【導(dǎo)讀】作所取得的成果。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)。位的學(xué)位或證書所使用過(guò)的材料。對(duì)本研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在論文。中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明產(chǎn)生的法律后果由本人。文；可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索。本學(xué)位論文屬于保密范圍，保密期限0年，解密后適用本授權(quán)書。天然氣液化技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，液化天然氣也成為一種新興。工業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景。。本文利用HYSYS模擬軟件分別對(duì)單級(jí)混合冷劑制冷、單級(jí)天然氣膨脹制?；S的流程研究選擇方面具有一定的指導(dǎo)作用。

　　

【正文】 的結(jié)構(gòu)也不同。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。 多股流換熱器工作過(guò)程：高壓制冷劑冷卻到 N2 后達(dá)到膨脹機(jī)入 口溫度，再經(jīng)過(guò)膨脹降溫作為低壓制冷劑 NB1 及從 LNG 儲(chǔ)罐的返流 BOG 氣體共同為天然氣提供冷量。多股流換熱器計(jì)算是為了根據(jù)前熱端面計(jì)算得出的參數(shù)利用能量平衡方程計(jì)算出出口各節(jié)點(diǎn)的溫度、焓、熵等參數(shù)。 具體計(jì)算過(guò)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。又有天然氣液化率已知，故天然氣返流氣即節(jié)點(diǎn) B1 的 nq 及 Z 也已知。 由能量平衡方程可以求得節(jié)點(diǎn) F2 及 N2 的各個(gè)參數(shù)。控制方程組為： 22221111 HHHHHHHH NBFNBNBFN ???????? （ 224） )( 2,22 FFF TPfH ? （ 225） )( 2,22 NNN TPfH ? （ 226） 22 NF TT ? （ 227） 上述 式中， F 表示天然氣， N 表示高壓制冷劑， NB 表示低壓制冷劑， BLNG 表示儲(chǔ)罐返流氣，小標(biāo) 1 表示入口，下標(biāo) 2 表示出口。其余意義同上。 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。 由能量守恒原理，換熱器中冷流體吸收的熱量與熱流體放出的熱量相等。則有下式： 4321 HHHH ??? （ 228） 忽略冷量損失，則前者為熱流體進(jìn)出口總焓，后者為冷流體進(jìn)出口焓。 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。在天然氣液化流程中，氣液分離器產(chǎn)生的液相進(jìn)入節(jié)流閥產(chǎn)生溫降為換熱器提供冷量，其產(chǎn)生的氣相 為作為后續(xù)流程的制冷劑。 在流程計(jì)算中，假設(shè)流體在氣液分離器中是在等溫條件下分離的，即是等溫等壓下的氣液閃蒸。計(jì)算步驟如下： ⑴ 調(diào)用氣液閃蒸函數(shù)，計(jì)算出口狀態(tài)兩股流體的氣相和液相流量及各自的摩爾分?jǐn)?shù)。 ⑵ 調(diào)用焓、熵計(jì)算程序，得到經(jīng)氣液分離后的氣相和液相的焓值和熵值 。 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(guò)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]。 對(duì)于換熱器塊，它的作用是解決多相流換熱器和換熱器網(wǎng)絡(luò)的熱量與物質(zhì)的平衡 [26]。 LNG 換熱器的設(shè)計(jì)是基于冷流體與熱流體的能量守恒定律。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(guò)定義 K 值來(lái)定義換熱層壓力和流量的關(guān)系。 