天然氣膨脹預(yù)冷混合制冷劑液化流程操作條件優(yōu)化

張 雷，車立新，畢勝山，王會(huì)師，吳江濤，喬 佳，孟現(xiàn)陽

（1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，710049，西安；2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，100035，北京）

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，能源與環(huán)境問題日益突顯。2013年初我國中東部地區(qū)發(fā)生持續(xù)霧霾天氣，PM2.5指標(biāo)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪嘘P(guān)注的焦點(diǎn)。如何調(diào)整城市供能結(jié)構(gòu)，改善城市環(huán)境狀況，已經(jīng)受到高度重視。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)清潔的燃料，可廣泛應(yīng)用于能源、化工及交通等領(lǐng)域［1］，推廣天然氣的應(yīng)用對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，緩解環(huán)境污染具有重要意義。液化天然氣（LNG）作為天然氣的一種利用形式，因其經(jīng)過了嚴(yán)格的凈化，較管輸天然氣更為潔凈。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，LNG不僅僅是一種天然氣輸送及儲(chǔ)存手段，而且在城市天然氣調(diào)峰方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著城市天然氣用氣規(guī)模的不斷擴(kuò)大，多發(fā)的極端天氣等不穩(wěn)定因素嚴(yán)重威脅城市正常供氣，建立調(diào)峰型LNG裝置可以有效地保障城市供氣安全［2-4］。

調(diào)峰型LNG裝置通過將低峰負(fù)荷時(shí)過剩的天然氣液化儲(chǔ)存，在高峰時(shí)或事故等緊急情況下再氣化使用。調(diào)峰型LNG裝置液化能力一般較小，多選擇帶膨脹機(jī)的液化流程，如氮?dú)馀蛎浺夯鞒蹋@類流程具有啟動(dòng)快、運(yùn)行靈活等優(yōu)點(diǎn)，但能耗水平較高［5］。混合制冷劑液化流程因其低能耗，在目前的天然氣液化流程中占主導(dǎo)地位，其中尤以美國空氣化學(xué)產(chǎn)品公司提出的丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程（C3-MR）最為成熟。本文提出的天然氣膨脹預(yù)冷混合制冷劑天然氣液化流程（NGE-MR）充分借鑒了C3-MR等混合制冷劑液化流程的優(yōu)點(diǎn)，并將天然氣膨脹與混合制冷劑制冷循環(huán)相結(jié)合，可應(yīng)用于城市天然氣調(diào)壓站的調(diào)峰型LNG裝置。本文主要分析了混合制冷劑組成、混合制冷劑循環(huán)高壓壓力等對(duì)流程性能的影響，并對(duì)NGE-MR天然氣液化流程的操作條件進(jìn)行優(yōu)化，可為NGE-MR液化流程的深入研究和工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 NGE-MR天然氣液化流程

NGE-MR液化流程是專門針對(duì)城市天然氣調(diào)壓站開發(fā)設(shè)計(jì)的小型天然氣液化流程。城市天然氣調(diào)壓站具備穩(wěn)定的上游天然氣氣源，其主要任務(wù)為通過調(diào)壓設(shè)備將高壓管網(wǎng)天然氣由高壓調(diào)節(jié)至其他壓力級(jí)，在這一調(diào)壓過程中將有可觀的壓力能可以利用，回收調(diào)壓過程中的冷能是一種重要的壓力能利用方式。NGE-MR天然氣液化流程以調(diào)壓過程中高壓天然氣經(jīng)由膨脹機(jī)膨脹后所產(chǎn)生的冷能作為預(yù)冷冷源，對(duì)待液化原料天然氣及高壓混合制冷劑進(jìn)行預(yù)冷冷卻，并結(jié)合混合制冷劑循環(huán)冷凝及過冷待液化原料天然氣。圖1為NGE-MR天然氣液化流程簡圖。

圖1 NGE-MR天然氣液化流程簡圖

NGE-MR天然氣液化流程主要由膨脹預(yù)冷循環(huán)、混合制冷劑循環(huán)以及天然氣液化流路3部分組成。膨脹預(yù)冷循環(huán)中，一部分經(jīng)凈化的高壓管網(wǎng)天然氣作為膨脹流股進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹，降壓降溫，流入預(yù)冷換熱器預(yù)冷高壓混合制冷劑和液化流股天然氣，升溫后經(jīng)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓機(jī)增壓至一定壓力，然后返回低壓管網(wǎng)，完成膨脹預(yù)冷循環(huán)。

