基于MRC天然气液化流程能耗的影响因素分析

宁 蕾 傅 皓 中国成达工程有限公司 成都 610041

随着煤和石油的短缺以及环境污染问题的日益加剧，天然气作为一种集高热值、低污染等优点于一身的优质清洁能源，已被世界各国广泛应用。天然气主要通过管道输送，但对于管道无法抵达的区域，液化天然气因其同质量的体积仅为气态天然气体积1/625的优势，为天然气远距离运输和存储提供了极大的便利[1,2]。

目前，天然气的液化流程根据制冷方式的不同，大致分为三种形式，即阶式制冷循环、混合冷剂制冷循环和膨胀制冷循环[3,4]，其中混合冷剂制冷循环以其流程简单、机组设备少、投资省、管理方便等优势而应用最广。混合冷剂制冷循环工艺是以C1～C5的碳氢化合物以及N2等混合制冷剂为工质，进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀，从而得到不同温度水平的制冷量，达到逐步冷却和液化天然气的目的[5]。

虽然混合冷剂循环制冷工艺应用很广，但其存在能耗较高、混合冷剂配比困难等问题。故本文采用Aspen Hysys软件对混合冷剂制冷循环工艺进行全流程模拟，并基于热力学基础分析流程的关键技术参数对压缩机功耗、循环水用量等性能指标的影响。

1 混合冷剂循环制冷流程

1.1 天然气组成及初始参数

此液化单元的流程模拟基于天然气压力为5.0MPa(G)，入口温度为25℃，流量为30×104Nm3/h，组分参考《天然气处理原理与工艺》(第二版)P5 表1-3中长庆气田(苏里格)的(干气)组分。具体组成见表1。

表1 天然气组成

1.2 冷剂组成及初始参数

冷剂组成及初始参数见表2。

表2 冷剂组成及初始参数

1.3 流程描述

图1 混合冷剂循环制冷流程图

2 模拟调整基准

混合冷剂中各组分对应的温度区间如下:

氮气：-140～-160℃

甲烷：-80～-120℃

乙烯：-60～-80℃

丙烷：-20～-60℃

异戊烷：0～-20℃

2）尽管英语专业大三学生的英语综合能力较之低年级学生有较大提高和进步，但是由于语言环境的限制，他们用英语练习翻译和交流的时间并不多，所以容易受汉语母语的影响，做汉译英的翻译练习时，不可避免地把汉语中的一些词语，短语以及句型与英语相互联系，导致他们的译文里频繁地出现“中国式”英语。学生们的译文翻译腔较重，译文往往只是勉强达意，干瘪生硬，缺乏可读性。

冷箱的冷量损失为1%，对数平均温差(LMTD)控制在4～5℃，LMTD越大，所需冷剂越多，能耗越高。

通过冷热夹点温度(最小温差)判断组分量的增减，最小温差越大，能耗越高；最小温差越小，则冷箱尺寸越大。从各冷箱供应商反馈的参数可知，最小温差控制在3℃左右比较合适。在模拟调整过程中，若最小温差<3℃，可减少对应温区的组分；若最小温差>3℃，可增加对应温区的组分。

在调整过程中，必须保证冷箱最大温差(天然气进口和返流冷剂出口)不超过25℃，为操作留有余量。

3 压缩机能耗和循环水用量等指标的影响因素分析

3.1 天然气入口温度的影响

压缩机为两级压缩，一级压缩出口压力设置为11.4bar(G)，二级压缩机出口压力设置为35.6bar(G)。出冷箱的LNG减压至3bar(G)得到LNG产品。

通过Aspen hysys的case study来模拟分析天然气入口温度变化对压缩机功耗及冷却水量、冷箱LMTD及最小温差的影响，具体如图2～5。

图2 压缩机功耗变化曲线

图3 循环水用量变化曲线

图4 冷箱LMTD变化曲线

图5 冷箱最小温差变化曲线

由图2～5可知，天然气进冷箱温度越高，压缩机功耗越高，其用冷却水量越大；冷箱的LMTD在天然气入口温度不大于35℃时基本维持不变；当温度大于35℃时，LMTD随温度升高急剧下降；冷箱的最小温差随天然气入口温度升高呈先增大后减小趋势，在温度为25℃时，冷箱的最小温差达到峰值。

