天然气混合制冷液化流程模拟.docx
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天然气混合制冷液化流程模拟
天然气混合制冷液化流程模拟
摘要
混合制冷剂天然气液化工艺是目前应用最广泛的液化工艺。
本文在分析天然气液化装置中常用的混合制冷剂液化循环的几种基本工艺的基础上，根据天然气和混合制冷剂热物性的特点，选择了PR（Peng-Robinson）方程来计算这两种混合物的相平衡特性。
利用HYSYS软件研究了混合制冷剂流程的冷箱制冷部分，建立了冷箱模拟计算模型，研究了混合制冷剂组分对液化过程的影响。
关键词:
混合制冷液化循环；流程模拟；HYSYS；冷箱
SimulationofMixedRefrigerantCycleforNaturalGasLiquefaction
Abstract
TheMixed-RefrigerantCycle（MRC）isthemostwidelyusedliquefactionprocessnowadays.SeveralMRCcyclesforLiquefiedNaturalGas（LNG）productionwereanalyzedinthispaper,--Basedonthethermodynamicpropertiesofnaturalgasandmixed-refrigerant,thePeng-Robinson（PR）equationwasselectedtocalculatethephaseequilibrium.ThecoldboxintheliquefactioncyclewassimulatedbyusedHYSYSsoftware,themodelwasestablishedandthecomponentsofthemixedrefrigerantinfluenceonliquefactionprocesswerestudied.
Keywords:
MRC;simulation;HYSYS;coldbox
目录
第1章前言1
1.1工业背景和研究意义1
1.1.1世界液化天然气工业的发展2
1.1.2中国液化天然气工业的发展2
1.2国内外研究现状4
1.3研究内容5
第2章混合制冷液化流程6
2.1混合制冷液化流程6
2.2混合制冷剂液化流程的分类6
2.2.1闭式混合制冷剂液化流程6
2.2.2开式混合制冷剂液化流程8
2.2.3丙烷预冷混合制冷剂液化流程9
2.2.4CII液化流程12
2.2.5新型两级混合制冷剂液化流程14
第3章冷箱16
3.1冷箱简介16
3.2冷箱的技术关键16
3.2液化天然气领域冷箱的应用16
第4章天然气液化流程模拟软件19
4.1HYSYS简介19
4.2HYSYS中各个模块的性质与原理20
4.2.1气液分离器20
4.2.2壳管式换热器21
4.2.3LNG换热器24
4.2.4阀门26
4.3 HYSYS的实际应用26
第5章天然气液化流程模拟28
5.1概述28
5.2液化流程模拟步骤28
5.2.1输入条件28
5.2.2 流程搭建30
5.3 流程模拟计算33
5.3.1 收敛计算33
5.3.2制冷剂组分对换热的影响34
5.3.3结果分析35
第6章结论与展望37
6.1结论37
6.2展望37
参考文献38
致谢39
第1章前言
1.1工业背景和研究意义
天然气作为一种清洁优质燃料，是当今世界能源消耗中的重要组成部分，其开发和利用已在全球受到普遍关注[1]。
随着天然气探明储量的增加，世界天然气的产量呈持续增长趋势。
近几十年，天然气在能源结构中的比例逐年稳步上升。
目前，天然气消费量的年平均增长率为2.2%，远高于同期石油消费增长率的0.8%。
天然气消费量增长带动和促进了天然气工业的发展，现在，人们越来越多的关心如何更好、更经济地利用天然气来服务于人类生活。
液化天然气就是天然气利用的一种方式。
