氟利昂預冷混合制冷劑煤層氣液化工藝介紹和模擬計算

俞一帆，張小飛，朱長浩，楊少越

（1.中國空分工程有限公司，浙江杭州 310051；2.德希尼布化學工程(天津)有限公司上海分公司，上海 200031；3.查特深冷工程系統(常州)有限公司，江蘇常州 213000）

前言

煤層氣是指儲存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產資源，屬非常規天然氣，是近一二十年在國際上崛起的潔凈、優質能源和化工原料。煤層氣熱值與天然氣相當，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產生任何廢氣，是很好的工業、化工、發電和居民生活燃料。目前，我國煤層氣資源豐富，居世界第三，隨著世界能源危機的加深和環境問題的突出，對煤層氣的利用已經越來越重要了。煤層氣除了管道運輸外，液化儲運也是一種選擇，特別是在城市冬季用氣需求急劇增加時可以對燃氣的不足起到調峰作用，另外通過液體槽車替代長距離管道輸送可以減少風險、節省投資、降低運輸成本。

1 液化裝置的流程介紹

本項目煤層氣液化采用3套液化能力為100000 m3/d的裝置，采用氟利昂預冷混合制冷劑制冷的液化工藝流程。液化裝置包含的主要設備有：主冷壓縮機組、預冷壓縮機組、液化冷箱和配套的混合冷劑儲罐。

主冷制冷循環采用混合制冷劑，經主冷壓縮機（K-02）壓縮后在油分離器中分離出大部分潤滑油，然后經精細過濾器中進一步過濾掉攜帶的潤滑油，再經后冷卻器冷卻，最后進入冷箱。在冷箱中，高壓混合制冷劑首先經板翅式換熱器（E-01）冷卻至-5℃，然后進入分凝分離器（V-01），在其中分離成氣液兩相：其中的氣相混合工質從頂部出口出來后依次通過板翅式換熱器（E-02）、換熱器（E-03），被冷卻后經節流閥（PV-02）節流，節流后的混合工質反向流入換熱器（E-03），在其中釋放冷量；分凝分離器（V-01）底部出來的高沸點混合工質液體經板翅式換熱器（E-02）過冷后，在節流閥（HV-01）中節流壓降，然后和板翅換熱器（E-03）反流出口的低沸點混合冷劑混合后反向流經板翅式換熱器（E-02），然后進入分凝分離器（E-100）的低壓入口，在其中釋放冷量后再反向流過板翅式換熱器（E-01），之后流出冷箱，回到主冷壓縮機（K-02）的吸氣口，完成主冷循環。

預冷制冷循環冷劑采用氟利昂R22，經預冷壓縮機（K-01）壓縮后在臥式油分離器中分離出潤滑油，然后進入水冷冷凝器，在其中和冷卻水換熱，冷凝成液體，然后進入貯液罐。貯液罐的作用在于緩沖及調節系統中循環的制冷劑流量，液體制冷劑從其底部出口流出后在過冷換熱器中得到過冷，然后再經過過濾器進入冷箱。液相R22在冷箱中經節流閥（PV-01）節流后從冷端進入板翅式換熱器（E-01），在其中釋放冷量，蒸發成氣相后流出冷箱。在過冷換熱器中進一步利用冷量后回到預冷壓縮機（K-01）的吸氣口，完成預冷循環。

煤層氣經過調壓計量、脫硫（H2S）、脫碳（CO2）、干燥過濾等預處理后進入液化冷箱，依次通過板翅式換熱器（E-01）、（E-02）、（E-03），溫度逐步降低，變成過冷的液化煤層氣后離開冷箱，經過調節閥節流后進入LNG儲罐。其中主冷制冷循環和預冷制冷循環為整個液化裝置提供冷源。煤層氣液化工藝HYSYS流程如圖1所示。

圖1 煤層氣液化工藝HYSYS流程

2 液化裝置的工藝特點

本項目煤層氣液化裝置的自控系統采用獨立配置的PLC控制系統，通過PLC控制預冷壓縮機組、主冷壓縮機組和液化冷箱，同時該系統滿足全場緊急狀態或者事故狀態下的關斷、急停等要求。選用的螺桿壓縮機可以通過滑閥來調節載位，可使運行載位在0～110%范圍內連續可調，變負荷能力非常強。液化裝置可以根據煤層氣的氣源狀況，選擇部分或全部運行，可以適應負荷在較大范圍內變化。本套工藝可很好的適應上游氣源流量或壓力不穩定的情況，且低負荷條件下相對能耗不增加。

