氮氣膨脹制冷天然氣液化工藝研究

王志剛，賈緒平，張 琪

（山東實華天然氣有限公司，山東 青島 266001）

氮氣膨脹制冷天然氣液化工藝研究

王志剛，賈緒平，張 琪

（山東實華天然氣有限公司，山東 青島 266001）

通過對氮氣膨脹制冷天然氣液化工藝進行模擬和分析，得到各關鍵參數對該液化系統的液化率和比功率的變化情況：隨著原料氣壓力增大，液化率和比功率分別呈近線性增大和減小，原料氣溫度的影響與之相反；制冷劑高壓壓力增加或制冷劑低壓壓力減小時，液化率均呈現上升趨勢，但上升幅度有所減小；比功率呈先減小后增大勢態，即存在一個低點使得比功率最小。合理選擇制冷劑高壓壓力和制冷劑低壓壓力具有優化價值；循環制冷劑溫度或LNG儲存壓力升高，液化率線性增大，比功率顯著降低。

天然氣；膨脹制冷；LNG；工藝；模擬；分析

天然氣以其高效、優質和清潔等特性備受到重視。天然氣經過脫酸脫水處理達到相關要求后在低溫下液化，形成液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）。液化天然氣較天然氣具有體積小，便于輸送和應用的特點，適合于長距離貿易、回收邊遠天然氣等情況。此外，液化天然氣還可用于城市調峰裝置[1]，減輕城市不同季節、不同月份甚至不同時間段的用氣不均現象。正因為液化天然氣特有的優點，國際天然氣市場對液化天然氣的需求不斷增強。我國若能滿足國內對液化天然氣的供應，還能實現液化天然氣出口，其經濟效益將十分明顯。

天然氣液化裝置一般可以分為基本負荷型和調峰型兩大類?？紤]到邊遠地區氣田或氣田開發后期天然氣氣量較小，小型液化裝置或撬裝式液化裝置成為研究的重點和熱點[2]。小型液化裝置屬于調峰型裝置的一種。本文對N2膨脹機天然氣液化流程進行模擬和分析，確定流程關鍵參數對流程性能（液化率和比功耗）的影響[3]。

1 N2膨脹制冷液化流程

天然氣液化一般包括預處理（又稱天然氣凈化）和低溫液化兩部分。其中低溫液化是核心。

1.1 預處理

一般先將原料天然氣經過脫酸脫水處理除去液化過程中的不利組分（如酸性組分、水分、較重烴類及汞等）達到要求后，進入制冷系統的板式換熱器不斷降溫，使溫度降低到-163 ℃左右，即可得到LNG產品。

1.2 N2膨脹制冷液化

N2膨脹制冷液化流程[4]（如圖1所示）由兩部分組成：天然氣吸收冷量液化和N2循環制冷系統（N2為制冷劑）。制冷劑依次經冷劑壓縮機-1、空冷器-1、冷劑壓縮機-2、空冷器-2實現兩級壓縮和兩級冷卻后進入換熱器-1（高效板式換熱器）再次降溫，增強膨脹機膨脹制冷效果。N2經膨脹機膨脹后溫度非常低。然后進入換熱器-2和換熱器-1與原料天然氣逆流為其提供冷量。最后又進入壓縮系統實現循環。原料天然氣經過兩段板式換熱器后溫度逐漸降低，最后在節流閥作用下，溫度降至冷凝溫度附近。節流后的天然氣在分離器作用下，分離液態的液化天然氣和氣態的極低溫天然氣，氣態天然氣則經過兩段換熱器為原料天然氣提供冷量。

圖1 N2膨脹制冷液化工藝流程Fig.1 N2expander liquefaction process

2 初始條件

在模擬分析之前需要給定研究工況的初始條件：假設液化的原料天然氣為某長輸管道所輸氣體（具體見表1），進料溫度為30 ℃，進料壓力為4500 kPa，流量為2231 kmol/h。模擬中的原料天然氣和冷劑N2的物性計算均采用Peng-Robinson方程[5,6]。