液化天然气（LiquefiedNaturalGas，简称LNG）是无色透明、无臭的低温液体，是在常压下将天然气冷冻至-162℃左右，由气体变为液态，它是天然气经过净化（脱水、脱CO2、H2S等酸性气体）后，采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的，其体积约为气态体积的1/600。
将天然气液化的目的主要有以下几个方面[2-4]：
（1）天然气液化后便于进行经济可靠的运输。
目前，天然气资源分布不均衡，生产地和消费地常存在相当长的距离，在不便敷设管道的地区，用专门的槽车、火车、轮船，将LNG运输到销售地，方便灵活，适应性强。
（2）提高储存效率和安全保证。
可实现低压储存及使用，避免了压缩天然气（CNG）高压（压力20MPa）储存及使用带来的威胁。
（3）将天然气液化，有利于城市符合的调节。
可将低负荷时多余的天然气液化后储存，当用气或用电高峰时，再将其气化，可以达到调节供需和应急的目的。
（4）液化天然气的突出优点是环境效益显著。
液化天然气作为汽车发动机燃料对大气的污染要比汽油少得多。
基于以上LNG众多优点，可以看出，发展液化天然气（LNG）项目是目前世界能源发展的潮流，在我国发展液化天然气也是势在所趋。
1.1.1世界液化天然气工业的发展
天然气是一种非常重要的资源，它燃烧清洁，污染小，通常生产与输送成本低廉，其储量十分巨大。
但是，天然气的产地往往远离能源消耗区，这就需要通过某种方式将天然气从气田或资源国输送至目标用户。
管道输送是一种好的输送方式，但对于远距离越洋运输，目前还没有成熟的技术可以建造深海长距离输送管道，因此需要寻找其他的方法。
LNG是一个越洋大量输送天然气的商业化技术。
1964年9月27日，阿尔及利亚的世界上第一座LNG工厂建成投产。
同年，第一艘载着12000吨LNG的船驶往英国，标志着世界LNG贸易的开始。
1.1.2中国液化天然气工业的发展
我国是能源和原材料生产大国，也是消费大国，人均占有资源量相对少。
尽管有丰富的国内天然气资源和周边国家可供利用的天然气资源，但是到目前为止，由于客观原因，致使我国天然气消费量在一次能源消费结构中仅占2%左右，而西方发达国家要占20%左右。
随着我国国民经济的发展，尤其是对环境保护的日益重视，天然气需求量将迅速增大。
天然气需求量的增长必然促进液化天然气工业的发展。
2001年中原油田为了将天然气资源用于城市燃气和汽车代用燃料，建造了国内第一座生产型的液化天然气装置。
2002年新疆广汇集团开始建设一座日处理天然气量为150万m3的液化天然气工厂。
2004年6月，国家发改委在《我国能源中长期发展规划》的基础上制定了《关于我国液化天然气进口方案的建议》。
《建议》中提出在广东，福建，山东，浙江，上海，江苏，辽宁，河北，天津，广西等沿海地区建设若干LNG接收码头和输气干线。
基本形成以LNG为主体的沿海天然气大通道，并适时与全国主干管网相连接。
这标志着我国LNG进口工作全面启动，并将通过实施以市场换资源战略推动石油公司走出去，进入国际石油天然气资源地和LNG工业。
近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃，正在成为世界油气工业新的热点。
我国正处在天然气工业发展的黄金时期，随着更多的城市使用更多的天然气，对液化天然气（LNG）的需求也有明显的增长。
2006年6月底，深圳大鹏LNG项目的投产，更是吹响了我国LNG事业全面发展的号角。
同时国际LNG市场正由买方市场转向卖方市场，但近年内仍处于买方市场，这也为我国发展LNG产业创造了良好的外部资源条件。
LNG产业的发展对我国发展国民经济，调整能源结构，改善环境质量，提高生活水平，促进经济与环境协调发展具有重要意义!
我国LNG工业应实施全球化，市场化，多元化和系统化发展战略，以形成LNG与管道以及海洋天然气共同发展与石油资源互为补充的格局。
从而改善我国能源结构，保障国家能源安全!