HYSYS 中的管殼式換熱器能夠進(jìn)行雙向能量及質(zhì)量技術(shù)，其計(jì)算依據(jù)仍然是冷熱流體間的能量守恒定律。 換熱器中的壓降確定方法：由用戶給出壓力降；由換熱器的幾何特性與組成計(jì)算壓力降；或者通過(guò)確定 K 值來(lái)定義壓 力與流量的關(guān)系。 對(duì)于壓縮機(jī)，在 HYSYS 中進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)需要知道壓縮機(jī)入口壓力、入口溫度、流量和組分 ，以及壓縮機(jī)的幾何特性、性能數(shù)據(jù)。 對(duì)于閥門，在 HYSYS 中進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)首先要知道閥門入口的溫度、壓力、出口溫度、壓力及閥門的壓降。在求解閥門操作的過(guò)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(guò)這些已知參數(shù)計(jì)算出未知參數(shù)。閥門壓降就是按照入口與出口之間的物流壓力之差。 中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 21 第 4 章 混合冷劑制冷天然氣液化流程模擬 混合冷劑制冷天然氣液化流程 混合冷劑制冷循環(huán)工藝，是二十世紀(jì) 六十年代末期由級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)發(fā)展改進(jìn)而成的一種新的逐級(jí)液化循環(huán)流程。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?；旌侠鋭┲评溲h(huán)利用制冷劑組分中各組分沸點(diǎn)不同而不斷有組分部分冷凝而達(dá)到天然氣液化所需的不同溫度段，進(jìn)而逐級(jí)冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流而得到不同溫度水平的制冷量，最終達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣的目的。 混合冷劑制冷循環(huán)具有級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)流程大為簡(jiǎn)化，經(jīng)濟(jì)性提高。 在大型天然氣液化裝置中應(yīng)用較多的是三級(jí)混合制冷劑循環(huán)，在小型液化裝 置中廣泛應(yīng)用單級(jí)混合制冷劑循環(huán) [18]。 本文選用 單 級(jí)混合冷劑制冷天然氣液化流程作模擬分析。 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(jiàn)圖 。 來(lái)自冷箱的低壓氣相制冷劑，經(jīng)過(guò)冷劑壓縮機(jī)的第一段壓縮后，經(jīng)過(guò)冷劑壓縮機(jī)段間空冷器降溫。降溫后進(jìn)入段間氣液分離罐，氣液相分離，氣相進(jìn)入冷劑二段壓縮機(jī)。由冷劑壓縮機(jī)出來(lái)的高壓冷劑與來(lái)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。 從氣液分離器出來(lái)的高壓氣相 和液相冷劑混合后一起進(jìn)入冷箱，為天然氣提供冷量。 從冷箱出來(lái)的制冷劑經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流，降壓降溫后成為低壓制冷劑再次進(jìn)入一段壓縮機(jī)，開始新的循環(huán)。 來(lái)自管道的原料天然氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理后進(jìn)入冷箱，被混合制冷劑冷卻后流出冷箱，在經(jīng)過(guò)節(jié)流閥進(jìn)一步節(jié)流降溫降壓 后成為氣液混合物 ， 然后進(jìn)入氣液分離器，液相 成為液化天然氣產(chǎn)品 進(jìn)入 LNG 儲(chǔ)罐 ， 低壓氣相直接進(jìn)入用戶管網(wǎng)。 