天然气液化过程有效能评价分析

＊申涛 闫晶

（陕西延长石油天然气股份有限公司 陕西 712000）

前言

解决天然气的运输和储存等问题，一般会选用液化天然气的方法，因为液化天然气可以在很大程度上减少天然气在运输过程中的空间，有效地降低其运输成本，很好地促进天然气工业的快速发展，加上本身运输天然气液化就会消耗大量的能量，而其运输成本一般就会占全部成本的一半，所以，进行天然气液化过程的有效能的分析就显得十分的重要和急迫。

在热学方面来说，对于能量分析不仅仅要考虑到量的多少程度，还必须要重视质的高低，热学里的第一定律就是从量的角度对能量的传递和转化必须遵循数量上的均衡进行阐述，没有涉及到质的高低程度。所以，热学的第一定律无法真正地将能量的合理运用程度说明出来，也不可以将能量在传递转化过程中的问题和情况精准地反映回来。而为了能够对能量的质量和运用程度实行合理的比较，一位美国的学者在1932年第一次提出有效能的概念，也就是被称为㶲的有效能，而其就是指代在一般环境的条件下，能量所能转化和运用的那一部分能量。

在天然气液化的过程中，各个模块之间的能量转化传递的过程是十分复杂的，一部分可以归为系统用能设备与外界环境发生能量转化时造成的㶲损失，还有一部分是内部设备在进行能量转化时导致的内部㶲损失。为了能够给系统进行各个模块的㶲损失分析，我们常常会选用黑箱、灰箱和白箱的方式来进行㶲分析。其中黑箱模型的使用是将每一个用能设备看成一个用不透明的边界所围拢成的体系模型，并根据设备的输入㶲以及输出㶲的数据，运用设备的㶲效率来计算出各个模块间的㶲情况，这种模型具有比较简单明确、精确可信的特点，这个也是当前最为广泛使用的一项㶲分析的技术手段；灰箱模型是用于评价整个系统的用能情况以及鉴别系统用能的单薄步骤，其实灰箱模型的实质也是一种黑箱网络模型，因为灰箱模型的特点就是将系统的所有用能设备全部看作为黑箱；而白箱模型则就是将分析的对象看做成一个用透明边界围拢成的体系模型，正好与黑箱相反，这一模型不仅可以将体系内的各个用能过程逐个地进行分析，还可以对㶲损失以及各个用能设备的㶲效率进行统计计算。在对㶲损失进行研究时，可以运用上述方式来找到㶲损失的主要原因，并针对研究结果，有针对性地提出减少㶲损失的方案，最后实现省能降耗、提升有效能质量的目标。

1.天然气混合制冷液化工艺的流程

首先将天然气从冷箱E-401的顶部进入到由铝制钎焊制成的冷剂换热器的E-401内部，让其在冷剂换热器中过冷到-158℃，之后运用节流阀降压到100kPa后将得到的-164℃的LNG储存在V-404中，与此同时会出部分地闪蒸气。再将从V-403的高压冷剂气自上而下进入到冷箱E-401，然后在进行一系列的操作将其过冷到-160℃，之后再按照规定的操作流程进行一系列的复杂操作，最后可以得到天然气混合制冷液化的物质。

2.混合制冷液化流程各模块㶲分析模型的建立

在混合制冷液化的流程中需要建立起冷剂压缩㶲分析模型、多股流换热器㶲分析模型、节流阀㶲分析模型、混合器㶲分析模型等，运用这几种模块的㶲损失率进行运算分析，并将其所涉及到的相均衡的常数等用一种具有非理想极性体系的热学参数方面的Peng-Robinson模型对其进行估算，因为这个模型可以更好地保证结果的精准性和可信性。

3.减少混合制冷液化流程㶲损失的措施

在减少混合制冷液化的㶲损失，需要对各个部分的操作措施和设备进行合理化的调整和升级，在优化操作压力和温度时，可以将中压冷剂压力调整到1894kPa其温度更改为36℃，高压则要调整到3816kPa并将温度调整到34℃，在优化操作中，还需要根据实际情况分别将操作流量、冷剂配比和运作设备进行优化改进。

