原料氣液化壓力對并聯式氮膨脹制冷天然氣液化工藝影響的模擬分析和優化

蔣洪，黃靖珊，王金波，宋曉娟

（1-西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都 610500；2-中油（新疆）石油工程有限公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

天然氣是一種污染小且單位質量熱值高的清潔能源，在全球能源需求中扮演了重要的角色，預計到2030年，天然氣將提供全球約30%的一次能源供應[1-2]。中國非常規天然氣資源十分豐富，可采資源量遠遠大于常規天然氣資源量[3]，但是由于天然氣資源分布比較分散而無法集中開采，在此情況下，根據液化天然氣具有使天然氣體積縮小600倍的特性[4-5]，小型液化裝置被廣泛應用。氮氣膨脹制冷工藝由于安全性高、流程結構簡單，十分適合應用于小型天然氣液化裝置[6-8]。在LNG生產中，液化能耗占總能耗的41%[9]。賀天彪等[10]通過增加預冷循環降低能耗，提出了丙烷預冷與R410A預冷的兩種氮氣膨脹流程，研究結果表明，與氮氣膨脹工藝相比能耗分別降低20.02%與22.7%。袁宗明等[11]提出了帶二氧化碳預冷的氮氣膨脹制冷工藝，該流程操作安全性高、設備少，但是能耗較高，液化率較低僅為77%。賀天彪等[12]提出了并聯式氮膨脹液化流程，該流程優點在于降低了換熱器冷熱組合曲線溫差，?損失減少，能耗降低，其單位能耗為0.515 3 (kW·h)/(N·m3)。丁 賀 等[13]對 丙 烷 預 冷N2-CH4膨脹工藝進行優化采用新方法，優化結果與單級氮膨脹以及二氧化碳預冷的N2-CH4膨脹相比能耗分別降低36.06%與22.17%，與使用遺傳算法優化結果相比能耗增加5.35%。

上述文獻的共同缺點是并未考慮原料氣液化壓力對換熱器夾點的影響，因此導致換熱器溫差較大。本文采用丙烷預冷的并聯式氮氣膨脹工藝，并考慮原料氣液化壓力對換熱器夾點的影響，然后通過遺傳算法進行優化。

1 流程描述

該流程用Aspen HYSYS軟件進行模擬，其中狀態方程選擇Peng-Robinson，流程如圖1所示。

圖1 丙烷預冷并聯式氮膨脹制冷天然氣液化改進流程

工藝流程分為：1）天然氣液化；2）并聯式氮氣膨脹制冷與丙烷預冷循環。天然氣增壓到4 456 kPa，再經過水冷器與換熱器（HEX-1），冷卻至-40.5 ℃，此時大部分重烴成為液相。然后液烴被分離通過原料氣分離器（S-1）。氣相從原料氣分離器（S-1）被壓縮機（C-3）增壓至5 400 kPa同時溫度升高至-26.31 ℃，再被換熱器HEX-1和HEX-2冷卻至-151 ℃。隨后經過節流閥降壓至LNG儲罐壓力。經過兩相分離器（S-2）分離后，為回收冷量，氣相經過換熱器HEX-1與HEX-2升溫至30 ℃。

在并聯式氮氣膨脹制冷工藝中，氮氣經過壓縮機增壓后進入水冷器被冷卻至40 ℃。高壓氮氣經過換熱器HEX-1降溫后被分流器分成N11與N7兩股物流，物流N7進入換熱器HEX-2進一步降低溫度，然后經過膨脹機E-1后為HEX-2提供冷量。物流N11經過膨脹機N12后與物流N10混合后在換熱器HEX-2降溫后為HEX-1提供冷量。丙烷預冷循環中，丙烷經過壓縮機增壓后經過水冷器冷卻至40 ℃，然后經過節流閥降低溫度為換熱器HEX-1提供冷能。

改進流程中考慮了原料氣在換熱器HEX-2相變對平均對數溫差的影響，通過控制原料氣在換熱器HEX-2的壓力來改變換熱器HEX-2的平均對數溫差。在液化工藝中氮氣循環能耗為主要部分，通過增加丙烷預冷降低氮氣摩爾流量，從而降低能耗。

為了方便與其他文獻對比，原料氣氣質條件、摩爾組成參照文獻[10]，參數如表1和表2所示。

表1 原料氣氣質及相關規定

表2 原料氣摩爾組成

2 流程優化

2.1 遺傳算法

1975年，Holland描述了如何將自然進化原理應用于優化問題，并建立了第一個遺傳算法，遺傳算法的基礎是遺傳和進化原理[14]。遺傳算法已經成為解決優化問題的有力工具。遺傳算法在天然氣液化工藝中被廣泛使用，并獲得良好的優化效果[15-18]。遺傳算法從初始函數隨機生成的種群開始，然后通過變異，選擇和交叉等方法在全局解中搜索優化目標函數[19]。ActiveX技術被用于將Aspen HYSYS與Matlab連接，然后通過編碼使Matlab讀取HYSYS中的參數并對HYSYS中的參數賦值，以此為基礎即可在Matlab中使用遺傳算法對HYSYS中工藝流程參數進行優化。遺傳算法參數如表3所示。

