【正文】 然氣流量循環(huán)的選擇原則的過(guò)程。 I 摘要 天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、清潔的能源、高熱值 ,燃燒產(chǎn)物對(duì)環(huán)境污染少 ,被認(rèn)為是 21世紀(jì)的首選能源。 本文簡(jiǎn)要介紹了液化天然氣的全過(guò)程 ,本文介紹了現(xiàn)有的幾種天然氣液化技術(shù)和過(guò)程。然后講述了天然氣預(yù)處理方法 ,并結(jié)合的條件選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理方案。在丙烷預(yù)冷混合制冷劑液體循環(huán)技術(shù)的基礎(chǔ)上 ,從熱力學(xué)的角度 ,根據(jù)天然氣和混合制 冷劑熱物理參數(shù)的特點(diǎn) ,選用 PR方程計(jì)算平衡混合利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和液化天然氣藏的形成與分布特點(diǎn) ,然后過(guò)程仿真 。設(shè)備選完后，按照要求布置廠房。 隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 石油危機(jī) 的沖擊以及煤、石油所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，使能源結(jié)構(gòu)逐步 改變 。所以，天然氣在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重越來(lái)越大， 目前的比例在世界上的能源結(jié)構(gòu) 有26%[1]。另外，天然氣用于發(fā)電、 制 冷 、 供熱、 燃料電池 等方面都具有十分誘人的前途，發(fā)達(dá)國(guó)家都在 全力的 進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)。為了改變能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境狀態(tài)、發(fā)展經(jīng)濟(jì)， 我國(guó) 十分重視天然氣的開(kāi)發(fā)和利用 [2]。 發(fā)展 液化天然氣 產(chǎn)業(yè)體現(xiàn)了發(fā)展的需要、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要、改革開(kāi)放的需要、提高人們生活水平的需要、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要。 液化天然氣 (簡(jiǎn)稱 LNG)，它是天然氣原料經(jīng)過(guò)預(yù)處理， 去除 其中的雜質(zhì)后，再通過(guò)低溫冷凍工藝 ， 在 162℃ 下所形成的低溫液體混合物。其制造過(guò)程是先將氣田生產(chǎn)的天然氣凈化處理， 然后 經(jīng)一連串超低溫液化后，利用液化 天然氣或槽車(chē)運(yùn)送，使用時(shí)需重新氣化。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 天然氣液化的意義 見(jiàn)表 表 天然氣液化的意義 LNG 便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，是理想的調(diào)峰氣源 [3] 天然氣液化后 ,其體積為原來(lái)的 1/625,有利于天然氣的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸 ,有利于邊遠(yuǎn)天然氣的回收 ,降低天然氣的儲(chǔ)存成本 ,有利于天然氣應(yīng)用中的調(diào)峰。 安全 性好 目前，天然氣儲(chǔ)藏和運(yùn)輸?shù)闹饕绞绞菍⑵鋲嚎s，即 CNG。 間接投資少 壓縮天然氣體積能量密度約為汽油的 26%，而液化天然氣（ LNG）體積能量密度約為汽油的 72%，是壓縮天然氣（ CNG）的兩倍還多，因而使用 LNG 的汽車(chē)行程遠(yuǎn)，相對(duì)可大大減少汽車(chē)加氣站的建設(shè)數(shù)量。 LNG 貿(mào)易需求量擴(kuò)大 [6] 液化天然氣歷來(lái)是一種細(xì)分市場(chǎng)產(chǎn)品。液化天然氣是全球增長(zhǎng)最迅速的能源市場(chǎng)之一。 國(guó)內(nèi)外天然氣液化技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 隨著對(duì) LNG 需求 量的 擴(kuò)大，加快對(duì)天然氣液化裝置的工藝技術(shù)研究，加大對(duì)相關(guān) 技術(shù)研究的力度和投入，已成為天然氣開(kāi)發(fā) 應(yīng)用 領(lǐng)域的重要課題 ，具有 相當(dāng)可觀 的市場(chǎng)前景。但天然氣液化 一般包括天然氣凈化 過(guò)程和天然氣液化過(guò)程兩部分，后者是其核心。