预冷混合冷剂液化天然气流程优化与对比

苟亚军，蒋枭潇，陈俊蕾，李爽

（乐山峨沙天然气有限责任公司，四川乐山614900）

预冷混合冷剂液化天然气流程优化与对比

苟亚军，蒋枭潇，陈俊蕾，李爽

（乐山峨沙天然气有限责任公司，四川乐山614900）

为了降低混合冷剂液化天然气流程的能耗，采用预冷措施。其中，常用的预冷方式有丙烷预冷和混合工质预冷。为获得两种预冷混合冷剂液化天然气流程的最优性能，对预冷混合冷剂液化流程建立比功耗为目标函数进行分析。同时，结合实例对丙烷预冷混合冷剂液化流程和双混合冷剂液化流程进行对比分析。结果表明：双混合冷剂液化流程较丙烷预冷液化流程的熵增小，冷凝液化效率高，且比功耗低，装置运行成本低。

丙烷；混合冷剂；预冷；优化；对比

混合冷剂液化天然气流程因其低能耗的优点，已被广泛应用于大型的LNG液化工厂。为了进一步降低流程功耗，混合冷剂液化流程采用预冷的措施。其中，常用的预冷方式有丙烷预冷和混合工质预冷。如何获得预冷混合冷剂液化天然气流程的最优操作条件，降低天然气液化过程中能量消耗从而节约运行成本，已成为LNG液化工厂需解决的问题。本文建立预冷混合冷剂液化天然气流程比功耗为目标的优化模型，并对丙烷预冷和混合工质预冷两种预冷混合冷剂液化流程进行对比，为天然气液化流程的选择提供技术支持。

1　预冷混合冷剂液化天然气流程

1.1丙烷预冷混合冷剂循环液化流程

丙烷预冷混合冷剂循环液化工艺流程（见图1）［1］。该流程由深冷混合冷剂循环、丙烷预冷循环以及天然气液化回路。

丙烷预冷循环：丙烷经压缩机压缩至高压，经水冷器冷却后节流阀节流降温为天然气和混合冷剂的预冷提供冷量。升温后的丙烷返回丙烷压缩机，完成丙烷预冷循环。

深冷混合冷剂循环：混合冷剂经低压、高压压缩机压缩至高压，经水冷器带走一部分热量，然后通过丙烷预冷循环预冷。预冷后的混合冷剂进入分离器III分离。其中，液相经换热器I冷却后节流、降温，与返流的混合冷剂混合后，为换热器I提供冷量。气相经换热器II、换热器III冷却后节流、降温，为换热器III、换热器II提供冷量。升温后的混合冷剂返回压缩机，完成混合冷剂循环。

天然气液化回路：净化后的天然气经丙烷预冷循环后进入分离器I进行重烃分离。其中，液相去重烃处理装置，气相经换热器II冷却、换热器III液化并过冷，然后经节流阀节流降压至储存压力，最后进入分离器II进行气液分离，液相为LNG产品进低温储罐。

图1　丙烷预冷混合冷剂液化工艺流程图

1.2双混合冷剂循环液化流程

双混合冷剂循环液化工艺流程（见图2）［2］。该流程由预冷混合冷剂循环、深冷混合冷剂循环以及天然气液化回路。

预冷混合冷剂循环：混合冷剂经压缩机压缩至高压，经水冷器冷却，然后进换热器I预冷后节流、降温返回换热器I，为天然气和深冷混合冷剂预冷提供冷量，最后返回压缩机完成预冷混合冷剂循环。

深冷混合冷剂循环：混合冷剂经压缩机压缩至高压，经水冷器冷却，然后经换热器I进一步冷却后进入分离器II分离。其中，液相经换热器II冷却后节流、降温，与返流的混合冷剂混合后，为主换热器II提供冷量；气相经换热器II和换热器III冷却后节流、降温，为换热器III、主换热器II提供冷量。升温后的混合冷剂返回压缩机，完成深冷混合冷剂循环。

