管网压力能用于天然气液化流程模拟.pdf

第 4 3卷第 8期 2 0 1 4年 8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 o l 。 4 3 N O ． 8 A u g u s t ，2 0 1 4 管网压力能用于天然气液化流程模拟 薛 君 昭 中国石油大学 北京 ，城市油气输配技术北京市重点实验室，油气管道输送安全国家工程实验室， 北京 1 0 2 2 4 9 摘 要 截止 2 0 1 3 年底 ， 我国天然气主干管道总里程超过了 6 万 k m， 未来我国天然气管道的管径 、 压力、 钢级将进～步提升。高压天然气需经过调压才能进入中压管道，但传统调压方式仅仅是进行节流，造成了压力 能的浪费。探讨利用高压管网与中压管网之间的压差进行液化调峰，这里应用 A S P E N H Y S Y S 软件对流程进行 了模拟 ，分析了分流器分流比、中压管网压力变化 、气源压力变化 、 气源温度变化和气源流量变化对流程液化 率的影响，并得出相应的结论。 关键词天然气 ； 压力能； 液化； 流程； 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 8 1 5 9 2 0 3 S i m ul a t i o n o f Na t u r a l Ga s Li qu e f a c t i o n Pr o c e s s W i t h Pi pe l i n e Pr e s s u r e En e r g y XUE J u n - z h a o B e i j i n g K e y L a b o r a t o r y o f U r b a n O i l a n d G a s D i s t r i b u t i o n T e c h n o l o g y ，Na t i o n a l E n g i n e e r i n g L a b o r a t o r y f o r P i p e l i n e S a f e t y ，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 i j i n g ， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t By t h e e n d o f 2 0 1 3 ， Ch i n a s n a t u r a l g a s ma i n p i p e l i n e s t o t a l mi l e a g e wa s o v e r 6 O 0 0 k m． I n t h e f u t u r e ， d i a me t e r , p r e s s u r e ， s t e e l g r a d e o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e s i n o u r c o u n t r y wi l l f u r t h e r i mp r o v e ． Hi g h p r e s s u r e n a t ura l g a s ’ s p r e s s u r e n e e d b e a a j u s t e d b e f o r e e n t e ri n g me d i u m p r e s s ure p i p e l i n e ． B u t t h e t r a d i t i o n a l w a y o f r e g u l a t i n g t h e p r e s s ure i s j u s t t h r o t t l i n g ，wh i c h c a n c a u s e p r e s s u r e e n e r g y w a s t e ．I n t h i s a r t i c l e ，u s i n g p r e s s u r e d i ff e r e n c e b e t we e n h i g h p r e s s u r e and me d i u m p r e s s u r e p i p e l i n e s t o l i q u e f y n a t u r a l g a s wa s d i s c u s s e d ． He r e AS PE N HYS YS s o f t wa r e wa s u s e d t o s i mu l a t e t h e p r o c e s s ． E ffe c t s o f the s p l i t r a t i o ， p r e s s u r e c h a n g e o f me d i u m a n d h i．g h p r e s s u r e p i p e l i n e s ，i n l e t t e mp e r a t ur e c h a n g e o f h i g h p r e s s u r e g a s f l o w， a n d fl o w r a t e c h a ng e o f h i g h p r e s s ur e p i p e l i n e o n t h e l i q u e f a c t i o n r a t e we r e a n a l y z e d ， a n d t h e c o n c l u s i o n wa s d r a wn ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s ； P r e s s u r e e n e r g y； L i q u e f a c t i o n ； Pr o c e s s ； S i mu l a t i o n 截止 2 0 1 3年底 ， 我国天然气 主干管道总里程超 过 6万 k m， 未来我国天然气管道的管径 、压力 、 钢 级进一步提升n 。