帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化天然氣工藝優(yōu)化

劉玉強(qiáng)，司云航（.海洋石油工程股份有限公司，天津　30045；.蘇州辰光工程咨詢有限公司，江蘇蘇州　50）

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帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化天然氣工藝優(yōu)化

劉玉強(qiáng)1，司云航2
（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.蘇州辰光工程咨詢有限公司，江蘇蘇州215101）

摘要：采用HYSYS軟件，建立丙烷一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)預(yù)冷的液化天然氣工藝模擬流程。對相同操作條件的原料天然氣，在冷量功耗相同條件下，丙烷預(yù)冷級(jí)數(shù)越多，節(jié)能效果越好，但效果逐漸減緩，而流程的復(fù)雜程度、設(shè)備數(shù)量增加較快。利用帶三級(jí)丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化天然氣流程，對原料天然氣進(jìn)行液化。通過對混合制冷劑組分配比等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到流程的最小比功耗是6.717 kW·h/kmol。液化2 000 kmol/h的原料氣，僅需3 827 kmol/h混合制冷劑，達(dá)到了工況優(yōu)化和節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：丙烷預(yù)冷；混合制冷劑；液化天然氣；工藝優(yōu)化；HYSYS軟件

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年我國天然氣表觀消費(fèi)量超過1 800 億m3，同比增長8.9 %。天然氣在一次能源中的比重為6.3 %，遠(yuǎn)低于世界平均水平的23.58 %[1]。能源發(fā)展的迫切需要，為我國天然氣行業(yè)的發(fā)展，尤其是液化天然氣工業(yè)技術(shù)水平的提高提出了新的要求。

目前，帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán)工藝是液化天然氣工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)[2]。大量文獻(xiàn)對該工藝的混合制冷劑技術(shù)進(jìn)行了研究。袁樹明[3]描述了混合制冷劑組分的選取和組分比例的確定方法；夏丹[4]以LNG比功耗為目標(biāo)函數(shù)，以制冷劑壓力和組成為決策變量，對天然氣液化流程進(jìn)行了優(yōu)化；趙敏等[5，6]提出了依據(jù)原料氣Cp-T特性調(diào)節(jié)制冷劑組分比例的方法。文獻(xiàn)對混合制冷劑組分和配比的研究，要么限于定性描述，要么基于理論計(jì)算，而對于如何利用HYSYS模擬軟件盡快實(shí)現(xiàn)流程收斂，從而確定最優(yōu)的制冷劑組分和操作參數(shù)鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。

本文基于HYSYS軟件，以某操作條件下的天然氣為例，首先對液化天然氣工藝的丙烷一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)預(yù)冷系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了對比，然后針對帶三級(jí)丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化天然氣流程，提出了如何利用BOX方法通過調(diào)節(jié)混合制冷劑組分和操作條件加速流程收斂的方法。

1　原料氣

原料天然氣組分（見表1）。利用HYSYS軟件得到該原料氣的相包絡(luò)圖（見圖1）。由圖1可知，原料氣臨界溫度是-34.28℃，臨界壓力是11.24 MPa。一般的，當(dāng)操作壓力高于臨界壓力時(shí)，原料氣更容易被壓縮液化。但考慮到經(jīng)濟(jì)成本，原料氣壓力常在4 MPa～5.5 MPa范圍內(nèi)選擇。本流程模擬中，原料氣操作壓力為4.5 MPa，操作溫度為40℃。根據(jù)原料氣組成和操作條件，相平衡計(jì)算選擇PR狀態(tài)方程，焓熵等熱物性采用Lee-Kesler方程。

2　液化流程

丙烷單級(jí)預(yù)冷液化天然氣工藝流程（見圖2）。原料氣經(jīng)過丙烷單級(jí)預(yù)冷后，溫度降至-35℃，在分離器（V-101）進(jìn)行氣液分離，氣相在冷卻器（E-102）中進(jìn)一步冷凝至-162℃，再經(jīng)過節(jié)流閥（VLV-100）降壓得到常壓下的LNG，進(jìn)入儲(chǔ)罐。在單級(jí)預(yù)冷模擬流程中，液化2 000 kmol/h的原料天然氣，丙烷的消耗量為1 173 kmol/h，對應(yīng)的冷量為3 128 kW。保持實(shí)際預(yù)冷功耗不變，采用丙烷二級(jí)預(yù)冷和丙烷三級(jí)預(yù)冷，流程圖（見圖3），相應(yīng)的功耗（見表2）。由表2可知，液化天然氣過程中，在實(shí)際預(yù)冷功耗不變的前提下，丙烷預(yù)冷的級(jí)數(shù)越多，節(jié)能效果越好。但隨著預(yù)冷級(jí)數(shù)的增加，節(jié)能效果逐漸減緩，而流程的復(fù)雜程度、設(shè)備數(shù)量增加較快。尹全森[7]在研究混合制冷劑循環(huán)級(jí)數(shù)對制冷性能的影響時(shí)，也得到了類似的結(jié)論。為了更好的兼顧能耗與設(shè)備費(fèi)用，本文天然氣液化流程選擇帶丙烷三級(jí)預(yù)冷的工藝流程。