混合制冷劑循環(huán)中，由氮?dú)狻⒓淄椤⒁彝橐约氨榻M成的混合制冷劑經(jīng)兩級(jí)壓縮至一定壓力，每一級(jí)壓縮機(jī)后均設(shè)置冷卻器，用以冷卻壓縮后的混合制冷劑。高壓混合制冷劑流入預(yù)冷換熱器進(jìn)行預(yù)冷，冷凝為氣液兩相，兩相流體進(jìn)入氣液分離器1分離為氣相和液相兩部分。液相部分進(jìn)入主換熱器進(jìn)一步過冷后經(jīng)節(jié)流閥1減壓節(jié)流制冷，然后流入混合器；氣相部分依次進(jìn)入主換熱器和過冷換熱器冷卻并過冷，然后經(jīng)節(jié)流閥2減壓節(jié)流制冷后返流入過冷換熱器，為過冷換熱器提供冷量后流入混合器。兩股混合制冷劑流體在混合器中充分混合后返流入主換熱器，為主換熱器提供冷量，然后流回預(yù)冷換熱器，提供部分預(yù)冷冷量后進(jìn)入壓縮機(jī)，完成混合制冷劑循環(huán)。

天然氣液化流路中，另一部分經(jīng)凈化的高壓管網(wǎng)天然氣作為液化流股進(jìn)入預(yù)冷換熱器進(jìn)行預(yù)冷，然后分別進(jìn)入主換熱器和過冷換熱器冷凝并過冷，最后經(jīng)過節(jié)流閥3節(jié)流降壓至儲(chǔ)存壓力，其中液相部分作為LNG產(chǎn)品流入儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存。

2 NGE-MR液化流程優(yōu)化模型

2.1 已知及假定條件

NGE-MR天然氣液化流程的變量包括各股物流（1～27）的壓力（kPa）、溫度（K）、流速（kg／s）、各組分的摩爾分?jǐn)?shù)以及壓縮機(jī)、膨脹機(jī)及增壓機(jī)的效率等。流程變量可以分為外部條件、設(shè)計(jì)條件和操作條件3類。外部條件主要包括原料天然氣的壓力p1、p21，溫度T1、T21以及各組分摩爾分?jǐn)?shù)z1、z21，低壓管網(wǎng)壓力pL，各級(jí)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)及增壓機(jī)的等熵效率ηC1、ηC2、ηE、ηC，環(huán)境溫度 T0，換熱最小夾點(diǎn)溫差ΔTmin等。這類變量取決于現(xiàn)有的工程技術(shù)條件和資源的可利用狀況，可以理解為液化流程的外部約束，需在流程優(yōu)化計(jì)算前作為已知條件給定。設(shè)計(jì)條件主要包括LNG儲(chǔ)存壓力p26、流程設(shè)計(jì)液化率LR（LNG產(chǎn)品與液化流股天然氣摩爾流量的比值）、節(jié)流前LNG溫度T24、LNG產(chǎn)品流量f26等。這類變量取決于使用者對(duì)液化流程提出的硬性要求，可以理解為液化流程的設(shè)計(jì)要求，需要在流程優(yōu)化計(jì)算前作為已知條件給定。其中，膨脹流股天然氣的各組分 摩 爾 分 數(shù) 分 別 為1.305%（N2）、0.005%（CO2）、93.547%（CH4）、4.056%（C2H6）、0.728%（C3H8），液化流股天然氣的各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.132%（nC4H10）、 0.132%（iC4H10）、 0.060%（nC5H12）、0.030%（iC5H12）、0.005%（nC6H14）。表1給出了液化流程的其他已知條件。

NGE-MR液化流程模型遵循以下約束及假定。

（1）液化流程中各級(jí)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、增壓機(jī)、冷卻器、換熱器、氣液分離器、節(jié)流閥、混合器均遵循物料及能量平衡，忽略與周圍環(huán)境熱量交換，環(huán)境漏熱為0。

表1 液化流程已知條件

由主換熱器及過冷換熱器段的能量平衡關(guān)系可導(dǎo)出

式中：fNG和fMR分別為液化流股天然氣流量及混合制冷劑主循環(huán)流量，fNG可由f26和LR確定；h10和h20分別為混合制冷劑物流節(jié)點(diǎn)10和20處物流的比焓；h22和h24分別為液化流股天然氣物流節(jié)點(diǎn)22和24處物流的比焓。當(dāng)式（1）中各物流節(jié)點(diǎn)的比焓值確定時(shí)，即可確定fMR。