第 4章 混合冷劑制冷天然氣液化流程模擬 22 空冷器JT 閥氣液分離罐氣液分離罐空冷器一段壓縮機(jī)凈化單元液化部分二段壓縮機(jī)冷箱節(jié)流閥LN G去低壓管網(wǎng)去低壓管網(wǎng)管道氣 圖 單級(jí)混合冷劑制冷液化裝置圖 中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 23 單級(jí)混合冷劑制冷 模擬 條件 單級(jí)混合冷劑制冷所需參數(shù) 取值分別為： ① 天然氣的流量 。 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)?%。 ③ 混合制冷劑中各組分及其摩爾分?jǐn)?shù) ：混合制冷劑組分為：甲烷 29%，乙烯 28%，丙烷 16%，戊烷 17%，氮?dú)?10%。 ④ LNG 儲(chǔ)存壓力 為 400KPa。 ⑤ 段間換熱器前后壓差和出口溫度。 ⑥ 壓縮機(jī)一段入口壓力 260Kpa。 ⑦ 壓縮機(jī)一段 出口壓力 ， 二段出口壓力 4MPa。 ⑧ 壓縮機(jī)效率 取值 80%。 ⑨ JT 閥門開度設(shè)定 為 50%。 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。 原料天然氣經(jīng)過(guò)逐級(jí)冷卻降溫，最后流出換熱器 E502 時(shí)溫度為 157℃，然后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥 JTV2 后 成為 LNG 產(chǎn)品時(shí) 溫度為 ℃ 。 來(lái)自冷箱 E501 頂部混合冷劑溫度為 ℃，壓力為 260KPa,從一段壓縮機(jī)CP01 出來(lái)后溫度為 ℃，壓力為 ,.再經(jīng)過(guò)空冷器 E0502 后溫度為 40 ℃，壓力為 。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。然后氣相與液相進(jìn)入混合器 MIX101 混合，進(jìn)入下一個(gè)空冷器前溫度為 ℃，壓力為 4MPa。待工質(zhì)流出空冷器 E0503后溫度為 40℃，壓力則為 。接著再進(jìn)入氣液分離器 V0503，液 相進(jìn)入混合器 MIX100 時(shí)溫度為 ℃，壓力為 。經(jīng)混合器混合后 再進(jìn)入換熱器E501 進(jìn)行換熱到溫度 43℃，壓力 進(jìn)入換熱器 E502，經(jīng)再次換熱為溫度157℃，壓力 。從該換熱器出來(lái)后經(jīng)過(guò)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 E501，開始新的循環(huán) 。 第 4章 混合冷劑制冷天然氣液化流程模擬 24 圖 單級(jí)混合冷劑制冷液化裝置流程 hysys 模擬圖 中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 25 表 單級(jí)混合冷劑制冷 流程模擬參數(shù) 設(shè)備 流量 一級(jí)壓縮機(jī)功率（ kW） 二級(jí)壓縮機(jī)功率（ kW） 一級(jí)冷劑泵功率（ kW） 二級(jí)冷劑泵功率（ kW） LNG 產(chǎn)品溫度（℃） 表 物料平衡表 （天然氣入口壓力 5MPa，流量 ） 物料 溫度 (℃ ) 壓力 (kPa) 摩爾流量 (kgmole/h) 質(zhì)量流量 (kg/h) 閃蒸率 ng01 45 5000 2073 1 ng03 43 4970 2073 1 ng1104 157 4930 2073 0 ng05 400 2073 0 re13 260 310 10740 1 re14 1579 310 10740 1 reh01 reh02 rem01 43 3940 3910 260 310 310 310 10740 10740 10740 1 第 5章 26 第 5 章 天然氣膨脹液化流程模擬 膨脹機(jī)制冷天然氣液化流程分析 帶膨脹機(jī)的 天然氣 液化流程， 是通過(guò)采用透平膨脹機(jī)進(jìn)行等熵膨脹而達(dá)到降溫目的的過(guò)程 [14]。 天然氣膨脹液化工藝是利用天然氣自身壓力進(jìn)行膨脹對(duì)外做功而降溫液化的液化工藝流程。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。但是該循環(huán)僅僅適用于當(dāng)原料氣有較高的壓力，且天然氣液化率要求不高的場(chǎng)合。