混合制冷剂天然气液化工艺流程计算.pdf

第 4 4卷 第 7期 2 0 1 5年 7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 1 ． 4 4．N O ． 7 J u l y，2 0 1 5 混合制冷剂天然气液化工艺流程计算 庞博学 ，方 1 ． 东北石油大学，黑龙江 大庆 1 6 3 0 0 0 立 2 ，范恩庆 ，刘天元 ，董昊雷 2 ． 克拉玛依新科澳石油天然气技术股份有限公司，新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 摘 要 混合冷剂天然气液化工艺是常用的天然气液化工艺流程 ，我国 L NG技术起步较晚，仍缺乏对于 该流程的优化设计和模拟计算研究。针对进厂原料天然气组分在不同温度、压力下进行液化率计算 ，筛选配比 冷剂组成，完成了闭式冷剂天然气液化工艺的模拟，实现了进厂天然气的净化和液化 ，并计算分析了冷剂压缩 前后压力和 L NG产品储存压力对收率和能耗的影响。 关键词 天然气液化 ；工艺流程；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 5 0 7 1 6 4 5 0 3 S i m ul a t i o n a nd C a l c ul a t i on o f Ga s Li que f a c t i o n Pr o c e s s W i t h M i x e d Re f r i g e r a nt P ANG Bo- x“ Pl ， F ANG Li 2 ， F AN En qi n g1 ， LI U T i a n- yu a nl ， D ONG Ha o l e i 1 1 ． No r t h e a s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y , He i l o n g j i a n g D a q i n g 1 6 3 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． Ka r a ma y Xi n k e a o P e t r o l e u m T e c h n o l o g i c a l C o ． ， L t d ． ， Xi n j i a n g Ka r a ma y 8 3 4 0 0 0 ，C h i n a Abs t r a c t M i x e d r e f r i g e r a n t l i q u e f a c t i o n p r o c e s s i s a c o mmo n t y p e o f 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 ．Th e d e v e l o p me n t o f L NG t e c h n o l o g y i n Ch i n a i s l a t e ． Op t i mi z a t i o n d e s i g n a n d s i mu l a t i o n s tud y o f t h e p r o c e s s a r e s t i l l l a c k i n g ． I n t h i s p a p e r , l i q u e f a c t i o n r a t e o f t y p i c a l n a t u r a l g a s c o mp o n e n t s u n d e r d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e wa s c a l c u l a t e d ，t h e r e f r i g e r a n t f o r mu l a wa s s c r e e n e d o u t ，a n d t h e d e s i g n o f c l o s e d mi x e d r e fri g e r a n t g a s l i q u e f a c t i o n p r o c e s s wa s c o mp l e t e d ． P u r i fi c a t i o n a n d l i q u e f a c t i o n o f r a w n a t u r a l g a s we r e a c c o mp l i s h e d ． T h e i mp a c t o f h i g h a n d l o w p