LNG膨脹前預冷差壓液化流程參數優化

馬國光，張晨，李曉婷，高俊，李楚

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500

2.山西天然氣有限公司，山西太原030000

3.大慶油田工程建設有限公司巴州建材分公司，新疆庫爾勒841000

LNG膨脹前預冷差壓液化流程參數優化

馬國光1，張晨1，李曉婷1，高俊2，李楚3

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500

2.山西天然氣有限公司，山西太原030000

3.大慶油田工程建設有限公司巴州建材分公司，新疆庫爾勒841000

伴隨國內外天然氣管網的迅猛發展，天然氣分輸站調壓過程蘊含壓力能的回收利用已逐漸引起業內的重視。為了有效回收天然氣分輸站壓力能，降低液化天然氣的生產成本，本文采用膨脹前預冷的液化天然氣流程回收壓力能的同時得到LNG產品。通過建立預冷系統的數學模型，對預冷冷劑的配比、預冷溫度及高、低壓力進行了參數優化，并以最大年利潤為經濟目標，利用HYSYS優化器對比分析參數優化前后的差壓液化工藝，結果表明參數優化后液化流程的年利潤總額可增加1.15×103萬元/a，有效地降低了裝置的能耗，經濟效益得到提高。

分輸站；預冷；優化；膨脹；能耗

天然氣分輸站是將上游高壓來氣調壓至中壓或低壓，然后輸送至下游用戶，傳統節流閥調壓過程將損失大量的壓力能，而采用透平膨脹機將壓力能轉化為冷能加以利用可提高分輸站經濟效益[1-2]。膨脹前預冷差壓液化流程是利用高壓天然氣經膨脹后產生的冷能液化天然氣，具有能耗低、效益高的特點[3]。

1 膨脹前預冷差壓液化天然氣流程

某天然氣分輸站來氣壓力為7.0 MPa，溫度為298 K，流量為100萬m3/d，外輸壓力為2.5 MPa，天然氣的摩爾分數組成：CH4為95.57%，C2H6為2.27%，C3H8為0.33%，i-C4H10為0.04%，n-C4H10為0.07%，C5H12為0.04%，N2為1.7%。該分輸站采用膨脹前預冷差壓液化工藝回收壓力能，其工藝流程如圖1所示。

該流程主要由預冷冷劑循環、膨脹制冷支路和天然氣液化支路組成，其中預冷冷劑循環采用三段壓縮的壓縮方式。

對于膨脹前預冷差壓液化流程，預冷冷劑循環為液化流股天然氣和膨脹流股天然氣提供預冷冷量，預冷冷量來自外冷循環，是裝置的主要能耗環節，因此其工藝參數的優化對于能耗的降低有大的影響[4]。

圖1 膨脹前預冷壓差液化天然氣流程

2 預冷冷劑選擇

2.1 預冷冷劑的參數計算

天然氣液化工藝中，常用的預冷循環有丙烷預冷和混合冷劑預冷，分別對兩種預冷循環進行計算，計算結果對比見表1。

表1 兩種預冷循環的計算比較

由表1可得，采用丙烷預冷循環比混合冷劑預冷循環的流程比功耗小，但由于丙烷預冷溫度較高，使得LNG產量較低。

2.2 預冷冷劑的經濟性分析

以最大年均利潤總額為目標函數，建立優選預冷冷劑液化工藝的經濟目標[5]：

式中，J為年均利潤總額，萬元/a；Cpro為年均產品收入，萬元/a；Ccos為年均總成本，萬元/a；Ctax為年均銷售稅金，萬元/a。

經過年均利潤總額計算得出丙烷預冷流程利潤總額為5.09×103萬元/a，混合冷劑流程利潤總額為7.32×103萬元/a，因此為了提高工藝裝置的經濟效益，建議采用混合冷劑作為預冷循環冷劑。

3 預冷冷劑參數優化模型

3.1 目標函數

本文對混合冷劑循環系統參數進行優化，優化模型以液化系統的最小比功耗為目標函數[6]：

式中：Wcmr為混合冷劑循環系統的總功耗，kW；qLNG為LNG產量，kg/h。其中，h（x1，x2，···xn）=0為等式約束，g（x1，x2，…xn）＞0為不等式約束。

