【正文】 也不如級聯(lián)式要求高。其缺點在于流程復雜，設(shè)備多，操作維護均不方便。在早期建設(shè)的天然氣液化裝 置中均采用級聯(lián)式液化流程，后來則逐漸改進為采用混合制中國石油大學（北京）碩士學位論文 11 冷劑液化流程，今年來新建的基本負荷型天然氣液化裝置則一般采用丙烷預冷的混合制冷劑液化流程。 由于氮膨脹制冷循環(huán)式一個密閉獨立的循環(huán)，故可以使進入裝置的天然氣全部液化。 與天然氣膨脹機制冷循環(huán)相比，氮氣膨脹機循環(huán)工藝結(jié)構(gòu)更簡單、設(shè)備投資也更少，并且維修也更簡單。如果回收冷量后的低壓天然氣用壓縮機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)。 如果要得到較大的液化量，則可以在流程中增加壓縮機，這種流程就是帶循環(huán)壓縮機的天然氣膨脹液化流程。其缺點在于流程不能獲得像氮氣膨脹液化那樣低的溫度，也不如氮氣膨脹循環(huán)氣量大，液化率也較低。 天然氣 循環(huán)膨脹機制冷 循環(huán) 天然氣膨脹液化流程，是指直接利用高壓天然氣在膨脹機中絕熱膨脹到輸出管道壓力而使天然氣液化的流程。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制冷。 膨脹機制冷循環(huán) 帶膨脹機的天然氣液化流程，是利用高壓制冷劑通過透平膨脹機絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷實現(xiàn)天然氣液化的流 程。 C3/MRCTM 流程的混合制冷劑由氮、甲烷、乙烷、丙烷構(gòu)成，其各自含量為氮氣 2~12%，甲烷 35~45%，乙烷 32~42%，丙烷 9~19%，混合制冷劑的平均分子量宜在 24~28 之間。并且混合制冷劑的分級冷凝餾分和汽化餾分獨立形成，不在主換熱器中進行，這樣就大大減少了混合整個冷凍系統(tǒng)的成本。目前世界上大部分基本復合型天然氣液化裝置均適用丙烷預冷的混合制冷劑液化流程。 丙烷 預冷的混合冷劑制冷循環(huán) 丙烷預冷混合制冷劑液化流程 （ C3/MRCTM） 結(jié)合了級聯(lián)式液 化流程和混合冷劑制冷流程的優(yōu)點，流程簡單而效率較高。 ⑸ 混合制冷劑平均分子量宜在 31~35 之間。 ⑶ 第二最低沸點組分含量宜在 22%~36%。 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的氣體組分構(gòu)成，如氮、甲烷、乙烷及其它重烴。其混合制冷劑由多種不 同沸點的氣體組成。該工藝由美國 ACPI 公司開發(fā)。由于混合冷劑制冷液化流程涉及的參數(shù)眾多，使得流程計算困難。自 70年代的基本負荷型天然氣液化工廠多采用混合冷劑制冷液化循環(huán)。壓縮級數(shù)少，雖然初投資成本低，但是由于功耗大而導致運行費用高；壓縮級數(shù)多的話則剛好相反。同時，該制冷循環(huán)的缺點也明顯：由于級聯(lián)式液化流程設(shè)備多，且附屬設(shè)備也多，因為導致流程復雜 、維護不便。 在甲烷制冷循環(huán)中，甲烷經(jīng)過壓縮、水冷之后，被丙烷和乙烯的六個換熱器預冷后再進行節(jié)流降溫過程，給天然氣供給冷量。 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)的相異點在于，乙烯被壓縮水冷后，要先流過丙烷的三個換熱器預冷后再節(jié)流降溫，給甲烷及天然氣提供冷量。液態(tài)丙烷則再經(jīng)過節(jié)流、降溫及降壓過程后部分進入換熱器為乙烯和甲烷及天然氣提供冷量并被汽化，到達丙烷 二級壓縮機進口。天然氣通過這九個換熱器的逐步冷卻而溫度逐步降低而最終冷卻到液化狀態(tài)。 級聯(lián)式液化流程的工作原理：在級聯(lián)式液化流程中，較低溫度的循環(huán)將熱量傳遞給較高溫度級的循環(huán)。 級聯(lián)式液化流程由三級獨立的制冷循環(huán)組成，制冷劑分別為丙烷、乙烯和甲烷。 在目前，級聯(lián)式液化工藝已經(jīng)應(yīng)用得很少，混合制冷劑液化工藝和膨脹機液 化制冷工藝是天然氣液化工藝的主流，因此我們主要對混合制冷劑制冷循環(huán)和膨脹機制冷循環(huán)進行研究。 天然氣液化工藝流程的選擇需要考慮投資、能耗、可靠性、安全性以及使用環(huán)境等因素。對于天然氣液化裝置，其工藝流程的選擇是核心問題。液化天 然氣作為管道天然氣 管網(wǎng)系統(tǒng) 的 補充和安全調(diào)節(jié)閥，必將迎來一個大發(fā)展。 中國石油大學（北京）碩士學位論文 7 第 2 章 天然氣液化裝置流程及選擇 我國天然氣消費需求快速增長，已經(jīng)出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象。 （ 4） 對混合制冷劑制冷液化流程和膨脹機制冷液化流程進行模擬計算，得出相應(yīng)的熱力學參數(shù)。 （ 2） 對各種混合制冷劑制冷流程、膨脹機制冷流程及基本負荷型天然氣液化流程的特點及優(yōu)缺點進行分析，指出對各種液化工藝流程進行選擇的條件，為選擇天然氣液化流程提供依據(jù)。 第 1章 緒論 6 本文研究的主要內(nèi)容 本文 對 利用管道壓差的天然氣 液化工藝進行研究， 利用 HYSYS 軟件 重點對透平膨脹機制冷循環(huán)和混合制冷循環(huán)（ MRC）天然氣液化流程就行模擬優(yōu)化，并對二者的能耗、 等方面進行對比研究，優(yōu)選最為經(jīng)濟高效的液化工藝。 LNG 裝置向大型化發(fā)展，擴大 LNG 生產(chǎn)能力，發(fā)展規(guī)模經(jīng)濟，以期達到進一步降低能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。 實現(xiàn)整個 LNG 系統(tǒng)的優(yōu)化， 如對天然氣液化工藝和設(shè)備進行優(yōu)化組合，對氣源供應(yīng)、整個生 產(chǎn)系統(tǒng)、儲存及運輸?shù)人协h(huán)節(jié)實現(xiàn)整體系統(tǒng)優(yōu)化。 液化天然氣裝置的安全性，將一如既往的作為 LNG 裝置的設(shè)計、施工、操作的首要原則。制冷劑經(jīng)過壓縮、除油、預冷后，經(jīng)膨脹機降壓降溫為低壓制冷劑，返回進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)流后進入 LNG 儲罐儲存。 MNG 采用 MRC 液化循環(huán)，裝置輕便，可安放在一臺拖車上搬運。目前，該工藝已在俄羅斯薩哈林 LNG 項目中得到首次應(yīng)用。 該工藝已在卡塔爾計劃 2020 年建成的 QatargasⅡ項目的 4 號和 5 號生產(chǎn)線上被采用，單生產(chǎn)線能力 780 萬噸 /年。 ⑵ APX 工藝 該工藝是 APCI 公司對 C3/MRC 工藝的改 進，以擴大單線生產(chǎn)能力，它包括三個制冷循環(huán)：丙烷制冷用于預冷混合冷劑循環(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。據(jù)該公司稱，該工藝生產(chǎn) LNG 的費用每噸可降低 25%，帶有 2 臺標準燃氣透平的 Liquefin 工藝的系列裝置，每年能生產(chǎn) 600 萬噸的液化天然氣。同時，制冷劑用量可明顯降低，在某些情況下制冷劑與 LNG 的摩爾比可低于 1。該工藝預冷凍段用混合制冷劑代替丙烷，使預冷段加熱與冷卻焓曲線較為接近， 預冷凍段與液化段之間轉(zhuǎn)折點從30℃降至 60℃～ 80℃，在這樣低溫度條件下，混合制冷劑完全冷凝，不需要相分離， 使換熱管線十分簡單與緊湊。 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)在實際運用中得到廣泛應(yīng)用。 國外天然氣液化工藝發(fā)展 現(xiàn)狀 國外的液化天然氣裝置一般采用級聯(lián)式制冷和混合制冷工藝流程，今年來新投產(chǎn)運行的天然氣液化裝置則多采用混合制冷天然氣液化流程。 該工藝流程主要包括液化和制冷第 1章 緒論 4 循環(huán)兩個過程，混合冷劑由甲烷、乙烯、丙烷、戊烷和氮氣組成，混合冷劑壓縮機由燃氣透平驅(qū)動 。 ⑵ 河南中原綠能高科液化天然氣裝置 2020 年，中原石油勘探局建造了一座日處理量為 15 104m3 的天然氣液化裝置，該裝置采用丙烷和乙烯為制冷劑的級聯(lián)式制冷循環(huán)。 在國內(nèi)已建的天然氣液化裝置中具有代表性的有 [3]： ⑴ 上海燃氣天然氣液化裝置 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。國外技術(shù)主要采用美國 Salof、 ACPI,以及德國的 Linder 和法國的 Sofe 等。在已建成的 LNG 裝置中，級聯(lián) 式、混合冷劑制冷、膨脹機制冷三種工藝流程均有。但是與國外相比，我們還存在一定差距，譬如流程效率相對較低，設(shè)備可靠性還有待提高等。調(diào)峰型天然氣液化裝置液化能力較小，但是其儲存能力比較大，一般建在城市附近?；矩摵尚吞烊粴庖夯b置由天然氣預處理流程、液化流程、儲存系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、裝卸設(shè)施和消防系統(tǒng)等組成，是一個發(fā)雜龐大的系統(tǒng)工程，投資高達數(shù)十億美元 [9]。此類裝置 的生產(chǎn)容量穩(wěn)步上升，是因為大容量裝置經(jīng)濟性較好，且現(xiàn)代 LNG 裝置應(yīng)用了比以往更大的設(shè)備 [7,8]。膨脹機制冷的優(yōu)點是開停車比較方便，故而比較適合用于調(diào)峰型天然氣液化裝置；但是膨脹機制冷液化率低，能耗高，對進入膨脹機的氣體干燥度要求較高。當 一定壓力的氣體在透平膨脹機內(nèi)進行絕熱膨脹對外做功而消耗氣體本身的內(nèi)能，從而使氣體自身強烈地冷卻而達到制冷的目的。其缺點是能耗較高，并且混合制冷 劑配比比較困難，流程計算比較困難。 