冷箱入口天然气温度越高，其摩尔焓值越高，但目标状态LNG-1的温度、压力等参数均为设定的某一定值，而焓值又为状态函数，故LNG-1的焓值不变。冷箱入口天然气与冷箱出口LNG-1的焓差增大，液化等量天然气需要的冷量增加。

在混合冷剂流量一定时，混合冷剂出压缩机的状态参数一定，则混合冷剂进冷箱前的焓值不变，为匹配由于天然气进料温升带来的冷量增加，出冷箱的冷剂焓值需相应增加，即出冷箱的冷剂温度升高。冷剂压缩机进出口焓差增加，压缩机的总功耗增加。因压缩机一级压缩入口温度升高，压比不变，则一级压缩出口温度相应升高，一级压缩冷却器需要的循环水量增加；二级压缩进出口状态不变，则二级压缩冷却器循环水量不变，总循环水量增加。

由此可见，天然气入口温度越低，压缩机总功耗越低，循环水用量越少。但天然气入口温度受上游预处理工艺影响不可能很低，从冷箱性能曲线图4～5可以看出，天然气入口温度为25℃时最为适宜。

3.2 天然气入口压力的影响

混合冷剂流量及组成不变，压缩机一级压缩和二级压缩出口压力不变(压比不变)，同3.1。分析天然气入口压力变化对压缩机功耗及冷却水量、冷箱LMTD及最小温差的影响，具体如图6～9。

图6 压缩机功耗变化曲线

图7 循环水用量变化曲线

图8 冷箱LMTD变化曲线

图9 冷箱最小温差变化曲线

由图6～9可知，天然气进冷箱压力越高，压缩机功耗越低，压缩机用冷却水量越小；冷箱的LMTD随压力升高急剧上升；冷箱的最小温差随天然气入口压力升高而急剧上升。但在天然气入口压力达到50bar(G)时，冷箱的对数平均温差基本维持在3℃左右不变。

冷箱入口天然气压力越高，其摩尔焓值越低，但目标状态LNG-1的温度、压力等参数均为设定的某一定值，而焓值又为状态函数，故LNG-1的焓值不变。冷箱入口天然气与冷箱出口LNG-1的焓差减小，液化等量天然气需要的冷量减少。

在混合冷剂流量一定时，混合冷剂出压缩机的状态参数一定，则混合冷剂进冷箱前的焓值不变。为匹配由于天然气进料压力升高带来的冷量减少，出冷箱的冷剂焓值需相应减少，即出冷箱的冷剂温度降低。冷剂压缩机进出口焓差减小，压缩机的总功耗降低。因压缩机一级压缩入口温度降低，压比不变，则一级压缩出口温度相应降低，一级压缩冷却器需要的循环水量减少；二级压缩进出口状态不变，则二级压缩冷却器循环水量不变，总循环水量减少。

由此可见，天然气入口压力越高，压缩机总功耗越低，循环水用量越少。但天然气压力越高，对管材的质量要求也越高，管壁要求更厚，这就提高了管道的建设成本和运输成本[6]。同时在温度一定时，压力越高，天然气内重组分越容易液化，甚至凝固，可能导致管道及冷箱的堵塞。故结合冷箱性能曲线图8～9及操作经验，天然气入口压力取50bar(G)最为适宜。