4.混合制冷液化流程优化前后的损失对比分析

㶲的损失最主要的原因是在冷剂压缩、冷却、节流气化以及不同热力学情况下的冷剂混合这几个因素里，而为了能够更进一步地找出㶲损失的变化状况，根据实施的优化措施，再对优化后的天然气混合制冷液化流程进行模拟观察，然后在此基础上与优化之前的数据进行对比分析。

(1)冷剂压缩中的损失

在冷剂压缩的过程中通过优化前后对比情况可知，优化后的冷剂压缩机的一级压缩的损耗和㶲损失的情况都得到了优化，对比优化之前的数据都有所降低；二级压缩的损耗和㶲损失与优化之前的损耗损失相比也都有所降低。但是冷剂压缩机的损耗主要是被冷剂流量和压比所进行控制的，如果一级的压缩损耗最大，则㶲损失也就最大，而如若采取优化措施将一级压缩的压缩比率从原本的6.345%降到2.075%，并且将流量从83888kg/h降到63527kg/h的时候，该损耗就会有所下降，并且整体的㶲损失也会下降5.32%之多。因此，优化后的冷剂压缩可以很好的降低㶲损失，提高有效效能。

(2)冷却过程中的损失

从冷却过程优化前后的损耗与㶲损失的对比过程中可知，在优化之前的冷却过程的整体损耗高达14312.80kW，比较优化后的数据，该过程的整体耗能可以下降1370.75kW，而冷剂在转化为液化的天然气之前，必须要经过压缩机压缩、换热器冷却、冷箱冷凝以及节流阀节流气化的过程，如果天然气在冷箱中的各个方面的温度和压力保持不变的情况下，天然气液化所必要的冷量就也会保持不变，如果再加上对其混合冷剂的各种关键操作进行优化升级，就可以使液化过程中的冷剂减少消耗的冷量，从而使冷箱的热负荷量下降，并使其整体功耗下降和减少。与此同时，经过优化的相关系统，可以使㶲损失有明显的下降趋势。根据相关数据的比对结果可知，在优化后的换热器的热源线与热阱线之间的距离不会相对的偏大，而且它的㶲损失也相对的偏小，比优化前的情况要好很多，并且优化完的系统在液化阶段中的㶲损失最小。

(3)节流气化过程中的损失

在必要的冷剂过程中，必须要经过中压液态冷剂节流气化、高压液态冷剂节流气化、高压气态冷剂节流气化，而在节流气化过程中会有较大的㶲损失，其中，造成㶲损失的主要原因是因为冷机循环量和压降。

在优化前它们分别的㶲损失27.99kW、40.26kW、259.12kW，而在优化后的节流气化中的相对应的㶲损失则是25.35kW、38.64kW、240.49kW，从表1数据中可知，在优化后的节流阀整体的㶲损失已经下降到304.48kW，但是在高压气态冷剂节流气化的过程中，不管是在优化前还是优化后，它的㶲损失都是最大的，即使在优化后高压气态冷剂节流气化的㶲损失有所下降，但是其占比依旧最大，而这是因为高压气态冷剂的流量最大，并且它的节流气化前后的压差也是比较高的，所以在这一过程中的㶲损失是最大的。

表1 节流气化过程中的㶲损失对比

(4)混合过程中的损失

在整个天然气的液化过程中，需要进行混合过程的只有两处，分别是在中压液态冷剂节流气化之后与冷箱经过冷段出口出的低压冷剂进行流体混合，而第二处则是在高压液态冷剂节流之后与冷箱液化段出口处的低压冷剂进行流体混合。从混合流体过程中㶲损失的统计和计算中可以看出，中压液态冷剂节流气化之后与冷箱经过冷段出口处的低压冷剂进行流体混合时的㶲损失在优化前是28.35kW，而在优化之后的数据显示中可以知道，它的㶲损失已经下降到22.31kW；高压液态冷剂节流之后与冷箱液化段出口处的低压冷剂进行流体混合时的㶲损失在优化以前保留的数据是90.28kW，而做出相对的优化之后，它的㶲损失就降到了73.07kW，在整个流体混合过程中的总㶲损失则下降了19.60%。