這樣的液化過(guò)程可用圖 ： 100 104Nm3/d 天然氣液化裝置工藝 設(shè)計(jì) 3 圖 天然氣液化過(guò)程示意圖 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有液化技術(shù) 目前，天然氣液化裝置工藝路線主要有三種類型： 階式 制冷工藝 、混合制冷劑工藝、膨脹制冷工藝 ，它們的比較見(jiàn)表 。 由于該工藝制冷機(jī)組多，流程復(fù)雜，設(shè)備投資及維修費(fèi)用高，對(duì)制冷劑純度要求嚴(yán)格，且不適用于含氮量較多的天然氣。 膨脹制冷 工藝 7104 到70104m3/d 具有較高的等熵效率及膨脹功可回收，而且它的液化流程 簡(jiǎn)化、緊湊，造價(jià)略低，啟動(dòng)快，運(yùn)行靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，易于操作和控制，安全性好 能耗非常高 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 續(xù)表 混合制冷工藝 7104 到30104m3/d 機(jī)組設(shè)備少、流程簡(jiǎn)單、投資少、管理方便；對(duì)制冷劑的純度要求低并 且 可 以由天然氣本身提取和補(bǔ)充 能耗較高、流程計(jì)算困難；難確定合理的混合制冷劑配比。凈化后的原料天然氣在三個(gè)制冷循環(huán)的冷卻器中逐級(jí)冷卻、冷凝、液化并過(guò)冷，經(jīng)節(jié)流降壓后獲得低溫常壓液態(tài)天然氣產(chǎn)品，送至儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。 圖 典型級(jí)聯(lián)式循環(huán)流程圖 帶膨脹機(jī)液化流程 利用高壓制冷劑，通過(guò)透平膨脹機(jī)絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制100 104Nm3/d 天然氣液化裝置工藝 設(shè)計(jì) 5 冷來(lái)實(shí)現(xiàn) 天然氣液化的流程，其關(guān)鍵設(shè)備是透平膨脹機(jī)。 圖 ，其過(guò)程為：原料氣經(jīng)過(guò)脫水器 1脫水后，部分進(jìn)入脫 CO2塔進(jìn)行脫除 CO2。儲(chǔ) 槽 9中自蒸發(fā)的氣體，首先為換熱器 5提供冷量，再進(jìn)入返回氣壓縮機(jī) 4，壓縮并冷卻后與未進(jìn)脫 CO2塔的原料氣混合，進(jìn)換熱器 5冷卻后，進(jìn)入膨脹機(jī) 10降溫，為換熱器 57提供冷量。 混合制冷劑液化流程 可 分為開(kāi)式混合制冷劑液化流程、閉式混合制冷液化流程、丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程和 CII液化流程。 其流程為：原料天然氣經(jīng)凈化后、經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后達(dá)到高溫高壓，首先用西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 水冷卻，然后進(jìn)入氣液分離器、分離掉重?zé)N，得到的液體經(jīng)第一個(gè)換熱器冷卻并節(jié)流后，與返流氣混合后為第一個(gè)換熱器提供冷量。產(chǎn)生的液體經(jīng)第二個(gè)換熱器冷卻 并節(jié)流后，與返流氣混合為第二個(gè)換熱器提供冷量。產(chǎn)生的液體經(jīng)第三個(gè)換熱器冷卻并節(jié)流后，為第三個(gè)換熱器提供冷量。 閉式混合制冷劑液化流程中的制冷劑循環(huán)和天然氣液化過(guò)程分開(kāi)，自成獨(dú)立的制冷循環(huán) 如圖 [10]： 圖 混合制冷劑循環(huán) 液化流程中的制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮至高溫高壓后，首先用水進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入氣液分離器。液體在熱器 1中過(guò)冷．再經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降溫，與后續(xù)流程的返流氣混合后共同為換熱器 1提供冷量，冷卻天然氣、氣態(tài)制冷劑和需過(guò)冷的液態(tài)制冷劑。換熱器 3中的換熱過(guò)程同換 熱器 1和 2。 丙烷預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)液化天然氣流程 如 圖 [11]： 100 104Nm3/d 天然氣液化裝置工藝 設(shè)計(jì) 7 圖 丙烷預(yù)冷循環(huán) 丙烷預(yù)冷混合制冷液化流程 （簡(jiǎn)稱 C3/MRC） 由三部分組成 ，分別是： 混合制冷劑循 環(huán)；丙烷預(yù)冷循環(huán)；天然氣液化回路。