【正文】 ④ 壓縮機(jī)入口壓力、出口壓力及溫度在兩方案中不同 。而來自管道天然氣的另一股原料氣作為液化氣流，經(jīng)過脫碳凈化單元后，進(jìn)入冷箱中逐步冷卻、冷凝成 LNG 產(chǎn)品，并經(jīng)過冷器節(jié)流后，節(jié)流過程產(chǎn)生的氣體再經(jīng)過換熱器復(fù)熱后直接進(jìn)入供氣管道。天然氣膨脹機(jī)液化工藝的特點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單、設(shè)備少、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、維修方便、幾乎不需要電能。待進(jìn)入氣液分離罐 V0502 后變成氣液兩相，氣相進(jìn)入二段壓縮機(jī)后溫度為 ℃，壓力為 4MPa。 ⑤ 段間換熱器前后壓差和出口溫度。由冷劑壓縮機(jī)出來的高壓冷劑與來自冷劑分離器底部的液相冷劑混合，再進(jìn)入下一個(gè)空冷器冷卻，部分冷凝的混合物在下一個(gè)氣液分離器中再次分離。該制冷循環(huán)采用氮與烴類的多組分混合物作為制冷劑， 一般有氮和 C1~C5 的烴類組成， 代替級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)中的純組分制冷劑。在 LNG 操作單元中任何層的壓力降均由明確壓力降或者通過定義 K 值來定義換熱層壓力和流量的關(guān)系。 第 3章 天然氣液化流程模擬的基礎(chǔ)模擬 20 氣液分離器 計(jì)算模型 氣液分離器也是流 程計(jì)算中的重要設(shè)備。 具體計(jì)算過程為：由于該制冷循環(huán)為閉式循環(huán)，故節(jié)點(diǎn) N NB2 的 nq 、 Z 與N1 一樣。 天然氣液化中所使用的換熱器主要有管殼式換熱器和板翅式換熱器，管殼式換熱器主要用于溫度較高的制冷設(shè)備和分離裝置中。 壓縮機(jī) 的控制方程如下： 21 nn qq ? （ 213） 2,1, molmol ZZ ? （ 214） ss HHHH ?)( 1212 ??? （ 215） mHHW ?/)( 12 ?? （ 216） 以上各式種， q 為流量， Z 為總流量的摩爾分?jǐn)?shù)， W 為功， s? 為等熵效率， m? 為機(jī)械效率， sH2 為出口等熵焓值，小標(biāo) 1 表示進(jìn)口，小標(biāo) 2 表示出口。 ⑸ 用 LKP 方程計(jì)算簡(jiǎn)單流體和參考流體余焓的方程 }352 3321{ 522 2322432 EVTdVT TccVT TbTbbZTRT HH rrrr rrr rrrc idmm ?????????? （ 29） )}e x p ()1(1{2 2234 rrr VVTcE ????? ?????? ⑹ 用 LKP 方程計(jì)算簡(jiǎn)單流體和參考流體余熵的方程 EVdV TccVT TbTbbZR SS rr rrr rridmm 252321)ln ( 512 33134232 ?????????? （ 210） ⑺ 工質(zhì)余焓表達(dá)式： })(){()( )0()()()0( c idmmRc idmmRc idmmc idmm RT HHRT HHRT HHRT HH ??????? ? ? （ 211） 其中，上標(biāo) 0 表示簡(jiǎn)單流體；上標(biāo) R 表示參考流體。 LKP 方程是計(jì)算壓縮因子、定壓熱容、定容熱容、焓和熵的最佳方法 ，它在一定條件下能同時(shí)計(jì)算氣液兩相逸度系數(shù)的少數(shù)幾個(gè)狀態(tài)方程之一，具有普遍適用的參數(shù)，特別適用于計(jì)算機(jī)計(jì)算 [21]。 我們利用狀態(tài)方程來描述流體的熱力學(xué)性質(zhì)，工程上使用的狀態(tài)方程主要分為兩種：立方型狀態(tài)方程和維里型狀態(tài)方程 [12]。這種流程特別適用于管線壓力高而實(shí)際使用壓力較低，中間需要降壓的地方。缺點(diǎn)在于能耗較級(jí)聯(lián)式液化流程高，制冷劑 配比要求嚴(yán)格且流程計(jì)算較為困難。其缺點(diǎn)在于能耗較高。該流程的優(yōu)點(diǎn)在于功耗小，只需對(duì)需要液化的部分原料氣脫除雜志，所以預(yù)處理的天然氣量大大減少 。