r e s s ur e r e fri g e r a n t a n d t h e p r e s s u r e o f s t o r a g e c o n t a i n e r o n l i q u e f a c t i o n r a t e a n d e n e r g y c o n s um p t i o n wa s c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d ． Ke y wo r d s L NG； P r o c e s s ； S i mu l a t i o n 近年来 ，液化天然气作为一门新兴产业 ，因其 对天然气储存和运输的特有优势得到 了迅速发展 ， 各能源大国均已开始致力于 L NG技术 的工艺研究 。 我国在天然气液化工艺技术领域起步较晚，与欧洲 和北美等发达国家尚有差距 ] ，对于天然气液化装 置 的工艺流程设计和模拟计算研究较少。 混合冷剂制冷液化流程是 以 C1 ～ C 5组分 的轻 烃及 N 2 等组成的混合物为制冷剂工质， 通过在工艺 设备中蒸发 、节流膨胀等过程获得低温进入冷却装 置与原料气 换热 ，达 到对天然气 液化 的 目的【 2 J 。 H YS YS作为油气处理计算仿真软件，在储运、化 工 等领域得到 了广泛应用 。 国内李士 富等人应用 HYS YS软件对部分世界上典型的天然气液化处理 工艺建立模型 ，为广大石化工作者提供了 HYS YS 模拟学习基础 ] 。本文在学习参考前人建立 的计算 模型的基础上 ，针对原料天然气物性组成 ，对混合 冷剂天然气液化流程进行工艺参数优化设计 和 L N G储存压力、 制冷剂压缩前后压力优选的模拟计 算 ，为工艺流程设计和生产参数的优化提供理论指 导 ，具有学术理论和工程实践意义I 4 】 。 1 原料气及混合冷剂组成 原料天然气及该次计算的混合冷剂成分组成如 表 1 所示。原料天然气中含有 C O 2 ，天然气制冷前 须经分子筛干燥器将其脱除。在制冷换热器 中，冷 剂工质液体蒸发温度由冷剂组分决定，通过合理筛 选冷剂组成 ，可使天然气与冷剂物流达到较好的换 热条件。 表 1 原料天然气及混合冷剂组成 Ta bl e 1 The c o m po s i t i o n o f f e ed g as a nd m i xe d r e f r i ge r a nt 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 1 - I 6 作者简介庞博学 1 9 9 1 一 ， 男， 黑龙江哈尔滨人， 2 0 1 3 年毕业于东北石油大学油气储运工程专业 ， 研究方向 复杂流体流动与数值模拟。 E - m a i l p a n g b o x u e l 2 6 ． c o m。 化 工 2 0 1 5 年 7月 对该组成天然气进行物性计算， 得到各温度与 压力下对应 的天然气液化率曲线如图 1 。通过该 曲 线可以看出 若要使该组分原料天然气在容器压力 5 0 0 k P a以下完全液化 ，制冷温度至少要达到． 1 5 0 ℃，该压力液化率达到 6 0 ％的制冷 温度 约为一 1 4 0 ℃。对于天然气完全液化或部分液化方案的选择， 以及制冷设备的温度、压力控制，要结合 L N G接 收储槽设计和流程各设备能耗的经济l生 指标综合评 定[ 。 躲 避 图 1 原料气各温度压力下液化率曲线 Fi g ． 1 Li q u e f a c t i o n r a t e c u r v e o f f e e d g a s u n d e r v a r i o u s t e mpe r at ur e a nd pr e s s ur e 2 混合制冷剂天然气液化工艺流程计 算 模 本次计算选择闭式流程 ，冷剂循环与原料气液 化过程彼此分开 ，计算选择 P e n g R o b i n s o n状态方 程。计算模拟的闭式混合冷剂天然气液化流程如图 2所示 ，由混合冷剂制冷循环和原料天然气冷却流 程和两大部分构成。该流程主要由分子筛干燥器、 冷箱 、冷剂分离器 、节流阀、混合器 、冷剂循环压 缩机 、水冷器和 L NG分离器组成。 2 ． 1 混合冷剂制冷循环 2 ． 1 ． 1 混合冷剂压缩增压流程 经配比后的混合冷剂 1 6℃，1 4 0 k P a 首先 进入冷剂循环压缩机进行一级压缩 ，增压后的物流 8 2 8 2℃，8 8 4 0 k P a 进入水冷器一 1 0 0冷却。