3　流程目標(biāo)函數(shù)、約束條件和優(yōu)化方法

3.1目標(biāo)函數(shù)

表1　原料天然氣組分構(gòu)成（摩爾分?jǐn)?shù)/%）Tab.1 Composition of natural gas（Mole Fraction/%）

圖1　原料天然氣相包絡(luò)圖Fig.1 The envelope utility of natural gas

圖2　丙烷單級(jí)預(yù)冷液化天然氣工藝Fig.2 Natural gas liquefaction process with propane single stage pre-cooled

圖3　丙烷一、二、三級(jí)預(yù)冷系統(tǒng)圖Fig.3 Propane single stage, two stages and three stages pre-cooled system

表2　一二三級(jí)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對應(yīng)的能耗Tab.2 Energy consumption on one，two and three stage propane pre-cooled system

天然氣液化流程建立以比功耗[4，5，8]為評價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，如式（1）。

式中：Ep-流程總功耗，kW；QLNG-原料天然氣的摩爾流量，kmol/h；ω-液化單位千摩爾天然氣的比功耗，kW·h/kmol。

3.2約束條件

為了滿足工藝流程和設(shè)備的要求，約束條件設(shè)置如下：

（1）多股流換熱器冷熱復(fù)合曲線的夾點(diǎn)溫差約等于3℃[3]，對數(shù)平均溫差約等于5℃。

（2）離心式壓縮機(jī)出口溫度低于150℃（過熱保護(hù)溫度）[9]。

（3）壓縮機(jī)進(jìn)口溫度必須在混合制冷劑露點(diǎn)溫度以上（Vcom=1），防止離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振。

（4）壓縮機(jī)等熵效率取75 %。

3.3優(yōu)化方法

在HYSYS7.2中，建立以混合制冷劑的組分配比、壓縮機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)出口壓力以及原料氣壓力為自變量，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為對應(yīng)法則，以液化單位千摩爾天然氣比功耗的最小值為目標(biāo)函數(shù)的模擬流程。采取適用于穩(wěn)態(tài)模式的Original數(shù)據(jù)模型和等式約束問題的BOX參數(shù)優(yōu)化方法。

模擬優(yōu)化即在滿足約束條件的前提下，主要通過調(diào)節(jié)制冷劑組分，輔助調(diào)節(jié)壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)出口壓力和原料氣壓力的方法，使全流程目標(biāo)函數(shù)最小的方法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，換熱器冷熱物流曲線應(yīng)盡可能平行或者趨勢一致，既避免了換熱過程的能量損失，又降低了因低溫突變對設(shè)備產(chǎn)生潛在危害的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

當(dāng)優(yōu)化結(jié)果暫不滿足約束條件時(shí)，可通過調(diào)節(jié)自變量的上下限逼近目標(biāo)函數(shù)的期望值[10]。采用上述方法仍未能使流程完全優(yōu)化時(shí)，可以增加約束函數(shù)的Penalty Value到原來的3～6倍繼續(xù)解算。

4　流程優(yōu)化

由于原料天然氣溫度（TNG）是40℃，丙烷的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)是-42.09℃，在［-42℃，40℃］溫度段為丙烷三級(jí)預(yù)冷系統(tǒng)分別預(yù)設(shè)制冷下限T41=-1℃，T42=-18℃，T1=-35℃。由于甲烷的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)是161.5℃，混合制冷劑制冷溫度范圍選擇在［-163℃，-42℃］區(qū)間內(nèi)，故混合制冷劑冷凝溫度預(yù)設(shè)為-100℃。一般的，一級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力選擇在0.5 MPa左右，二級(jí)壓縮機(jī)出口壓力選擇在5 MPa左右，壓縮機(jī)組的中間壓力采用等比壓縮的方式確定。在HYSYS軟件的Optimizer中導(dǎo)入制冷劑組分和壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力作為流程優(yōu)化的自變量，設(shè)置制冷換熱器的夾點(diǎn)溫差等于3℃、壓縮機(jī)進(jìn)口物料等于1作為流程優(yōu)化的約束變量。通過優(yōu)化，全流程目標(biāo)函數(shù)-比功耗的最小值是6.717 kW·h/kmol。此時(shí)多股流換熱器冷熱物流的溫度-熱負(fù)荷曲線（見圖4、圖5）。該曲線圖中紅色的熱源線和藍(lán)色的熱阱線間面積即為換熱器的熱損失，它直觀地反映了多股流換熱器的熱集成效果。流程優(yōu)化前后的參數(shù)對比（見表3）。