在未来的一些年中，除了有数以百万吨计的LNG自海外进口，更多的天然气液化工厂和LNG末端装置也会迅速建设起来。
总的来说，我国LNG工业的特点是起步晚、潜力大，广阔的市场和客观的经济和社会效益为我国的LNG工业发展提供了难得的机遇。
LNG已经成为一种重要的不可替代的能源，持续高速度的发展历程展示了它强大的生命力。
近年来，LNG基础技术以及天然气液化、储运装置的研究蓬勃发展。
随着应用研究的深入，LNG将有越来越广泛得到应用。
可是预言，我国LNG工业将会进入一个崭新的发展阶段。
我们LNG工业刚刚起步，未有成熟的独立设计、建造工厂的经验，只能引进国外配套设备和技术。
但是由于国情和工厂设计规模等情况的不通，往往使得引进的天然气液化流程和提供的岗位操作参数不合时宜，出现投资费用大、液化率低、功耗大的情况。
解决上述问题的方法就是根据实际情况、利用自身特点优选液化流程及合理选择操作参数。
当代工业规模的天然气液化（即LNG的生产）技术通常可用下面框图表示为三部分，即原料气预处理、液化和储存三部分。
图1.1天然气液化技术组成图
其中，液化流程在整个LNG工厂中占有重要的地位，实践证明，在LNG工厂总投资中天然气液化部分所占的比例大约为40%左右，研究液化工艺流程具有现实意义和深远的社会以及经济效益，所以对液化流程进行模拟设计和流程参数分析显得尤为重要，因为流程模拟是过程系统工程中最基本的技术不论过程系统的分析和优化，还是过程系统的综合，都是以流程模拟为基础。
而合理地选择参数不仅使模拟过程能够顺利进行，而且还会使模拟结果切实可行。
1.2国内外研究现状
我国的LNG工业刚刚起步，独立设计、建造LNG装置的经验较少。
进行天然气液化流程的理论分析和设计流程有重要的意义。
国外从20世纪70年代开始，对LNG装置的液化流程进行来设计、模拟与评价工作[5-6]。
Shell公司针对基本负荷型LNG装置的液化流程的最新发展，模拟计算了级联式液化流程、丙烷预冷混合制冷剂液化流程、两级混合制冷剂液化流程和氮气膨胀液化流程，并分别分析了其优劣[7]。
1995年，Melaaen提出了简化的绕管式换热器模型。
在此基础上，建立了基本负荷型天然气液化流程动态仿真模型，并采用隐式DASSL进行了仿真计算，指出设计变量初值的选取对仿真计算的收敛影响很大。
1998年，Terry采用HYSYS软件对典型的调峰型天然气液化流程进行了模拟计算与优化[8]。
1997年，Kikkawa在现有设备的基础上，设计了新型的混合制冷剂预冷、膨胀机液化流程，并采用CHEMCAD
软件进行了模拟计算[9]。
我国目前缺乏天然气液化流程设计调试经验，在专用天然气液化模拟软件的开发方面比较欠缺。
20世纪90年代初，开始进行天然气液化流程理论发面的研究，陈国邦、滕大振分析了调峰型LNG装置液化流程的特点，对不同流程及其使用条件进行了比较。
1992年，郭东海对混合制冷剂天然气液化流程的参数的选定及优化工作做了初步的探讨[10]。
刘新伟针对煤层天然气的回收，提出了带循环压缩机的氮膨胀液化流程并进行了模拟计算。
上海交通大学顾安忠教授领导的课题组长期以来从事液化天然气的研究，尽管如此，我国在液化天然气液化技术水平和应用范围等方面与国外还是存在一定的差距。
从国内外研究发展情况可以看出，无论国外还是国内，在建设LNG工厂时，首先要仔细分析各种液化流程根据实际情况，通过模拟计算对流程性能进行比较；然后优选流程方式，合理选择流程参数。
该项工作在我国显得尤为重要。
随着液化天然气工业在我国的蓬勃发展，这项工作越来越受到人们的重视，并提到研究的日程。
1.3研究内容
在天然气的液化过程中，天然气与混合制冷剂不仅是混合物，它们随着流程中压力、温度的不断变化，将会处于气相、气液平衡相和液相状态，所以混合物的相平衡计算理论是整个流程物性计算的基础。
本文针对天然气和混合制冷剂的组分特性，选择了PR方程作为计算这两类混合物的相平衡方程。
本文选取模拟软件HYSYS作为本次研究所使用的主要模拟工具，介绍了HYSYS的计算原理与方法，最后用HYSYS软件对混合制冷剂液化循环的冷箱部分进行模拟，以研究混合工质组分的改变对LNG产品（也可以说是初级LNG产品）温度的影响。
第2章混合制冷液化流程