除此之外， 該制冷劑系統(tǒng)使用了四種平均分子量較小的組分作為混合制冷劑， 減少了混合制冷劑餾程，有效提高了制冷壓縮機(jī)的效率。 ⑷ 第三和第二最低沸點(diǎn)組分之和宜在 64%~77%之間 。 無預(yù)冷的混合冷劑制冷循環(huán) 混合冷劑制冷液化循環(huán)是目前運(yùn)用較多的制冷循環(huán)，其中 MRCTM 是具有代表性的一種液化工藝。 級(jí)聯(lián)式液化流程的特點(diǎn)：具有能耗低、制冷劑無配比問題、并且該工藝流程技術(shù)成熟。它的第一級(jí)丙烷制冷循環(huán)為天然氣、乙烯及甲烷提供冷量；它的第二級(jí)為 乙烯制冷循環(huán)，負(fù)責(zé)為天然氣及甲烷提供冷量；它的第三級(jí)為甲烷制冷循環(huán)，它負(fù)責(zé)為天然氣提供冷量。由于天然氣液化裝置流程不同其能耗不同甚至差距很大，故其工藝流程的選擇不但是個(gè)技術(shù)問題，也是個(gè)經(jīng)濟(jì)問題。 （ 3） 建立天然氣液化流 程中所需熱力學(xué)計(jì)算如相平衡計(jì)算和焓熵計(jì)算的熱力學(xué)模型，并對(duì)天然氣液化流程中的關(guān)鍵設(shè)備如壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、節(jié)流閥、多股流換熱器等建立相應(yīng)的計(jì)算模型。 不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)手段，改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) ，選擇合適的液化工藝及設(shè)備，可以大大提高經(jīng)濟(jì)性。 中國石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 5 ⑶ ShellDMR 工藝流程 ShellDMR 工藝的預(yù)冷段采用混合制冷劑循環(huán)，采用乙烷、丙烷與少量甲烷、丁烷混合物為預(yù)冷段制冷劑，天然氣預(yù)冷溫度達(dá)到 40℃， 該工藝設(shè)備減少，靈活性更大，可在寬范圍操作條件下運(yùn)行。兩個(gè)循 環(huán)之間動(dòng)力平衡易控制，可使用兩臺(tái)相同的燃?xì)廨啓C(jī)為兩段提供同樣動(dòng)力。 ⑶ 新疆廣匯天然氣液化裝置 2020 年，新疆廣匯實(shí)業(yè)一座日處理量為 150 104m3 的大型天然氣液化裝置，該裝置采用 LINDE 混合冷劑閉式循環(huán)制冷技術(shù)。到目前為止，我國已經(jīng)建成各類 小型 LNG 裝置 30 多座，另外還有 30 多座在建或擬建 LNG 項(xiàng)目。 基本負(fù)荷型天然氣液化裝置是指生產(chǎn)的液化天然氣供當(dāng)?shù)?使用或者外運(yùn)的大型液化裝置。但是由于三個(gè)制冷循環(huán)都都需要獨(dú)立的壓縮機(jī)以及制冷劑存儲(chǔ)設(shè)備，故而所需機(jī)械設(shè)備多投資大，流程復(fù)雜 ，致使 設(shè)備維護(hù)不便 。天然氣液化工藝可能不同，但是其冷凝過程是一樣 的。然而，我國能源消費(fèi)量巨大，現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)不足以滿足目前以及未來的天然氣供應(yīng)需求，這種嚴(yán)峻形勢(shì)也給我國液化天然氣工業(yè)的發(fā)展帶來了機(jī)遇。一旦由于季節(jié)和氣候原因短期內(nèi)居民用氣量增大，超出管網(wǎng)供氣能力，就會(huì)出現(xiàn)“氣荒”。 本文 首先 詳細(xì)介紹了 LNG 工業(yè)發(fā)展概況及趨勢(shì)，介紹了天然氣液化的基本技術(shù)原理，通過對(duì)各種常見的天然氣液化流程分析，給出了天然氣液化工藝流程選擇原則。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他個(gè)人和集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得中國石油大學(xué)或者其它單位的學(xué)位 或證書所使用過的材料。 