由預(yù)冷換熱器、主換熱器及過冷換熱器總的能量平衡關(guān)系可導(dǎo)出

式中：fENG為膨脹流股天然氣流量；h2和h3分別為膨脹流股天然氣物流節(jié)點(diǎn)2和3處物流的比焓；h5和h9分別為混合制冷劑物流節(jié)點(diǎn)5和9處物流的比焓；h21和h24分別為液化流股天然氣物流節(jié)點(diǎn)21和24處物流的比焓。當(dāng)式（2）中各物流節(jié)點(diǎn)的比焓值確定時(shí)，即可確定fENG。

由氣液分離器1及混合器中的物料平衡關(guān)系可導(dǎo)出

式中：f11、f13、f14和f18分別為混合制冷劑物流節(jié)點(diǎn)11、13、14和18處物流流量。

（2）液化流程中各冷卻器、換熱器、氣液分離器中均無壓力損失，混合器各進(jìn)出流股壓力均相等（p13=p18=p19）。

（3）混合制冷劑各組分充分混合，除在氣液分離器中發(fā)生氣液兩相分離外，在液化流程其他環(huán)節(jié)中混合制冷劑成分保持均一；混合制冷劑在氣液分離器中氣相部分和液相部分完全分離，氣液分離器分離效率為100%。

（4）增壓機(jī)及各壓縮機(jī)進(jìn)口（3、5、7）處物流均處于過熱狀態(tài)；膨脹機(jī)中物流在膨脹過程中無液相出現(xiàn)；增壓機(jī)出口處物流壓力p4不低于低壓管網(wǎng)壓力pL；增壓機(jī)及各級(jí)壓縮機(jī)出口處物流溫度T4、T6、T8不高于393.15K；各節(jié)流閥中節(jié)流過程均為等焓節(jié)流（h12=h13，h16=h17，h24=h25）。各換熱器熱端及冷端端面出口物流溫度均對(duì)應(yīng)相等（T3=T5，T10=T22，T12=T15=T23，T16=T24）；預(yù)冷換熱器冷端面進(jìn)口物流溫度相等（T2=T20）；氣液分離器各進(jìn)出物流溫度相等（T10=T11=T14）。

2.2 優(yōu)化變量

操作條件主要包括混合制冷劑循環(huán)高壓壓力p9及低壓壓力p5、混合制冷劑各組分摩爾分?jǐn)?shù)z5、主換熱器冷端面熱流出口溫度T23、膨脹流股天然氣膨脹后壓力p2等。這類變量具有一定的可選擇性，可以理解為流程的優(yōu)化變量。針對(duì)操作條件的優(yōu)化要建立在一定的外部條件和設(shè)計(jì)條件之上，遵循一定的約束及假定，而流程性能的優(yōu)劣則主要通過目標(biāo)函數(shù)來衡量。為適當(dāng)簡化問題，本文分析了原料天然氣的比定壓熱容-溫度（CP-T）性質(zhì)（見圖2）。如圖2所示，隨著原料氣溫度由初始值降低至露點(diǎn)溫度，CP值逐漸增大，但幅度很小，而當(dāng)溫度低于露點(diǎn)溫度一定值時(shí)，CP值隨溫度下降而急劇增大，考慮到預(yù)冷冷量來源于膨脹后天然氣的升溫潛熱，因而液化流股天然氣預(yù)冷溫度不宜過低，應(yīng)處在露點(diǎn)溫度附近。本文設(shè)定液化流程預(yù)冷溫度T10、T22為225.15K，預(yù)冷換熱器冷端面溫差為5K，相應(yīng)的膨脹機(jī)出口物流溫度T2和壓力p2分別為220.15K和690kPa。

圖2 原料天然氣CP-T關(guān)系曲線（p1=3.7MPa）

2.3 目標(biāo)函數(shù)

本文以比功耗WS（單位LNG產(chǎn)量下流程中各壓縮機(jī)功耗）作為衡量流程性能優(yōu)劣的目標(biāo)函數(shù)，以比功耗最小化作為液化流程優(yōu)化目標(biāo)。WS的定義如下