表1 進料天然氣組成Table 1 Feed natural gas compositions %（mol）

3 N2膨脹制冷液化流程工藝分析[7]

這里主要討論影響N2膨脹制冷液化流程的主要參數：進料原料氣溫度和壓力，冷劑高壓壓力（物流12壓力）和低壓壓力（物流16壓力），冷劑循環溫度（物流18溫度）以及液化天然氣的儲存壓力對液化率和比功率的影響情況。其中，液化率=液化天然氣流量/原料天然氣流量×100%；比功率=（壓縮機總功耗-膨脹機總輸出功）/液化天然氣流量。

3.1 原料氣壓力

在保證流程持續收斂的條件下，僅僅改變原料氣壓力得到，原料氣壓力對工藝液化率和比功率的變化情況，如圖2所示?？梢钥闯觯S著原料氣壓力增大，液化率和比功率分別呈近線性增大和減小。因此在實現中，在滿足設備要求前提下盡量提高壓力有利于系統的優化運行。但另一方面原料氣壓力的增大會需要額外的能量的輸入。因此該裝置非常適用于高壓長輸天然氣管道氣制冷液化。

圖2 原料氣壓力對液化率和比功耗的影響Fig.2 Influence of inlet gas pressure on liquefaction rate and specific power

3.2 原料氣溫度

改變原料氣溫度得到該系統液化率和比功率的變化情況，如圖3所示。可以看出，隨著原料氣溫度升高，比功率增大，且變化幅度也有所增大，即對于比功率來說，高溫較低溫更敏感。液化率則隨著原料氣溫度升高而降低。因此在對工藝進行優化時適當降低原料氣溫度有助于系統的運行，但一般該溫度取決于天然氣來源。

3.3 制冷劑高壓壓力

在保證流程持續收斂的條件下，僅僅改變冷劑經兩級壓縮后的高壓壓力（物流12）得到，劑高壓壓力對工藝液化率和比功率的變化情況，如圖4所示?？梢缘玫剑弘S著制冷劑高壓壓力增加，液化率呈現上升趨勢，但上升幅度有所減小，即在較高壓力下，壓力對液化率的影響較??；同時比功率隨著冷劑高壓壓力增大呈現先急劇減小后顯著增大的勢態，即存在一個低點使得比功率最小。綜合液化率和比功率的變化情況，認為制冷劑高壓壓力的選擇對系統的優化運行來說顯得比較重要。這里可以認為當制冷劑高壓壓力為3 000～4 000 kPa時效果較好。

圖3 原料氣溫度對液化率和比功耗的影響Fig.3 Influence of inlet gas temperature on liquefaction rate and specific power

圖4 冷劑高壓壓力對液化率和比功耗影響Fig.4 Influence of refrigerant high pressure on liquefaction rate and specific power

圖5 冷劑低壓壓力對液化率和比功耗影響Fig.5 Influence of refrigerant low pressure on liquefaction rate and specific power

3.4 制冷劑低壓壓力

僅改變冷劑經膨脹機膨脹后的低壓壓力（物流16）得到，劑高壓壓力對工藝液化率和比功率的變化情況，如圖5所示?？梢缘玫剑弘S著制冷劑低壓壓力降低，液化率近線性增大；同時比功率隨著冷劑低壓壓力降低呈現先減小后增大的趨勢，即存在一個低點使得比功率最小。綜合以上情況可以認為制冷劑低壓壓力的選擇有利于系統的優化運行。

3.5 循環冷劑溫度

循環制冷劑溫度即物流18溫度。改變物流18溫度得到該系統液化率和比功率的變化情況，如圖6所示。可以看出，隨著循環制冷劑溫度升高，液化率線性增大，比功率顯著降低。因此提高循環制冷劑溫度有利于系統的運行。

圖6 循環制冷劑溫度對液化率和比功耗影響Fig.6 Influence of cycle refrigerant temperature on liquefaction rate and specific power