作者簽名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期： 摘 要 II 摘 要 液化天然氣是天然氣利用的一種形式，在天然氣儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)确矫娑季哂型怀龅膬?yōu)勢(shì)。而近年來，全國各地許多城市都發(fā)生天然 氣供應(yīng)短缺的“氣荒”現(xiàn)象，且有愈演愈烈之勢(shì)，這無疑為工業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來極大的困擾和不便。建成后不僅可以起到調(diào)峰作用，還可以利用 LNG 能用槽車運(yùn)送的特點(diǎn)，將天然氣供到周邊無管網(wǎng)地區(qū)，擴(kuò)大天然氣供氣范圍。當(dāng) 在城市管網(wǎng)供氣中具有管道壓力差時(shí)， 就有可能利用原料氣管道中的高壓天然氣在膨脹機(jī)中等熵膨脹到輸氣管道壓力而使天然氣液化，這樣就不需要消耗動(dòng)力。 按照用途分類則可以分為基本負(fù)荷型天然氣液化裝置和調(diào)峰型天然氣液化裝置。當(dāng) 一定壓力的氣體在透平膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹對(duì)外做功而消耗氣體本身的內(nèi)能，從而使氣體自身強(qiáng)烈地冷卻而達(dá)到制冷的目的。調(diào)峰型天然氣液化裝置液化能力較小，但是其儲(chǔ)存能力比較大，一般建在城市附近。 在國內(nèi)已建的天然氣液化裝置中具有代表性的有 [3]： ⑴ 上海燃?xì)馓烊粴庖夯b置 1999 年，上海建造了國內(nèi)第一座日處理量為 10 104m3 的調(diào)峰型天然氣液化裝置。 目前，國外已經(jīng)開發(fā)出一些成熟、高效的天然氣液化新工藝流程，有的已經(jīng)在實(shí)際運(yùn)用中得到廣泛應(yīng)用。 ⑵ APX 工藝 該工藝是 APCI 公司對(duì) C3/MRC 工藝的改 進(jìn)，以擴(kuò)大單線生產(chǎn)能力，它包括三個(gè)制冷循環(huán)：丙烷制冷用于預(yù)冷混合冷劑循環(huán)提供天然氣液化的冷量，氮膨脹制冷循環(huán)提供過冷用冷量。制冷劑經(jīng)過壓縮、除油、預(yù)冷后，經(jīng)膨脹機(jī)降壓降溫為低壓制冷劑，返回進(jìn)入換熱器為高壓制冷劑和天然氣提供冷量，離開 換熱器的天然氣節(jié)流后進(jìn)入 LNG 儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。 第 1章 緒論 6 本文研究的主要內(nèi)容 本文 對(duì) 利用管道壓差的天然氣 液化工藝進(jìn)行研究， 利用 HYSYS 軟件 重點(diǎn)對(duì)透平膨脹機(jī)制冷循環(huán)和混合制冷循環(huán)（ MRC）天然氣液化流程就行模擬優(yōu)化，并對(duì)二者的能耗、 等方面進(jìn)行對(duì)比研究，優(yōu)選最為經(jīng)濟(jì)高效的液化工藝。液化天 然氣作為管道天然氣 管網(wǎng)系統(tǒng) 的 補(bǔ)充和安全調(diào)節(jié)閥，必將迎來一個(gè)大發(fā)展。 級(jí)聯(lián)式液化流程由三級(jí)獨(dú)立的制冷循環(huán)組成，制冷劑分別為丙烷、乙烯和甲烷。 第 2章 天然氣液化裝置流程 及 選擇 8 乙烯制冷循環(huán)相比丙烷制冷循環(huán)的相異點(diǎn)在于，乙烯被壓縮水冷后，要先流過丙烷的三個(gè)換熱器預(yù)冷后再節(jié)流降溫，給甲烷及天然氣提供冷量。自 70年代的基本負(fù)荷型天然氣液化工廠多采用混合冷劑制冷液化循環(huán)。 APCI 曾提出確定混合制冷劑構(gòu)成的一般原則： ⑴ 混合制冷劑由不同沸點(diǎn)的氣體組分構(gòu)成，如氮、甲烷、乙烷及其它重?zé)N。目前世界上大部分基本復(fù)合型天然氣液化裝置均適用丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化流程。如管路輸來的原料氣與離開液化裝置的商品氣有壓力差存在，液化過程就有可能不需要借助外界能量而靠自身壓差通過膨脹機(jī)制冷。如果回收冷量后的低壓天然氣用壓縮機(jī)增壓到與原料天然氣相同的壓力再返流如原料氣中開始新的循環(huán)，這種循環(huán)就稱為閉式循環(huán)。