高压管道 中蕴藏着 巨大的压力能 ， 数据表明， 高压天然气从 4 M P a 调压到 0 ．4 M P a 时， 可回收压力能达 3 2 2 k J ／ k g t 。在调压站，传统的调 压方式主要是用调压阀进行调压 ，并不能充分利用 管网压力能 ， 造成了压力能的巨大浪费。 与此 同时 ， 城镇各类用户的用气情况是不均匀的 ，用气量 “ 昼 高夜低”是 比较明显的特征。针对以上两种情况 ， 可用管网的压力能来液化天然气进行调峰并发 电。可 以考虑利用管网压差来建立调峰 L N G站。 l 液化流程及相关参数 1 ． 1 液化流程介绍 本文中的流程是一种在城市门站利用压力能的 流程 。该流程 由文献 [ 3] 修改而成。工艺流程图如 图 1 所示。 来 自管网的高压天然气首先经过净化 、吸附 ， 除去杂质 、水分 、C O 和较重 的碳氢化合物等预处 理 。经过预处理后的天然气进入换热器 1中预冷 ， 预冷后温度降低，形成气液两相混合物进入分离器 1 ， 从分离器 1 底流出的液相进行节流 ， 之后进入混 合器混合流进分离器 2 ． 分离器 1 顶部出来的气体进 入分流器进行分流 ， 一部分进入换热器 2进行换热 ， 再节流后进入混合器混合 ，然后流进分离器 2进行 气液分离；另一部分进入膨胀机进行膨胀降压，驱 动膨胀机轴做功 流量 9 0 0 k mo l ／ h时， 功率约为 5 0 0 k W ，带动发 电机发电 ，之后经混合器混合进入气 液分离器 2 。从分离器 2顶部出来的天然气依次通 过换热器 2 和换热器 1 为换热器提供冷量后进入中 压管网，L N G从分离器 2 底部流出。 1 ． 2 液化流程已知参数 本 文 的 模 拟 分 析 选 用HY S Y S 软 件 的 P R P e n g R o b i n s o n方程进行相平衡计算 ，进料天 然气流量取 9 0 0 k m o l ／h 。 膨胀机的绝热效率取 7 5 ％， 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 1 - I 6 作者简介 薛君昭 1 9 9 1 一 ，男，河北唐山人，中国石油大学油气储运专业在读研究生，研究方向多相流动。E - m a i l x u e j z l 9 9 1 G m a i l ．c o m 。 第4 3卷第 8期 薛君昭管网压力能用于天然气液化流程模拟 1 5 9 3 节流过程按等焓工况处理。设定换热器的内部不压 降。预处理的气源组成如表 1 所示。 m 图 1 管道天然气液化流程 Fi g ． 1 Pi p e n a t u r a l g a s fiq u e f a c t i o n pr o c e s s 表 1 预处理的天然气组成 Ta b l e l c o m p o s i t i o n o f pr e - p r o c e s s i n g n a t u r a l g a s 组分 c H 4 C 2 C 3 I { 8 i - C 4 H l o n - C 4 H l 0 N 2 C O 2 含量， ％ 9 5 ．9 8 9 1 ．9 3 4 0 ．3 1 0 ．0 6 4 0 ． 0 5 9 1 ．4 4 4 0 ．2 2 流程的参数分析 2 ． 1 分流器分流比的影响 设定来自高压管网天然气进料温度为 2 0 c C ， 进气压力为 4 MP a 。调节分流器分 出流量 Q 5 物流 5流量 。经过模拟发现液化率随着分流比 Q 与 Q 的比值 的增加而增加， 但当分流比超过某一限 度时，系统能量不平衡 ，模拟流程不再收敛。分流 比与液化率的关系如图 2所示 。 图2 分流比与液化率的关系图 Fi g ． 2 S h u n t s p l i t r a tio V S l i q u i fic a t i o n r a t i o 当分流 比增大时 ， Q5 从换热器 2中获得的冷量 增大，液化率提高， 但当分流比高过某一限度时， 从换热器 2出来的冷物流 1 4不能为换热器 1提供 足够的冷量使得物流 2达到预冷温度 ，导致能量的 不平衡 。 2 ． 2 中压管网压力的影响 设定来自高压管网天然气进料温度为2 O℃， 进 口压力为 4 MP a 。因为城市中压管网的压力范围 0 ． 2 MP a ≤p ≤0 ． 4 M P a ，中压管网压力和液化率 的关系如 图3 所示。液化率随着中压管网压力的升高而降低， 但波动范围不大。 若中压管网压力升高， 由于换热器 不降压， 那么分离器 2 的压力升高， 温度上升， 物流 1 2的焓值升高 ，流量增大，为两个换热器提供的冷 量变化不大， 但压力上升使部分天然气的压力能无法 转换成冷能，最终导致液化率有所降低。 图3 中压管网进气压力与液化率关系 Fi g ． 3 Th e i n l e t pr e s s ur e o f m e d i u m p r e s s u r e p i p e l i n e V S l i q u i fi c a t i o n r a tio 2 ． 3 气源压力波动造成的影响 设定高压管网天然气进料温度为 2 0℃， 分流流 量 Q s 为 1 0 0 k m o l ／ h 。