式中：Wtotal為壓縮機(jī)總功率；f26為LNG產(chǎn)量；WC1為一級(jí)壓縮機(jī)的功率；WC2為二級(jí)壓縮機(jī)的功率；f5和f7分別為物流5和7的流量；h5、h6、h7和h8分別為物流5、6、7和8的比焓。

3 定壓比優(yōu)化方法

NGE-MR天然氣液化流程操作條件的優(yōu)化屬于多參數(shù)優(yōu)化問題，各操作條件并非相互獨(dú)立，而是相互作用影響［6］。在優(yōu)化過程中，需要充分考慮不同操作條件間的相互作用，并針對(duì)所有操作條件進(jìn)行全局的優(yōu)化計(jì)算［7-9］。本文引入循環(huán)壓比PR，將混合制冷劑循環(huán)高壓和低壓統(tǒng)一為一個(gè)變量。根據(jù)NGE-MR液化流程中混合制冷劑循環(huán)的兩級(jí)壓縮形式，以及假定（4）中對(duì)壓縮機(jī)出口物流溫度的限制，在較為合理的壓比范圍內(nèi)選定PR值為10、9、8。圖3示出了不同壓比下p9對(duì)WS和對(duì)主換熱器及過冷換熱器段夾點(diǎn)溫差ΔTM-S，min的影響，其中混合制冷劑各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為6%（N2）、48%（CH4）、30%（C2H6）、16%（C3H8）。由圖3a可知，在各個(gè)壓比下，隨著p9的上升，WS均呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢。本文進(jìn)一步分析了主換熱及過冷換熱器段冷熱流溫度分布情況，分析過程中通過T23取值的優(yōu)化使得主換熱器冷端面溫差（T23-T19）與過冷換熱器熱端面溫差（T23-T18）保持相等，從而使得主換熱器與過冷換熱器的換熱負(fù)荷分配更為合理，并確保不同操作條件下ΔTM-S，min計(jì)算基礎(chǔ)的一致性。由圖3b可知，在各個(gè)壓比下，隨著p9的上升，ΔTM-S，min均逐漸減小，主換熱及過冷換熱器段換熱過程中冷熱流溫度更加匹配，因而流程不可逆損失減小，這與圖3a中WS隨p9的上升而降低的規(guī)律一致。上述規(guī)律在各個(gè)壓比下均成立，同時(shí)也并不僅限于圖3中所分析的混合制冷劑組成，而是對(duì)于任意混合制冷劑組成均成立。圖4示出了PR=10時(shí)3種隨機(jī)選取的混合制冷劑組成下p9對(duì)WS及ΔTM-S，min的影響，與圖3中規(guī)律完全一致。圖4中：組成1各組分摩爾分 數(shù) 分 別 為2%（N2）、50%（CH4）、30%（C2H6）、18%（C3H8）；組成2各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為6%（N2）、48%（CH4）、30%（C2H6）、16%（C3H8）；組成3各組分摩 爾 分 數(shù) 分 別 為4%（N2）、44%（CH4）、38%（C2H6）、14%（C3H8）。

圖3 不同壓比下p9對(duì)WS和ΔTM-S，min的影響

根據(jù)上述規(guī)律可知，在NGE-MR液化流程中，對(duì)于任意混合制冷劑組成，均存在對(duì)應(yīng)的最優(yōu)高壓壓力p9，使得該組成在最優(yōu)p9下ΔTM-S，min達(dá)到本文限定的最小換熱溫差ΔTmin，同時(shí)WS達(dá)到最優(yōu)（最小）。鑒于在定壓比條件下p9對(duì)WS的影響規(guī)律的單調(diào)性及普適性，為利于模擬優(yōu)化的簡化性和結(jié)果一致性，本文提出了定壓比優(yōu)化方法，在給定的壓比下，以ΔTM-S，min=ΔTmin為判定條件，遍歷計(jì)算不同混合制冷劑組成所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)p9及最優(yōu)WS，并以各混合制冷劑所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)WS作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，篩選出定壓比下的最優(yōu)混合制冷劑組成及其他最優(yōu)操作條件，優(yōu)化計(jì)算框圖如圖5所示。

本文采用C++程序語言編制計(jì)算程序，其中物性計(jì)算調(diào)用NIST REFPROP［10］。首先通過定壓比優(yōu)化方法得出各個(gè)壓比下的最優(yōu)操作條件，然后從各個(gè)壓比下的最優(yōu)流程性能中繼續(xù)比較尋優(yōu)，最終可得到NGE-MR天然氣液化流程的全局最優(yōu)操作條件。