其缺點(diǎn)在于流程復(fù)雜，設(shè)備多，操作維護(hù)均不方便。 在膨脹機(jī)制冷液化流程中， 氮?dú)馀蛎浺夯鞒淌翘烊粴庵苯优蛎浺夯鞒痰淖冃?，在這種流程中，氮?dú)? 循環(huán)回路與天然氣液化回路是分開的，由氮?dú)庵评溲?2章 天然氣液化裝置流程 及 選擇 12 環(huán)為天然氣提供冷量。 選擇調(diào)峰型 LNG 液化流程，必須根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和外圍 條件，對(duì)上述因素進(jìn)行綜合考慮，對(duì)不同液化 的投資成本、比功耗、運(yùn)行要求及靈活性進(jìn)行全面對(duì)比，才能最終決定采用何種液化流程 [20]。 PR 方程用壓縮因子表達(dá)式如下： 3 2 2 2 3( 1 ) ( 3 2 ) ( ) 0Z B Z A B B Z A B B B? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 22） 第 3章 天然氣液化流程模擬的基礎(chǔ)模擬 14 其中 ()Z pV RT? 2()A a p RT?? B bp RT? PR 方程的逸度系數(shù)表達(dá)式為： 2 2 . 4 1 4l n ( 1 ) l n ( ) [ ( ) ] l n [ ]2 . 8 2 8 0 . 4 1 4iii j i jjBB A Z BZ Z B z aB B B a Z B?? ? ?? ? ? ? ? ? ?? （ 23） 計(jì)算液相逸度系數(shù)系數(shù) li? 時(shí)， iz 為 ix ，計(jì)算氣相逸度系數(shù) vi? 時(shí)， iz 為 iy 。 ⑶ 對(duì)于混合物，虛擬臨界性質(zhì)表達(dá)式： iciciie pRTV , )08 ( ??? 331,31, )(81 ? ? ?? j k kcjckjmc VVzzV kcjcj j kcjckjmcmc TTVVZZVT ,331,31, )(8 1 ? ? ?? mcmcj jjmc VRTzp , )( ??? ? (26) 第 3章 天然氣液化流程模擬的基礎(chǔ)模擬 16 其中， mcV, 、 mcT, 、 mcp, 分別為混合物的虛擬臨界摩爾體積、虛擬臨界溫度、虛擬臨界壓力。 對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行計(jì)算，就是由已知參數(shù)計(jì)算出未知參數(shù)的過程。但是膨脹機(jī)較節(jié)流閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 出故障幾率高一些。以帶膨脹機(jī)的天然氣液化流程中使用的換熱器為例，已知參數(shù)：天然氣、高壓制冷劑、低壓制冷劑、天然氣返流氣入口溫度 T、壓力 P、焓 H、摩爾流量 nq 、總摩爾流量中的摩爾分?jǐn)?shù) imolZ,以及熱端面溫差。 在計(jì)算多股流換熱器時(shí)，可將其作為一個(gè)雙股流換熱器。 模擬軟件 中 主要設(shè)備模塊性質(zhì) 本文利用 HYSYS 軟件進(jìn)行模擬 ，模擬過程中需要的主要設(shè)備有 LNG 換熱器、管殼式換熱器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥等 [22]。在求解閥門操作的過程中需要得知的三個(gè)參數(shù)中至少需要一個(gè)溫度和壓力， HYSYS 才能通過這些已知參數(shù)計(jì)算出未知參數(shù)。 單級(jí) 級(jí) 混合冷劑制冷天然氣液化流程分析 本文使用的單級(jí)混合冷劑制冷天然氣液化工藝具體流程見圖 。 ② 天然氣的入口壓力 5MPa、 入口 溫度 45℃ 和各組分摩爾分?jǐn)?shù) 為：甲烷為 %，乙烷 %，丙烷 %，丁烷 %，異丁烷 %，氮?dú)?%。 單級(jí)混合冷劑制冷的 模擬結(jié)果 本文利用 HYSYS 軟件對(duì)流程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖 所示。從該換熱器出來后經(jīng)過節(jié)流閥 JTV1，溫度降為 159℃，壓力降為 330KPa，然后再次進(jìn)入換熱器 E502 溫度升高為 ℃，接著再次進(jìn)入冷箱