小型天然气膨胀液化工艺模拟及研究.pdf

第 4 3卷第 2期 2 0 1 4年 2 月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V 0 ] ．4 3． N 0 ． 2 F e b r u a r y， 2 0 1 4 小型天然气膨胀液化工艺模拟及研究 徐瑁 浣 ，汪 林 ，汪宇彤 ，张佳顺 。 1 ．中国石化天津天然气销售营业部， 天津 3 0 0 4 5 7 ； 2 ．中国石油大学 北京 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 3 ．山东省天然气管道有限责任公司， 山东 济南 2 5 0 0 0 1 摘 要国内油气资源分散、 单井产量小 ， 边远地区的油气资源较丰富， 可以利用小型液化天然气装置制 成 L N G后外输 ， 同时小型天然气膨胀液化工艺又是我国L N G研究工作的重点。 利用 A s p e n H v s v s 软件对 N 一 C H 膨胀制冷液化流程进行模拟、 研究和分析， 得出影响该流程的主要参数 制冷剂高压压力 、 主换热器出口温度 、 制冷剂氮气含量、天然气进料压力和 L N G储存压力对液化率和比功耗的影响。 关键词天然气；膨胀制冷；L N G；HY S Y S ；模拟 中图分类号 T E 6 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 4 0 2 0 2 4 6 0 4 Si mul a t i on a nd Re s e a r c h of Sma l l - s c a l e Ga s Ex pa ns i on Li que f a c t i on Pr o c e s s ， 2 一 h u a n ， WANG Li n ， WANG Y u t o n g2 ， ZHANG J i a s h u n3 1 ． S i n o p e c T i a n j i n Na t u r a l G a s S a l e s De p a r t me n t ， T i a n j i n g 3 0 0 4 5 7 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e ij i n g ， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 3 ． S h a n d o n g Na t u r a l Ga s P i p e l i n e Co r p o r a t i o n ， S h a n d o n g J i n a n 2 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Oi l a n d g a s r e s o u r c e s i n Ch i n a s c a t t e r , s i n g l e we l l y i e l d i S s ma l 1 ． o i l a n d g a s r e s o u r c e s i n r u r a l a r e a s a r e r i c h ． S ma l l s c a l e g a s l i q u e f a c t i o n d e v i c e c a n b e u s e d t o p r e p a r e LNG f o r t r a n s p o r t a t i o n ；a t t h e s a me t i me ，s ma l l s c a l e n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n p r o c e s s h a s b e e n t h e f o c u s o f L NG r e s e a r c h i n o u r c o u n t r y ． I n t h i s p a p e r , N2 - CHd e x p a n s i o n r e fri g e r a t i o n l i q u e f a c t i o n p r o c e s s wa s s i mu l a t e d ． r e s e a r c h e d a n d a n a l y z e d wi t h t h e s o f t wa r e o f As p e n Hy s y s ． M a i n p a r a m e t e r s a f f e c t i n g t h e p r o c e s s we r e d e t e r mi n e d a s f o l l o ws r e fri g e r a n t h i g h e r p r e s s u r e ， t h e o u t l e t t e mp e r a t u r e o f