混合制冷劑循環(huán)如圖所示，混合制冷劑經(jīng)兩級(jí)壓縮機(jī)壓縮至高壓，首先用水冷卻，帶走一部分熱量，然后通過(guò)丙烷預(yù)冷循環(huán)預(yù)冷，預(yù)冷后近入氣液分離器分離成液相和氣相，液相經(jīng)第一換熱器冷卻后，節(jié)流、降溫、降壓，與返流的混合制冷劑混合后，為第一個(gè)換熱器提供冷量，冷卻天然氣和從分離器出來(lái)的氣相和液相兩股混合制冷劑。 丙烷預(yù)冷循環(huán)如圖所示，丙烷預(yù)冷循環(huán)中，丙烷通過(guò)三個(gè)溫度級(jí)的換熱器，為天然氣和混合制冷劑提供冷量。 根據(jù) 具體情況可以減少級(jí)數(shù)，簡(jiǎn)化流程。 天然氣液化技術(shù)的發(fā)展要求液化循環(huán)具有高效、低成本、可靠性好、易操作等特點(diǎn)。 CII液化流程吸收了國(guó)外 LNG技術(shù)最新發(fā)展成果，代表了天然氣液化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) [13]。從 60年代開(kāi)始， LNG工業(yè)得到了 迅速 發(fā)展，規(guī)模 愈來(lái)愈大 ，基本負(fù)荷型液化能力在 104m3/d左右 。 國(guó)外的液化裝置規(guī)模大、工藝復(fù)雜、設(shè)備多、投資高， 多 采用級(jí)聯(lián)式制冷和混合冷劑制冷工藝，目前 這 兩種類型的裝置都在投產(chǎn) 運(yùn)行，新投產(chǎn)設(shè)計(jì)的主要是混合冷劑制冷工藝 ，研究的主要目的在于降低液化能耗 [14]。 法國(guó) Axens公司與法國(guó)石油研究所 (IFP)合作，共同開(kāi)發(fā)的一種先進(jìn)的天然氣液化新工藝 ——Liquefin首次工業(yè)化， 此 工藝為 LNG市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。使用 Liquefin法之后，每單元液化裝置產(chǎn)量可達(dá) 600104t/y以上。該工藝 的主要優(yōu)點(diǎn)是使用了翅片式換熱器和熱力學(xué)優(yōu)化后的工藝，可建設(shè)超大容量的液化裝置。 IFP和 Axens開(kāi)發(fā)的 Liquefin工藝的安全 性 、環(huán)保 性 、實(shí)用 性 及創(chuàng)新 性 已被世界認(rèn)可， 而且 該工藝 還 獲得了化學(xué)工程師學(xué)會(huì)授予的 “工程優(yōu)秀獎(jiǎng) ” 。 與國(guó)外相比，由于我國(guó)天然氣資源分布的特點(diǎn)以及我國(guó)資源的使用情況，我國(guó)目前天然氣液化裝置的研究與探索多還是以小型 LNG 液化裝置為目標(biāo)。 1991 年該廠為航天部提供 30t LNG 作為火箭試驗(yàn)燃料 [15]。 ⑴ 上海燃?xì)夤芫W(wǎng)公司 LNG站。設(shè)計(jì)液化能力為 174m3 LNG/d（相當(dāng)于 10104m3 天然氣 /d），氣化能力為 120 m3 LNG / h（相當(dāng)于 104m3 天然氣 /h）。在氣源中斷時(shí)，該站可提供上海市 10天的用氣量，以此保證天然氣的連續(xù)供應(yīng)。中原油田 LNG生產(chǎn)廠于 1999年 1月開(kāi)始籌建，100 104Nm3/d 天然氣液化裝置工藝 設(shè)計(jì) 9 該裝置充分利用了中原油田文 23氣井特有的 12MPa氣井氣的高壓能量 ,采用先復(fù)疊制冷后節(jié)流膨脹的生產(chǎn)工藝 ，設(shè)計(jì)日處理天然氣 30104m3，生產(chǎn) LNG15104m3，總投資為 億元人民幣。產(chǎn)品全部通過(guò) LNG罐車(chē)運(yùn)輸。新疆廣匯 LNG項(xiàng)目的氣源來(lái)自吐哈油田。該項(xiàng)目一期工程原計(jì)劃于 2020年 9月完工，產(chǎn)品將通過(guò)火車(chē)和汽車(chē)把 LNG 運(yùn)輸?shù)饺珖?guó)能源緊缺的地區(qū)，對(duì)國(guó)家 “西氣東輸 ”主干管網(wǎng)以外的廣闊市場(chǎng) 供氣。 ⑷ 吉林油田 500L撬裝式 LNG生產(chǎn)裝置?？偼顿Y 1000多萬(wàn)元。同時(shí)，由于吉林油田進(jìn)行機(jī)構(gòu)重組，導(dǎo)致對(duì)該裝置的所有權(quán)混亂，沒(méi)有單位對(duì)該裝置 進(jìn)行管理和維護(hù)，致使該裝置停產(chǎn)。四川綿陽(yáng)燃?xì)夤?LNG生產(chǎn)裝置采用膨脹制冷循環(huán)，靠氣井氣的高壓來(lái)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 LNG/ h。并且由于沒(méi)有下游用戶，生產(chǎn)的 LNG沒(méi)有市場(chǎng)，缺乏資金投入，該裝置運(yùn)行一段時(shí)間后被迫停產(chǎn)。