Hysys动态模拟在LNG工厂的应用

郭 磊

（新疆喀拉通克矿业有限责任公司 富蕴 836107）

1 Hysys动态模拟技术

化工模拟过程可分为稳态模拟和动态模拟（dynamic simulation）两类。动态模拟发展至今已有20多年的历史，它是计算装置的某个或多个参数发生变动时，其它所有参数如何随时间而发生变化。因而它的计算永远不会终结，对于任何一个参数的变动，计算结果都是系统中所有工艺参数及相应的性质随时间变化的关系曲线[1]。

动态模拟主要用于过程动态特性的分析、控制方案的制定、开停车方案的优化以及操作工培训软件的开发等方面。在实际生产过程中，过程参数不停的波动，最理想的状态也是一种动态平衡，而这种动态的状态运动，稳态模拟是不可能实现的。因此动态模拟对实际生产更具指导意义。

2 Hysys动态模拟对象

目前，世界上成熟的天然气液化工艺流程有三种类型，分别是复迭（阶式）循环流程、膨胀机制冷流程和混合冷剂制冷流程[2]。

（1）复迭制冷循环

典型的复迭制冷循环由多个单独的制冷循环组成，多为丙烷、乙烯、和甲烷等数个不同温度级别的循环系统串联，每个系统均有一个压缩机组，获得所需各温度级位的冷剂。在早期的天然气液化生产中，复迭制冷技术有较多的应用。但是其缺点很明显，机组多，流程复杂，控制、操作和维修环节繁多，因而可靠度相对较低。有些采用复迭制冷的大型LNG生产装置为了提高开工率，每个冷剂系统都配备了双透平，虽然这样做可以使装置即使在某个透平出问题时仍然有可能保持生产，但操作越发复杂，单位投资也大大增加。目前，在超大型的基地型液化工厂，改进型的复迭制冷流程尚有应用。

（2）膨胀致冷循环

膨胀机流程为利用高压制冷剂如氮气、天然气或混合气，通过透平膨胀机绝热膨胀降温实现液化。由于循环气量大、液化率低、换热器传热温差大，功耗大。而且动设备多，尤其是膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大。此类工艺仅见于装置能力非常小或环境特殊的场合。

（3)混合制冷循环

混合制冷剂制冷循环MRC是采用N2和C1～C5烃类混合物作为循环制冷剂的工艺。该工艺的特点是在制冷循环中采用混合制冷剂，进行逐级的冷凝、蒸发得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气。MRC即达到类似复迭制冷循环的目的，又克服了其系统复杂的缺点。自20世纪70年代以来，混合制冷剂制冷循环包括传统型和丙烷预冷型C3/MR已经成为天然气液化工艺的主流。其缺点是混合冷剂的组成比例应按照天然气原料的组成、压力、工艺流程而异，因此通常对冷剂的配比和原料气的气质要求更为严格。流程计算需要掌握各组分可靠的平衡数据和物性参数，计算困难。

本文以美国博莱克威奇公司闭式单循环混合制冷PRICO液化工艺为研究对象，其属于混合制冷循环的范畴。预处理合格后的天然气从冷箱顶部引入，并向下流动，冷却到大约-48℃时引出换热器进入重烃分离器，将天然气中的重烃分离，分离后的-48℃的天然气返回冷箱，继续向下流动，-152℃的LNG自冷箱底部流出，LNG经J-T阀节流后温度降至-161℃后流入LNG储罐。

混合冷剂是由氮气、甲烷、乙烯、丙烷和异戊烷五种组分组成，冷量是通过封闭的混合制冷循环提供的。

3 动态模拟建立步骤

首先建立稳态模拟，然后添加动态模拟环境下所必须的设备信息和流程规定等，转入动态模拟环境，对模拟流程进行调试，通过添加冷剂、改变冷剂侧J-T开度、天然气产品阀开度、液相冷剂阀开度和改变压缩机转速等操作手段，逐渐建立一个稳定的动态平衡。通过建立的模拟流程可以模拟液化装置的升降负荷等过程，还可以通过添加工艺扰动，系统各状态参数的变化情况、分析问题等。

