帶丙烷預冷混合制冷劑天然氣液化工藝優化

基金項目：河北省重點研發計劃（批準號：22314601D）資助的課題。

作者簡介：張曉莉（1986-），工程師，從事石油化工工程相關工作。

通訊作者：李憲昭（1986-），高級工程師，從事石油化工工程相關工作，lxz861020@yeah.net。

引用本文：張曉莉，逯國英，雷莎，等.帶丙烷預冷混合制冷劑天然氣液化工藝優化[J].化工機械，2024，51（2）：295-299.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402019

摘 要 丙烷預冷混合制冷劑（C3/MRC）天然氣液化工藝是目前基本負荷型天然氣液化工廠使用最廣泛的液化工藝，通過對C3/MRC天然氣液化工藝進行研究，并結合工藝模擬軟件Hysys中的Optimizer模塊，運用黑箱法（BOX）對液化流程的相關參數進行了優化，得到合理的工藝參數以降低液化過程中的能耗。

關鍵詞 天然氣液化工藝 C3/MRC 黑箱法 工藝優化 能耗

中圖分類號 TK124" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）02?0295?05

天然氣作為一種優質潔凈的能源，在能源交通等領域具有廣泛的應用前景。天然氣液化技術是天然氣利用過程中的一項重要技術。

天然氣液化工藝主要有級聯式液化流程、混合制冷劑液化流程（MRC）、帶丙烷預冷的混合制冷劑（C3/MRC）液化流程及帶膨脹機的液化流程等。目前，世界上接近80%的基本負荷型天然氣液化工廠采用的都是帶丙烷預冷的混合制冷劑（C3/MRC）液化流程[1]。

采用合理的液化工藝和合理的工藝參數對天然氣液化具有重要的意義。因此，采取合適的技術手段對天然氣液化工藝參數進行優化得到合理工藝參數是非常必要的。

1 丙烷預冷混合制冷劑（C3/MRC）天然氣液化工藝優點

丙烷預冷混合制冷劑（C3/MRC）天然氣液化工藝最早在20世紀70年代發展起來，隨著不斷更新和不斷完善，在天然氣液化領域應用越來越廣。該工藝主要具有以下優點[2，3]：

a. 機組設備少、流程簡單、投資較經典的級聯式液化工藝低;

b. 管理方便;

c. 混合制冷劑組分可以部分或全部從原料氣中獲得或補充。

除了具有以上優點以外，丙烷預冷混合制冷劑液化工藝也具有一些缺點：

a. 能耗較高，C3/MRC工藝的能耗比經典的級聯式液化工藝高10%～20%左右;

b. 不易得到合理的制冷劑配比。

2 C3/MRC液化工藝的重要工藝參數

天然氣丙烷預冷混合制冷劑液化流程主要由丙烷預冷循環、混合制冷劑制冷循環和天然氣液化3部分組成。天然氣液化過程的能量消耗主要用于丙烷預冷循環壓縮機和混合冷劑壓縮機。合理的選取相關工藝參數和混合制冷劑的配比可以有效降低天然氣液化過程的能量消耗[4，5]。

2.1 原料氣進氣壓力

文中以國內某處理量為200×104 Nm3/d的采用C3/MRC液化工藝的天然氣液化裝置為研究對象，表1中為該裝置的原料氣組成。在天然氣液化過程中，原料氣冷卻降溫所需的制冷負荷占整個液化流程制冷負荷的大部分。因此在低溫下原料氣的定壓比熱容C直接影響到液化過程能耗的高低、制冷劑的配比和用量以及各換熱的負荷。

圖1反映的是原料氣壓力在3.0～6.0 MPa區間內定壓比熱容與壓力的關系。從圖中可以看出在3.0～6.0 MPa的范圍內原料的定壓比熱容隨著壓力的升高而降低。因此，在液化過程中增大原料氣的壓力可以減少液化過程的制冷負荷，但是增大原料氣的壓力會增大上游原料氣壓縮機的負荷。選擇一個合適的進料壓力可以有效降低整個液化過程的能量消耗。因此，在天然氣液化模擬過程中應該選取一個合適的原料氣進料壓力以減少天然氣液化過程的能耗[6～8]。

