混合制冷劑循環液化工藝能耗優化研究

王彬 王通

摘 要：混合制冷劑循環液化工藝是一種常用的天然氣液化工藝，為減少能源消耗，實現節能環保，應積極對混合制冷劑循環液化工藝進行優化。文章對混合制冷劑循環液化工藝進行了分析，并探討了混合制冷劑循環液化工藝的優化策略，以供借鑒、參考。

關鍵詞：混合制冷劑;循環液化工藝;能耗;優化

天然氣是一種清潔型能源，在環境污染問題日益加劇的當下，我國正在大力推廣天然氣。為便于存儲與運輸，通常是采取有效的工藝技術將天然氣轉化為液化天然氣。混合制冷劑循環液化工藝是一種用于天然氣處理的工藝技術，但實際應用混合制冷劑循環液化工藝的時候，由于受到各種因素的影響，容易發生能耗，因此有必要進行工藝優化。

1 混合制冷劑循環液化工藝

混合制冷劑循環液化工藝是將冷箱內混合制冷劑的熱交換為變溫過程，使得熱物流、冷物流之間的傳熱溫差保持在較低水平。混合制冷劑循環液化工藝由制冷循環、液化回路兩部分組成。混合制冷劑循環液化工藝具有流程簡單、效率較高以及設備投資較小等優勢，但也有缺點，主要是混合制冷劑配比的復雜程度與其制冷效果是相互影響的，同時混合制冷劑配比也影響著能源消耗的多少。由此可以看出，為實現能耗的降低，關鍵在于對混合制冷劑的配比進行合理確定。

2 混合制冷劑循環液化工藝能耗優化分析

2.1制冷劑配比的優化

實際應用混合制冷劑循環液化工藝的時候，混合制冷劑的配比直接影響著該工藝效果的優劣，同時也在一定程度上決定著能耗的高低。因此，必須對混合制冷劑的配比進行優化，可以從以下兩個方面入手：

1）遺傳算法。對混合制冷劑的配比進行優化的時候，可以應用遺傳算法，得到最優解。具體來說便是，對決策變量、約束條件進行明確，構建配比優化模型，并確定優化方法。采取量化評價法，再對遺傳算子進行優化設計，最后應用遺傳算法對相關運行參數進行確定。遺傳算法可以解決復雜的離散問題、非線性問題。

2）技術優化。對混合制冷劑的配比進行優化的時候，應在HYSYS技術的基礎上進行再開發。HYSYS技術有著諸多優勢，其軟件架構相對較好，同時還具有對象連接融入技術，因此其工作可以化繁為簡，不再取決于語言架構，可采取遠程組件的方式來完成。目前，采用HYSYS軟件，可開放數百個對象，同時其中包含的研究方式多達數千種。可以采取Visual Basic程序進行訪問，根據所采取的訪問方法，查看其類庫對象與屬性，然后調整變量值。通過應用Visual Basic程序，可以有效調整變量值，且擺脫了時間的限制，其變量申明一般是屬于Dim，這一對象變量通常為一般對象，編寫程序的時候，也會遇到一定的限制。

綜上，對混合制冷劑的配比進行優化的時候，應采用遺傳算法，并與HYSYS技術結合起來，對混合制冷劑的配比進行分析，可分為三個部分：1）針對配比優化問題，應在明確決策變量的同時確定限制條件;2）設定遺傳參數及其運算程序;3）利用Visual Basic程序訪問HYSYS，得到最優結果。為確保計算結果的準確性，在上述過程中，可將其種群數設定為200，將其他參數設定為默認值，然后采用VB程序建立工藝流程模型，進行適當調整，關鍵是應對制冷劑構成進行合理調整。在此基礎上，借助HYSYS軟件進行模擬核算，基于配比條件，得到相應比功耗值，將其應用到Matlab中。如果該工藝流程模型未收斂，則Matlab中的比值為10。根據實際模擬效果，液化流程中，比功耗值應為2，但HYSYS模型未收斂，提示，還要接著調整混合制冷劑的配比，重復這一計算過程，直至完全排除不合理的個體為止。以甲烷含量100%、50%、20%為例，通過采取上述方案進行優化，得到的優化結果如表1所示。

2.2工藝流程的優化

實際應用混合制冷劑循環液化工藝的時候，為實現能耗的降低，應對工藝流程進行優化，可以從以下兩個方面入手：

1）確定目標函數與約束條件。對混合制冷劑循環液化工藝進行分析，明確目標函數，主要從壓縮機功耗、甲烷預冷量兩個方面完成。約束條件主要包括，其一，首個換熱器的制冷劑、熱端面應位于兩個相區，從而在分離器的基礎上產生氣、液兩種不同的狀態;其二，制冷器處于氣相狀態;其三，確保換熱器端面無負溫差，采取別的換熱器進行分析時，明確傳熱溫差的時候，應以端面溫差為依據;其四，設立換熱器的熵增，確保全部換熱器熵增均大于0，避免負溫差的出現;其五，在每個調節閥的開關處設置相應的降溫措施，為其提供驅動力，實現全部換熱器之間的互相傳熱。

2）明確參數值與最優值。明確流程參數與最優值之前，應對制冷劑配比進行深入分析，得到數據之后進行分析，也可以將配比參數落實到優化后的工藝流程中去，設置上限、下限，以便于調整自變量，然后將優化值、目標函數導入其中。這個過程中，應高度重視迭代次數、最大變量、容差等參數，開啟優化器后，自動完成優化。最優值為6.726的時候，熱端面處于高壓時壓力為2.4Pa，溫度為0.42℃;處于低壓時，壓力為117.2Pa，溫度為0.12℃。混合制冷劑中通常含有一定的甲烷，摩爾分率應達到0.55。最優值不同的情況下，對應流程參數也要有一定不同，應具體情況具體分析。通過分析發現，有回熱的工藝流程能耗相對較少，同時效果也比較好，因此，在對工藝流程進行優化的時候，可以從雙級循環工藝入手，減少設備所需成本，盡可能地降低工藝的能耗。例如，某天然氣工廠便是采取了上述方法對相關裝置進行優化，該裝置便是采取雙級循環工藝，還應用了三級節流制冷工藝。裝置改造完成后，產量得到了明顯提高，且整體運行穩定性、安全性較好，能耗也得到了降低。

3 結語

混合制冷劑循環液化工藝具有諸多優勢，有著良好的應用前景。但能耗問題制約著混合制冷劑循環液化工藝的應用效果及其推廣。因此，有必要對混合制冷劑循環液化工藝進行優化，例如可以對混合制冷劑的配比進行優化、對工藝流程進行優化，來達到降低能耗、減少成本、提高效益的目的，更好地發揮混合制冷劑循環液化工藝的作用，助力環保事業發展。

參考文獻：

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