【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 天然氣液化技術(shù)的發(fā)展要求液化循環(huán)具有高效、低能耗、低成本、可靠性好、易操作等特點(diǎn)。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，法國(guó)燃?xì)夤镜难芯坎块T(mén)開(kāi)發(fā)了新型的混合制冷劑液化流程，即整體結(jié)合式級(jí)聯(lián)型液化流程（Integral Incorporated Cascade），簡(jiǎn)稱(chēng)CII液化流程。CII液化流程吸收了國(guó)外LNG技術(shù)最新發(fā)展成果，代表天然氣液化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在上海建在的CII液化流程是我國(guó)第一座調(diào)峰型天然氣液化裝置中采用的流程。，該液化流程的主要設(shè)備包括混合制冷劑壓縮機(jī)、混合制冷劑分餾設(shè)備和整體式冷箱三部分。整個(gè)液化流程可分為天然氣液化系統(tǒng)和混合制冷劑循環(huán)兩部分。 CII液化流程示意圖在天然氣液化系統(tǒng)中，預(yù)處理后的天然氣進(jìn)入冷箱12上部被預(yù)冷，在氣液分離器13中進(jìn)行氣液分離，氣相部分進(jìn)入冷箱12下部被冷凝和過(guò)冷，最后節(jié)流至LNG儲(chǔ)罐。在混合制冷劑循環(huán)中，混合制冷劑是N2和C1~C5的烴類(lèi)混合物。冷箱12出口的低壓混合制冷劑蒸汽被氣液分離器1分離后，被低壓壓縮機(jī)2壓縮至中間壓力，然后經(jīng)冷卻器3部分冷凝后進(jìn)入分餾塔8?；旌现评鋭┓逐s后分成兩部分，分餾塔底部的重組分液體主要含有丙烷、丁烷和戊烷，進(jìn)入冷箱12，經(jīng)預(yù)冷后節(jié)流降溫，再返回冷箱上部蒸發(fā)制冷，用于預(yù)冷天然氣和混合制冷劑；分餾塔上部的輕組分氣體主要成分是氮、甲烷和乙烷，進(jìn)入冷箱12上部被冷卻并部分冷凝，進(jìn)氣液分離器6進(jìn)行氣液分離，液體作為分餾塔8的回流液，氣體經(jīng)高壓壓縮機(jī)4壓縮后，經(jīng)水冷卻器5冷卻后，進(jìn)入冷箱上部預(yù)冷，進(jìn)氣液分離器7進(jìn)行氣液分離，得到的氣液兩相分別進(jìn)入冷箱下部預(yù)冷后，節(jié)流降溫返回冷箱的不同部位為天然氣和混合制冷劑提供冷量，實(shí)現(xiàn)天然氣的冷凝和過(guò)冷。CII流程具有如下特點(diǎn)：（1）流程精簡(jiǎn)、設(shè)備少。CII液化流程出于降低設(shè)備投資和建設(shè)費(fèi)用的考慮，簡(jiǎn)化了預(yù)冷制冷機(jī)組的設(shè)計(jì)。在流程中增加了分餾塔，將混合制冷劑分餾為重組分（以丁烷和戊烷為主）和輕組分（以氮、甲烷、乙烷為主）兩部分。重組分冷卻、節(jié)流降溫后返流，作為冷源進(jìn)入冷箱上部預(yù)冷天然氣和混合制冷劑；輕組分氣液分離后進(jìn)入冷箱下部，用于冷凝、過(guò)冷天然氣。（2）冷箱采用高效釬焊鋁板翅式換熱器，體積小，便于安裝。整體式冷箱結(jié)構(gòu)緊湊，分為上下兩部分，由經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的高效釬焊鋁板翅式換熱器平行排列，換熱器面積大，絕熱效果好。天然氣在冷箱內(nèi)由環(huán)境溫度冷卻至160℃左右的液體，減少了漏熱損失，并較好地解決了兩相流體分布問(wèn)題。冷箱以模塊化的型式制造，便于安裝，只需在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)預(yù)留管路進(jìn)行連接，降低了建設(shè)費(fèi)用。（3）壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)的型式簡(jiǎn)單、可靠、降低了投資與維護(hù)費(fèi)用。 新型兩級(jí)混合制冷劑液化流程丙烷預(yù)冷天然氣液化流程具有功耗低的有點(diǎn)，但是由于該液化流程采用單獨(dú)的丙烷循環(huán)預(yù)冷天然氣，流程復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量較多；膨脹機(jī)液化流程簡(jiǎn)便，設(shè)備緊湊，但是功耗偏高。出于簡(jiǎn)化流程設(shè)備以及保證流程效率的考慮，本研究中結(jié)合當(dāng)前天然氣液化流程追求簡(jiǎn)便、高效的發(fā)展趨勢(shì)，綜合考慮了丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程、單級(jí)混合制冷劑液化流程，以及整體級(jí)聯(lián)式液化流程等多種混合制冷劑液化流程的技術(shù)特點(diǎn)，提出了新型兩級(jí)混合制冷劑液化流程?