CII法天然气液化HYSYS软件模拟计算
Outline:
李士富1
,
刘慧芳1
,
雷巧英2
1. 西安长庆科技工程有限责任公司;
2. 西安庆港洁能科技有限公司
收稿日期：2011-04-11
作者简介：
李士富:1938年3月生，教授级高级工程师，1964年毕业于东北石油学院炼制系油气加工专业，主要从事油气加工方法研究，现任西安长庆科技工程有限责任公司高级顾问。地址：(710018)陕西西安市凤城4路长庆大厦设计院301，电话：029-86592966，手机：13991287888，E-mail:
934676402@qq.com.
摘要：上海浦东LNG装置是我国第一座CII法的调峰型天然气液化装置，采用法国燃气公司新型混合冷剂制冷流程，该流程代表了目前国际上天然气液化流程的发展趋势，其设计目的是为液化装置提供投资少、运行成本低的流程。对于该装置的模拟计算不仅可对天然气液化的设计提供参考，还可以对装置的生产状况通过模拟计算进行分析，对设计和生产都有一定的借鉴意义。
关键词：CII 天然气液化 HYSYS模拟 计算
HYSYS Software Simulation for Natural Gas Liquefaction by CII Method
Outline:
Li Shifu1
,
Liu Huifang1
,
Lei Qiaoying2
1. Xi'an Changqing Technology Engineering Co. Ltd;
2. Xi'an Qinggang Energy Technology Co., Ltd
Abstract: The LNG unit in Shanghai Pudong is the first peak shaving LNG unit in China. The new mixed refrigerant refrigeration developed by Gaz de France(GDF)was applied. It represents the development trends of natural gas liquefaction process. The design purpose of this process is to reduce the investment and operating cost of liquefaction plant. The simulation can provide reference not only for the design of LNG, but also for the analysis of production situation, which represents useful efforts to design and production.
Key words:
CII LNG HYSYS simulation
天然气液化有带丙烷预冷的混合冷剂流程，典型的是美国空气液化公司(AIPC)的MRC法液化流程，在世界天然气液化中装置较多，如文莱天然气液化装置(开式)和利比亚伊索天然气液化装置(闭式)。还有级联式天然气液化流程，最早建在阿尔及利亚。法国燃气公司在研究了世界各种天然气液化流程的基础上，从简化流程、减少投资上开发了新型混合冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程(Integral Incorporated Cascade)，简称CII液化流程。CII液化流程吸收了国外LNG技术最新发展成果，代表了天然气液化技术的发展趋势[1]。我国上海浦东LNG装置作为调峰用引进了该流程，实际上作为基本负荷型天然气液化装置，CII工艺也是很好的[1]。笔者用HYSYS软件对上海浦东采用CII法的天然气液化装置进行了模拟计算。
1 工艺流程简述
1.1 原料气流程
工艺原则流程见图 1。净化后的原料气(1)温度43 ℃，压力4 800 kPa(表压，下同)，进入冷箱(2)高温段与冷剂换热后，温度降至-23 ℃进入重烃分离器(3)，顶部气相进入冷箱(2)低温段与冷剂换热后温度降至-151 ℃，然后进入节流阀节流至111.6 kPa，温度降至-154.2 ℃进入LNG储罐(6)，罐顶为闪蒸气。
1.2 混合冷剂流程
从冷箱热端出来的混合冷剂进入低压吸入桶(8)，顶部气相用压缩机低压端增压至730 kPa，然后进入冷却器(15)，冷却至59.64 ℃进入中压吸入桶(9)，顶部气体进入压缩机中压级压缩至1 710 kPa，经冷却器(15)冷却至42.87 ℃进入分馏塔底部；塔底部重烃用泵(16)抽出打入冷箱高温段换热至-21 ℃，经节流阀节流后压力为326 kPa，温度为-23.38 ℃。分馏塔顶部轻烃混合制冷剂分成两路：一路经节流阀节流至1 408 Pa进入冷箱高温段，温度被冷却至6 ℃进入高压吸入桶(13)，另一路直接循环至高压吸入桶。高压吸入桶底部轻混烃用泵(14)打入分馏塔顶作回流，顶部气体进入压缩机高压段(12)压缩至4 660 Pa，再经冷凝器冷却至41.92 ℃进入冷箱高温段，温度降至-24 ℃进入轻混合冷剂闪蒸塔，闪蒸塔塔底部液相进入冷箱(2)的低温段被冷至-152 ℃；闪蒸塔顶部气相也进入冷箱低温段，温度降至-152 ℃，然后经节流阀(4)节流至358 kPa，温度降至-158 ℃，与闪蒸塔底部液相混合后温度为-152.8 ℃返回冷箱低温段，复热至-30.31 ℃，然后与分馏塔底换热后的物流混合进入冷箱高温段，复热至31.61 ℃循环至低压吸入桶，完成冷剂的循环。
2 基础数据
2.1 原料气及混合冷剂组成
原料气及冷剂组成见表 1。
表 1
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表 1 原料气及混合冷剂组成 (y，%)
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2.2 主要操作条件
主要操作条件见表 2。
表 2
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表 2 主要操作条件
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2.3 流率
原料气：196.2 kmol/h(相当标准状态下10.5×104 m3/d)
混合冷剂：541.45 kmol/h(循环后为530.2 kmol/h)。
3 HYSYS软件计算模型
根据原则流程图编制HYSYS软件计算模型，见图 2。
4 计算结果与实际操作主要参数比较
4.1 计算结果与实际操作的主要参数比较
计算结果与实际操作的主要参数比较见表 3。
表 3
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表 3 计算结果汇总
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4.2 液化率比较
计算液化率与实际生产液化率比较见表 4。
表 4
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表 4 计算液化率与实际生产液化率比较
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4.3 LNG及闪蒸气的组成比较
LNG及闪蒸气的组成比较见表 5。
表 5
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表 5 LNG及闪蒸气的组成比较 (y, %)
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5 讨论
(1) 图中混合冷剂出冷箱高温段和低温段的两个混合器实际上是不存在的，是为HYSYS软件计算时的需要而设计的，否则无法收敛。
(2) 闪蒸气压力低、流量小, 虽然温度低，但未进行二次换热。
(3) 分馏塔顶至压缩机高压吸入桶的循环很重要，直接影响冷剂组成和循环量。模拟计算时考察了塔顶循环量由5 kmol/h到25 kmol/h时的冷剂组成、分馏塔顶组成、压缩机和冷却器的能耗以及混合冷剂循环量的变化情况。混合冷剂组成见表 6，分馏塔顶组成见表 7，压缩机和冷却器的能耗见表 8，溶剂循环量见表 9。
表 6
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表 6 混合冷剂组成
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表 7
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表 7 分馏塔顶组成
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表 8
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表 8 压缩机和冷却器的能耗 (kW)
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表 9
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表 9 溶剂循环量 (kmol/h)
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由表 6、表 7、表 8和表 9可以看出，在热量平衡的前提下，随着塔顶循环量的增加，混合冷剂中的轻组分增多，冷剂的总循环量降低，总能耗下降，液化率提高。但循环量提高到35 kmol/h时，热平衡被破坏。
(4) 本案例液化率高于文献[1]给出的液化率，这是因为经循环后混合冷剂的轻组分比文献[1]的要多些。
(5) 通过模拟计算分析，该模拟流程与生产实际基本吻合。
(6) 低压压缩机出口冷却温度不能低于50 ℃，否则将有液体分出，影响压缩机安全运转。
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顾安忠, 等.天然气液化技术.北京: 机械工业出版社, 2008, 1(59): 113-134.
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2011, Vol. 40