2.1混合制冷液化流程
1934年，美国的波特北尼克提出了混合制冷剂液化流程（MRC:
MixedRefrigerantCycle）的概念。
之后，法国Tecknip公司的佩雷特，详细描述了混合制冷剂液化流程用于天然气液化的工艺过程。
MRC是以C1和C3的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。
MRC既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。
自20世纪70年代以来，对于基本负荷型天然气液化装置，广泛采用了各种不同类型的混合制冷剂液化流程。
2.2混合制冷剂液化流程的分类
混合制冷剂液化路程还包括很多种类，如：
闭式混合制冷剂液化流程，开式混合制冷剂液化流程，丙烷预冷混合制冷剂液化流程等，下面我们就对上述几种流程进行简单介绍。
2.2.1闭式混合制冷剂液化流程
图2.1为闭式混合制冷剂液化流程（ClosedMixedRefrigerantCycle）示意图。
在闭式液化流程中，制冷剂和天然气液化过程分开，自成一个独立的制冷循环。
制冷剂通常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H12组成。
这些组分都可以从天然气中提取。
液化流程中天然气依次流过四个换热器后，温度逐渐降低，大部分天然气被液化，最后节流后在常压下保存，闪蒸分离产生的气体可直接利用，也可回到天然气入口再进行液化。
液化流程中的制冷剂经过压缩机压缩至高温高压后，首先用水进行冷却，然后进入气液分离器，气液相分别进入换热器1。
液体在换热器1中过冷，再经过节流阀节流降温，与后续流程的返流气混合后共同为换热器1提供冷量，冷却天然气、气态制冷剂和需过冷的液态制冷剂。
气态制冷剂经换热器1冷却后进入闪蒸分离器分离成气相和液相，分别流入换热器2，液体经过冷和节流降压降温后，与返流气混合为换热器2提供冷量，天然气进一步降温，气相流体也被部分冷凝。
换热器3中的换热过程同换热器1和2。
制冷剂在换热器中被冷却后，在换热器4中进行过冷，然后节流降温后返回该换热器，冷却天然气和制冷剂。
在混合制冷剂液化流程的换热器中，提供冷量的混合工质的液体蒸发温度随组分的不同而不同，在换热器内热交换过程是个变温过程，通过合理选择制冷剂，可使冷热流体间的换热温差保持比较低的水平。
图2.1闭式混合制冷剂液化流程示意图
2.2.2开式混合制冷剂液化流程
图2.2开式混合制冷剂液化流程示意图
图2.2为开始混合制冷剂液化流程（OpenMixedRefrigerantCycle）示意图。
在开式液化流程中，天然气既是制冷剂，又是需要液化的对象。
原料天然气经净化后，经压缩机压缩后达到高温高压，首先用水冷却，然后进入气液分离器，分离掉重烃，得到的液体经第一个换热器冷却并节流后，与返流气混合后为第一个换热气提供冷量。
第一个分离器产生的气体经过第一个换热器冷却后，进入第二个气液分离器。
产生的液体经第二个换热器冷却并节流后，与返流气混合为第二个换热器提供冷量。
第二个气液分离器产生的气体经第二个换热器冷却并节流后，为第三个换热器提供冷量。
第三个气液分离器产生的气体经第三个换热器冷却并节流后，进入气液分离器，产生的液体进入液化天然气储罐储存。
2.2.3丙烷预冷混合制冷剂液化流程
图2.3丙烷预冷混合制冷剂液化流程示意图
a）混合制冷剂循环；b）丙烷预冷循环
丙烷预冷混合制冷剂液化流程（C3/MRC:
Propane-MixedRefrigerantCycle），结合了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，流程既高效又简单。
所以，自20世纪70年代以来，这类液化流程在基本负荷型天然气液化装置中得到了广泛的应用。
目前世界上80%以上的基本负荷型天然气液化装置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。
图2.3是丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程图。
流程由三部分组成：
混合制冷剂循环；
丙烷预冷循环；
