天然气液化厂不达产的改进方案.pdf

C I ⅢMI C A L E NG I N E E RI N G DE S I G N 化 工设计 2 0 1 5 ， 2 5 1 天然气液化厂不达产的改进方案 李婵 郑雪枫邵晨 白改玲王红贾保印 中国寰球工程公司北京1 0 0 0 1 2 摘要 分析某天然气液化厂不达产且能耗高的运行状态， 在现有设备条件下对天然气液化的工艺参数进行优 化，并提出提高产量降低能耗的具体措施。 关键 词 液化天然气流程模拟不达产改进方案 小型天然气 液化厂在 中国发展迅 速 ，主要采 用的液化流程有氮膨胀 液化流程 、氮 甲烷膨胀液 化流程和混合制冷剂液化流程 。混合制冷剂液化 流程相对于其它两种液化流程具有能耗低的优点 ， 越来越 多地被应用在小型液化装 置 中 J 。单 级 混合制冷剂液化流程是混 合制冷剂流程 中结 构最 简单 、设备最少 的液化 流程 ，应用 在小型天 然气 液化装置中能降低投资。 已建成的某天然气液化工 厂，设 计 日处 理规 模为 3 0 x 1 0 N m ，原料气来 自于某油 田天 然气。 该厂于 2 0 1 0年建成投产 ，目前处于不达产 的运行 状态 ，实际产量 只有设计值 的 8 0 ％左右。根据该 厂的实际运行 数据 ，使 用流程模 拟计 算方法分析 运行现状 ，优化运行 参数 ，提出达产 和降低能耗 的整改措施。 1 液化厂流程 1 ． 1 流 程概 述 该工厂液化 流程 为单 级混合制 冷流程 ，模 拟 流程见 图 l 。 图1 天然气液化流程图 流程 中的循环方式为 闭式 单循环 ，混合 冷剂 经过压缩机 C一5 3 0 1压缩增压后进 入换热器 E一 5 3 0 1冷却 ，在分离罐 V一 5 3 0 2中气液分离 ，气相 部分 由二段压缩机 C一5 3 0 2继续加压 ，液相 则 由 泵 P一5 3 0 1 增压 ，气液两相再次混合经冷却器 E一 5 3 0 2冷却 ，在分离罐 V一5 3 0 3中气 液分 离 ，气液 两相分别进入冷箱 。 气相冷剂 5 1 8进冷箱后 ，从冷箱底端抽 出，节 流减压后 变为气 液两相再次进冷箱 ，作 为深冷部 分 E T一 5 3 0 2的制冷剂 ；液相冷剂 5 2 2进冷箱 E T一 5 3 0 1 被 冷却到 一5 0 ℃时抽 出。节 流后 的冷剂 5 2 4 与5 0 8 混合，进冷箱的初冷段 E T一 5 3 0 1 ，为原料 气 5 0 2 、冷剂物流 5 1 8和 5 2 2提供冷量。 原料气 5 0 1在换热器 E一 5 3 0 3中换热后进冷 箱 ，在 一 5 0 ％下抽 出，经分离罐 V一5 3 0 4脱 除重 烃，液相部分用于预冷原料气 5 0 1 ，气相部分 回到 冷箱 E T一 5 3 0 2被深冷至 一1 4 7 ℃得到 L Nc产品。 1 ． 2液化理论分析 冷剂循 环过程 常温冷剂进压缩 机后增压增 温 ，经过冷 却器 冷却后 在冷 箱 中节 流减压 降 温 ， 与天然气换热后 又 回到初 始温度压力 ，完成 一个 闭式制冷循环。从热 力学原理看 ，制冷过程 需要 消耗外功 ，是压缩机 对冷剂做功 、冷剂将 热量从 低温 区 从 天 然气 取走 的热量 转 移 到 高温 区 冷却水的过程 J 。因此 L N G工厂要 达到设计 产量 ，需要冷剂 提供足够 的冷量 ，这源 于压缩机 所做 的功 。 压缩机的气体功率 有用功 尸 g ’ p ’W ． ／ 6 0 0 0 0 【 】 1 2 李婵 工程师 。2 0 l O年 7月毕业于北京化工大学化学工程与技术专业获硕士学位。现 在从事 天然气 液化技术 的设计 工作。联系 电 话 0 1 0 5 8 6 7 3 2，Ema i l l i c h h q c e c ． c o m。 ． 