单级混合制冷剂液化循环适应性和调节能力研究

尹全森 李红艳 崔杰诗 季中敏 贾林祥

(哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所 哈尔滨 150080)

1 引 言

中国天然气资源丰富，但大多是零散气田、边际气田和非常规天然气源，无法依靠铺设管道运输，天然气液化后可以解决天然气的运输问题［1］。小型天然气液化厂在中国迅速发展，采用的主要流程有氮膨胀流程、氮甲烷(或天然气)膨胀流程和混合制冷剂流程，混合制冷剂液化流程相对于其它两种液化流程具有能耗低的优点，越来越多的应用在小型液化装置中［2－9］。单级混合制冷剂液化流程是混合制冷剂流程中结构最简单，设备最少的液化流程，应用在小型天然气液化装置中能够有效降低投资，同时有利于设备撬装化，功耗方面比膨胀循环降低30%以上［4，7-8］。

单级混合制冷剂液化流程中的制冷剂一般是由种成分组成，流程中可调参数较多，流程设计和操作比膨胀循环复杂。天然气液化装置受外部条件影响较大，环境温度，天然气的气量和组成等都随时间变化，这要求制冷系统具有较大的适应和调节能力。外部环境和天然气参数变化后，天然气液化需要的冷量发生变化，此时如果制冷系统参数不变，制冷能力和实际需求不匹配，制冷能力过剩时，系统运行的不经济，制冷能力不足时，液化天然气的过冷度减小，节流后有气体产生。本文针对单级混合制冷剂液化循环，模拟了环境温度、天然气流量和组成变化对制冷系统的影响，在已经选定的设备条件下，调节压缩机的运行压力、循环量和制冷剂的组成来适应外部条件变化。单级混合制冷剂循环的适应性和调节能力的研究，为采用这种液化装置的优化操作提供理论基础，提高其经济性。

2 约束条件

本文以日前正在设计的某天然气液化装置为例，每天处理量为10×104m3，天然气的制冷循环采用的是单级混合制冷剂液化流程。天然气的组成见表1，压力为4.6 MPa。

表1 天然气的组成Table 1 Composition of natural gas

在研究流程的适应性时，以所选用的设备作为约束条件:制冷剂压缩机的入口容积一定，出口压力不能大于额定输出压力，轴功率也不能大于额定的轴功率，水冷却器的换热面积固定，板翅换热器的换热面积固定。

3 对温度变化的适应性研究

天然气液化装置所在地，特别是北方地区的环境温度随着季节变化明显，冷却用水的温度也会明显变化，冬季冷却水的温度只有几摄氏度，夏季冷却水温度最高为30℃以上。装置设计时按照夏季的温度条件设计，冷却水温度降低后，有两种方法调节系统:(1)调节冷却水的流量，保证水冷却后的温度不随冷却水温度的变化而变化，此时系统中的压缩机轴功率保持不变，不能充分利用冷却水的冷能，系统运行不够经济，在此不再进行研究;(2)保证冷却水的流量不变，则水冷却器冷却后的温度随着冷却水的温度降低而降低，进入冷箱的天然气和混合制冷剂温度都降低，此时系统需要的冷量减小，可以调节制冷系统，减小制冷系统的负荷，降低制冷剂压缩机的轴功率。

当冷却水温度降低时，假定天然气气量可以调节，天然气压缩机和预处理系统的处理能力也有一定的剩余，制冷剂压缩机的进出口压力和制冷剂循环量不变时，天然气处理量随着冷却水温度的变化曲线见图1。在制冷剂压缩机轴功率不变的条件下，可液化天然气的产量增大，装置生产能力增大，单位产品的功耗减小。

图1 冷却水温度对液化天然气产量的影响Fig.1 Influence of cooling water temperature to LNG output

实际系统中的天然气流量不能按照需要增加，通过调节制冷系统的参数，降低制冷剂压缩机的功率。在制冷剂压缩机的入口容积一定的条件下，可通过调节制冷剂压缩机的进出口压力和混合制冷剂组成，来降低制冷剂压缩机的轴功率。

冷却水温度降低后，冷却水量不变，制冷剂压缩冷却后的温度降低，降低制冷剂的循环量，改变制冷剂的组成，使制冷系统耗功减小，单位产品的功耗降低，制冷系统正常运行，详见图2。单级混合制冷剂液化循环对环境温度的变化具有良好的适应性。

4 对天然气流量变化的适应性

在实际的天然气液化系统中，特别是在小型天然气液化系统中，天然气产量随着开采时间或其它外界原因，可供液化的气量会发生变化。本液化系统是按照夏季每天处理10×104m3气体设计的，如果压缩机等设备选择时没有考虑余量，优化设计的流程在夏季最大的处理量是10×104m3天然气。天然气流量增加时，制冷系统不能提供更多的冷量，系统不能液化更多的天然气，必须限制进入液化系统的天然气流量。

天然气流量减少时，调节制冷剂的循环量和压缩机的操作压力来保证系统能够比较高效的运行。在压缩机的入口容积一定的情况下，降低制冷循环的运行压力，保持压缩机的压缩比不变。制冷循环的压力降低后，制冷剂的循环量减少，制冷量随之减少，压缩机的轴功率也减小，制冷剂的循环量和压缩机的操作压力见图3。天然气流量偏离设计值后，调节制冷系统降低总的功耗，系统运行参数偏离了设计值，单位产品的功耗增加，见图4。在天然气的气量不足时，单级混合制冷剂液化流程可以调节制冷系统参数，保证系统正常运行，降低制冷系统的功率，使单位产品功耗增加较少，天然气来流减小60%，即运行在4×104m3/d时单位功耗仅比原设计增加了23%。