图2　双混合冷剂液化工艺流程图

表1　天然气组成

天然气液化回路：净化后的天然气经换热器I预冷后进入分离器I进行重烃分离。其中，液相去重烃处理装置，气相经换热器II冷却、换热器III液化并过冷，然后经节流阀节流降压至储存压力，最后进入分离器III进行气液分离，液相为LNG产品进低温储罐。

2　预冷混合冷剂液化天然气流程优化分析

对某LNG工厂260×104m3/d混合冷剂液化天然气装置采用丙烷预冷和混合工质预冷两种方式工艺进行优化获得最佳流程性能。该装置天然气入口压力为5.0 MPa，温度为25℃，LNG储运压力为20 kPa（表压），温度为-161.2℃。天然气组成（见表1）。

2.1优化目标

式中：Wy为预冷循环压缩机功耗，kW；Wc为深冷循环压缩机功耗，kW；qlng为LNG流量；kg/h。

2.2优化变量

对液化装置操作参数的优化就是根据实际条件调整决策变量，称为可调变量。优化变量在可调变量中选取，这些变量在实际生产中必须可调。

丙烷预冷混合冷剂液化流程中：

式中：qCH3为丙烷流量，kg/h；qmr为深冷混合冷剂流量，kg/h；H1～3、H8～9为天然气液化回路节点1、2、3、8、9处物流总焓，H10～11为预冷循环节点10、11处物流的总焓，H14、H16、H17～18为深冷循环节点14、16、17、18处物流的总焓，（总焓：kJ/h）；h10～11、h13为预冷循环节点10、11、13处物流的比焓；h14、h16、h20为深冷循环节点14、16、20处物流的比焓，（比焓：kJ/kg；节点见图1）。

双混合冷剂液化流程中：

式中：qymr为预冷混合冷剂流量，kg/h；H10、H12为预冷循环节点10、12处物流总焓，H16、H18～20为深冷循环节点16、18、19、20处物流的总焓，（总焓：kJ/h）；h10、h12～13为预冷循环节点10、12、13处物流的比焓；h16、h18、h20为深冷循环节点16、18、20处物流的比焓，（比焓：kJ/kg；节点见图2）。

由式2～9可得，预冷混合冷剂液化天然气流程性能指标都涉及到焓值。焓值是由某一状态点的压力P、温度T、摩尔分率Zmol及流量q决定。由此可知，在液化装置的设备条件固定及不考虑设备热量损失的条件下，确定以上两种预冷混合冷剂液化天然气流程的可调变量数及可调变量的选择（见表2）。

2.3约束条件

在天然气液化装置处理量一定的的情况下，优化变量的取值除了使各换热器满足能量平衡外，同时应使液化流程满足以下约束条件［3］：

式中：Thmr为分离器III处高压冷剂的温度，℃；Tbhmr为分离器III处高压冷剂的泡点温度，℃；Tdhmr为分离器III处高压冷剂的露点温度，℃；Tlmr为换热器I热端面处低压冷剂的温度，℃；Tblmr为换热器I热端面处低压冷剂的泡点温度，℃；Tng为换热器I热端面处天然气温度，℃；ΔSHEAT为各换热器熵增，J。

2.4优化方法

优化方法主要有黑盒子法、混合法和序列善次归化法。其中，序列善次归化即SQP法是当前公认的最有效的方法之一，同时在实际工程中应用广泛。因此，预冷混合冷剂液化天然气流程参数优化选择SQP优化方法。

目标函数和约束条件可以写成如下形式［4-5］：

表2　可调变量数及可调变量选择

SQP法的计算步骤为：

（1）将式（14）转化为善次归化问题式（15）

（2）选定初始点x（0），给定初始矩阵Q（0）=I，置k=0；

（3）对善次归化问题（13）进行迭代求解x（k）；

（4）若满足终止准则，输出结束；否则，转（5）；

（5）直线搜索，确定步长，令x（k+1）=xk+αΔx；

（6）修正近似矩阵Q（k），转（3）。

3　混合冷剂配比计算方法

以上两种预冷混合冷剂液化流程中，混合冷剂组成及配比通过影响混合冷剂的焓值从而对天然气液化流程的比功耗产生影响。因此，混合冷剂合理的组成和配比是预冷混合冷剂液化天然气流程追求低能耗的基础。

