小型天然气膨胀液化工艺模拟及研究

徐瑨浣，汪 林，汪宇彤，张佳顺

（1. 中国石化天津天然气销售营业部， 天津 300457；2. 中国石油大学（北京）， 北京 102249； 3. 山东省天然气管道有限责任公司， 山东 济南 250001）

我国油气资源分散，单井产量小，发达地区资源短缺而欠发达地区资源丰富但距离需求地距离远，且一些边远地区产气量小的气田由于管道运输费用高而不被利用，直接燃烧，造成资源极大浪费，同时对环境产生不必要污染，利用小型天然气液化装置将分散、小量的天然气液化，以LNG的形式装车运送，可实现资源的合理利用。

小型膨胀制冷液化工艺流程的原理是利用高压的制冷剂通过膨胀机膨胀降温为天然气提供冷量，使天然气液化，其中制冷剂膨胀输出功可以通过同轴压缩机输出。根据制冷剂不同，膨胀制冷液化流程可分为三种典型工艺[1]：天然气膨胀制冷流程、氮气膨胀制冷流程、N2-CH4膨胀制冷流程。小型液化天然气装置的研究是我国LNG研究的重点，能够合理地利用我国资源分散、地区偏远的天然气资源，极为有效地缓解我国的能源紧张，并减少资源浪费和环境污染。

文章首先对N2-CH4膨胀制冷工艺流程[2]简要介绍，然后利用Aspen Hysys软件对该工艺流程进行搭建、分析和研究影响该工艺的主要参数对整个流程的影响。

1 N2-CH4膨胀制冷工艺流程

N2-CH4膨胀制冷液化流程如图1所示，氮气与甲烷按照一定比例的配比组合作为制冷剂，通过压缩机增压，水冷器冷却到一定温度和压力后，一部分通过主换热器，过冷换热器降温后，再经节流阀节流降温返回过冷换热器提供冷量，后与另一部分经膨胀机膨胀降温的制冷剂汇合共同返回流经主换热器、预冷换热器提供冷量。天然气经过预冷换热器、主换热器、过冷换热器吸收冷量并液化，最后经节流阀节流降温至约-163 ℃。该流程是为了节省功耗，在氮气膨胀制冷工艺基础上做出改进，同样具有启动快、易操作的特点，但由于混合冷剂由两种物质组成，制冷剂的配比是一个难题，且甲烷是易燃气体，这就要求选用该流程的系统具有很高的防爆性能[3]。

该流程分为两部分组成：N2-CH4混合组分作为制冷剂，利用经过压缩机逐级压缩冷却的高压制冷剂，通过膨胀机膨胀降温提供冷量的克劳德循环实现循环制冷。天然气作为原料气经过换热器的逐级冷却、降温、液化，经节流阀节流降温，得到LNG产品，进入储槽储存。

2 N2-CH4膨胀制冷模型建立

2.1 基础数据

选取某净化天然气作为原料气，温度为20 ℃，压力为4 000 kPa，流率为1 200 kmol/h，物料平衡计算选取 PR方程[4]，物流经过各换热器压降为 25 kPa，取膨胀机和压缩机绝热效率为 75%，流经节流阀为等熵过程，冷剂为氮气和甲烷混合气，流率为2 000 kmol/h。换热器选用板式换热器。

2.2 N2-CH4膨胀制冷模型[5]

制冷剂N2-CH4依次通过压缩机1、冷却器1、压缩机2、冷却器2，由压缩机压缩到工作压力后，经冷却器冷却至常温，进入换热器1预冷，冷却至膨胀机的入口温度，然后由分流器将制冷剂分为两部分，一部分依次经过换热器2冷凝和换热器3过冷后，经节流阀1节流降温，返回流换热器3提供冷量；另一部分经过膨胀机膨胀，降压降温，与返流的制冷剂在物料混合器中混合，然后流入换热器2，提供冷量。经过脱酸、脱水等处理后的净化原料气，依次经过换热器1预冷、换热器2液化和换热器3过冷，最后通过节流阀2截流降温，即LNG进入储罐储存。

图1 N2-CH4膨胀制冷工艺模型Fig. 1 N2-CH4 Expansion refrigeration process model

3 N2-CH4膨胀制冷工艺参数研究

3.1 制冷剂高压压力

制冷剂高压压力即制冷剂经压缩机二级增压后（物流5）压力。在保证其他各参数保持不变情况下，通过改变制冷剂高压压力，得出液化率和比功率变化情况，如图2-3。可以看出，当制冷剂高压压力逐渐增大，膨胀机膨胀温降增多，单位制冷量增加，液化率逐渐增大。与此同时，制冷剂高压压力造成压缩机压比增大，导致压缩机功耗增大，总功耗呈上升趋势，比功耗随之增加。

