混合冷剂液化天然气流程的混合制冷剂研究

杨国通，都荣彬，高　俊，魏志会，石利星

（1.中海油山西清洁能源技术开发有限公司，山西太原　030000；2.中国石油长城钻探工程公司伊朗项目部，北京　100000；3.山西天然气有限公司，山西太原　030000；4.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津　300000）



混合冷剂液化天然气流程的混合制冷剂研究

杨国通1，都荣彬2，高俊3，魏志会4，石利星4

（1.中海油山西清洁能源技术开发有限公司，山西太原030000；2.中国石油长城钻探工程公司伊朗项目部，北京100000；3.山西天然气有限公司，山西太原030000；4.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300000）

摘要：混合冷剂液化天然气流程具有低能耗的优点。其中，混合制冷剂组成及配比直接影响液化流程能耗。以混合冷剂液化流程中混合制冷剂的制冷温区和能耗较低为目的选择混合制冷剂组成，并以比功耗最小为目标函数确定混合制冷剂最佳配比。同时，研究了原料气甲烷含量和压力对混合制冷剂的影响得出：原料气中CH4含量决定低温冷剂的含量，从而影响混合制冷剂最佳配比。

关键词：混合制冷剂；液化；组成；配比优化；低温冷剂

天然气液化过程是一个低温的物理过程，按制冷方式的不同可分为级联式液化流程、混合冷剂液化流程和膨胀制冷液化流程[1]。其中，混合冷剂液化天然气流程具有流程简单、造价低、能耗较低的优点，因此被广泛应用于大型的LNG液化工厂[2]。在混合冷剂液化流程中，其中最佳的冷剂组成及配比是降低流程能耗的关键。本文主要对混合冷剂液化天然气工艺进行分析，提出混合制冷剂组成优选及配比优化的方法，并研究了原料气的组成和压力对混合冷剂的影响，为混合冷剂天然气液化工艺提供技术支持。

1　混合冷剂液化流程

混合冷剂液化工艺流程（见图1）。该流程包括混合制冷剂循环和天然气液化回路[3]。

混合制冷剂循环：混合制冷剂经低压、高压压缩机压缩至高压，经水冷器冷却后进入分离器III分离气相和液相。液相经换热器I冷却后节流，降温、降压与返流的混合制冷剂混合后，为换热器I提供冷量。气相制冷剂经换热器I冷却后，进入分离器IV分离气相和液相，液相经换热器II冷却后节流，降温、降压与返流的混合制冷剂混合后为换热器II提供冷量。从换热器II出来的气相制冷剂经换热器III冷却后节流、降温，进入换热器III为天然气的过冷提供冷量。

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，液相返回换热器I回收冷量后去凝析油闪蒸系统；气相经换热器II冷却、换热器III液化并过冷，然后经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。

2　混合制冷剂的选择

2.1混合制冷剂组成选择

混合冷剂液化流程的混合制冷剂应由许多种不同沸点的气体组分构成，利用部分冷凝和逐级闪蒸的原理，高压混合制冷剂经过降压和多级分离，提供不同温度位级的制冷剂。其中，混合制冷剂多以C1至C5的碳氢化合物及N2等5种以上的多组分混合制冷剂为工质[4]。

混合制冷剂组成对流程功耗影响较大。理论上，制冷剂组分越多，换热器内的冷热流换热温差越均匀，但制冷剂组分的增多会造成冷剂储配系统复杂化。因此，选择合适的冷剂组成非常重要[5]。混合制冷剂为天然气的预冷、液化及过冷段提供冷量，制冷温区通常为25℃至-160℃。为了满足混合冷剂最低制冷温度，混合制冷剂应配有制冷温位低于-160℃的N2和CH4。同时，混合制冷剂组成还应包含中温冷剂C2、高温冷剂C3。C4～C5配有必要含量以降低冷剂压缩功。同时，LNG过冷度必须满足，因此N2和CH4的必要含量应予以保证。

2.2混合制冷剂配比优化

混合冷剂配比是否恰当，对混合冷剂液化流程的经济指标具有较大的影响。混合冷剂配比直接决定其相平衡状态，从而对换热过程产生影响，具体体现在压缩机的功耗。

图1　混合冷剂液化天然气流程

2.2.1目标函数混合制冷剂配比的优化以约束条件下液化流程的最小比功耗为目标函数：

式中：Wcmr－混合冷剂循环的总功耗（kW）；qLNGLNG产量（kg/h）。其中h（x1，x2，···，xn）=0为等式约束，g（x1，x2，···，xn）＞0为不等式约束。

2.2.2约束条件混合制冷剂液化流程的换热器满足能量守恒，因此，混合冷剂配比优化计算的约束条件为[6]：

式中：ΔTmin－各换热器夹点温度（K）；ΔTLMTD－各换热器平均换热温差（K）。

2.2.3优化方法混合制冷剂配比的优化计算采用HYSYS软件的优化器（Optimizer）。根据其约束条件可知，混合制冷剂配比优化为等式约束，因此，采用HYSYS软件的优化器中的SQP法进行优化计算。具体优化步骤为：