造一 ～ 技改～ ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李婵 等天 然气液化厂 不达产的改进 方案 4 7 R 坠 垒 f 3、 ～ 、 墨 f 4 ⋯l g T 2 ／ P1 、 式中，P l 为压缩机的气体功率，k W；q 为人 口 体 积 流 量，m ／ mi n ；p 为 气 体 密 度 ，k g ／ m。 ； W ． 为 多变压 缩功 ，k W；Z 为平 均 压缩性 系 数；R为气体常数，J ／ k g K ， M为气体的分子 量；T， 为压 缩机人 口温度 ，K；II 1 为多变 温度指 数 ；T 为压缩机 出 口温度 ，K；P 、P 1 分别是压 缩机进 出口压力 ，k P a A 。 从公式可知，压缩机 的功率与冷剂的流量、 分子量、平均压缩 性系数 、多变温度 指数、气 体 密度、压缩机进 出 口气体 的温度和压力状态 等参 数相关。对于已有液化工厂的优化改造，其基本 流程和冷剂储存系 统 已经 固定 ，因此冷剂 的种类 已经固定 ；冷剂 的分子量 、平均压缩 性系数、多 变温度指数、冷剂 密 度都 是 冷剂 配 比的从 变量 ； 压缩机进 出 口气 体 的温度和压力 主要与压缩机性 能和冷剂配比相关。因此 ，对 于已有 的液化工厂 ， 只有冷剂的流量和配 比对压 缩功 的影 响最 大 ，应 作为流程模拟优化 的主要变量。 要使 L N G达到设 计产量 ，不仅要求冷剂提供 相应 的总冷量 ，还需要 提供足够 的每段 温差所需 的分冷量。从工 厂操作 的角度分 析 ，对 于液 化流 程 ，影响分冷量 的主要 因素 一 是压缩机 的出 口 压力 ，二是原料气 的组成。首先 ，若压缩 机的 出 口压力偏低 ，则冷 剂进 入冷 箱前 的气 液 比偏 大 ， 液相冷剂减少 ，冷箱初冷段 的冷量 减少 ，不足 以 冷却到设定产量的天然气指定温度 ，导致 L N G减 产 ；同时，压缩机 出口压力 降低通常会使冷箱 中 J T阀的压降减小 ，则释放的冷量整体减少 ，这也 会导致 L N G减产 ；其次 ，若原料气的组成发生改 变，其分子量比原设计值小，则液化相 同量的原 料气需要更 多低 温位冷量 ，而低 温位的冷量主要 靠低沸点冷剂提供 如氮气 、甲烷 ，需要压缩机 功率更大 见公式 1 、2 、3和 4 ，若压缩机无法 做相应 的调整 ，则 L N G也会减产。 2 流 程模 拟分析及优 化 2 ． 1 液化厂现运行状态的流程模拟 2 ． 1 ． 1 基础数据 模拟采用 A s p e n H Y S Y S 软件，选择 P R P e n g R o b i n s o n 方程进行混合物的相平衡计算 。 液化厂现生产状况 的流程模 拟数据主要依据 工厂 D C S画面中冷箱 、压缩机和换热器进 出设备 的物流参数及原料气和冷剂的组分。工厂的原设 计工况的流程模拟则是 根据 物料平 衡表的各节点 设计参数模拟得 出。原设计工况 与实际运行工况 的原料气和冷剂的组分见表 1 ，工厂实 际操作 的主 要运行参数见表 2 。 表 1 原料气和冷剂 组成 m o 1 ％ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m CHE Ⅱ CAL ENG姗ERI NG DES I GN 表 2 工厂操作的主要运行参数 2 ． 1 ． 2 计算结果及问题分析 根据 工 厂 实 际运 行 的流 程 图 和参 数 ，使 用 H Y S Y S软件模拟 出该工厂实际 的运行状态 ，得 到 流程模拟 的结果 。其原设计 和模拟结果 的运行参 数见表 3 。 表 3 设计与模拟结果的运行参数 从表 1 可见，工厂实际运行状态与设计工况的 原料气 和冷剂组成存在偏差。