混合冷劑制冷流程 是以 C1 至 C5 的碳氫化合物及 N2 等五種以上的多組分混合制冷劑為工質(zhì)，利用其重組分先冷凝，輕組分后冷凝的特點，逐級冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達到逐步冷卻和液化天然氣的目的。 該制冷工藝的特點是所需換熱器面積小，能耗也低。 按照用途分類則可以分為基本負荷型天然氣液化裝置和調(diào)峰型天然氣液化裝置。 這就是天然氣液化的液化基本原理。首先，將濕天然氣經(jīng)過預處理脫除二氧化碳、硫化氫、水等雜質(zhì)，再將預處理后的天然氣預冷到大約 35℃除去重組分，防止重組分在低溫下凍結(jié)堵塞設(shè)備和管道。 天然氣液化技術(shù)概述 天然氣液化 ，即是 在常壓下 將天然氣冷卻到 大約 161℃ 左右使其變?yōu)橐后w。當 在城市管網(wǎng)供氣中具有管道壓力差時， 就有可能利用原料氣管道中的高壓天然氣在膨脹機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力。在實際操作中，如何選擇適當?shù)囊夯に嚵鞒?，需要根?jù)實際情 況來進行選擇。因此，我們有必要對天然氣液化工藝進行系統(tǒng)的研究，為我國液化天然氣工業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐和保障，促使我國液化天然氣工業(yè)健康快速發(fā)展。而我國對天然氣液化工藝研究相對較晚，對液化天然氣的利用也正處于起步階段。建成后不僅可以起到調(diào)峰作用，還可以利用 LNG 能用槽車運送的特點，將天然氣供到周邊無管網(wǎng)地區(qū)，擴大天然氣供氣范圍。建立液化天然氣 (LNG)調(diào)峰工廠是調(diào)峰的一種有效手段，在國外已經(jīng)普遍應(yīng)用，國內(nèi)也已經(jīng)有一些調(diào)峰液化天然氣工廠在運行。即使在一些天然氣資源豐富的省份，一些城市也同樣出現(xiàn)“氣荒”。目前我國城市供氣系統(tǒng)基本是上游氣源與下游用戶之間的簡單管道輸送系統(tǒng)，管道輸氣壓力和流量幾乎是固定的，上游供多少，下游用多少，中間沒有任何積蓄和緩沖的能力。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，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。 關(guān)鍵詞：液化天然氣；調(diào)峰 ； 混合冷劑制冷；膨脹機制冷 ；管道壓差 ABSTRACT III ABSTRACT Liquefied Natural Gas,as a type of application has obvious advantage in the storage and transportation. The liquefaction of natural gas has became an important and advanced technology and liquefied natural gas have developed to a new,fastgrowing industry. The general developing situation and foreground of the LNG industry are showed in this paper,the principle of the liquefied technology to the nature gas is introduced and the fundamental regulation for the choice and design is given out through the analysis to these characteristics that all kinds of modern monusing liquefied cycles in use of nature gas ,the process of mixedrefrigerant cycle,onegas expander cycle and Doublegas expander cycles were simulated by the software of natural gas liquefaction by making use of piping pressure difference are proposed too. The project studied in this paper is used for reference to the other project that has similar gas character. Key Words ： Liquefied natural gas； Process of liquefaction； HYSYS。本文利用 HYSYS 模擬軟件分別對單級混合冷劑制冷、單級天然氣膨脹制冷及兩級天然氣膨脹制冷的工藝流程進行模擬研究，提出了利用管道壓差進行天然氣液化的工藝流程。 。 作者簽名： 日期： 導師簽名： 日期： 摘