不同的混合冷剂循环，要求的混合冷剂组成不同。丙烷预冷混合冷剂液化流程中，丙烷预冷温度约-30℃左右；深冷循环的制冷温区为-30℃至-160℃左右，混合冷剂应由CH4～C3H8和N2成分组成。双混合冷剂液化流程中，预冷温度最佳温度为-50℃，预冷混合冷剂应由C2H6～C5H12成分组成，深冷循环的制冷温区为-50℃至-160℃左右，混合冷剂应由CH4～C3H8和N2成分组成。

混合冷剂配比的计算以APCI提出的确定混合冷剂构成的一般原则［6］为基础，通过HYSYS模拟优化得出。混合冷剂配比优化策略（见图3）。

图3　混合冷剂配比优化策略

表3　预冷混合冷剂液化天然气流程优化参数对比

4　优化结果及对比

通过优化计算确定了以上两预冷混合冷剂液化天然气流程的优化变量。优化后的各参数（见表3）。

通过表3可知：双混合冷剂液化天然气流程，制冷剂循环量少，水冷却负荷及流程压缩功耗较小。同时，混合工质预冷的液化流程的比功耗比丙烷预冷液化流程降低了10.9%，装置的运行费用降低。

丙烷预冷混合冷剂循环和双混合冷剂循环的天然气冷却曲线（见图4、图5）。

比较图4～5可知：双混合冷剂液化天然气流程中，混合冷剂冷却曲线更贴近原料气的冷却曲线，使得熵增减少，传热效率提高。

图4　丙烷预冷混合冷剂循环的天然气冷却曲线

图5　双混合冷剂循环的天然气冷却曲线

5　结论

预冷混合冷剂液化天然气流程中，混合冷剂作为预冷工质使得液化流程的熵增减少，冷凝液化效率提高。同时，液化相同量的天然气时，双混合冷剂液化流程的冷剂循环量少，水冷却负荷及比功耗较丙烷预冷混合冷剂液化流程低，装置运行成本低。因此，大型的LNG液化工厂的预冷混合冷剂液化流程应采用运行成本较低的混合冷剂作为预冷工质。

［1］袁树明，刘兰慧，等.丙烷预冷混合制冷剂天然气液化流程工艺计算［J］.煤气与热力，2010，30（8）：7-9.

［2］马国光，吴晓楠，等.液化天然气技术［M］.北京：石油工业出版社，2012：36-40.

［3］位雅莉.天然气液化工艺模拟与分析［D］.四川：西南石油大学，2004.

［4］蒋金山，何春雄，等.最优化计算方法［M］.广州：华南理工大学出版社，2007：165-173.

［5］王治红，李智，等.塔河一号联合站天然气处理装置参数优化研究［J］.石油与天然气化工，2013，46（6）：565.

［6］牛亚楠，等.多元混合制冷剂小型天然气液化装置的模拟研究［D］.上海：同济大学，2007.

Optimization and comparison of the pre-cooled mixed refrigerant LNG process

GOU Yajun，JIANG Xiaoxiao，CHEN Junlei，LI Shuang
（Leshan Mindanao Sand Natural Gas Company，Leshan Sichuan 614900，China）

To reduce the power of MRC，the process use the pre-cooling measures.Among them，the common methods are propane pre-cooling way and MR pre-cooling.To obtain the optimum performance of those two LNG process，this paper establishes the objective function of unit power consumption of the pre-cooling mixed refrigerant cycle to analyze and compares these two process with the examples.As the result，the double mixed refrigerant liquefaction process has the smaller entropy and the higher efficiency of liquefaction.Meanwhile it is lower than propane pre-cooled MRC in the power consumption and the unit operating costs.

propane；mixed refrigerant；pre-cooling；optimization；comparison

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.031

TE646

A

1673-5285（2015）02-0112-05

2014－12-18

苟亚军，男（1986-），四川南充人，本科学历，助理工程师，现任职于乐山峨沙天然气有限责任公司，主要从事天然气储运技术和天然气工程工作，邮箱：gougouwudi@126.com。