气源压力的变化对液化率也有 一 定影响 ，天然气液化率 随着气源压力 的升高而增 大，如图4 所示。液化率升高的主要原因是当气体 的压力升高时焓值降低，而最终天然气的储存压力 不变 ，液化后温度变化幅度小 ，焓值变化变化小 。 导致人 口天然气和液化天然气 的焓差减小 ，从而使 得天然气的液化率上升。 高压管网进 气压 力／ M P a 图 4 高压管网进气压力与液化率的关系 Fi g ． 4 T h e i n l e t p r e s s u r e o f h i g h p r e s s u r e p i p e l i n e V S l i q u i fic a t i o n r a tio 化 工 2 0 1 4年 8月 2 ． 4 气源温度波动造成的影响 设定高压管网天然气进料压力为 4 MP a ， 调整高 压天然气的温度进行模拟。结果如图 5 所示 ，天然 气的液化率随着高压管网温度的升高而降低。原因 是随着入口温度的升高，焓值逐渐增大，导致人口 天然气和液化天然气的焓差变大，最终使得天然气 的液化率有所下降。 高 压管网进料温度／ ℃ 图 5 高压管网进气温度与液化率关系 Fi g ． 5 Th e i n l e t t e mp e r a t ur e o f h i g h pr e s s u r e p i p e l i n e v s l i q u i fic a t i o n r a ti o 2 ． 5 气源流量波动造成 的影响 设定来自高压管网天然气进料温度为 2 0℃， 进气压力为 4 M P a 。调整高压管网进气流量，高压 管网进气流量和液化率的关系见图 6 。 图6 高压管网进气流量与液化率的关系 Fi g ． 6 Th e i n l e t flo w o f h i g h p r e s s u r e p i p e l i n e v s l i q u i fic a t i o n r a ti o 液化率随着高压管网流量增大而增大。原 因是 膨胀机对流量 比较敏感 ，模拟流程中的膨胀机流量 需为一 固定值 ，调节分流器流量来满足这一要求 。 当高压管网进气流量增大时，分流器分流流量 Q 增大；当高压管网进气流量减小时， 分流器流量 Q 减小 。 3 结 论 通过对流程的模拟分析得到以下结论 1 流程液化率在一定的范围内随着分流比的 增大而增大 ，但是超过某一限度 ，能量不平衡 ，流 程不收敛 ，在实际生产中设定适 当的分流比可使得 液化率最大。 2液化率随着中压管 网压力的增加而降低 ， 但下降的幅度并不明显，实际生产中可不必过于担 心 。 3腋 化率随着高压天然气进口压力的升高而 近似线性增大 ，城市用气低谷时 ，城市高压管网压 力上升 ，利于流程液化率的提高。 4 液化率随着高压天然气温度的升高而逐渐 降低，实际生产中应注意温度变化所带来的影响。 5 液化率受气源流量波动变化影响较大 ， 液 化率随着气源流量的增大而增大。但由于分流器分 流流量不能过大 ，所以实际生产中应尽可能保持进 料流量稳定。 参考文献 [ 1 ] 王宝群，林燕红，焦忠良． 我国天然气管道现状与发展方向『 J 1 ． 际石油经济， 2 0 1 3 ， 8 7 6 7 9 ． [ 2] 徐文东．郑惠平，郎雪梅，等． 高压管网天然气压力能回收利用技 术『 J ] ． 化工进展，2 0 1 0 ， 2 9 1 0 2 3 8 5 2 3 8 9 [ 3]熊永强，华贲，罗东晓．用于燃气调峰和轻烃 回收的管道天然气 液化流程『 J 1 ．天然气工业，2 0 0 6 ，2 6 5 1 3 0 1 3 2 ． [ 4] 蒲亮 ， 李恩道， 高长永 ， 等． 小型天然气液化系统热力学分析[ c 1 ． 第 八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网 2 0 0 7年度学术 交流会， 2 0 0 7 ． 1 5] S u n i l M D ．S t u d y o f c r y o g e n i c c y c l e s w i t h A S P E N - H Y S Y S s i m u l a t i o n s [ D ] ．R o u r k e la N a t i o n a l I n s t i t u t e o f T e c h n o b g y， 2 0 0 8 5 0 5 1 ． 城镇化或将成为涂料行业发展新契机 据 2 0 1 3年全国房地产开发和销售情况显示 ， 2 0 1 3 年全国房地产开发投资 8 6 0 1 3亿元，比上年名义增长 1 9 ． 8 ％f 扣除价格 因素实际增长 1 9 ． 4 ％ ，比 2 0 1 2 年提高 3 ． 6 个百分点。其中， 住宅投资 5 8 9 5 1 亿元，增长 1 9 ． 4 ％，占房地产开发投资的比重 为 6 8 ． 5 ％。商品房销售面积比上年增长 1 7 ．3 ％，比 2 0 1 2年提高 1 5 ． 5个百分点。在新城镇化建设的带动下，有专家预言可能 会带动 1 亿套住房需求。 此外， 据九正建材网了解， 许多涂料企业高层人士对此也表示了极大关注和兴趣 ， 并表示城镇化将 会给涂料企业带来新的发展机遇。广东汇龙涂料有限公司董事总经理陈辉庭在接受采访时就表示 ，“ 其实， 十年前我就认为， 二三线城市将主导中国内需市场 ， 而中央提出新型城镇化，对于我国涂料产业来说，其意义重大，将会有效拉动涂料市场需 求。 ”陈辉庭还指出，以前有富余资金的老板都在炒房，是投机而不是投资，所以出现房地产泡沫。不过，三四线市场还是 比较正常的，这是没有投机成分的市场 ，金融危机以来做得最好的就是三四级市场，“ 这是涂料业未来一个新的增长点。 ”