（1）对混合制冷剂物流各组分进行拆分，将各组分流量作为优化自变量导入Optimizer的变量中，并合理设置上下限，全部选中来实现自变量的调整变化。

（2）在Optimizer中导入流程的目标函数和约束条件。

（3）设置容差、最大迭代次数及最大改变量等参数，进行优化器自动优化运行。

3　混合制冷剂的影响因素

3.1原料气组成对混合制冷剂影响

LNG的主要成分为甲烷。原料气中甲烷的含量直接关系混合冷剂中低温冷剂N2和CH4的含量。而混合冷剂中低温冷剂含量的变化使其流程功耗会发生明显的变化。以原料气进站压力5 MPa、温度25℃、流量为100×104m3/d，LNG产品储存压力20 kPa为例进行原料气甲烷含量对混合冷剂液化流程中混合制冷剂的低温冷剂含量及单位混合制冷剂功耗影响（见图2）。

其中：Z（低温冷剂）=Z（N2）+Z（CH4）（4）

式中：Z－组分摩尔分数；J－单位混合制冷剂能耗，kJ/mol；WMR－混合制冷剂压缩机功耗，kJ/h；QMR－混合制冷剂水冷器负荷，kJ/h；qMR-混合制冷剂流量，mol/h。

图2　原料气甲烷含量对混合制冷剂影响

图2表明了混合冷剂液化流程中，混合制冷剂中低温冷剂含量随原料气CH4含量的增加呈上升变化。而单位混合制冷剂能耗随原料气CH4含量的增加呈先下降后上升。由于低温冷剂含量的增加，混合制冷剂循环量降低。在其过程中，混合制冷剂循环量降低占主导地位使得单位混合制冷剂能耗呈下降变化，但随着低温冷剂含量的进一步增加，低温冷剂的压缩功呈主导地位使得单位混合制冷剂能耗呈上升变化。

3.2原料气压力对混合制冷剂影响

以原料气（甲烷摩尔含量为75 %）进站温度25℃、流量为100×104m3/d，LNG产品储存压力20 kPa为例进行原料气压力对混合冷剂液化流程中混合制冷剂的低温冷剂含量及单位混合制冷剂功耗影响（见图3）。

图3　原料气压力对混合制冷剂影响

图3表明了混合冷剂液化流程中，混合制冷剂中低温冷剂含量不随原料气压力的变化而变化。而单位

混合制冷剂能耗随原料气压力的增加呈上升趋势。由于原料气压力升高，单位流量天然气焓值降低，混合制冷剂循环量下降使得流程能耗降低，同时循环量下降占主导，从而单位混合制冷剂能耗呈上升变化。

综合可得，在混合冷剂液化天然气流程中，低温冷剂含量仅受原料气甲烷含量影响，而原料气组成和压力同时影响混合制冷剂循环的能耗。

4　结论

（1）混合制冷剂的制冷温区为25℃～-160℃，所以混合制冷剂应由低温冷剂N2、CH4，中温冷剂C2，高温冷剂C3组成，并应配有适量的C4～C5以降低压缩功耗。

（2）混合制冷剂各组分的最佳配比应按流程比功耗最小，采用HYSYS软件的优化器来确定。

（3）原料气的CH4含量决定混合制冷剂中低温冷剂的含量。同时，原料气压力的改变并不影响混合制冷剂最佳配比。

参考文献：

［1］王保庆.天然气液化工艺技术比较分析［J］.天然气工业，2009，29（1）：111-113.

［2］张雷，车立新，毕胜山，等.天然气膨胀预冷混合制冷剂液化流程操作条件优化［J］.西安交通大学学报，2014，48（2）：112－113.

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

［4］顾安忠，鲁雪生.液化天然气技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2010：77-78.

［5］牛亚楠.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.

［6］Amidpour，M.Hamedi，M H.Mafi, M.et al.Sensitivity analysis，economic optimization，and configuration design of mixed refrigerant cycles by NLP techniques［J］．Journal of Natural Gas Science and Engineering，2015，24：144-155.

Mixed refrigerant research of LNG process with mixed refrigerant cycle

YANG Guotong1，DU Rongbin2，GAO Jun3，WEI Zhihui4，SHI Lixing4
（1.Shanxi Clean Energy Technology Development Limited Company，CNOOC，Taiyuan Shanxi 030000，China；2.Iran Project Department，Great Wall Drilling Company，PetroChina，Beijing 100000，China；3.Shanxi Natural Gas Limited Company，Taiyuan Shanxi 030000，China；4.Engineering Branch，Energy Development Limited Company，CNOOC，Tianjin 300000，China）

Abstract:The natural gas liquefaction process with mixed refrigerant cycle has the advantage which is lower power consumption.Wherein, the composition and the ratio of mixed refrigerant directly affect the energy consumption of this liquefaction process.For the purpose of achieving the refrigeration temperature zone of mixed refrigerant and reducing the energy consumption of MRC, this paper chooses the mixed refrigerant composition.And this paper determines the best ratio of mixed refrigerant to achieve the objective function of the minimum unit power consumption.At the same time, by studying the effect of content of methane and the pressure of the feed gas on mixed refrigerant to analyze that methane content of the feed gas determines the content of cryogenic refrigerant.As the result, it affects the optimalbook=105,ebook=110ratio of mixed refrigerant.

Key words：mixed refrigerant；liquefaction；composition；proportion optimization；cryogenic refrigerant

作者简介：杨国通，男（1983-），工程师，工学学士，主要从事非常规油气的开发、钻完井废弃物处理的科研工作，邮箱：yanggt@cnooc.com.cn。

*收稿日期：2015－12-10

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.02.025

中图分类号：TE646

文献标识码：A

文章编号：1673-5285（2016）02-0104-04