从表 3可知液化厂实 际运行状态的特点① L N G产量是7 7 6 7 k g ／ h ，而 原设计产量是 9 6 0 3 k g ／ h ，其实 际产量只相 当于设 计值的8 0 ． 9 ％，产量明显偏低；② 全厂液化区比 功耗 比功耗是单位 L N G产品液化 系统所消耗的 轴功率 为 0 ． 4 2 2 k W／ k g ／ h ，表 明该厂 的能耗 偏高、经济效益差；③ 压缩机 C一 5 3 0 2的冷剂实 际出 口压力低于原设计值，即压缩机 的能力不够 ； ④ 压缩机两段实际运行 的多变效率分别是 6 7 ． 3 ％ 和 6 6 ． 2 ％ ，压缩机效率过低 ，这 也导致 液化段能 耗偏高；⑤ 冷箱利用率低。冷箱的两段的平均换 热温差分别是 8 ． 1 3 4 ％和 8 ． 2 1 6 2 ，这说 明冷箱 中 冷热物流的匹配不好 ，不可逆损 失偏大 ，致使 能 耗偏高 。 从流程模 拟结果可见 ，液化工厂不 达产 的主 要原因有 两个 方面 ，一是 压 缩机 的 出 口压力 低 ， 冷剂进入冷箱前 的混 合冷剂 的气液 比增大 ，压缩 机为冷箱初冷段提供的冷量不够 ，导致 L N G减产 。 压缩机做有用功偏低 ，实际工况压缩机运行 的有 用 功 是 2 1 8 4 k W 注 2 1 9 6 0 ． 6 7 3 1 0 6 7 0 ． 6 6 2 ，低于 原设 计 值 的 2 3 8 0 k W 注 1 9 2 6 0 ． 8 41 0 1 7 0 ． 7 5 ，这些能量不足以液化原设计 产量的 L N G。二是 实际原料气 的组成偏 轻 ，从原 设计 的 1 7 ． 3降到实际运行的 1 6 ． 9 ，液化同样质量 流量 的 L N G产品需要更多的低温位 的冷量 ；但 实 际运行的冷剂组成反而 比原设计 值偏 重 ，即冷 剂 提供的低温位冷量少 于原设计值 ，因此 L N G的产 量降低 。实 际运行 的冷 剂压 缩机 出 口压 力偏低 ， 当冷剂出口压力达到 2 M P a时压缩机剧烈振动 ，并 有内部串气 现象。因此 ，该厂 的实际能耗偏 高 的 主要原因是压缩机效率低和液化流程冷剂的配比 不当。 综上所述 ，该工厂 的改进主要从流 程模拟优 化和设备改造两 方面进行 。首先 ，重新 对液化 流 程模拟计算 和优化 ，建立适 应新天然气组分 的液 化流程 。其 次 ，根据新 流程 的压缩要求 ，更换 或 改造压缩机。 2 ． 2 液化厂现运行状态的流程模拟 流程优化的整体方案 在现有 的设 备 压缩 机除外能力范 围内 ，通过改变冷剂组成 、流量 以及减压 阀后压力达 到 比功耗最小 的 目标 。改造 项 目的流程优化 受到多种限制 ，要结合设 备能力 整体分析 ，做出约束条件得到可实现的最优结果。 2 ． 2 ． 1 优化模拟 1 目标函数 工厂达产且液化系统的比功耗最低 。 2 约束条件 液化流程通用约束条件①压缩机 C一 5 3 0 1 和 C一 5 3 0 2人 口的混合冷剂为气相 ，即物流 5 2 8和 5 1 3 为气相；②冷剂在进人冷箱 E T一1 端面之前， 高压制冷剂处于 两相 区，即气 液分离罐 V一5 3 0 3 的混合冷剂处于两相区；③冷箱的最小换热温差 不小于 2 ℃ ，平均换热温差不小于 4 ℃。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李婵等天然气液化厂不达产的改进方案 4 9 本流程特定约束条件① 冷剂储存单元已建 成，因此冷剂种类保持不变；② 为了保证压缩机 的正常运行 ，压 缩机两段 的压 比保持 不变 ，分别 是 4 ． 2 1 1和 2 ． 3 2 5 ；优化后冷剂的分子量不得超过 原设计值的 1 0 ％；③ 新流程须适应工厂的管道 系统设计 ，冷剂 的体积流 量不得超过 原设计值 的 5 ％， 所有管道和设备的操作压力不超过其设计压 力的0 ． 