表3中，P57和PMR分別指壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力，MPa；PNG指原料氣壓力，MPa；T41、T42、T1分別指丙烷一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)預(yù)冷的進(jìn)口溫度，℃；T47指混合冷劑液化后的進(jìn)口溫度，℃；CH4、C3H8、N2、C2H4分別指混合冷劑的摩爾組分；FMR指混合冷劑的流量，kmol/h；ωMR、ωC3、ωMR分別指混合冷劑系統(tǒng)、丙烷預(yù)冷系統(tǒng)和全流程的比功耗，kW·h/kmol。

依據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)：混合制冷劑循環(huán)液化天然氣工藝中，制冷劑用量約為液化天然氣量的3倍。通過流程優(yōu)化，混合制冷劑用量為3 827 kmol/h，不到原料氣量的1.92倍。優(yōu)化后的流程在滿足工藝要求的同時(shí)，又達(dá)到了節(jié)能的目的。

圖4　LNG-104換熱器優(yōu)化冷熱復(fù)合曲線（T-Q）圖Fig.4 Hot and cold composite curves of heat exchanger LNG-104 after optimization

圖5　LNG-105換熱器優(yōu)化冷熱復(fù)合曲線T-Q圖Fig.5 Hot and cold composite curves of heat exchanger LNG-105 after optimization

表3　優(yōu)化前后流程參數(shù)對比Tab.3 Composition of mixed refrigerants

5　結(jié)論

（1）采用丙烷一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)預(yù)冷系統(tǒng)液化相同條件下的原料天然氣，在冷量功耗相同的條件下，丙烷預(yù)冷的級(jí)數(shù)越多，節(jié)能效果越好，但隨著預(yù)冷級(jí)數(shù)的增加，節(jié)能效果逐漸減緩，而流程的復(fù)雜程度、設(shè)備數(shù)量增加較快。

（2）利用帶丙烷三級(jí)預(yù)冷的混合制冷劑液化天然氣流程，對給定條件下的天然氣進(jìn)行液化。通過對混合制冷劑的組分配比、壓縮機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)出口壓力以及原料氣壓力等自變量進(jìn)行優(yōu)化，得到流程的最小比功耗是6.717 kW·h/kmol。液化2 000 kmol/h的原料氣，僅需要3 827 kmol/h的混合制冷劑，不到原料氣的1.92倍，達(dá)到了工況優(yōu)化和節(jié)能的目的。

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Process optimization of liquefied natural gas with propane pre-cooled mixed refrigerant cycle

LIU Yuqiang1，SI Yunhang2
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China；2.Suzhou Chenguang Engineering Consulting Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215101，China）

Abstract:Using HYSYS software,simulation processes of liquefied natural gas（LNG）were established with propane single stage,two stages and three stages pre-cooled system,respectively.For the raw material in same operation condition, the larger number of stages of propane pre-cooled,the better energy-saving effect was obtained in the case of the same cooling power cost.But the energy-saving effectiveness declined gradually.Multistage cycles made the process configuration complex and the quantity of equipments increased a lot.Liquefied natural gas process with propane three stages pre-cooled system mixed refrigerant cycle（MRC）is choosed for the liquefication of the raw material.Through process optimization such as regulating the composition of MRC, the minimum specific power consumption 6.717 kW·h/kmol was obtained.At this time, only 3 827 kmol/h mixed refrigerants were cost to liquefy 2 000 kmol/h raw gas, and achieving the goal of operaration condition optimization and energy conservation.

Key words：propane pre-cooled system；mixed refrigerants；liquefied natural gas；process optimization；HYSYS software

作者簡介：劉玉強(qiáng)，男（1980-），工程師，主要從事LNG、油氣田、煉油裝置工藝設(shè)計(jì)工作，郵箱：huaruilyq@163.com。

*收稿日期：2016－02-15

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.041

中圖分類號(hào)：TE646

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5285（2016）03-0151-05