图2 制冷剂压缩机参数与冷却水温度的关系Fig.2 Relation of cooling water temperature and refrigerant circulation flow rate

图3 天然气流量与制冷剂压缩参数变化的关系Fig.3 Relation of cooling water temperature and discharge pressure of compressor

图4 天然气流量对单位功耗的影响Fig.4 Influence of cooling water temperature to shaft power of compressor

5 对天然气组成变化的适应性

天然气是以甲烷为主的混合气体，气体组分复杂，组分含量也会随时间变化。天然气中含有的成分很多，分析每一种组成变化对系统影响的工作量很大。天然气中低沸点的甲烷和氮气，液化温度低，气体单位体积液花需要的冷量较少;高沸点的是C2+成分，液化温度较高，气体单位体积液化需要的冷量较多。天然气中的氮气含量很少，低沸点的主要是甲烷，天然气组分变化时假定高沸点的组分之间的相对比例不发生变化，只是甲烷和高沸点的组分之间的比例变化。以制冷剂压缩机为约束条件，混合制冷剂组成和循环量为变量，分析目标气源组分变化时制冷系统的适应性。

天然气的甲烷含量增加，重组分含量减小，天然气的平均分子量减小，系统可以液化的天然气体积流量增加，单位体积产品的功耗降低。天然气低沸点含量增加，液化温度下降，单位体积液化时需要的冷量减小，减小混合制冷剂的平均分子量，制冷系统提供的制冷量减小，但是低温区提供的冷量增加，这与天然气液化需要的冷量相匹配。天然气中的甲烷含量减小，高沸点组分含量增加，平均分子量增加，液化需要的冷量增加，液化温度升高，高温需要的冷量增加，低温需要的冷量减小，调节混合制冷系统的平均分子量后，即增大制冷剂的平均分子量，使制冷系统提供更多的高温冷量，与天然气液化需要的冷量相一致，使系统可液化的天然气体积减小的很少［10］。如图5和图6天然气中的甲烷从60%增加到80%，能够液化的天然气的体积流量相差2%，调节制冷剂组成，平均分子量从39.6降到38.6，而制冷系统的功耗不变。单级混合制冷剂的天然气液化流程对于天然气的组成变化具有很大的适应与调节能力，能够应用在天然气组分不稳定的气源中。

图5 天然气液化量与甲烷含量的关系Fig.5 Relation of methane content and LNG output

图6 混合制冷剂分子量与甲烷含量的关系Fig.6 Relation of methane content and mixed-refrigerant molecular weight

6 结 论

针对单级混合制冷剂液化流程进行了适应性研究，模拟了环境温度的变化、天然气气量和组分的变化对流程参数的影响，通过调整混合制冷剂组成和压缩机的运行压力，使液化系统保持很高的液化效率。环境温度随季节变化较大的地区，冬季液化天然气产量比夏季提高30%，在产量不变时，单位功耗下降28%;天然气的气量减小60%时，系统的制冷功耗减小，单位体积的产品功耗只增加23%;天然气中的甲烷含量在60%至80%变化时，系统能够的天然气产量变化在2%。单级混合制冷剂循环通过自身调节完全能够适应外部条件变化，保持较高的液化效率，使单级混合制冷剂液化流程比氮膨胀循环的液化流程更适合应用在小型液化装置中。

1 张维江，石玉美，汪荣顺.小型天然气液化装置在中国天然气工业中的应用前景［J］.低温与超导，2008，36(3):15-18.

2 张刘樯，周 迎，师凌冰.国内小型天然气液化装置及流程［J］.油气田地面工程，2008，27(5):6-8.

3 Cao Wensheng，Lu Xuesheng，Lin Wensheng，et al.Parameter comparison of two small-scale natural gas liquefaction processes in skidmounted packages［J］.Applied Thermal Engineering，2006(26):898-904.

4 曹文胜，鲁雪生，顾安忠.小型撬装式LNG装置的流程模拟［J］.化工学报，2006，57(6):1290-1295.

5 Remeljeja C W，Hoadley A F A.An exergy analysis of small-scale liquefied natural gas(LNG)liquefaction processes ［J］.Energy，2006，(31):2005-2019.

6 尹全森，李红艳，范庆虎，等.混合工质循环与氮膨胀循环的经济性分析［J］.天然气工业，2008，28(2):148-150.

7 Finn A J，Johnson G L，Tomlinson T R.Development in natural gas liquefaction［J］.Hydrocarbon Processing，1999，(6):47-59.

8 Terry L.Comparison of liquefaction process［J］.LNG Journal，1998，21(3):28-33.

9 Johnson G L，Finn A J，Tomlinson T R.Offshore and smaller scale liquefiers［J］.LNG Journal，1999，(July-August):19-22.

10 公茂琼.深冷多元混合工质回热式节流制冷机的热力分析及其实验研究［D］.北京:中国科学院低温技术实验中心，2002.