Hysys動態模擬在LNG工廠的應用

郭 磊

（新疆喀拉通克礦業有限責任公司 富蘊 836107）

1 Hysys動態模擬技術

化工模擬過程可分為穩態模擬和動態模擬（dynamic simulation）兩類。動態模擬發展至今已有20多年的歷史，它是計算裝置的某個或多個參數發生變動時，其它所有參數如何隨時間而發生變化。因而它的計算永遠不會終結，對于任何一個參數的變動，計算結果都是系統中所有工藝參數及相應的性質隨時間變化的關系曲線[1]。

動態模擬主要用于過程動態特性的分析、控制方案的制定、開停車方案的優化以及操作工培訓軟件的開發等方面。在實際生產過程中，過程參數不停的波動，最理想的狀態也是一種動態平衡，而這種動態的狀態運動，穩態模擬是不可能實現的。因此動態模擬對實際生產更具指導意義。

2 Hysys動態模擬對象

目前，世界上成熟的天然氣液化工藝流程有三種類型，分別是復迭（階式）循環流程、膨脹機制冷流程和混合冷劑制冷流程[2]。

（1）復迭制冷循環

典型的復迭制冷循環由多個單獨的制冷循環組成，多為丙烷、乙烯、和甲烷等數個不同溫度級別的循環系統串聯，每個系統均有一個壓縮機組，獲得所需各溫度級位的冷劑。在早期的天然氣液化生產中，復迭制冷技術有較多的應用。但是其缺點很明顯，機組多，流程復雜，控制、操作和維修環節繁多，因而可靠度相對較低。有些采用復迭制冷的大型LNG生產裝置為了提高開工率，每個冷劑系統都配備了雙透平，雖然這樣做可以使裝置即使在某個透平出問題時仍然有可能保持生產，但操作越發復雜，單位投資也大大增加。目前，在超大型的基地型液化工廠，改進型的復迭制冷流程尚有應用。

（2）膨脹致冷循環

膨脹機流程為利用高壓制冷劑如氮氣、天然氣或混合氣，通過透平膨脹機絕熱膨脹降溫實現液化。由于循環氣量大、液化率低、換熱器傳熱溫差大，功耗大。而且動設備多，尤其是膨脹機的工作性能受原料氣壓力和組成變化的影響較大。此類工藝僅見于裝置能力非常小或環境特殊的場合。

（3)混合制冷循環

混合制冷劑制冷循環MRC是采用N2和C1～C5烴類混合物作為循環制冷劑的工藝。該工藝的特點是在制冷循環中采用混合制冷劑，進行逐級的冷凝、蒸發得到不同溫度水平的制冷量，以達到逐步冷卻和液化天然氣。MRC即達到類似復迭制冷循環的目的，又克服了其系統復雜的缺點。自20世紀70年代以來，混合制冷劑制冷循環包括傳統型和丙烷預冷型C3/MR已經成為天然氣液化工藝的主流。其缺點是混合冷劑的組成比例應按照天然氣原料的組成、壓力、工藝流程而異，因此通常對冷劑的配比和原料氣的氣質要求更為嚴格。流程計算需要掌握各組分可靠的平衡數據和物性參數，計算困難。

本文以美國博萊克威奇公司閉式單循環混合制冷PRICO液化工藝為研究對象，其屬于混合制冷循環的范疇。預處理合格后的天然氣從冷箱頂部引入，并向下流動，冷卻到大約-48℃時引出換熱器進入重烴分離器，將天然氣中的重烴分離，分離后的-48℃的天然氣返回冷箱，繼續向下流動，-152℃的LNG自冷箱底部流出，LNG經J-T閥節流后溫度降至-161℃后流入LNG儲罐。

混合冷劑是由氮氣、甲烷、乙烯、丙烷和異戊烷五種組分組成，冷量是通過封閉的混合制冷循環提供的。

3 動態模擬建立步驟

首先建立穩態模擬，然后添加動態模擬環境下所必須的設備信息和流程規定等，轉入動態模擬環境，對模擬流程進行調試，通過添加冷劑、改變冷劑側J-T開度、天然氣產品閥開度、液相冷劑閥開度和改變壓縮機轉速等操作手段，逐漸建立一個穩定的動態平衡。通過建立的模擬流程可以模擬液化裝置的升降負荷等過程，還可以通過添加工藝擾動，系統各狀態參數的變化情況、分析問題等。