2.2 天然氣液化混合制冷劑組成及用量

C3/MRC天然氣液化工藝所使用的混合制冷劑的主要成分為N、CH、CH以及少量的C3H8。混合制冷劑的組成對液化過程的能耗、制冷劑的用量以及換熱器的效率與選型有非常大的影響。甚至如果混合制冷劑的組成選擇不合理，最終得不到合格的液化天然氣產品，文中制冷劑的組成和用量將作為對液化流程進行優化的變量。

2.3 丙烷預冷溫度的選擇

丙烷預冷是C3/MRC天然氣液化工藝的最大特點，選取合理的預冷溫度對于整個液化流程十分重要。丙烷預冷溫度的選擇主要與丙烷可以達到的最低溫度和相關換熱器的性能有關。在實際生產中，丙烷蒸發器的最低壓力在0.12 MPa左右。丙烷在0.12 MPa的飽和溫度約為-38 ℃，而目前翅片換熱器可以接受的最小溫差為3 ℃。因此，在液化流程中原料氣和制冷劑預冷溫度不應低于-35 ℃[9，10]。

除此之外，各段冷箱的原料氣和制冷劑的進出口溫度、各節流閥的前后壓力及各冷箱的換熱溫差等參數對整個液化流程都有著重要的影響。

3 C3/MRC液化工藝優化

3.1 液化流程優化方法

文中液化流程工藝參數的優化利用Aspen Hysys軟件的Optimizer功能實現。Optimizer是Aspen Hysys軟件中自帶的多變量穩態優化器。Optimizer具有自己的電子表格來定義目標函數和約束表達式。它可以把建立最大化利潤、最小化公用消耗或最小化換熱器UA（換熱面積與總傳熱系數的乘積）值作為目標函數來實現對工藝流程的優化。在優化中選用的是Optimizer中的BOX（黑箱）優化方法對整個液化工藝的制冷劑配比、運行壓力及液化溫度等參數進行優化，BOX算法是一種基于非線性規劃單純形法的直接搜索算法，可通過復合形的反射與收縮來尋求最優解。

3.2 優化參數及限制條件的選取

圖2是C3/MRC天然氣液化工藝原理流程圖。整個液化流程由原料氣增壓模塊、丙烷預冷模塊、冷劑壓縮模塊和天然氣液化模塊4個部分組成。

在天然氣液化工藝優化中主要選取以下相關工藝參數進行優化：

a. 原料氣進口壓力;

b. 混合制冷劑的組成;

c. 混合制冷劑出液化冷箱壓力;

d. 各級冷箱制冷劑及原料氣的進出口溫度。

在天然氣液化工藝模擬計算中需要注意以下幾點：

a. 根據設備制造的實際情況，目前冷箱（翅片式換熱器）的最小換熱溫差可以達到3 ℃。因此，在模擬計算中應滿足各段冷箱的最小換熱溫差不小于3 ℃。

b. 混合制冷劑對天然氣進行冷卻液化后，離開換熱冷箱進入冷劑循環壓縮機升壓。因此，應通過調整工藝參數確保在制冷劑離開冷箱時為氣相，避免液相制冷劑進入冷劑循環壓縮機。

因此，優化過程中的主要限制條件為：各段冷箱的最小換熱溫差等于3 ℃;制冷劑離開冷箱的氣相分率為1。

4 優化結果

根據第3節中選定的需優化的參數和限制條件，運用Aspen Hysys的Optimizer模塊對整個液化流程進行優化。

4.1 優化后的工藝及設備參數

通過優化得到的混合制冷劑組成見表2，制冷劑總量為9 316 kmol/h。如圖1所示，天然氣液化工段共有3個冷箱：冷箱1、冷箱2和冷箱3。表3是優化后3個冷箱的最小溫差和對數平均溫差，表中3個冷箱的最小溫差均大于3 ℃。因此，目前LNG冷箱工業制造水平能夠滿足表3中對冷箱的要求。

表4～6分別是冷箱1～3的物流分布，3個冷箱的負荷分別為3.49×107、4.82×107、2.90×107 kW。

表5 冷箱2工藝參數

[物流 進口溫度

℃ 出口溫度

℃ 冷熱

流股 物質的量流量

kmol·h-1 原料氣 -60 -100 熱 3 065 制冷劑液相 -60 -100 熱 1 353 制冷劑氣相 -60 -100 熱 5 420 返回低溫制冷劑 -133.3 -63.1 冷 6 773 ]表6 冷箱3工藝參數