3.3 天然气组成

因天然气组成较复杂(以上述天然气组成为例)，故仅考虑天然气总量不变，甲烷和乙烷总含量为97%(v)(以下含量均为体积分数)，改变甲烷和乙烷的相对组成(通过调整甲烷的摩尔流量)，甲烷含量变化区间为50%～97%，分析其对压缩机功耗、压缩机冷却水量、冷箱LMTD和冷箱最小温差的影响，具体如图10～13。

图10 压缩机功耗变化曲线

图11 循环水用量变化曲线

图12 冷箱LMTD变化曲线

图13 冷箱最小温差变化曲线

由图10～13可知，天然气中甲烷含量小于84.3%时，压缩机的总功耗和循环水用量基本保持不变；当天然气中甲烷含量大于84.3%时，压缩机功耗和冷却水用量随甲烷含量的增加而呈先减少后增加趋势；冷箱的LMTD和最小温差变化不大。

天然气中甲烷含量增加，表明低沸点的组分含量增加，天然气在相同的储存条件下不易被液化[7]，所以,在天然气总量不变的情况下，未液化的天然气量增加，LNG产品量降低。

甲烷的摩尔焓值比乙烷的摩尔焓值大，当甲烷含量增加，乙烷含量减少时，天然气的焓值增加。但天然气消耗的冷量即冷箱入口天然气的焓值- LNG产品焓值略有下降[7]，故压缩机的总功耗和循环水量均下降。当甲烷含量大于93.5%时，随着甲烷含量的进一步增加，天然气更难被液化，此时液化天然气需要的冷量增加占主导地位，混合冷剂进冷箱焓值不变，则出冷箱的焓值应相应增加，即温度相应增大，故压缩机的功耗及循环水量均增加。但从上图可知，天然气中甲烷含量变化虽然会影响压缩机总功耗和循环水用量，但影响幅度很小。

3.4 高压冷剂(深冷冷剂)压力影响

高压冷剂压力为压缩机出口压力。现保持混合冷剂组成不变，天然气组成、温度、压力等参数均不变，分析高压冷剂压力变化对压缩机功耗及冷却水量、冷箱LMTD及最小温差的影响，具体如图14～17。

图14 压缩机功耗变化曲线

图15 循环水用量变化曲线

图16 冷箱LMTD变化曲线

图17 冷箱最小温差变化曲线

由图14～15可知，高压冷剂压力越高，压缩机的总功耗和循环水用量都增大。

在天然气进冷箱流量、温度、压力不变时，LNG-1出冷箱流量、温度、压力不变，则天然气液化消耗的冷量基本不变。混合冷剂流量不变，进冷箱压力升高，由热力学知识可知，冷剂进冷箱的焓值降低，为了保证冷剂提供的冷量不变，则冷剂出冷箱的焓值相应降低。冷剂出冷箱的压力由JT阀决定，JT阀设定的节流后压力一定，故出冷箱冷剂的压力恒定。若要保证焓值降低，则出冷箱冷剂的温度需降低。在冷剂压缩机一级压缩入口压力不变、温度降低、压比不变时，则一级压缩功耗不变，循环水用量降低。在二级压缩入口压力不变、温度不变、二级压缩出口压力升高、压比升高时，则二级压缩功耗增大，循环水用量增加，且压缩机压比升高带来的温升导致循环水用量增加值大于冷剂出冷箱温度降低导致的一级压缩冷却器循环水用量降低值。故压缩机总功耗增加，压缩机的循环水用量增加。

由图16～17可知，当高压冷剂压力为35bar(G)时，冷箱的LMTD值为～5°C，冷箱的最小温差为～3°C，与经验值比较吻合。故为了保证压缩机总功耗和循环水用量不至于过高，同时冷箱的性能达到最佳，高压冷剂的压力取值为35bar(G)最为适宜。