；旌现评鋭┯傻?、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷和異戊烷組成。該流程包括制冷劑循環(huán)和天然氣循環(huán)兩部分。制冷循環(huán)如下：來(lái)自冷箱的制冷劑低壓氣體進(jìn)入低壓壓縮機(jī)A1，經(jīng)冷卻器冷卻后進(jìn)入預(yù)冷換熱器A4，冷卻降溫使部分高沸點(diǎn)組分凝結(jié)后，進(jìn)入氣液分離器A3。分離出來(lái)的液體制冷劑經(jīng)節(jié)流閥A5節(jié)流降溫，與來(lái)自主換熱器A7的返流低壓氣體匯合，作為預(yù)冷換熱器A4的冷源；分離出的氣體制冷劑被高壓壓縮機(jī)A2壓縮至高壓，經(jīng)預(yù)冷換熱器A4降溫后，與來(lái)自過(guò)冷換熱器A9的低壓制冷劑匯合，返回主換熱器A7提供冷量；氣相經(jīng)主換熱器A7和過(guò)冷換熱器A9冷凝和過(guò)冷后，經(jīng)節(jié)流閥A10節(jié)流降溫后，返流為過(guò)冷換熱器A9提供冷量。預(yù)處理后的天然氣經(jīng)預(yù)冷換熱器A4預(yù)冷后，進(jìn)入主換熱器A7繼續(xù)冷卻，然后進(jìn)入氣液分離器A11脫除已凝結(jié)的重?zé)N組分。重?zé)N返流回預(yù)冷換熱器A4提供部分冷量，天然氣中的輕組分則繼續(xù)進(jìn)入主換熱器A7和過(guò)冷換熱器A9冷凝和過(guò)冷，最后經(jīng)節(jié)流閥A12節(jié)流降壓后注入LNG儲(chǔ)罐[12]。 新型兩級(jí)混合制冷劑液化流程示意圖第3章 冷箱 冷箱簡(jiǎn)介冷箱在我國(guó)最先主要是用于乙烯制冷工藝中的乙烯冷箱，冷箱是一種換熱器組裝后的形式，它可以是幾個(gè)換熱器的組合。通常為了避免現(xiàn)場(chǎng)的工作量，大容積裝置的換熱器是在制造廠完成，組裝成冷箱。 冷箱的技術(shù)關(guān)鍵冷箱實(shí)際上是鋁板翅式換熱器加上鋼殼保溫箱。核心部分是鋁板翅式換熱器，設(shè)計(jì)和制造的難點(diǎn)亦集中于此。多股持壓的物流在其中按化工工藝條件和參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的、有相變的換熱過(guò)程，其操作溫度一般為+30℃～170℃，最高操作壓力約為5Mpa。技術(shù)關(guān)鍵有三個(gè)方面：1. 正確、精密的板翅式換熱器單元設(shè)計(jì)；；3. 嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控和先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)[14]。 液化天然氣領(lǐng)域冷箱的應(yīng)用混合制冷劑液化流程中，冷箱的應(yīng)用也有很多，： 混合制冷劑冷箱目前我國(guó)的東海調(diào)峰型天然氣液化裝置和新疆廣匯液化天然氣工程均采用冷箱作為液化單元。 東海調(diào)峰型天然氣液化裝置 新疆廣匯液化天然氣工程冷箱及制冷劑循環(huán)系統(tǒng)部分工藝流程示意圖第4章 天然氣液化流程模擬軟件 HYSYS簡(jiǎn)介ASPEN出品的HYSYS是一個(gè)化工流程模擬動(dòng)態(tài)仿真軟件，是一款環(huán)境模擬設(shè)計(jì)軟件，允許設(shè)計(jì)者通過(guò)概念上的設(shè)計(jì)而簡(jiǎn)化制作過(guò)程來(lái)完成項(xiàng)目工作。完整的交互性能充分發(fā)揮你的創(chuàng)造力。該軟件分動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大部分。用于過(guò)程與設(shè)備模擬、分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化及開(kāi)停車(chē)指導(dǎo)、動(dòng)態(tài)仿真培訓(xùn)、設(shè)計(jì)先進(jìn)控制系統(tǒng)等。ASPEN公司創(chuàng)建于1976年，是世界上最早開(kāi)拓石油、化工方面的工業(yè)模擬、仿真技術(shù)的跨國(guó)公司。其技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)、天然氣加工、石油化工、精細(xì)化工、制藥、煉制等領(lǐng)域。它在世界范圍內(nèi)石油化工模擬、仿真技術(shù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。HYSYS軟件與同類(lèi)軟件相比具有非常好的操作界面，方便易學(xué)，軟件智能化程度高。