表3 遺傳算法參數

2.2 目標函數

以單位能耗作為遺傳算法的優化目標，單位能耗w（(kW·h)/(N·m3)）定義為流程的總能耗與產品標準體積流量的比值[10]：

式中，X為決策變量。

2.3 約束條件及懲罰函數

流程中參數的變化可能會導致換熱器HEX-1與換熱器HEX-2的最小換熱溫差小于3 ℃，這種情況并不符合實際生產，因此需要引入懲罰函數，換熱器HEX-1與換熱器HEX-2夾點溫差大于3 ℃。

壓縮機B-6與壓縮機B-7出口壓力相同。物流N12與N10的溫度相同。

優化過程中懲罰函數將代替目標函數當約束條件不滿足時，表達式為：

2.4 決策變量

表4所示為對能耗、液化率有重大影響的參數。

表4 決策變量

式(1)也可以表示為：

壓縮機C-3增壓壓力規律如圖3所示，由圖3可知，在大約-80~-40 ℃發生相變，而隨著壓力升高，物流9摩爾相變焓降低，換熱器HEX-2冷熱曲線溫差變大。因此在氮氣制冷循環中氮氣摩爾流量可以被減少，從而降低制冷循環能耗。

圖3 壓縮機C-3增壓壓力影響

3 優化結果及分析

3.1 主要參數分析

圖4所示為改進流程遺傳算法進化，由于前三代不滿足約束條件導致單位能耗較大，圖中陰影部分是第4代進化到第200代進化曲線，進化曲線細節如圖4中箭頭所指部分。當進化到198代時有最小單位能耗0.420 6 (kW·h)/(N·m3)。

圖4 遺傳算法收斂曲線

表5所示為優化前后參數的差異。改進流程單位能耗降低6.78%，天然氣進入換熱器HEX-2的壓力由5 400 kPa升至6 607 kPa，天然氣過冷溫度由-150 ℃降至-158.3 ℃。氮氣膨脹制冷部分氮氣流量由15 000 kg/h降至14 268 kg/h。氮氣制冷功耗降低9.42%。丙烷制冷部分，丙烷流量由2 090 kg/h升高2 699 kg/h，總功耗升高21.02%。表6所示為改進流程優化結果。

表5 改進流程優化前后結果對比

表6 改進流程優化結果

圖5所示為改進前后換熱器HEX-1與HEX-2的冷熱曲線溫差，平均換熱器HEX-1與HEX-2對數溫度分別降低4.8%與12.05%，由圖5可知，換熱器HEX-2溫度波動范圍顯著下降，說明其平均對數溫度減小。

圖5 換熱器冷熱曲線溫差

3.2 ?分析

通過?分析可以揭示流程中不可逆損失的位置及數量，參照蔣洪等[20-21]?損失計算方法對各設備?損失進行計算。圖6所示為改進流程優化前后的?損失。由圖6可知，優化后?損失降低43.12 kW，在所有設備中水冷器?損失最大，約占總?損失的25%，原因是換熱溫差較大。換熱器?損失降低9.07%，原因是換熱器HEX-2對數平均溫度降低。節流閥?損失增大20.5%與基礎流程相比，原因是丙烷制冷循環中丙烷質量流量增加了22.56%。

圖6 優化前后?損失對比

3.3 流程對比

在原料氣溫度、壓力、流量和組成相同，壓降以及夾點最小溫差一致時，單位能耗降低18.54%，由于天然氣的過冷溫度由-150 ℃降低至-158 ℃，物流16閃蒸氣質量流量減少，LNG產量略微增加。由于天然氣預冷溫度由-34.02 ℃降低至-39.5 ℃，壓力由4 119.174 kPa升高至4 418.91 kPa，物流7重烴產量增加；由于氮氣制冷循環中氮氣質量流量降低37.8%，氮氣制冷循環能耗降低288.3 kW；由于改進流程中增加了丙烷制冷循環與一臺壓縮機，總能耗降低162.21 kW。

與文獻[10]相比，換熱器HEX-1負荷降低22.82%，通過改變天然氣在換熱器HEX-2的相變焓，使得換熱曲線更加匹配，其平均對數溫度也由13.15 ℃降低至5.27 ℃，換熱器HEX-2換熱負荷降低54.44%，具體數據如表7所示。

4 結論

本文研究了并聯式氮膨脹制冷天然氣液化工藝中原料氣液化壓力對換熱器HEX-1中冷熱曲線溫差的影響，得出如下結論：

1）隨著壓縮機壓力增加，物流9的摩爾相變焓降低，使換熱器HEX-2換熱負荷降低；

2）通過遺傳算法優化流程，其優化后流程單位能耗降低6.78%；

3）通過對流程中主要設備進行?分析發現，優化后流程總?損失減少43.12 kW，其中以換熱器?損失減少幅度最大，占總?損失減少量的26.13%；

4）在基礎條件相同的基礎下與已有文獻對比，LNG質量流量略微增加，單位能耗降低18.53%，?損失降低16.33%。