天然气液化回路。
在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂用于深冷和液化天然气。
混合制冷剂循环如图2.3a所示，混合制冷剂经两级压缩机压缩至高压，首先用水冷却，带走一部分热量，然后通过丙烷预冷循环预冷，预冷后进入气液分离器分离成液相和气相，液相经第一换热器冷却后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第一个换热器提供冷箱，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。
气相制冷剂经第一换热器冷却后，进入气液分离器分离成气相和液相，液相经第二个换热器冷却后节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第二个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。
从第二个换热器出来的气相制冷剂，经第三换热器冷却后，节流、降温后进入第三换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。
丙烷预冷循环如图2.3b所示，丙烷预冷循环中，丙烷通过三个温度级的换热器，为天然气和混合制冷剂提供冷量。
丙烷经压缩机压缩至高温高压，经冷却水冷却后流经节流阀降温降压，再经分离器产生气液两相，气相返回压缩机，液相分成两部分，一部分用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为后续流程的制冷剂。
在混合制冷剂液化流程中，天然气首先经过丙烷预冷循环预冷，然后流经各换热器逐步被冷却，最后经图2.3a中节流阀4进行降压，从而使液化天然气在常压下储存。
图2.4为空气产品公司APCI设计的丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程[13]。
在空气产品公司设计的液化流程中，天然气先经过丙烷预冷，然后用混合制冷剂进一步冷却并液化。
低压混合制冷剂经两级压缩机压缩后，先用水冷却，然后流经丙烷换热器进一步降温至约-35℃，之后进入气液分离器分离成气、液两相。
生成的液体在混合制冷剂换热器温度较高区域（热区）冷却后，经节流阀降温，并与返流的气相流体混合后为热区提供冷量。
分离器生成的气相流体，经混合制冷剂换热器冷却后，节流降温为冷区提供冷量，之后与液相流混合为热区提供冷量。
混合后的低压混合制冷剂进入压缩机压缩。
图2.4APCI丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程示意图
在丙烷预冷循环中，从丙烷换热器来的高、中、低压的丙烷，用一个压缩机压缩，压缩后先用水进行预冷，然后经节流降温、降压后，为天然气和混合制冷剂提供冷量。
这种液化流程的操作弹性很大。
当生产能力降低时，通过改变制冷剂组成及降低吸入压力来保持混合制冷剂循环的变化时，可通过调整混合制冷剂组成及混合制冷剂压缩机吸入和排出压力，也能使天然气高效液化。
2.2.4CII液化流程
天然气液化技术的发展要求液化循环具有高效、低能耗、低成本、可靠性好、易操作等特点。
为了适应这一发展趋势，法国燃气公司的研究部门开发了新型的混合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程（IntegralIncorporatedCascade），简称CII液化流程。
CII液化流程吸收了国外LNG技术最新发展成果，代表天然气液化技术的发展趋势。
在上海建在的CII液化流程是我国第一座调峰型天然气液化装置中采用的流程。
CII液化流程如图2.5所示，该液化流程的主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三部分。
整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循环两部分。
图2.5CII液化流程示意图
在天然气液化系统中，预处理后的天然气进入冷箱12上部被预冷，在气液分离器13中进行气液分离，气相部分进入冷箱12下部被冷凝和过冷，最后节流至LNG储罐。
