級聯式天然氣液化工藝模擬研究

肖 婷，李憲昭，尚增輝

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級聯式天然氣液化工藝模擬研究

肖 婷，李憲昭，尚增輝

（中國石油集團工程設計有限責任公司 華北分公司，河北 任丘 062550）

主要對級聯式天然氣液化流程進行研究，并通過工藝模擬軟件對級聯式天然氣液化流程進行模擬分析。通過分析得出級聯式天然氣液化工藝是實用可靠的天然氣液化工藝。該工藝具有技術成熟、操作穩定以及能耗低的優點，適合于小型基本符合型天然氣液化工廠。

級聯式；天然氣；液化；模擬軟件

相比于煤和石油，天然氣是一種優質潔凈的能源。天然氣的開發利用也越來越受到各國的重視。天然氣液化是天然氣利用的一個重要方式。液化天然氣與常規氣態天然氣相比在運輸和調峰方面具有巨大的優勢[1]。

1 天然氣液化流程

目前主要的天然氣液化工藝有：級聯式液化流程、膨脹機式液化流程以及混合冷劑液化流程。其中，混合冷劑液化流程又分為：閉式混合冷劑制冷液化流程、開式混合冷劑制冷液化流程和帶丙烷預冷的混合冷劑液化流程。級聯式液化流程一般用于小型基本負荷型液化工廠[2,3]。

級聯式液化流程與其他流程相比具有以下優點：

1）能耗低；

2）制冷劑為純物質，無配比問題；

3）技術成熟，操作穩定。

本論文主要對級聯式天然氣液化流程模擬設計進行分析研究。

2 液化流程工藝分析

2.1 裝置處理能力

裝置天然氣液化能力為105×104Nm3/h（1 830 kmol/h）；

年操作時間為：8 000 h。

2.2 原料氣組成

本論文中的所需液化的天然氣為經過處理的純凈天然氣，其組成如表1所示。

表1 原料氣的組成

2.3 熱力學方法選取

本文天然氣液化使用的是Peng-Robinson狀態方程[4,5]。

Peng-Robinson方程的通用形式如下：

其中：

式中，aα是與氣體種類有關的常數。

2.4 液化工藝流程

本文所采取的級聯式天然氣液化流程工藝流程如圖1所示[6,7]。

圖1 級聯式天然氣液化工藝流程圖

在本流程中所選取的三種冷劑分別是丙烷、乙烯和甲烷。其中丙烷的作用是預冷冷劑乙烯和甲烷；乙烯的作用是預冷甲烷和為冷箱1和冷箱2提供冷量；甲烷的作用為冷箱3提供深冷冷量對天然氣進行液化，并對冷箱1和冷箱2提供冷量對天然氣進行預冷。

在本液化工藝運行過程中，在丙烷循環制冷系統中丙烷經過壓縮機C107升壓和空冷器E107冷卻至30 ℃后經節流閥節流至獲得-32.8 ℃的低溫，然后先后通過換熱器E108和E110分別對乙烯冷劑和甲烷冷劑進行預冷。

乙烯制冷循環系統中乙烯經壓縮機組（C105和C106）升壓和E108換熱預冷后通過節流閥2節流獲得-94.6 ℃的低溫，然后通過E109對甲烷冷劑進行進一步預冷。對甲烷冷劑預冷之后的乙烯先后進入冷箱2和冷箱1對天然氣進行預冷。

甲烷制冷循環中甲烷經壓縮機（C103和C104）升壓和E110以及E109預冷至092.6 ℃后經節流閥3節流后獲得-154.9 ℃的低溫，然后先后進入冷箱3、冷箱2和冷箱1對天然氣進液化。

原料氣的液化過程是：原料經壓縮機組（C101和C102）以及空冷器E102降溫后進入冷箱1。原料氣在冷箱1中被冷卻至-35 ℃后進入冷箱2進一步冷卻至-80 ℃。從冷箱2出來的原料氣進入冷箱3進一步冷卻至-150 ℃液化。最后從冷箱3出來的液化氣經節流閥4節流至儲存壓力后進入低溫分離，分離器閃蒸出的氣相經冷箱3回收冷量后作為燃料氣，液相作為LNG產品進入儲罐。