3.2 約束條件

膨脹前預冷差壓液化流程中設備和參數較多，需在優化計算時設定某些工藝參數[7-8]，即：

（1）混合冷劑壓縮機的等熵效率為0.75，冷劑泵絕熱效率為0.75，天然氣膨脹機的等熵效率為0.80。

（2）混合冷劑循環中，冷卻器工質為水，最低冷卻溫度311 K。

（3）氣液兩相分離器為理想分離，分離出的氣相不攜帶液相。

（4）天然氣和混合冷劑在換熱器及管道內流動時無壓力損耗，即ΔP=0。

（5）板翅式換熱器無漏熱損耗。

為了使混合冷劑循環優化接近實際工程，則優化模型的約束條件為：

（1）混合冷劑各組分摩爾分數之和為1。

（2）氣液分離器中混合冷劑處于兩相區。

（3）壓縮機入口的混合冷劑為氣相。

（4）換熱器的最小換熱溫差為3 K。

（5）混合冷劑進壓縮機入口壓力大于150 kPa。

3.3 優化變量

混合工質壓縮機采用離心式壓縮機，混合工質壓縮機功耗為離心式壓縮機的軸功率，即：

式中：Wcmr為混合冷劑壓縮機功耗，kW；N為壓縮機軸功率，kW；Tin為壓縮機進口氣體溫度，K；R為氣體常數，J·（mol·K）；Z為氣體平均壓縮因子；ε為壓比；η為壓縮機效率；qmr為混合冷劑氣體流量，kg/s；k為氣體比熱容比。

根據以上公式可得，膨脹前預冷差壓液化流程預冷循環的能耗與混合冷劑預冷溫度、混合冷劑配比及壓力有關，因此對這幾個參數進行優化。

4 混合冷劑參數優化

4.1 混合冷劑組成及配比優化

4.1.1 混合冷劑組成

假定混合冷劑預冷溫度為223 K，基于此提出四種混合冷劑組成的方案進行對比分析。

方案一：C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12；

方案二：CH4、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12；

方案三：N2、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12；

方案四：N2、CH4、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12。

根據目標函數計算得，各方案所對應的比功耗變化趨勢見圖2。

圖2 混合冷劑組成對流程比功耗的影響

由圖2可以看出，選用的制冷劑種類不同，對壓縮機的功耗影響不同。選用C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12作為混合冷劑，液化流程比功耗最小，而添加少量的N2、CH4時流程比功耗顯著增加。

由此可得，基于系統比功耗最小，膨脹前預冷差壓液化流程的預冷冷劑的最優組成為C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12的混合。

4.1.2 混合冷劑的配比

利用HYSYS軟件對混合冷劑配比進行優化計算。

（1）自變量的選擇。混合冷劑配比的改變是通過調整物流中各組分的摩爾分數實現，由于優化器不能實現組分摩爾分數的直接調整，需要對物流的各組分進行拆分[9]。由此，優化的自變量成為C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C5H12各組分流量。

（2）目標函數及約束條件的設定。由優化模型可知，目標函數為比功耗，而混合冷劑循環總功耗為壓縮機和冷劑泵的功率之和。同時，優化計算的約束變量為換熱器夾點溫度和平均換熱溫差，有：

式中：ΔTmin為換熱器夾點溫度，K；ΔTLMTD為熱器平均換熱溫差，K。

（3）優化計算。HYSYS優化器中有FletcherReeves、QuasiNewton、BOX、SQP、Mixed五種優化算法，對于膨脹前預冷差壓液化流程，混合冷劑配比選擇采用同時適用于不等式約束和等式約束的SQP算法運行[10]。

4.2 混合冷劑預冷溫度的優化

膨脹前預冷差壓液化流程，預冷溫度直接關系著混合冷劑循環和天然氣膨脹流股提供的冷量[11]。保持混合冷劑循環的冷劑配比、壓力不變，給定不同的預冷溫度，得到預冷溫度對膨脹前預冷差壓液化流程的比功耗的影響趨勢，見圖3。

圖3 預冷溫度對流程比功耗的影響

由圖3可看出，流程比功耗隨著預冷溫度的降低而呈上升趨勢。然而，當預冷溫度高于某值時，比功耗上升趨勢平緩，而低于該值比功耗劇烈增加，所以膨脹前預冷差壓液化流程中混合冷劑預冷溫度不宜過低。該差壓為4.5 MPa，分輸量為100萬m3/d的分輸站，預冷溫度不應低于219 K。