3.1 建立稳态模拟

（1）定义模拟基础即选择热力学方程及模拟组分。对于天然气液化流程模拟一般选取PR状态方程；本模拟流程选取组分为氮气、甲烷、乙烯、丙烷和异戊烷五种组分。

（2）增加物流。输入已知物流的流量、温度、压力以及组成等参数。

（3）增加操作。添加和定义各操作单元的工艺条件及可能的约束条件。该流程模拟中涉及到的操作单元主要有离心压缩机、分离器、多股流换热器（LNG）、离心泵、阀门、储罐、混合器、三通等。

3.2 转入动态模拟前提

（1）动态模拟中设备压降是必须的，在HYSYS中，设备的压降决定了物流的方向，没有压降就意味着没有流动。

（2）所有的边界物流必须进行压力规定，内部的中间物流不能规定压力和流量。

（3）对传热设备(如换热器、加热器等)的传热进行规定。

（4）对各工艺设备的尺寸等参数进行规定。在此，仅以多股流换热器的尺寸及参数规定进行举例说明。在动态模拟中，对于多股流换热器必须定义的参数如下：

①换热芯体的长宽尺寸、芯体材料、芯体层通道数量等规定。

②每层通道的板及翅片的几何尺寸，如翅片开孔率、翅片高度、间距、翅片厚度、平板厚度等。

③每层通道传热规定即定义总传热系数U或UA值。

④每层通道压降、每层通道的进出物流及相对流动方向的指定。

（5）添加相应的逻辑控制操作，在本流程模拟中，添加了液位控制、压力控制、流量控制等多个逻辑控制，分别实现液位、压力、流量的自动控制功能。

4 系统动态响应

关于系统的动态响应，用以下例子进行说明。

（1）动态模拟过程

逐渐开大天然气侧J-T阀，保持冷剂侧J-T阀开度不变，让冷箱逐渐回温，对冷剂侧J-T阀前物流温度、J-T阀流通量（即冷剂循环量）、J-T阀Friction Delta P allowable（可利用的压降）、阀前物流气化率四个参数进行监测，得到动态变化趋势图及参数变化情况。

（2）结果分析

通过参数对比可知，当冷箱回温，阀前有气相产生即气化率由0上升时，J-T阀流通量、J-T阀Friction Delta P allowable也相应的下降。冷剂侧J-T的流通能力迅速下降，使得冷剂的循环量迅速下降，导致温度继续回升，阀前气化率继续增大，流量继续下降，此外由于压缩机防喘振控制要求，防喘阀打开，使得循环流量进一步下降，从而使冷箱温度不可控。这就是为何在液化装置提负荷时，要严格控制冷箱温度，防止其回温较多的原因所在。

5 结束语

（1）对于液化装置若经过全面而详细的动态分析找出现存的问题，那么装置的操作就会上一个台阶，经济效益就会有很大的提高。

（2）模拟得出的冷箱温度分布曲线为沿冷箱高度的直线分布。根据总传热速率微分方程，总传热系数K是对微元面积dA的局部传热系数。由于流体的温度沿传热面随流动的距离而不断变化（除非流体有相态的变化），因而流体的物性随之改变（影响较大的物性有流体的比热、导热系数、密度和粘度等）[3]，况且传热过程中还发生了相变，致使对流传热系数是变化的，整个换热器单位时间内的传热量，应当沿全部的传热面对总传热速率微分方程进行积分。基于以上原因，冷箱内部温度分布曲线不应该是直线形式，以专门的板翅式换热器模拟软件得到的冷箱内部温度分布曲线更为合理，其型式为S曲线型。但这并不影响整个工艺系统的动态模拟过程。