3.5 冷剂组成

因冷剂组成较复杂(以上述混合冷剂组成为例)，故仅考虑冷剂总量不变，甲烷和丙烷总含量为38.536%(v)(以下含量均为体积分数)，其它组分不变。改变甲烷和丙烷(甲烷代表低温区间，丙烷代表高温区间)的相对组成，甲烷含量变化区间为10%～37%，从而分析冷剂组成变化对压缩机功耗和冷却水量、冷箱LMTD和冷箱最小温差的影响，具体如图18～21。

图18 压缩机功耗变化曲线

图19 循环水用量变化曲线

图20 冷箱LMTD变化曲线

图21 冷箱最小温差变化曲线

由图18～19可知，随着冷剂中甲烷含量增加、丙烷含量减小，冷剂压缩机的总功耗和循环水用量均增加。

压缩机功耗计算公式如下：

式中，W为压缩机功耗；P1为介质进入压缩机时压力；P2为介质出压缩机压力；Vc为体积流量；k为绝热指数，Cp/Cv。

改变甲烷和丙烷相对含量时，混合冷剂的体积流量不变，进出压缩机的压力一定，且压缩机的多变系数为一设定值，而甲烷的绝热指数k值大于丙烷的k值。故随着甲烷含量增加，丙烷含量减少，混合冷剂的k值逐渐增大，压缩机的功耗相应增加，压缩机需要的冷却水用量也随之增加。

温差代表了该点的传热推动力，即温差越大，推动力越大。故适当增加混合冷剂中甲烷含量，冷箱的最小温差逐渐增大(如图21所示)，有利于提高冷箱的传热推动力，但当甲烷含量增加至19%时，最小温差约为3℃，同时从图20可知，此时冷箱的LMTD约为5℃，最小温差和LMTD都达到峰值，故当混合冷剂中甲烷含量为19%时，冷箱处于最佳状态，压缩机功耗和循环水用量也均在可接受范围内。

4 结语

本文通过对基于MRC的天然气液化流程进行了模拟。分析了天然气入口温度、入口压力、组成及高压冷剂(深冷冷剂)压力、组成对压缩机功耗、循环水耗量、冷箱的对数平均温差(LMTD)和冷箱最小温差的影响，得出如下结论：

(1)天然气入口温度越高，压缩机功耗越高，冷却水用量越大；冷箱的LMTD在天然气入口温度不大于35℃时基本维持不变，约为5℃；冷箱的最小温差在天然气入口温度为25℃时达到最佳值。故在其它参数不变的前提下，为保证压缩机功耗及冷却水用量相对较低，天然气入口温度取25℃为宜。

(2)天然气入口压力越高，压缩机功耗越低，冷却水用量越小；冷箱的LMTD随天然气入口压力升高而升高；冷箱的最小温差随天然气入口压力先升高后基本维持不变。但天然气入口压力过高，会导致设备和管道的建设成本和运输成本均增加。故从模拟参数及操作经验来看，在其它参数不变的前提下，压缩机入口压力取50bar(G)为宜。

(3)天然气总量不变，甲烷含量增加同时乙烷含量降低时，压缩机功耗和冷却水用量呈先减少后增加趋势，但变化趋势较平缓；冷箱的LMTD和最小温差变化不大。故天然气中甲烷含量变化会影响压缩机总功耗和循环水用量，但影响幅度很小。

(4)高压冷剂压力越高，压缩机的总功耗和循环水用量都增大。但冷箱的最小温差在高压冷剂压力为35bar(G)前均为负值，没有参考价值，但在高压冷剂压力大于或等于35bar(G)后，最小温差基本维持不变。故在其它参数不变的前提下，为保证压缩机功耗及冷却水用量相对较低，高压冷剂压力取35bar(G)为宜。

(5)冷剂总量不变，增加冷剂中甲烷含量并同时降低丙烷含量时，冷剂压缩机的总功耗和循环水用量均呈增加趋势，冷箱的LMTD和最小温差均呈先增大后减小趋势。故在其它参数不变的前提下，为保证压缩机功耗及冷却水用量相对较低，混合冷剂中甲烷含量取19%为宜。