t h e ma i n h e a t e x c h a n g e r , n i t r o g e n c o n t e n t ， f e e d g a s p r e s s u r e a n d L NG s t o r a g e p r e s s u r e ． Ke y wo r d s Na tur e g a s E x p a n s i o n r e fri g e r a t i o n ； L NG HYS YS S i mu l a t i o n 我国油气资源分散 ，单井产量小，发达地区资 源短缺而欠发达地区资源丰富但距离需求地距离 远 ，且一些边远地区产气量小的气 田由于管道运输 费用高而不被利用 ， 直接燃烧， 造成资源极大浪费， 同时对环境产生不必要污染，利用小型天然气液化 装置将分散、 小量的天然气液化， 以 L N G的形式装 车运送 ，可实现资源的合理利用。 小型膨胀制冷液化工艺流程的原理是利用高压 的制冷剂通过膨胀机膨胀降温为天然气提供冷量 ， 使天然气液化，其中制冷剂膨胀输出功可以通过同 轴压缩机输出。根据制冷剂不同，膨胀制冷液化流 程可分为三种典型工艺⋯天然气膨胀制冷流程 、 氮气膨胀制冷流程、 N C H 膨胀制冷流程。小型液 化天然气装置的研究是我国L N G研究的重点， 能够 合理地利用我国资源分散、 地区偏远的天然气资源， 极为有效地缓解我国的能源紧张 ，并减少资源浪费 和环境污染 。 文章首先对 N 一 C H 膨胀制冷工艺流程 简要介 绍 ，然后利用 A s p e n H y s y s软件对该工艺流程进行 搭建 、分析和研究影响该工艺的主要参数对整个流 程的影响。 1 N 一 C H 膨胀制冷工艺流程 N 一 C H 膨胀制冷液化流程如图 1 所示 ，氮气与 甲烷按照一定 比例的配 比组合作为制冷剂，通过压 缩机增压，水冷器冷却到一定温度和压力后，一部 分通过主换热器 ，过冷换热器降温后 ，再经节流阀 节流降温返回过冷换热器提供冷量 ，后与另一部分 经膨胀机膨胀降温 的制冷剂汇合共同返 回流经主换 热器 、预冷换热器提供冷量 。天然气经过预冷换热 器、主换热器、过冷换热器吸收冷量并液化，最后 经节流阀节流降温至约一 1 6 3℃。该流程是为了节 省功耗，在氮气膨胀制冷工艺基础上做出改进，同 样具有启动快 、易操作 的特点 ，但 由于混合冷剂由 两种物质组成 ，制冷剂的配比是一个难题 ，且 甲烷 是易燃气体，这就要求选用该流程的系统具有很高 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 7 2 5 作者简介 徐瑶浣 1 9 8 7 一 ，男，新疆阿克苏人，助理工程师，2 0 1 0年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，研究方 向从事油品销售及 L N G 研究方面工作。E - m a i l x u j i n h u a n x u j i n h u a n 1 6 3 ．c o m 。 第 4 3卷第 2期 徐瑁浣，等小型天然气膨胀液化工艺模拟及研究 2 4 7 的防爆性能 。 该流程分为两部分组成 N 一 C H 混合组分作为 制冷剂，利用经过压缩机逐级压缩冷却的高压制冷 剂，通过膨胀机膨胀降温提供冷量的克劳德循环实 现循环制冷。天然气作为原料气经过换热器的逐级 冷却 、 降温、 液化 ， 经节流阀节流降温，得到 L N G 产品，进入储槽储存。 2 N 一 C H 膨胀制冷模型建立 2 ． 1 基础数据 选取某净化天然气作为原料气， 温度为 2 0℃， 压力为 4 0 0 0 k P a ，流率为 l 2 0 0 k m o l／ h ，物料平衡 计算选取 P R方程 ，物流经过各换热器压降为 2 5 k P a ，取膨胀机和压缩机绝热效率为 7 5 ％，流经节 流阀为等熵过程，冷剂为氮气和甲烷混合气，流率 Q 一 压缩8 1, 1 ●● 压缩机1 膨 胀 机l 膨胀机● 物流7 为 2 0 0 0 k m o l ／ h 。换热器选用板式换热器。 2 ． 2 N z CH 膨胀制冷模型 制冷剂 N 一 C H 依次通过压缩机 1 、 冷却器 l 、 压缩机 2 、冷却器 2 ，由压缩机压缩到工作压力后 ， 经冷却器冷却至常温，进入换热器 1 预冷， 冷却至 膨胀机 的入 口温度 ，然后由分流器将制冷剂分为两 部分 ，一部分依次经过换热器 2冷凝和换热器 3过 冷后，经节流阀 1 节流降温，返回流换热器 3 提供、 冷量 ；另一部分经过膨胀机膨胀 ，降压降温 ，与返 流的制冷剂在物料混合器中混合 ，然后流人换热器 2 ， 提供冷量。经过脱酸、 脱水等处理后的净化原料 气，依次经过换热器 1 预冷、换热器 2 液化和换热 器 3 过冷， 最后通过节流阀 2 截流降温， 即L N G进 入储罐储存。 物流 l 3 物流 物流 物流J 9 混 合 器 l物 流 l 2 物流 物流1 5 卜 冷却器2 物流4-，一 物流1 6 物流 l 0 机 z 物流6一 物流8 分流器 物流9 换热器 1 换热 器2 换热器3 图 1 N 。 