在混合制冷剂循环中，混合制冷剂是N2和C1~C5的烃类混合物。
冷箱12出口的低压混合制冷剂蒸汽被气液分离器1分离后，被低压压缩机2压缩至中间压力，然后经冷却器3部分冷凝后进入分馏塔8。
混合制冷剂分馏后分成两部分，分馏塔底部的重组分液体主要含有丙烷、丁烷和戊烷，进入冷箱12，经预冷后节流降温，再返回冷箱上部蒸发制冷，用于预冷天然气和混合制冷剂；分馏塔上部的轻组分气体主要成分是氮、甲烷和乙烷，进入冷箱12上部被冷却并部分冷凝，进气液分离器6进行气液分离，液体作为分馏塔8的回流液，气体经高压压缩机4压缩后，经水冷却器5冷却后，进入冷箱上部预冷，进气液分离器7进行气液分离，得到的气液两相分别进入冷箱下部预冷后，节流降温返回冷箱的不同部位为天然气和混合制冷剂提供冷量，实现天然气的冷凝和过冷。
CII流程具有如下特点：
（
）流程精简、设备少。
CII液化流程出于降低设备投资和建设费用的考虑，简化了预冷制冷机组的设计。
在流程中增加了分馏塔，将混合制冷剂分馏为重组分（以丁烷和戊烷为主）和轻组分（以氮、甲烷、乙烷为主）两部分。
重组分冷却、节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合制冷剂；轻组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝、过冷天然气。
（2）冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器，体积小，便于安装。
整体式冷箱结构紧凑，分为上下两部分，由经过优化设计的高效钎焊铝板翅式换热器平行排列，换热器面积大，绝热效果好。
天然气在冷箱内由环境温度冷却至-160℃左右的液体，减少了漏热损失，并较好地解决了两相流体分布问题。
冷箱以模块化的型式制造，便于安装，只需在施工现场对预留管路进行连接，降低了建设费用。
（3）压缩机和驱动机的型式简单、可靠、降低了投资与维护费用。
2.2.5新型两级混合制冷剂液化流程
丙烷预冷天然气液化流程具有功耗低的有点，但是由于该液化流程采用单独的丙烷循环预冷天然气，流程复杂，设备数量较多；膨胀机液化流程简便，设备紧凑，但是功耗偏高。
出于简化流程设备以及保证流程效率的考虑，本研究中结合当前天然气液化流程追求简便、高效的发展趋势，综合考虑了丙烷预冷混合制冷剂液化流程、单级混合制冷剂液化流程，以及整体级联式液化流程等多种混合制冷剂液化流程的技术特点，提出了新型两级混合制冷剂液化流程。
新型两级混合制冷剂液化流程如图2.6所示。
混合制冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷组成。
该流程包括制冷剂循环和天然气循环两部分。
制冷循环如下：
来自冷箱的制冷剂低压气体进入低压压缩机A1，经冷却器冷却后进入预冷换热器A4，冷却降温使部分高沸点组分凝结后，进入气液分离器A3。
分离出来的液体制冷剂经节流阀A5节流降温，与来自主换热器A7的返流低压气体汇合，作为预冷换热器A4的冷源；分离出的气体制冷剂被高压压缩机A2压缩至高压，经预冷换热器A4降温后，与来自过冷换热器A9的低压制冷剂汇合，返回主换热器A7提供冷量；气相经主换热器A7和过冷换热器A9冷凝和过冷后，经节流阀A10节流降温后，返流为过冷换热器A9提供冷量。
预处理后的天然气经预冷换热器A4预冷后，进入主换热器A7继续冷却，然后进入气液分离器A11脱除已凝结的重烃组分。
重烃返流回预冷换热器A4提供部分冷量，天然气中的轻组分则继续进入主换热器A7和过冷换热器A9冷凝和过冷，最后经节流阀A12节流降压后注入LNG储罐[12]。
图2.6新型两级混合制冷剂液化流程示意图
第3章冷箱
3.1冷箱简介
冷箱在我国最先主要是用于乙烯制冷工艺中的乙烯冷箱，冷箱是一种换热器组装后的形式，它可以是几个换热器的组合。
通常为了避免现场的工作量，大容积装置的换热器是在制造厂完成，组装成冷箱。
3.2冷箱的技术关键
冷箱实际上是铝板翅式换热器加上钢壳
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