物 流 9 5 0℃， 9 0 0 k P a 再次经压缩机进行二级压缩 ， 加压后 的物流 1 0 1 5 0 c C，3 3 9 8 k P a 进人水冷器 一 1 0 1 进行二次冷却，物流 1 2 2 9 o C ，3 3 7 8 k P a 打入冷剂分离器一 1 0 0 进行液气分离。 2 ． 1 ． 2 混合冷剂热流流程 冷剂分离器一 1 0 0 罐顶分离出的气相物流 1 3 2 9 ℃， 3 3 7 8 k P a 作为热流进入大冷箱 1 ， 出流 1 4 1 0 ℃，3 3 7 8 k P a 进入分离器一 1 0 1 进行分离；分离器 一 1 0 0罐底液相物流 1 5 2 9℃ ，3 3 7 8 k P a 进入大 冷箱 1 进行换热后 ，出流 l 6 1 O℃，3 3 5 8 k P a 通过节流阀一 1 0 4 降压， 物流 1 7 一 5 0℃， 3 0 0 k P a 进入分离器一 1 0 6 。 分离器一 1 0 1 罐顶气相出流 1 8 1 0℃， 3 3 5 8 k P a 作为热流进入大冷箱 2 ， 出流 1 9 一 3 7℃， 3 3 3 8 k P a 进入分离器一 1 0 2 。 分离器一 1 0 1 罐底液相出流 2 0 1 0 ℃ ， 3 3 5 8 k P a 进入大冷箱 2换热后 ，出流 2 1 一 4 0 ℃， 3 3 3 8 k P a 通过节流阀一 1 0 1 ， 降压后的物流 2 2 一 7 5 ℃，3 0 0k P a 进入分离器一 1 0 5 。 分离器一 1 0 2罐顶气相出流 2 3 一 3 7℃，3 3 3 8 k P a 作为热流进入大冷箱 3 ， 出流 2 4 一 1 0 0℃， 3 3 1 8 k P a 进入三股流小冷箱 3继续换热 。分离器一 1 0 2 罐底液相出流 2 8 一 3 7℃，3 3 3 8 k P a经大冷箱 3 换热后 ，物流 2 9 一 1 0 0 ℃，3 3 1 8 k P a经节流阀 一 1 0 2降压至 2 0 0 k P a 后 ，进入分离器一 1 0 4 。 2 ． 1 ． 3 混合冷剂冷流流程 小冷箱 出流 2 5 一 1 7 0 o c，3 3 1 8 k P a 经节流 阀一 1 0 3 降压至 3 0 0 k P a 后作为冷流进人小冷箱对原 料气制冷 。出流 2 7 一 1 3 4 ． 9℃，2 8 0 k P a 与前述 降压后的大冷箱 3出流 3 O 一 1 1 0 c I ，2 8 0 k P a 一 同进入分离器一 1 04 分离后，经混合器一 1 0 0混合， 得到物流 3 1 一 1 2 0 ． 9℃，2 8 0 k P a ，作为冷流进人 大冷箱 3对原料气制冷。 出流 3 2 一 6 5 ℃， 2 4 0 k P a 与前述降压后的大冷箱 2出流 2 2 一 7 5℃ ， 3 0 0 k P a 一 同进入分离器一 1 0 5分离后 ，进入混合器一 1 0 1混 合，得到物流 3 3 一 8 5 ． 7 5℃，1 8 0 k P a ，作为冷流 进人大冷箱 2对原料气制冷。同样地 ，出流 3 4 一 l 5 ．7 2 oC，1 6 0 k P a 与前述降压后的大冷箱 1 出流 1 7 一同进入分离器一 1 0 6 分离后， 经混合器一 1 0 2 混合， 得到物流 3 5 一 5 6 ．7 4℃，1 6 0 k P a ， 作为冷 流进人大冷箱 1 对原料气制冷。 大冷箱 1 出流 3 6 1 6 c C，1 4 0 k P a 与混合冷 剂物流一致 ，打人循环进入一级压缩机压缩 。 至此，闭式混合冷剂循环完成。 2 ． 2 原料天然气液化流程 原料天然气物流 3 5 ℃，5 5 0 0 k P a 先进入 分子筛干燥器脱除 C O 。净化后的天然气 3 5 c C， 5 4 9 0 k P a 进入 四股流大冷箱 1 进行冷却换热 ，大 冷箱 1出流 2 1 0 c ，5 4 7 0 k P a 进入大冷箱 2 进 行二级冷却 ，大冷箱 2出流 3 一 3 7 ℃，5 4 5 0 k P a 进人大冷箱 3 进行三级冷却 ， 大冷箱 3出流 4 一 9 0 ，5 4 3 0 k P a 经节流阀一 1 0 0节流降压。 物流 5 一 1 6 0 cI ， 2 0 0 k P a 进入小冷箱进行深度冷却， 冷却后的 原料物流 6 一 1 7 5 o C，1 8 0 k P a 最终进入 L N G分 离器进行分离 ，罐顶分离出气相物流 一 1 7 5 ℃， 1 8 0 k P a ，罐底得到 L N G产品 一 1 7 5 ℃，1 8 0 k P a 化 工 2 0 1 5年 7月 3 ． 3 求 G、 由式 5 、 6得 G 1 ， l ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， B 0 ， 0 ， 0 ， 0 ， 0 ， O 3 ． 