如果原料氣壓力較低，則需要另外增加天然氣壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，這樣就導(dǎo)致設(shè)備投資和操作能耗均增加。天然氣膨脹液化工藝的天然氣液化率在 10%~15%左右，剩余的氣體均變?yōu)榈蛪簹怏w。 天然氣膨脹液化工藝流程的關(guān)鍵設(shè)備是透平膨脹裝置，它的主要能量由膨脹機(jī)提供，膨脹后的低壓氣可以直接進(jìn)入天然氣管網(wǎng)供用戶使用。要達(dá)到液化率10%~15%，就要求原料氣的初始?jí)毫σ笥?3~。 本文的天然氣膨脹制冷液化流程采用無(wú)預(yù)冷的單級(jí)天然氣膨脹和無(wú)預(yù)冷的雙級(jí)天然氣膨脹液化流程。 單 級(jí)天然氣膨脹天然氣液化流程 在單級(jí)天然氣膨脹液化流程中，來(lái)自管道天然氣的原料天然氣經(jīng)門站調(diào)壓至5MPa 后進(jìn)入該裝置，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，其中一股作為膨脹氣進(jìn)入換熱器冷卻后，流入透平膨脹機(jī) 中絕熱膨脹 后返回?fù)Q熱器復(fù)熱，再經(jīng)透平膨脹機(jī)同軸帶動(dòng)的增壓機(jī)增壓、冷卻后返回低壓管網(wǎng)供用戶使用。而來(lái)自管道天然氣的另一股原料氣作為液化氣流，經(jīng)過(guò)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(guò)冷器節(jié)流后，節(jié)流過(guò)程產(chǎn)生的氣體再經(jīng)過(guò)換熱器復(fù)熱后直接進(jìn)入供氣管道。單級(jí)天然氣膨脹液化流程圖見(jiàn)圖 所示。 中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 27 冷箱二冷箱一預(yù)處理管道氣脫碳單元去低壓管網(wǎng)膨脹閥膨脹機(jī)壓縮機(jī)空冷器去低壓管網(wǎng) 圖 單級(jí)天然氣膨脹液化流程圖 第 5章 天然氣膨脹液化流程模擬 28 雙級(jí)天然氣膨脹天然氣液化流程 在雙級(jí)天然氣膨脹天然氣液化流程中，來(lái)自管道天然氣的原料天然氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理后分為兩股，其中一股作為膨脹 氣進(jìn)入冷箱一被冷卻后，進(jìn)入 第一 透平膨脹機(jī) 絕熱膨脹后進(jìn)入冷箱二再次冷卻降溫，然后進(jìn)入第二透平膨脹機(jī)絕熱膨脹后，經(jīng)過(guò)透平膨脹機(jī)同軸帶動(dòng)的壓縮機(jī)增壓、冷卻后返回低壓管網(wǎng)，供用戶使用。 而來(lái)自管道天然氣的另一部分原料氣作為液化氣流經(jīng)過(guò)預(yù)處理和凈化后，進(jìn)入冷箱逐步冷卻冷凝成 LNG 產(chǎn)品，并經(jīng)過(guò)冷器節(jié)流后，節(jié)流過(guò)程產(chǎn)生的氣體再經(jīng)過(guò)換熱器復(fù)熱后直接進(jìn)入供氣管道。單級(jí)天然氣膨脹液化流程圖見(jiàn)圖 所示。 中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 29 冷箱二冷箱一膨脹機(jī)膨脹閥膨脹機(jī)預(yù)處理管道氣脫碳單元壓縮機(jī)去低壓管網(wǎng) 圖 雙級(jí)天然氣膨脹液化裝置流程圖第 5章 天然氣膨脹液化流程模擬 30 膨脹機(jī)制冷 的模擬 條件 單級(jí)混合冷劑制冷所需參數(shù)取值分別為： ① 天然氣的流量 1249kgmol/h。 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)?%。 ③ LNG 儲(chǔ)存 溫度為 142℃， 壓力為 400KPa。 ④ 壓縮機(jī)入口壓力、出口壓力及溫度在兩方案中不同 。 ⑤ 壓縮機(jī)效率取值 80%。 ⑥ JT 閥門開度設(shè)定為 50%。 天然氣膨脹制冷 模擬結(jié)果 單級(jí)天然氣膨脹制冷天然氣液化流程模擬結(jié)果 本文利用 hysys 軟件對(duì)單級(jí)天然氣膨脹制冷天然氣液化流程的模擬結(jié)果見(jiàn)圖 所示。 膨