一 CH 膨胀制冷工艺模型 Fi g ． 1 N2 - CH4 E x p a n s i o n r e f r i g e r a ti o n p r o c e s s m o d e l 3 N 一 C H 膨胀制冷工艺参数研究 3 ． 1 制冷剂高压压力 制冷剂高压压力即制冷剂经压缩机二级增压后 物流 5 压力。在保证其他各参数保持不变情况 下，通过改变制冷剂高压压力，得出液化率和比功 率变化情况 ，如图 2 3 。可以看 出，当制冷剂高压 图 2 液化率随制冷剂高压压力变化情况 Fi g ． 2 Li q u e fic a t i o n r a ti o V S r e f r i g e r a n t h i g h p r e s s u r e 外输 压力逐渐增大 ，膨胀机膨胀温降增多 ，单位制冷量 增加 ， 液化率逐渐增大。与此同时，制冷剂高压压 力造成压缩机压 比增大 ，导致压缩机功耗增大 ，总 功耗呈上升趋势 ，比功耗随之增加 。 5 ． 8 6 ． 0 6 ． 2 6 ． 4 6 6 6 ． 8 7 ． 0 7 ． 2 7 ． 4 7 ． 6 制冷剂低 压压力／ M P a 图3 比功耗随制冷剂高压压力变化情况 F i g ．3 S pe c i fic p o we r V S r e f r i g e r a n t h i g h p r e s s u r e 3 ． 2 制冷剂中的氮气含量 在保证其他各参数保持不变情况下，改变制冷 剂中氮气的含量，得出液化率和比功率变化情况， 盯 船 弛 引 一 ． ． _[ [ 1JJ．} M ＼ 踌督 化 工 如图 4 5 。可以看出，当制冷剂中的氮气含量升高 时，由于膨胀机的焓降减小，单位制冷量减少，液 化率降低 ，比功耗随着氮气含量增加呈上升趋势 。 因此 ，制冷剂中氮气含量不应过高，过高的氮气含 量使制冷剂提供的冷量少，天然气液化温度低 ，液 化率低，而比功耗却很大。 社0 9 楚 O．8 6 0 4 5 5 0 ． 5 5 0 6 O ． 6 5 ． 7 0 氮气 分数 ，％ 图 4 液化率随制冷剂氮气含量变化图 Fi g． 4 Li que fic at i on r at i o VS ni t r o ge n c on t e n t i n t he r e f r i g e r a n t j8 ，、 乙5 6 呈 三 5 4 52 丑5 0 48 4 5 0 ． 5 0 5 5 6 0 0 6 5 0 ． 7 O 氮 气 含 量 ，％ 图 5比功耗随制冷剂氮气含量变化 图 Fi g ． 5 S p e c i fic p o we r V S n i t r o g e n c o n t e n t i n t h e r e f r i g e r a n t 3 ． 3 天然气进料压力 在保证其他各参数保持不变情况下，改变天然 气进料压力，得到液化率和比功率变化情况，如图 6 7 。可 以看 出 随着天然气进料压力升高 ，液化 天然气所需要的冷能减少，压缩机压缩功耗减少， 比功耗随着减少 ，液化率呈上升趋势。 3 ． 4 主换热器出口温度 在保证其他各参数保持不变情况下 ，改变主换 热器 出 口，得 到液化率 和 比功率变化情况 ，如 图 8 - 9 。可以看出当天然气主换热器出口温度逐渐 升高时，为保证换热器的热平衡，膨胀机的膨胀量 将减小，膨胀机的膨胀输出功减小 ，导致压缩机功 耗增大 ， 同时天然气在过冷换热器出 口的温度升高 ， 液化率减小 ，比功耗增加 。 ． 9 2 2 0 ． 9 2 J 0 ． 9 2 0 3 0 l{． 5 4 ． 0 4 ． 5 5 ． 0 5 5 6 0 灭然 气 进料 力／ 川 a 图 6 液化率随天然气进料压力变化情况 F i g ． 6 Li q u e fi c a t i o n r a tio V S n a t u r e g a s i n i t i a l pr e s s u r e 3 ． O 3 ． 5 4 ． 0 4 5 5 ． 0 5 5 6 0 天然 气 进料 压 力／ M I a 图 7 比功耗随天然气进料压力变化情况 Fi g． 7 Spe c i fic po we r VS na t ur e ga s i ni t i al pr e s s ur e 一 1 l 4 1 l 0 l 06 l 02 98 天然气 丰换热 器出 r ] 温 度／ ℃ 图 8 液化率随天然气主换热器出口温度变化图 Fi g． 8 Li que fic a t i on r a t i o V S o ut l e t t e mpe r a t ur e of t he m a i n he a t e xc ha nge r 天然气 换热 器出 口温度／ c 图 9 比功耗随天然气主换热器 出口温度变化 图 F i g ．