3 主要設備工藝參數

在天然氣液化工藝中冷箱是重要的換冷設備，其設計和工藝參數的選取對整個液化流程有這重要的影響。從1可以看出，在本文所研究的天然氣液化流程中含有三個LNG冷箱：冷箱1、冷箱2以及冷箱3。三個冷箱的工藝參數分別在表2、表3以及表4中列出。

表2 冷箱1工藝參數

表3 冷箱2工藝參數

表4 冷箱3工藝參數

流程中冷劑及LNG節流閥的工藝參數如表5所示：

表5 節流閥工藝參數

4 模擬結果

制冷劑循環量見表6。

表6 制冷劑循環量

根據優化后的工藝參數,采用本文工藝天然氣液化的各產品的量如表7所示。

表7 液化產品的量及液化率

表8和表9中數據分別是是LNG及燃料氣的組成。

表8 LNG的組成

續表

分子式含量,%(w) n-Butane9.43E-03 i-Pentane3.14E-03 n-Pentane2.09E-03 n-Hexane2.09E-03 Nitrogen6.45E-03

表9 燃料氣的組成

從模擬結果可以看出，在第三節中的工藝參數下原料氣的液化率達到99.13%。

5 結 論

級聯式天然氣液化流程中由于采用的冷劑均為純凈物，因此在液化過程中不存在冷劑配比的問題，簡化了工藝參數選取的難度，且操作穩定。

級聯式天然氣液化工藝中采用了丙烷、乙烯和甲烷三種不同冷劑分別為天然氣液化過程提供了淺、中、深三種冷源，并且三種冷劑的制冷循環之間也存在冷量交換：丙烷為乙烯和甲烷的預冷提供冷量、乙烯為甲烷的預冷提供冷量。三種冷劑的壓縮機組相互獨立有利于充分優化不同冷劑的所需壓力和減小整個工藝的能量消耗。

由于以上特點，級聯式天然氣液化流程適合小型基本負荷型天然氣液化工廠。

［1］張宏杰. 天然氣液化裝置及工藝設計與應用研究[D].廣州：華南理工大學, 2014.

［2］王春燕，邵方元，朱新，張彩珠,等. 混合制冷劑液化天然氣過程的有效能分析[J]. 化工進展, 2013,11(32): 2604-2608.

［3］孫春旺. 丙烷預冷混合制冷劑二次分離液化工藝計算[J]. 煤氣與熱力, 2011,5(31):B12-1B14.

［4］賈榮,林文勝. 混合制冷劑中重烴對天然氣液化流程的影響[J].化工學報, 2015, S2(66): 379-386.

［5］劉嘉;肖婷;李憲昭;李大昌,等. 原油分餾穩定工藝計算[J]. 當代化工, 2014,1(44): 423-426.

［6］宋寶林;李憲昭;周立賢;周秀云,等. 油田伴生氣輕烴回收工藝研究[J]. 當代化工, 2015,10(44): 2400-2405.

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Simulation Research of Cascade Natural Gas Liquefaction Process

XIAO Ting, LI Xian-zhao, SHANG Zeng-hui

（China Petroleum Engineering CO.,LTD. North China Company, Hebei Renqiu 062550，China）

The process of cascade natural gas liquefaction was investigated. And the process simulation software was used for simulation and analyzing of the process. The simulation results show that the cascade natural gas liquefaction process is practical and reliable. This process has the advantages of technological maturity, good operating stability and low energy consumption. This process is suitable for small natural gas liquefaction plants.

Cascade; Natural gas; Liquefaction; Simulation software

TE 624

A

1671-0460（2016）06-1176-03

2016-04-15

肖婷（1981-），女，工程師，研究方向：油氣田地面工程及分離工程。

李憲昭（1986-），男，工程師，碩士,研究方向: 油氣田地面工程及分離工程。E-mail：lxz861020@yeah.net。