8 3 倍；④ 冷箱两端的出口温度与原设计值 保持一致 ，即冷箱 E T一1端 口温度为 一5 0 o C，E T 一 2的端口温度为 一1 4 7 C；⑤ 冷箱各流道的每股 流体的换热面积 已经固定，因此需约束冷箱 内的每 组换热的冷热流的 u A不大于现有设备的设计值。 即 U 『A 5 0 2 5 o 3 ≤4 ． 4 91 0 k J ／ ℃ h ，U A 5 2 2- 5 2 3 ≤8 ． 2 91 0 k J ／ ℃ h ，U A 5 1 8 - 5 2 9 ≤2 ． 3 21 0 k J ／ ℃ h ，U A 5 0 4 5 0 5 ≤8 ． 2 61 0 k J ／ ℃ h ，U A 5 1 95 2 9 ≤1 ． 2 71 0 k J ／ ℃ h 。 3 设计变量① 混合制冷剂 甲烷、乙烯、 丙烷、异戊烷和氮气的配比；② 混合冷剂的总流 量；③ J T阀压降，即阀V A L一 5 0 2和 V A L 一 5 0 3 的压降。 2 ． 2 ． 2 优化结果 结合上述约束 条件 ，对 液化 流程 优化 。冷剂 的组 成 为 甲 烷 0 ． 2 7 0 0 ，乙 烯 0 ． 3 6 6 1 ，丙 烷 0 ． 1 2 9 6 ，异戊烷 0 ． 1 6 3 0 ，氮气 0 ． 0 7 1 3 。优化后 流程参数见表 4 ，设备运行参数见表 5 。 表 4 优 化后 流程主要节点的流程参数 表 5 优化后 流程主要设 备参数 优化后的流程 L N G产量超过原设计值 9 6 0 3 k g ／ h ，达到了9 7 5 5 k g ／ h ；比功耗也从 0 ． 4 2 2 k W／ k g ／ h 降低到为 0 ． 3 5 5 k W／ k g ／ h 。 从优化结果 可见 ，通过优化 改进 ，该 工厂不 但产量有所提升，而且还降低了能耗。L N G产量 的增加主要是 由于原料气 中甲烷含量增 加 ，因此 在相同体积流量原料气 的条件下 L N G产量增加。 优化后 的比功耗为 0 ． 3 5 5，该数值是假定压缩机效 率为 7 5 ％的前提下得 出的结果。如果经过更换或 者改进压缩机的效率达到 7 9 ％ ，则 比功耗可降低 为 0 ． 3 3 5 。优化后的工厂实际比功耗还要根据压缩 机的效率最终确定。 两段 冷 箱 的 平 均 换 热 温 差 从 运 行 状 态 的 8 ． 1 3 4 ℃和 8 ． 2 1 6 o C降低到 5 ． 7 6 3 ℃和 7 ． 5 2 8 ℃，最 小换热温差也从 6 ． 4 7 3 o C和 4 ． 0 0 5 ℃降到了3 ． 4 3 7 o C 和 3 ． 6 5 5 o C，这说明冷箱中冷热物流匹配更优 。 图2是冷箱中流程优化后与实际运行 的冷热流 体温差的对 比图 ，从 图中可见 大多数优化后冷箱 中不同热负荷 的冷热 流体的温差小 于实际运行工 况，这说明流程经过优化后，冷箱温差变小，冷 箱效能提高，流程能耗降低。图 2右侧的温差图在 冷负荷 6 ． 81 0 。 k W ～ 9 ． 61 0 。 k W 以及大 于 1 ． 2 4 1 0 k W 的区域 ，优 化后 的冷 箱换 热温 差更 大 ， 这是 由于优化后原料气分 子量变小 ，深冷部 分需 要更大的冷量，但已建成的冷箱各物流之间的换 热面积已经确定 ，因此 只能通 过增大换热温差 的 方式增加深冷部分的冷量以确保 L NG达产。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m CI MI C AL E NG I N E E R I NG DE S I GN 化 工设计 2 0 1 5 ， 2 5 1 图 2 运行状态和优化后冷箱 E T一 1 优 化 后 的压 缩 机 的 功 率增 加 到 了 3 4 4 5 k W 注 2 3 4 11 1 0 4 ，超过 了该工 厂压缩机 的额定 功率 ，这是为 了满足 液化组分偏轻 的原料气 ，需 要组分更轻 的冷剂提供更 多的深冷 量 ，轻组分冷 剂使得压缩机功耗增 大造成 的。