图2 液化率随制冷剂高压压力变化情况Fig. 2 Liquefication ratio vs refrigerant high pressure

图3 比功耗随制冷剂高压压力变化情况Fig.3 Specific power vs refrigerant high pressure

3.2 制冷剂中的氮气含量

在保证其他各参数保持不变情况下，改变制冷剂中氮气的含量，得出液化率和比功率变化情况，如图 4-5。可以看出，当制冷剂中的氮气含量升高时，由于膨胀机的焓降减小，单位制冷量减少，液化率降低，比功耗随着氮气含量增加呈上升趋势。因此，制冷剂中氮气含量不应过高，过高的氮气含量使制冷剂提供的冷量少，天然气液化温度低，液化率低，而比功耗却很大。

图4 液化率随制冷剂氮气含量变化图Fig.4 Liquefication ratio vs nitrogen content in the refrigerant

图5 比功耗随制冷剂氮气含量变化图Fig.5 Specific power vs nitrogen content in the refrigerant

3.3 天然气进料压力

在保证其他各参数保持不变情况下，改变天然气进料压力，得到液化率和比功率变化情况，如图6-7。可以看出：随着天然气进料压力升高，液化天然气所需要的冷能减少，压缩机压缩功耗减少，比功耗随着减少，液化率呈上升趋势。

3.4 主换热器出口温度

在保证其他各参数保持不变情况下，改变主换热器出口，得到液化率和比功率变化情况，如图8-9。可以看出：当天然气主换热器出口温度逐渐升高时，为保证换热器的热平衡，膨胀机的膨胀量将减小，膨胀机的膨胀输出功减小，导致压缩机功耗增大，同时天然气在过冷换热器出口的温度升高，液化率减小，比功耗增加。

图6 液化率随天然气进料压力变化情况Fig.6 Liquefication ratio vs nature gas initial pressure

图7 比功耗随天然气进料压力变化情况Fig.7 Specific power vs nature gas initial pressure

图8 液化率随天然气主换热器出口温度变化图Fig.8 Liquefication ratio vs outlet temperature of the main heat exchanger

图9 比功耗随天然气主换热器出口温度变化图Fig.9 Specific power vs outlet temperature of the main heat exchanger

3.5 LNG储存压力

在保证其他各参数保持不变情况下，仅改变LNG储存压力，得到液化率变化情况，如图10。可以看出：当液化天然气的储存压力逐渐增大，LNG液化率随之增大。增大LNG储存压力（一般不超过800 kPa[6]），有利于提高液化率，但需承受更高压力。

图10 液化率随LNG储存压力变化图Fig.10 Liquefication ratio vs the LNG storage pressure

4 结 论

通过利用ASPEN HYSYS软件对N2-CH4膨胀制冷工艺模型搭建、模拟和分析。在保持单一变量情况下得出液化率和比功率随主要参数的变化情况：

（1）制冷剂高压压力升高，液化率升高，压缩机总功耗升高，比功耗也升高。

（2）制冷剂中氮气含量增加，液化率降低，压缩机功耗降低，比功耗增加。

（3）天然气的的主换热器出口温度降低，液化率增加，压缩机功耗减少，比功耗减少，但出口温度过低会导致膨胀量增大，节流量减小，主换热器冷量过剩。

（4）天然气进料压力增加，液化率增加，压缩机功耗降低，比功耗降低。

（5）天然气储存压力增加，液化率大大增加，但高压受储存条件限制，往往需综合考虑。

［1］李青平,孟伟,张进盛,等.天然气液化制冷工艺比较与选择[J].煤气与热力, 2012, 32(9): 4-10.

［2］毕研军,邵云巧,白世武.煤层气液化装置设计N2-CH4混合膨胀制冷工艺[J].城市燃气,2010,(10):13-17.

［3］顾安忠,鲁雪生,汪荣顺,等.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

［4］ 刘新伟,李海国,刘荚蓉.天然气液化流程模拟及其工艺计算[J].天然气工业,1999(1):97-100.

［5］顾安忠.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社,2003(10):54-63.

［6］高春梅,李清,邵震宇.液化天然气储存及应用技术[J].城市燃气,2002(2):18-23.