環氮氣壓縮機入口熱流的冷源，壓縮機入口溫度由35 ℃降至－10 ℃；增加換熱器C，將低溫廢氣作為空壓機出口物流預冷冷源。

優化方案二：LNG-103位置不變，用LNG氣化后的低溫天然氣作為冷源，替換原工藝中用于預冷的低溫氮氣。增加換熱器A和B，并以低溫天然氣作為冷源，將壓縮機入口溫度降低至－10 ℃，物流走向如圖9所示。

將提出的兩種優化方案同空氣分離系統相連接，并利用HYSYS軟件對所提出的優化方案進行整體工藝的模擬，得到各方案的?分析結果如表5所示。

由表5可知，基于改良的?分析結果對工藝結構進行調整后，兩種優化方案整體工藝的單位液態產品能耗均降低、?效率均提高，其中方案二的單位液態產品能耗最小，相較于原方案減小了6.6%、方案二的?效率最高，相較于原流程提高了28.891%，對于一個日產量為600 000 kg的空分工廠，日耗能量可減少近16 800 kW，有較好的節能效果，說明改良的?分析方法在優化該工藝方面具有重要意義。

圖8 膨脹前預冷的氮制冷循環的優化方案一示意圖

圖9 膨脹前預冷的氮制冷循環的優化方案二示意圖

表5 不同方案整體系統?分析結果表

4 結論

1）各個壓縮機的分布情況較類似，可避免的內源性?損均占較大比例，這是由于壓縮機實際狀態的低效率造成的，這可以通過更換設備以提高壓縮機的效率，但會受到技術和經濟的限制。

2）不同換熱設備的?損情況有較大區別，除LNG-104、E-100、E-101之外，其他換熱設備的?損大部分為不可避免內源性的。換熱器LNG-104可避免外源性?損失約占35%，這是由于LNG-104前的水冷器和換熱器LNG-100中可改善的那部分低效率造成的；換熱器LNG-103可避免的?損不到20%，這主要是換熱過程溫度不匹配造成的。

3）水冷器E-100和E-101的可避免外源性?損占比很大，這主要是受到水冷器前的壓縮機效率影響。

4）兩種優化方案的單位液態產品能耗較原方案均降低，且方案二的能耗更低約為0.394 9 kWh/kg（降低了6.6%）；兩種優化方案的?效率較原方案均上升，且方案二的更高約為0.40 kWh/kg（提高了28.891%），方案對比后優選了方案二。優化結果驗證了基于改良?分析優化方法的可行性，為實際工程中空分工藝的優化提供了新思路。