[物流 進口溫度

℃ 出口溫度

℃ 冷熱

流股 物質的量流量

kmol·h-1 原料氣 -100 -162 熱 3 065 制冷劑 -100 -162 熱 5 420 返回低溫制冷劑 -165.1 -136.6 冷 5 420 ] 在整個液化流程中共有3個壓縮機組：原料氣壓縮機組、冷劑壓縮機組和丙烷預冷壓縮機組。表7～9分別是優化后的各壓縮機組的工藝參數和功率情況。從表中結果可以看出，在3組壓縮機組中冷劑壓縮機組和丙烷預冷壓縮機組的能耗之和占所有壓縮機總能耗的絕大部分。因此，在工藝優化中應對制冷系統的相關參數進行優化以減少液化的能耗。

在液化流程中，節流閥的作用是對制冷劑進行等焓膨脹獲得低溫用以對天然氣進行降溫液化。表10是液化流程中節流閥1～3的優化后的工藝參數。

4.2 優化工藝參數下的液化產品

4.1節中優化的工藝參數下，整個液化流程的總能耗（僅考慮壓縮機）為3.704×104 kW/h，原料氣的液化率為89.2%。整個流程能夠產出-162 ℃的LNG產品128.3 m3/h和重烴5.2 t/h。表11中數據是LNG產品的組成。

5 結束語

通過選取原料氣進口壓力、混合制冷劑的組成、混合制冷劑出液化冷箱壓力、各級冷箱制冷劑及原料氣的進出口溫度等參數作為優化變量運行Hysys的BOX（黑箱）優化法，對C3/MRC天然氣液化工藝的相關參數進行優化，得到合理的工藝和設備參數，在保證得到合格液化產品和設備制造技術等限制的條件下降低能耗。本研究對擬建LNG液化裝置的設計和參數優化具有指導作用。

參 考 文 獻

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

[2] 李士富.油氣處理工藝及計算[M].北京：中國石化出版社，2010.

[3] 石玉美，汪榮順，顧安忠.流程參數對C3/MRC天然氣液化流程性能的影響（上）[J].天然氣工業，2004，24（2）：89-90.

[4] 李昊，吳曉南，茍珈源，等.天然氣膨脹預冷混合制冷劑液化流程操作條件優化[J].油氣儲運，2011，41（10）：1210-1217.

[5] 石玉美，顧安忠，汪榮順.單級混合冷劑天然氣液化工藝熱經濟學分析與評價[J].天然氣工業，2000，20（3）：92-95.

[6] 趙敏，厲彥忠.丙烷預冷混合制冷劑液化流程中原料氣與制冷劑匹配研究[J].西安交通大學學報，2010，44（2）：108-112.

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

[8] 夏丹，鄭云萍，李劍峰，等.丙烷預冷混合制冷劑液化流程用能優化方案[J].油氣儲運，2015，34（3）：267-270.

[9] 趙敏，厲彥忠.C3/MRC液化流程中原料氣成分及制冷劑組分匹配[J].化工學報，2009，60（12）：50-57.

[10] 孫恒，耿金亮，那鳳祎，等.基于粒子群優化算法的雙混合制冷劑液化工藝參數優化[J].天然氣化工—C1化學與化工，2022，47（2）：116-121.

（收稿日期：2023-04-10，修回日期：2023-09-26）

Optimization of Liquefaction Process with Propane

Pre?cooling Mixed Refrigerants

ZHANG Xiao?li ， LU Guo?ying ， LEI Sha ， HE Shao?kang ， WANG Yue ， LI Xian?zhao

（North China Company of China Petroleum Engineering Co.， Ltd.）

Abstract" "The liquefaction process with propane pre?cooling mixed refrigerant （C3/MRC） becomes a widely?used liquefaction process for basic natural gas liquefaction plants. Through investigating C3/MRC LNG liquefaction process， combining with Optimizer module in Hysys process simulation software， the black BOX method was adopted to optimize relevant parameters of the liquefaction process so as to obtain proper process parameters for energy consumption reduction in the liquefaction process.

Key words" " LNG liquefaction process， C3/MRC， liquefaction， BOX method， process optimization， energy consumption