4 权重计算 利用层次分析法 ，对各项指标进行对 比，运用 式 7 一 1 1 构建判断矩阵，并计算各因素权重 ， 结果如表 3 。 表 3 各因素权重值 T a b l e 3 W e i g h t v a l u e o f e a c h f a c t o r 可知 ， ， ，⋯ ，I V ． 0 ． 0 5 ，0 ． 0 6 ，0 ． 1 0 ，0 ． 1 6 ，0 ． 2 5 ，0 ． 3 8 3 ． 5 求各方案优属度 由式 1 2得 ， 0 ． 5 9 5 ，0 ． 7 8 7 ，0 ． 0 1 4 ，0 ． 9 2 8 ，O ． 1 6 4T 根据最大隶属度原则 ，5个方案从优到劣的排 序依次为 只， P 2 ， J F 1 ， B， B， 可见水平井长度 7 0 0 m时开采方案最优。 4 结 论 I 某 区块水平井水平段长度确定考虑 了以 下 6 种因素 地层渗透率、压差、 裂缝个数、裂缝 半长 、裂缝宽度 、裂缝间距。 2 将模糊数学与层次分析法相结合，形成 一 种水平井水平段长度优选的模糊综合研究方法 ， 计算过程中消除了人为主观性 、避免了均一 l 生，可 见结果合理可靠。 3 最后结论与现实所选方案一致 ，因此该 方法可以用以解决石油与天然气工程类似的问题。 参考文献 [ 1 ]胡月亭 ， 周煜辉， 苏义脑 ， 等冰 平井水平段长度优化设计方法f J ] ． 石油学报 ，2 0 0 0 ，2 1 f 4 8 0 8 6 ． [ 2]范子菲， 方宏长， 俞国凡冰 平井水平段最优长度设计方法研究[ J 】 ． 石油学报 ，1 9 9 7 ，1 8 1 5 5 6 2 ． [ 3 ] 陈海龙，李晓平冰 平井段最优长度的确定方法研究[J 1 ． 西南石油 学院学报 ，2 0 0 3 ，2 5 1 4 7 4 8 ． [ 4] 耿新宇，戴安礼l模糊数学在石油工程中的应用综述[ c ] ． 数学及其 应用文集 中南模糊数学和系统分会第三届年会论文集 上卷 1 9 9 5 ． [ 5 ] 刘育骥 ，耿新宇，肖辞源． 石油工程模糊数学 M] ． 成都成都科技 大学出版社，1 9 9 4 3 3 6 3 4 5 ． [ 6] 区栾勤，张先迪．模糊数学原理及应用[ M] 戚 都 成都电讯工程学 院出版社，1 9 9 8 8 7 9 0 [ 7] 王莲芬，许树柏， 著层 次分析法引论 ，北京 中国人民大学出版社 ， 1 9 9 0 1 8 - 2 5 上接 第 1 6 4 7页 可以得出结论 储存压力升高， L N G产品收率 增加，在该储存温度下储压 9 0 0 k P a 以上时天然气 可完全液化 ；储存压力升高 ，液化流程总能耗也随 之增大， 储存压力的确定须结合储罐承压能力和冷 剂循环能耗等经济I生 指标确定， 此工艺流程在该温 度下储存压力 6 0 0 ～ 7 0 0 k P a 时总能耗不高而天然气 液化率已达 8 0 ％以上，可作为 L N G储存压力参考 设计范围。 - 斟 0 Z 图 5 L NG储存压力对收率和总能耗的影响 Fi g ． 5 Th e i m p a c t o f s t o r a g e pr e s s u r e o f LNG 6兰 占 本文依据进厂原料天然气组成 ， 对其各温度压 力下的液化情况进行物性计算 ，优选冷剂及工艺参 数，完成了混合冷剂天然气液化工艺的计算，实现 了原料天然气的净化和液化。针对该液化丁艺流 程， 分别进行了冷剂压缩前压力、 冷剂压缩后压力、 L N G储存压力对工艺流程能耗和 L N G收率影响的 计算，可为工艺流程冷剂压缩以及 L N G储存压力 的设计以及节能工艺提供参考。 参考文献 [ 1 ] 赵红利，侯予， 张敏， 陈纯正． 天然气液化装置制冷方法探讨[ J ] l 天 然气工业，2 0 0 5 1 o 1 4 4 1 4 7 2 2 ． [ 2] 石玉美，顾安忠， 汪荣顺， 鲁雪生． 混合制冷剂循环 MR C 液化天然 气流程 的设备模拟[ J ] ． 低温与超导， 2 0 0 0 0 2 4 1 4 6 ． [ 3 ] 李士富， 韩志杰． 基本负荷型天然气液化 H YS Y S软件计算 一 [ J ] ． 石油与天然气化工， 2 0 0 9 0 4 2 7 1 - 2 7 4 2 8 3 2 6 5 ． [ 4 ] 王勇，张玉玺， 白剑锋． L NG制冷 H YS YS 计算模型研究[ J ] l 天然气 与石油，2 0 1 2 0 4 3 0 3 2 9 9 ． [ 5]蒋旭， 厉彦忠， 马源． L NG混合制冷液化流程的模拟计算 [ J 】 ． 气体分 离 2 0 1 3 0 1 2 8 ． 3 9 ．