由此可见 ，想得 到设计 产量 的 L N G，压缩机 的功率增加是不 可避 免的，须通过更换或者改造压缩机来解决。 3 改进方案 综上所述 ，该工厂需从 两个方 面整改 一是 压缩机改造 ，二是流程调整。 现有压缩机的运行问题是额定功率低 ，不能 满足实际组分 的原料达产 ，并且该 压缩机在实 际 运行时存在低效率、振 动和 串气等现 象 ，这又使 得压缩机效率降低 ，即流程能耗增加 。增加压缩 机功率可通过增加 叶轮直径 的方法 实现 ；压缩机 低效率的机械 问题可能 由于压缩机密封不好或 叶 轮表面粗糙度过 高等原 因造成，可通过 叶轮外 表 面抛光及 叶轮 内部打磨抛光减小粗糙度减小 叶轮 表面粗糙度 [ 1 o l 。建议更换一台新 的压缩机或将其 改造以适应优化后流程。 将冷剂组成、冷剂流量、JT阀的压降等操 作参数调至优化后 的参数点 ，并且在今后 的操作 中注意控制冷剂组成和流量 ，使其不要 过多 的偏 离优化值。 4 结语 基于 H Y S Y S流程模拟软件，分析 了该 液化厂 不达产的原 因，即压缩 机能力不够 和原料气组分 的变化。在流程模拟优 化 的过程 中，需 要满足 现 有设备 能力不够的设备 除外 和系统所遵循 的 ．2 o x 1 0 6 0 , 0 2O x I O 6 4O X l 0 6 6O X l o 6 8 ． O x l O ‘1 O x 1 0 1 ． 2 x 1 0 1 ． 4 x 1 O r1 6 x 1 0 热负荷 k W 左 和 E T一 2 右 温 差对 比图 限制条件。经过压缩机改造 和调整流程 ，该 液化 厂 L N G产量可高 于原设计值达到 9 7 5 5 k g ／ h ，比功 耗从实际运行的 0 ． 4 2 2 k W／ k g ／ h 降低为 0 ． 3 5 5 k W／ k g ／ h 。 参考文献 l 张刘 樯，周迎 ，师凌冰．天然气 液化技术及应用 [ J ] ．油 气田地 面工程 ，2 0 0 8，2 7 5 6 8 ． 2 Ga o W e n s h e n g， L u Xu e s h e n g ，Li n W e n s h e n g ，e t a 1 ．P a r a me t e r c o mp a r i s o n o f t wo s ma l l s c all 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 e s i n s k i d m o u n t e d p ack a g e s[ J ] ．A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 2 6 8 9 4 9 O 4 ． 3 曹文胜 ，鲁雪生 ，顾安忠．小 型撬装式 L N G装置 的流程模 拟 [ J ] ．化工学报，2 0 0 6 ， 5 7 6 1 2 9 0 1 2 9 5 ． 4 R e me l j e j a C W， Ho a d l e y A F A ．A n e x e r g y a n a l y s i s o f s mal l s c a l e l i q u e fi e d n a t u r a l g a s L N Gl i q u e f a c t i o n p r o c e s s e s[ J ] 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