9 S p e c i fi c po we r V S o u t l e t t e mpe r a t u r e o f t h e ma i n h e a t e xc hang e r 第 4 3卷第 2期 徐瑶浣，等小型天然气膨胀液化工艺模拟及研究 2 4 9 3 ． 5 L N G储存压力 机总功耗升高，比功耗也升高。 在保证其他各参数保持不变情况下，仅改变 L N G储存压力， 得到液化率变化情况， 如图 l 0 。 可 以看出 当液化天然气 的储存压力逐渐增大 ，L N G 液化率随之增大。增大 L N G储存压力 一般不超过 8 0 0 k P a I卅 ， 有利于提高液化率， 但需承受更高压力。 储 存 压 力／M P 0 图 1 0液化 率随 L N G储存 压力变化图 Fi g． 1 0 Li que fica t i on r at i o VS t he LNG s t o r ag e pr es s ur e 4 结 论 通过利用 A S P E N H Y S Y S 软件对 N 一 C H 膨胀制 冷工艺模型搭建 、模拟和分析 。在保持单一变量情 况下得出液化率和比功率随主要参数的变化情况 1 制冷剂高压压力升高 ， 液化率升高 ，压缩 2 制冷剂中氮气含量增加， 液化率降低， 压 缩机功耗降低 ，比功耗增加 。 3 天然气的的主换热器出口温度降低， 液化 率增加，压缩机功耗减少，比功耗减少，但出口温 度过低会导致膨胀量增大 ，节流量减小 ，主换热器 冷量过剩。 4 天然气进料压力增加， 液化率增加， 压缩 机功耗降低，比功耗降低。 5 天然气储存压力增加，液化率大大增加， 但高压受储存条件限制 ，往往需综合考虑。 参考文献 [ 1 ] 李青平孟 伟， 张进盛， 等． 天然气液化制冷工艺比较 与选择} J l _煤气， -q 热力， 2 0 1 2 ， 3 2 f 9 4 - 1 0 ． [ 2] 毕研军 召 云巧， 白世武． 煤层气液化装置设计 N 一 C H 混合膨胀制冷 工艺『J ] 城 市燃气， 2 0 1 0 ， 1 0 1 3 1 7 ． [ 3 ] 顾安忠， 鲁雪生，汪荣顺， 等． 液化天然气技术[ M] ． 北京 机械丁业出版 社， 2 0 0 3 ． [ 4]刘新伟， 李海国， 刘荚蓉． 天然气液化流程模拟及其 。r 艺计算[ J l1． 天然 气工业， 1 9 9 9 1 9 7 1 0 0 ． [ 5] 顾安忠．液化天然气技术『 M 】 ． 北京 机械工业出版社，2 0 0 3 1 0 5 4 6 3 ． [ 6]高春梅， 李清 ’ 召 B 震宇． 液化天然气储存 及应 用技术 【 J 】 ． 城市燃气， 2 0 0 2 2 1 8 2 3 ． 上接 第 2 4 5页 表 5 典型炼化企业裂解原料的边际效益情况 T a b l e 5 Th e ma r g i n a l b e n e fi t o f t y p i c a l c r a c k i n g f e e d s t o c k ， Y u a n ／ t o n 元， 1 T 日 A- J k B 一 企业 C 一 企业 边际效益 I 边际效益 1I 边际效益Ⅲ 边际效益Ⅳ 边际效益 V 边际效益 Ⅵ 干气 l 1 9 5 1 1 0 4 7 3 5 9 5 0 5 7 l 6 4 5 丙 烷 7 1 0 6 1 5 2 9 1 3 7 4 3 9 3 2 8 7 液化气 6 6 0 5 9 7 4 0 3 2 9 3 4 6 7 5 5 l c 5轻烃 3 4 1 2 9 2 4 3 0 5 0 8 l 4 6 2 3 5 石脑油 6 7 5 6 3 8 1 7 6 2 3 2 1 5 2 2 0 1 柴油 1 9 5 1 6 2 l l 3 8 9 尾油4 6 6 4 6 6 4 5 8 4 2 6 2 0 2 1 5 1 7 结束语 炼厂可生产从气体到液体多种优质裂解原料， 乙烯装置可根据装置适应性及下游产品需求，优化 选择不同的裂解原料 ，提高乙烯 、丙烯或丁二烯产 品收率，实现增效降本。 对如中石化这样拥有多家炼化企业和纯炼油企 业的大型公司而言，应深化炼化一体化优势，将炼 油和化工整体考虑结合市场情况进行裂解原料优化 测算及经济性分析，通过炼化一体企业内部互供或 地区内炼油与化工之间的资源互供， 实现互惠共赢、 整体效益最大化。 参考文献 [ 1 ]林泰明．催化裂化干气的综合利用I J 】 _ 石化技术与用， 2 0 04， 2 2 5 3 1 5 - 3 2 0． [ 2 ]唐未庆．液化气作裂解料对乙烯收率及经济效益的影响【 J l _ 石油炼 制与化工， 2 0 1 0 ， 4 1 7 7 7 8 8 ． [ 3 ]李吉春． 炼化一体化低成本低碳烯烃生产技术与进展【 J ] 石化技术 与应用， 2 0 0 5 ． 2 3 5 3 3 4 3 3 7 ． [ 4]李晓光． 碳五馏分的综合利用『 J 1 _ 天津化工， 2 0 0 5 ． 1 9 6 4 6 ． [ 5 ]戴 煜．轻石脑油在 s Rrr _ HI 型裂解炉的优化操作阴l 石油炼制与化 工． 1 9 9 9 ． 3 0 1 2 3 8 4 1 ．