(5)混合制冷液化流程损失的分析

在优化前，整个的天然气混合制液化过程中的冷剂压缩过程、冷却过程、节流气化过程和混合过程中分别的㶲损失是2006.00kW、1425.49kW、328.12kW、118.64kW，而其分别的占比为51.72%、36.76%、8.46%、3.06%；而在进行完优化操作之后，它们的㶲损失可以下降到1899.17kW、1016.06kW、304.48kW、95.38kW，冷箱的整体㶲损失下降到了3315.09kW，很好地降低了在混合制冷液化流程中的㶲损失，从表2的数据中，我们也可以发现㶲损失在冷剂压缩的过程中的损失最大，可以约占整体㶲损失的一半，仅次于冷剂压缩的就是冷却过程和节流气化过程，而其中㶲损失占比最小的就是混合过程的㶲损失仅仅只占2.88%。

表2 混合制冷液化流程㶲损失对比

在冷剂压缩过程中的㶲损失较大的原因是因为压缩机的不可逆传热性和绝热流体性，造成㶲损失主要集中在冷热流体㶲损失、散热㶲损失和温差传热㶲损失等，并且在这些环节中的㶲损失是无法避免的，因此，在换热过程中只能不断通过改变传热的温差来达到降低㶲损失的目的。

5.液化流程概述

(1)天然气液化流程分类

天然气液化流程可分成两种，一种为功能分类，主要为基本负荷型液化装置以及调峰型液化装置，同时小型的LNG装置也可调整为峰型液化装置。另外一种是通过制冷方式分类，可将其分为三种：①级联式液化流程。②混合制冷剂液化流程，其中涵盖闭式、开式等。③带膨胀机液化流程，其中涵盖天然气膨胀、氮气膨胀、氮-甲烷膨胀等。此外需要说明的是，此划分不严格，工程上一般涵盖液化流程中某部分不同组合复合流程。而且每种方式也包括多种形式。

(2)液化流程优缺点

首先，级联式液化流程是一种阶式液化流程、复叠式液化流程、串联蒸发冷凝液流程，这些都可应用在基本负荷型天然液化装置中，此流程都是经由许多独立制冷循环构成，在较低的循环将会将其热量转移到相邻较高温度循环中。级数逐渐增多，越是节能，简单来讲，功耗低、运行费用少，但是初期投资成本也会增大，在实际循环中采用级数从整体思考投资费用、运行费用方面因素来决定。

(3)带膨胀机的液化流程

带膨胀机液化流程（Expander Cycle)，是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时输出功，可用于驱动流程中的压缩机。当管路输来的进入装置的原料气与离开液化装置的商品气有“自由”压差时，液化过程就可能不要“从外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置的天然气液化。流程的关键设备是透平膨胀机。

根据制冷剂的不同，可分为氮气膨胀液化流程、氮-甲烷膨胀液化流程和天然气膨胀液化流程。

这类流程的优点是：

①流程简单、调节灵活、工作可靠、易起动、易操作、维护方便；

②用天然气本身作制冷工质时，省去专门生产、运输、储存制冷剂的费用。

缺点是：

①送入装置的气流须全部深度干燥；

②用天然气本身作制冷工质时，回流压力低，换热面积大，单位设备投入大；受低压用户多少的限制；液化率低，如再循环，则在增加循环压缩机后，功耗大大增加。

6.结论

在天然气液化中，利用Peng-Robinson模型可以很好地对混合制冷过程进行精准的描述和预判，并且可以很好地达到减少㶲损失的效果；在液化过程中，可以采取优化各个过程和环节的措施或是条件，来降低㶲损失，提高有效能的保留，从而完善天然气液化的过程。