3.6 LNG儲存壓力

如圖7，隨著LNG儲存壓力（即圖1中液化天然氣壓力）增加，液化率和比功耗分別呈上升和降低趨勢。當LNG儲存壓力增加，天然氣液化量增加，易被液化。但是隨著儲存壓力的增大儲罐造價。一般液化天然氣儲存壓力為0.1～0.8 MPa?，F實中要綜合考慮造價成本和液化情況決定LNG儲存壓力。

圖7 LNG儲存壓力對比功耗和液化率影響Fig.7 Influence of LNG storage pressure on liquefaction rate and specific power

4 結 論

通過對N2膨脹制冷天然氣液化流程進行了模擬和分析，確定進料原料氣溫度和壓力，冷劑高壓壓力（物流12壓力）和低壓壓力（物流16壓力），冷劑循環溫度（物流18溫度）以及液化天然氣的儲存壓力對液化率和比功率的影響情況。得到如下結論。

（1）隨著原料氣壓力增大，液化率和比功率分別呈近線性增大和減??；原料氣溫度對液化系統的影響相反；

（2）制冷劑高壓壓力增加或制冷劑低壓壓力減小時，液化率均呈現上升趨勢，但上升幅度有所減??；比功率則先減小后增大的勢態，即存在一個低點使得比功率最小。合理選擇制冷劑高壓壓力和制冷劑低壓壓力具有優化價值；

（3）循環制冷劑溫度升高，液化率線性增大，比功率顯著降低；

（4）LNG儲存壓力增加，液化率和比功耗分別呈上升和降低趨勢，但現實中需要綜合考慮LNG儲罐造價確定。

［1］論立勇, 謝英柏, 楊先亮. 基于管輸天然氣壓力能回收的液化調峰方案[J]. 天然氣工業, 2006, 26(7): 114-116.

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［3］Remeljej C W, Hoadley A F A. An exergy analysis of small-scale liquefied natural gas (LNG) liquefaction processes[J]. Energy, 2006, 31(12): 2005-2019.

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［6］曹文勝，吳集迎,等．撬裝型混合制冷劑液化天然氣流程的熱力學分析[J].化工學報，2008，59(S2)：53-59．

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表4 “三頂”瓦斯回收技術投用前后氣體組分對比Table 4 Gas composition contrast in before and after technical reform

由表4可以看出，瓦斯回收系統投用后，放空氣體中不存在硫化氫氣體及可燃性氣體。

系統投用后常頂瓦斯引入加熱爐作為燃料，每年可減少高壓瓦斯用量828 t，回收常頂瓦斯凝液1 000 t，每年可節省毛利400余萬元。

減少瓦斯費用=828×668=55.310 4（萬元）

增加拔頭油經濟效益=1 000×4 000=400（萬元）

參考文獻：

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Research on Natural Gas Liquefaction Process With Nitrogen Expansion Refrigeration

WANG Zhi-gang，JIA Xu-ping，ZHANG Qi
（Shandong Shihua Natural Gas Company, Shandong Qingdao 266001，China）

The natural gas liquefaction process with N2expansion refrigeration was simulated and analyzed; effects of the key parameters on the liquefaction system were investigated. The results show that, with increasing of the feed gas pressure, liquefied rate and specific power nearly linearly increase and decrease, respectively; The influence of raw material temperature on the liquefaction system is inverse; when refrigerant high-pressure pressure increases or refrigerant low pressure reduces, the liquefaction rates tend to rise, the specific power decreases first and then increases, and there is the minimum specific power. Selecting refrigerant high pressure and low pressure refrigerant has an optimized value; with increasing of circulating refrigerant temperature or LNG storage pressure, liquefied rate linear increases and the specific power significantly decreases.

Natural gas; Expansion refrigeration; LNG; Process; Simulation; Analysis

TE 64

A

1671-0460（2015）01-0170-04

2014-06-26

王志剛（1972-），男，河南許昌人，畢業于中國石油大學（華東），從事于天然氣集輸與液化方面工作。E-mail：w_zhigang45@163.com。