4.3 混合冷劑高、低壓力優化

4.3.1 混合冷劑高壓壓力優化

保持混合冷劑循環系統低壓不變，給定不同的高壓壓力，可得混合冷劑高壓壓力對流程比功耗的影響趨勢，見圖4。

圖4 混合冷劑高壓壓力對流程比功耗的影響

從圖4可直觀看出，當高壓壓力從2 000 kPa增大到2 400 kPa時，流程比功耗先減小后增大，在2 100 kPa時比功耗最小，為115.61 J/g，循環量為109.17 kmol/h。根據優化模型的目標函數可認為混合冷劑循環高壓壓力最優值為2 100 kPa。

4.3.2 混合冷劑低壓壓力優化

保持混合冷劑循環系統高壓壓力不變，給定不同的低壓壓力，可得混合冷劑低壓壓力對流程比功耗的影響趨勢，見圖5。

圖5 混合冷劑低壓壓力對流程比功耗的影響

從圖5可看出，當低壓壓力從170 kPa增大到250 kPa時，流程比功耗先減小后增大，在210 kPa時比功耗最小，為101.671 J/g，循環量為108.85 kmol/h。同樣，根據優化模型的目標函數可認為混合冷劑循環低壓壓力最優值為210 kPa，且滿足約束條件，混合冷劑進壓縮機入口壓力大于150 kPa。

5 優化結果

根據HYSYS優化器的模擬優化可得，混合冷劑高壓壓力為2 100 kPa、低壓為210 kPa時，混合冷劑最優摩爾比為：C2H6∶C3H8：i-C4H10∶n-C5H12=27∶33∶26∶14。根據優化計算，流程參數優化結果見表2。

以最大年均利潤總額為目標函數，建立參數優化前后液化工藝的經濟目標，通過計算可得參數優化前的年均利潤總額為7.85×103萬元/a，參數優化后的年均利潤總額為9.00×103萬元/a，參數優化后利潤有明顯增長。

表2 膨脹前預冷差壓液化流程參數優化結果

6 結論

針對膨脹前差壓液化流程，通過對預冷循環系統建立數學優化模型，并對其進行模擬計算，得出在天然氣液化流程中，為了提高膨脹前預冷差壓液化流程的經濟效益，應采用能夠實現預冷溫度較低混合冷劑作為預冷冷劑。通過對混合冷劑的溫度及壓力優化得出膨脹前預冷差壓液化流程中混合冷劑預冷溫度不宜過低，混合冷劑循環的高、低壓力均存在最優值。由HYSYS優化器模擬優化后可得到膨脹前預冷差壓液化流程各參數的優化結果和最優混合冷劑的組成及配比，從而降低了設備能耗且利潤更高。

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Parameters optimization of pre-cooling differential pressure liquefaction process for L NGexpansion

MAGuoguang1，ZHANG Chen1，LIXiaoting1，GAO Jun2，LIChu3
1.Oiland Gas Engineering Academy of Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
2.ShanxiNaturalGas Co.，Ltd.Taiyuan 030000，China
3.Daqing Oilfield Engineering Construction Company Limited Building Materials Company，Korla 841000，China

With the rapid development of domestic and foreign natural gas pipeline network construction，the pressure recovery process of natural gas sub-transmission station has gradually attracted wide attention.In order to effectively recover the natural gas sub-station pressure energy and reduce the production cost of LNG，the pre-cooling liquefied natural gas（LNG）process is used to recover the pressure energy and obtain the LNG product.Setting up the mathematical model of the pre-cooling system，pre-cooling refrigerant ratio，pre-cooling temperature and high and low pressures is used to optimize the parameters.With the largest annual profit for the economic objectives，the parameters before and after the differential pressure liquefaction process are comparatively analyzed by HYSYS optimizer.The results show that the total annual profit of the liquefaction process can be increased by 1.15×103million yuan，which can effectively reduce the energy consumption and improve the economic efficiency.

sub-station；pre-cooling；optimization；expansion；energy consumption

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.021

馬國光（1971-），男，四川巴中人，副教授，1994年畢業于西南石油大學，現主要從事LNG生產與儲運及天然氣集輸技術的教學與研究工作。Email：swpimgg@126.com.

2016-12-07；

2017-03-09