陜北氣田 LNG示范工廠于 1999年 1月建成投運(yùn)，該裝置采用了大連理工大學(xué)的專利技術(shù) 氣波制冷技術(shù)。由于在凈化工藝 方面設(shè)計(jì)不夠合理，在運(yùn)行中存在 CO2 脫除不夠徹底等問(wèn)題。 ⑺ 廣東 LNG工程項(xiàng)目。一期工程設(shè)置兩座 104m3 儲(chǔ)罐，計(jì)劃 2020 年底投產(chǎn)，每年進(jìn)口 LNG 300104t，二期再增加一座約 10104m3 的儲(chǔ)罐，計(jì)劃 2020 年投產(chǎn)，每年增加進(jìn)口 LNG 200104t。該接收終端 LNG 由澳大利亞的 ALNG 集團(tuán)提供，期限為 25 年。 我國(guó)的天然氣液化技術(shù)雖然起步較晚，但是發(fā)展很快。故對(duì)天然氣液化流程的模擬西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 與優(yōu)化的深入研究，對(duì)我國(guó) LNG 事業(yè)的發(fā)展，可提供理論的指導(dǎo)。 安全第一 始終是 LNG設(shè)施設(shè)計(jì)、施工和操作的基本原則。 ① 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)人員不斷致力于改進(jìn)設(shè)計(jì)手段，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，改進(jìn)技術(shù)參數(shù)，正確選擇液化工藝和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用節(jié)約。 ② 實(shí)現(xiàn) LNG系統(tǒng)的優(yōu)化 LNG工作者不但致力于實(shí)現(xiàn)液化工藝和設(shè)備選擇的優(yōu)化，還為實(shí)現(xiàn)整個(gè) LNG系統(tǒng)的優(yōu)化而進(jìn)行著不斷的探索。 ③ 提高裝置的有效性和可靠性 提高裝置的有效性和可靠性是降低 LNG費(fèi)用的重要途徑。 ④ 延長(zhǎng)裝置的使用壽命 延長(zhǎng)裝置的使用壽命能降低 LNG費(fèi)用。其他研究技術(shù)有工藝和環(huán)境造成設(shè)備腐蝕的探測(cè)和防護(hù)、較理想的隔熱材料和隔熱措施等。 設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容和方法 在 本次畢業(yè)設(shè)計(jì) 過(guò)程中，我主要 完成的 內(nèi)容如 下： ① 查找相關(guān)資料，清楚地了解國(guó)內(nèi)外天然氣液化現(xiàn)狀；通過(guò)查閱相關(guān)的外文文獻(xiàn)對(duì)天然氣液化技術(shù)和現(xiàn)狀有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。 ③ 確定合理的液化方案、液化收率以及主要工藝參數(shù)后，借助計(jì)算機(jī)流程模擬技術(shù)完成 MRC工藝的物料衡算和能量衡算。 ⑤ 根據(jù)以上的流程中所用的裝置設(shè)備和計(jì)算結(jié)果畫(huà)出 PFD工藝流程圖，最終按照設(shè)備的放置情況畫(huà)出合理的平面布置圖。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料 設(shè)計(jì)規(guī)模 LNG裝置有小型、中型、大型 LNG裝置之分。 天然氣的組成及邊界條件 （ 1）天然氣處理量： 100104Nm3/d； （ 2）原料氣溫度：大約 30℃ ； （ 3）原料氣壓力： 4000KPa； （ 4）原料天然氣組成（干基） ； 表 原料天然氣組成 分子式 C1 C2 C3 nC4+ iC4+ C5+ H2S CO2 N2 分率， mol/mol 查得 Z=， 由 pvn zRT? 得天然氣的處理量為： 18 59 .0 /n kmol h? 則經(jīng)預(yù)處理后的天然氣的流量為： 239。39。iii n w nw nn???得剩余組分的各組成如下： 表 凈化后天然氣組成 分子式 C1 C2 C3 nC4+ iC4+ C5+ CO2 N2 分率， mol/mol 100 104Nm3/d 天然氣液化裝置工藝 設(shè)計(jì) 13 物性資料 在計(jì)算熱物性參數(shù)時(shí)，會(huì)用到天然氣和混合制冷工質(zhì)中各組分的一些基本熱力學(xué)參數(shù)，這些參數(shù)值見(jiàn)表 ： 表 天然氣和混合制冷劑各組分的基本熱力學(xué)參數(shù)： 分子式 名稱 MV Tb/K Tc/K Pc/Mpa Vc(6310 /m mol? ) Zc ? N2 氮?dú)? CH4 甲烷 99 C2H6 乙烷 148 C3H8 丙烷 203 iC4H10 異丁烷 263 nC4H10 正丁烷 255 CO2 二氧化碳 94