圖4 不同混合制冷劑組成下p9對(duì)WS和ΔTM-S，min的影響（PR=10）

圖5 定壓比優(yōu)化計(jì)算框圖

4 NGE-MR液化流程操作條件優(yōu)化結(jié)果分析

本文利用定壓比優(yōu)化方法，分別獲得了PR為10、9、8時(shí)NGE-MR天然氣液化流程的最優(yōu)操作條件，以及最優(yōu)操作條件下的最優(yōu)流程性能，具體優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見表2。計(jì)算結(jié)果表明，3種壓比下NGEMR液化流程的最優(yōu)比功耗相差不大，基本維持在0.225～0.230kW·h／kg。根據(jù)文獻(xiàn)中的報(bào)道，C3-MR液化流程的最優(yōu)比功耗一般為0.292～0.306kW·h／kg，級(jí)聯(lián)式液化流程的最優(yōu)功耗一般為0.333～0.361kW·h／kg［11］，可見 NGE-MR液化流程相較于兩種經(jīng)典液化流程節(jié)能優(yōu)勢明顯，較C3-MR及級(jí)聯(lián)式流程比功耗分別降低了23.9%和34.4%。3種壓比下的最優(yōu)混合制冷劑組成基本相同，各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為2%（N2）、32%（CH4）、60%（C2H6）、6%（C3H8），最優(yōu)混合制冷劑組成與壓比相關(guān)性不大。3種壓比下混合制冷劑高低壓壓力各不相同，其中p9隨PR的降低而下降，p5隨PR的降低而上升。液化流程預(yù)冷所需的膨脹流股天然氣流量隨PR的降低有較為明顯的增加，這也將一定程度上增加流程預(yù)冷換熱所需面積。圖6示出了PR=10時(shí)最優(yōu)操作條件下主換熱及過冷換熱器段冷熱流溫度曲線及換熱沿程溫差ΔTM-S，可以看出在最優(yōu)操作條件下，主換熱及過冷換熱器段冷熱流溫度實(shí)現(xiàn)了很好的匹配，可以充分減小有溫差傳熱過程中的不可逆損失，從而使液化流程比功耗達(dá)到最優(yōu)。

表2 不同壓比下的最優(yōu)操作條件及最優(yōu)流程性能

5 結(jié) 論

本文采用定壓比優(yōu)化方法，對(duì)NGE-MR天然氣液化流程在壓比為10、9、8時(shí)的最優(yōu)操作條件進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)論如下。

（1）定壓比條件下，液化流程混合制冷劑組成與高壓力之間相互作用復(fù)雜，當(dāng)選定一種混合制冷劑組成時(shí)，存在對(duì)應(yīng)的最優(yōu)混合制冷劑高壓壓力，使得該組成在最優(yōu)混合制冷劑高壓壓力下具有最優(yōu)流程性能。定壓比條件下，不同混合制冷劑組成下流程性能的評(píng)價(jià)應(yīng)以其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)流程性能作為衡量指標(biāo)。

圖6 最優(yōu)操作條件下主換熱與過冷換熱器段冷熱流溫度及溫差分布曲線（PR=10）

（2）不同壓比（10、9、8）下 NGE-MR天然氣液化流程的最優(yōu)比功耗隨壓比的降低而逐漸降低，但相差不大，基本維持在0.225～0.230kW·h／kg。相較于經(jīng)典的C3-MR天然氣液化流程及級(jí)聯(lián)式天然氣液化流程，NGE-MR液化流程節(jié)能優(yōu)勢明顯。

（3）在各定壓比（10、9、8）下 NGE-MR 天然氣液化流程的最優(yōu)混合制冷劑組成基本相同，各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為2%（N2）、32%（CH4）、60%（C2H6）、6%（C3H8），最優(yōu)混合制冷劑組成與壓比相關(guān)性不大。

（4）液化流程預(yù)冷所需的膨脹流股天然氣流量隨壓比的降低有較為明顯的增加，天然氣調(diào)壓站調(diào)壓負(fù)荷量很大時(shí)，可選定較小的流程壓比，從而充分減小液化流程比功耗；反之，可選定較大的流程壓比，以減小液化流程對(duì)膨脹流股天然氣流量的需求。

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