此外HYSYS還有著如下的一些特點(diǎn)：（1）集成式工程環(huán)境HYSYS使用了面向目標(biāo)的新一代編程工具，實(shí)現(xiàn)了集成式的工程模擬軟件。在這種集成系統(tǒng)中，流程、單元操作是互相獨(dú)立的。流程只是各種單元操作這種目標(biāo)的集合，單元操作之間靠流程中的物流發(fā)生聯(lián)系。在工程設(shè)計(jì)中穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)使用同一個(gè)目標(biāo)，然后共享目標(biāo)的數(shù)據(jù)，不須進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。從而得到最大的效益，對(duì)復(fù)雜的工藝流程分成幾個(gè)部分模擬。由于其小流程分析方便，速度快，且對(duì)不同體系采用不同的熱力學(xué)方法以取得更精確的結(jié)果。其集成式的工程環(huán)境能在一個(gè)模擬環(huán)境中將流程分為若干個(gè)子流程，可大可小。獨(dú)到之處是子流程、主流程之間的數(shù)據(jù)相互共享的，不須傳遞。它們之間還可以采用不同的物性計(jì)算包。（2）動(dòng)態(tài)模擬功能動(dòng)態(tài)模擬的方法及過(guò)程是流程穩(wěn)態(tài)模擬收斂后，首先定義單元操作的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如分離器的幾何尺寸、液位高度等)，安裝控制儀表，然后就可以進(jìn)入動(dòng)態(tài)，開(kāi)始動(dòng)態(tài)模擬。動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中，可以隨時(shí)調(diào)整溫度、壓力等各種工藝變量(這就是WINDOWS的多任務(wù))，觀察它們對(duì)產(chǎn)品的影響以及變化規(guī)律。還可以隨時(shí)停下來(lái)，轉(zhuǎn)回靜態(tài)。由于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)是相同對(duì)象的共享，所以動(dòng)靜之間轉(zhuǎn)換非常容易。HYSYS提供了PID控制器、傳遞函數(shù)發(fā)生器、數(shù)控開(kāi)關(guān)、變量計(jì)算表等進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬的控制單元。（3）事件驅(qū)動(dòng)加物性計(jì)算包等HYSYS提供了一組物性計(jì)算包，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校驗(yàn)，包括16000個(gè)交互作用參數(shù)和1500個(gè)純物質(zhì)數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝流程的模擬提供了基礎(chǔ)。將模擬技術(shù)和完全交互的操作方法結(jié)合，使HYSYS獲得成功。而利用面向目標(biāo)的技術(shù)使HYSYS這一交互方式提高到一個(gè)更高的層次，即事件驅(qū)動(dòng)。在研究方案時(shí)，需要將許多工藝參數(shù)放在一張表中。當(dāng)變化一種或幾種變量時(shí)，另一些也要隨之改變，算出的結(jié)果也要在表中自動(dòng)刷新。另外HYSYS還提供了數(shù)據(jù)回歸包，內(nèi)置人工智能等功能。為我們的驗(yàn)證方案提供了較好的試驗(yàn)平臺(tái)。HYSYS軟件以其高效、準(zhǔn)確的模擬特性贏得了廣泛好評(píng)，得到天然氣行業(yè)內(nèi)的高度認(rèn)可?；贖YSYS的這些特點(diǎn)，因此本文選擇使用HYSYS作為進(jìn)行研究的模擬工具。 HYSYS中各個(gè)模塊的性質(zhì)與原理本文中是用HYSYS進(jìn)行的主要是制冷系統(tǒng)的模擬，運(yùn)用的模擬設(shè)備主要包括:壓縮機(jī)、LNG換熱器、殼管式換熱器、節(jié)流閥等。下面我們來(lái)分別介紹一下HYSYS中以上模塊的特點(diǎn)。 氣液分離器： HYSYS中的氣液分離器注：“3”是經(jīng)過(guò)初步冷卻的天然氣，“2”是經(jīng)分離器后的氣相組分，即輕組分，“1” 是經(jīng)分離器后的液相組分，即重?zé)N。氣液分離器是液化流程中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。流程中氣液分離器分離出的液相冷卻后，進(jìn)入節(jié)流閥產(chǎn)生溫降，為換熱器提供冷量，分離出的氣相，為后續(xù)流程提供制冷劑。 () (