主冷和預冷冷劑壓縮機組選用國內的油潤滑螺桿壓縮機。相對于活塞式、離心式壓縮機來講，油潤滑螺桿壓縮機具有制造方便周期短、可靠性高、尺寸較小、壽命長、維護保養容易等優勢。本套裝置采用國產自主專利的潤滑油處理技術，可很好的解決潤滑油低溫凍堵的問題，保證螺桿壓縮機連續、可靠地運行。

對于壓縮機組和冷箱兩個核心設備，本套工藝采用撬塊式制作模式，壓縮機組及冷箱全部在加工廠進行制作和調試，發貨至現場后只需要幾個模塊間進行簡單拼接，省去了其他離心或活塞機組現場連管、組裝的大部分工作，可大大縮短現場施工的時間。撬裝式的裝置非常適合小型的液化工廠。

3 液化裝置的模擬計算

3.1 模擬參數和計算

HYSYS是世界著名油氣加工模擬大型專家系統軟件，廣泛應用于石油開采、儲運、天然氣加工、石油化工、精細化工、制藥、煉制等領域，在全球石油化工模擬和仿真技術領域占據主導地位[1]。本項目流程模擬采用Peng-Robinson狀態方程進行物性計算。在該模擬計算前端，通過預處理裝置將原料煤層氣中的H2S、CO2、H2O等雜質除去。凈化后的原料氣NG和混合制冷劑MR-SUM的組成，各個組分的具體含量如表1所示。

用P-R方程對圖1工藝流程物性進行計算，其結果如表2所示。

表1 原料氣和混合制冷劑組成（體積百分比）

3.2 流程參數對液化性能的影響

在氟利昂預冷混合制冷劑煤層氣液化流程中，許多參數的調整將影響流程的液化性能，這些參數有：煤層氣的組分、壓力、溫度；混合制冷劑的組分、壓力、溫度；預冷壓縮機和主冷壓縮機的循環量；煤層氣經過不同換熱器后的溫度；調節閥后的壓力。運用HYSYS分析這些參數對流程性能的影響，可以優化混合制冷劑的配比、降低壓縮機的能耗、節約項目的投資成本。下面是本裝置模擬計算和流程優化過程中的一些經驗：

（1）原料煤層氣入口壓力的升高，液化煤層氣所需的冷量減少，從而所需的制冷劑流量下降。但壓力的增高會導致過程設備、管道的設計壓力提高，也會增加裝置的建設成本，提高煤層氣入口壓力也需要功耗。

表2 計算結果匯總

（2）混合制冷劑的合理配比是模擬計算的難點，通過HYSYS軟件可以查詢各組分可靠的平衡數據與物性參數。使用制冷劑將煤層氣冷卻和液化的基本原則是要將原料氣的冷卻和加溫曲線相互匹配，這樣熱力循環效率才能更高，并減少生產LNG所需要的單位能耗[2]。本項目混合冷劑組分的配比可以通過配套的混合冷劑儲罐進行靈活的調節。

（3）煤層氣中的含氮量較高，液化率不宜選擇過高，通過計算結果匯總表2流程節點LNG2可以看到該裝置的液化率為87.79%（氣相分數：0.1221）。較優的混合制冷劑配比隨煤層氣含氮量的變化有著明顯的變化。其中混合制冷劑中氮的摩爾分數隨著煤層氣含氮量的增大而迅速增大[3]。在液化率一定的情況下，系統的單位功耗隨著含氮量的增大而增大。

（4）在原料氣組分、壓力、溫度等條件給定下，通過HYSYS模擬計算，將流程參數的信息與壓縮機選型和冷箱中板翅式換熱器選型相匹配。調整HYSYS中板翅式換熱器的最小溫差、積分溫差，使煤層氣和混合冷劑的換熱曲線趨于合理。冷劑循環量的增加、壓縮機排氣壓力的增加都能提高液化率，同時也會增加能耗。在優化混合制冷劑組分后，冷劑的循環量、排氣壓力還需要與市場中的壓縮機產品相匹配。

4 結束語

筆者結合某煤層氣液化項目的實際情況，介紹分析了該裝置的工藝特點，并運用HYSYS軟件對這種采用氟利昂預冷混合制冷劑制冷的煤層氣液化工藝進行模擬計算，實現了煤層氣的凈化和液化。通過分析流程參數對液化性能的影響，總結了模擬計算和流程優化過程中的一些經驗，為小型煤層氣液化裝置的工藝設計和流程選擇提供參考。

[參考文獻]

[1]李士富，韓志杰.基本負荷型天然氣液化HYSYS軟件計算(一)［J］. 北京：石油與天然氣化工，2009，38（4）：271-274，283.

[2]顧安忠，魯雪生，等.液化天然氣技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，2010.

[3]林文勝，高婷，顧安忠，辜敏.含氮煤層氣液化工藝[C].上海：2009年上海市制冷學會學術年會論文集，2009.

收稿日期：2018－01－30