3.1 建立穩態模擬

（1）定義模擬基礎即選擇熱力學方程及模擬組分。對于天然氣液化流程模擬一般選取PR狀態方程；本模擬流程選取組分為氮氣、甲烷、乙烯、丙烷和異戊烷五種組分。

（2）增加物流。輸入已知物流的流量、溫度、壓力以及組成等參數。

（3）增加操作。添加和定義各操作單元的工藝條件及可能的約束條件。該流程模擬中涉及到的操作單元主要有離心壓縮機、分離器、多股流換熱器（LNG）、離心泵、閥門、儲罐、混合器、三通等。

3.2 轉入動態模擬前提

（1）動態模擬中設備壓降是必須的，在HYSYS中，設備的壓降決定了物流的方向，沒有壓降就意味著沒有流動。

（2）所有的邊界物流必須進行壓力規定，內部的中間物流不能規定壓力和流量。

（3）對傳熱設備(如換熱器、加熱器等)的傳熱進行規定。

（4）對各工藝設備的尺寸等參數進行規定。在此，僅以多股流換熱器的尺寸及參數規定進行舉例說明。在動態模擬中，對于多股流換熱器必須定義的參數如下：

①換熱芯體的長寬尺寸、芯體材料、芯體層通道數量等規定。

②每層通道的板及翅片的幾何尺寸，如翅片開孔率、翅片高度、間距、翅片厚度、平板厚度等。

③每層通道傳熱規定即定義總傳熱系數U或UA值。

④每層通道壓降、每層通道的進出物流及相對流動方向的指定。

（5）添加相應的邏輯控制操作，在本流程模擬中，添加了液位控制、壓力控制、流量控制等多個邏輯控制，分別實現液位、壓力、流量的自動控制功能。

4 系統動態響應

關于系統的動態響應，用以下例子進行說明。

（1）動態模擬過程

逐漸開大天然氣側J-T閥，保持冷劑側J-T閥開度不變，讓冷箱逐漸回溫，對冷劑側J-T閥前物流溫度、J-T閥流通量（即冷劑循環量）、J-T閥Friction Delta P allowable（可利用的壓降）、閥前物流氣化率四個參數進行監測，得到動態變化趨勢圖及參數變化情況。

（2）結果分析

通過參數對比可知，當冷箱回溫，閥前有氣相產生即氣化率由0上升時，J-T閥流通量、J-T閥Friction Delta P allowable也相應的下降。冷劑側J-T的流通能力迅速下降，使得冷劑的循環量迅速下降，導致溫度繼續回升，閥前氣化率繼續增大，流量繼續下降，此外由于壓縮機防喘振控制要求，防喘閥打開，使得循環流量進一步下降，從而使冷箱溫度不可控。這就是為何在液化裝置提負荷時，要嚴格控制冷箱溫度，防止其回溫較多的原因所在。

5 結束語

（1）對于液化裝置若經過全面而詳細的動態分析找出現存的問題，那么裝置的操作就會上一個臺階，經濟效益就會有很大的提高。

（2）模擬得出的冷箱溫度分布曲線為沿冷箱高度的直線分布。根據總傳熱速率微分方程，總傳熱系數K是對微元面積dA的局部傳熱系數。由于流體的溫度沿傳熱面隨流動的距離而不斷變化（除非流體有相態的變化），因而流體的物性隨之改變（影響較大的物性有流體的比熱、導熱系數、密度和粘度等）[3]，況且傳熱過程中還發生了相變，致使對流傳熱系數是變化的，整個換熱器單位時間內的傳熱量，應當沿全部的傳熱面對總傳熱速率微分方程進行積分。基于以上原因，冷箱內部溫度分布曲線不應該是直線形式，以專門的板翅式換熱器模擬軟件得到的冷箱內部溫度分布曲線更為合理，其型式為S曲線型。但這并不影響整個工藝系統的動態模擬過程。