基本负荷型天然气液化装置是将生产的天然气液化以实现远洋运输的大型液化装置。在20世纪60年代主要采用阶式液化流程，机组多，流程复杂，采用三级压缩，投资成本大。60年代末期，由阶式制冷工艺演变出混合剂制冷工艺[1]，混合制冷剂由C1至C5的碳氢化合物及N2组成，通过逐级冷凝、蒸发和节流膨胀得到不同温度水平来冷却和液化天然气，机组设备少、流程简单、投资省，但能耗较高。带丙烷预冷的混合冷剂制冷循环是在混合制冷剂工艺的基础上开发出的新一代液化工艺，简称C3/MRC工艺。该循环采用丙烷预冷与混合制冷剂(N2+C1~C4)联合作用的方式，流程高效简单，在基本负荷型液化装置中占主导地位[2]。
HYSYS可以精确设置和模拟流程中各物流及设备的参数，是著名的油气加工模拟软件。其技术广泛应用于石油开采、储运、天然气加工、石油化工等领域[3]。在带丙烷预冷的混合制冷剂循环液化天然气流程中，许多参数将影响流程的性能，这些参数包括：天然气压力、高低压混合制冷剂压力、混合制冷剂组成。运用HYSYS分别分析这些参数对流程性能的影响，提出相应的方案措施以达到改善混合制冷剂制冷能力，降低能耗，节约成本的目的。
丙烷预冷混合制冷剂液化流程是以分子质量较轻的甲烷、乙烷、丙烷和氮气等多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀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的目的。
混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气，制冷剂经两级压缩机压缩至高压后，再由丙烷预冷循环预冷、节流阀降压降温后分别为第一、第二、第三换热器提供冷量[4]。该循环采用两级压缩，处于低压的制冷剂称为低压制冷剂，处于高压的制冷剂称为高压制冷剂。
丙烷预冷循环用于预冷天然气和混合制冷剂，丙烷通过三个温度级的换热器制冷后存在气液两相，气相返回压缩机，液相的一部分用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为后续流程的制冷剂。
天然气首先经丙烷预冷循环预冷后被送入主低温换热器逐步冷却[5]，最后由节流阀降压降温，从而使液化天然气在常压下储存。
在该模拟计算中设置物流1(原料气)和物流12(混合制冷剂)的组成，其各组分含量如表 1所示。设定进料天然气温度为25 ℃，初始压力为5 000 kPa，质量流量为3.8×105 kg/h。依次设置天然气在各阶段的温度：丙烷预冷至-35 ℃，经第一、第二、第三换热器分别冷却至-87 ℃、-113 ℃和-155 ℃。最后设定天然气被节流阀降压至150 kPa以保证其在常压下储存。模拟采用Peng-Robinson状态方程进行物性计算。
C3/MRC液化流程如图 1所示。由于丙烷预冷不影响计算结果，在子流程中采用冷却器代替换热器以简化丙烷预冷循环，如图 2所示。
用P-R方程对物性的计算结果如表 2所示。
分析某一参数对流程性能的影响时，其他参数保持不变。根据模拟计算结果，天然气压力、高低压混合制冷剂压力、混合制冷剂组成这4个流程参数对混合制冷剂的制冷能力和压缩机、水冷却器功耗的影响可归纳如下。
天然气入口压力升高，液化天然气所需的冷量减少，混合制冷剂的制冷能力增强，从而所需的制冷剂流量下降，如图 3所示。由于压力升高，天然气流量不变，达到系统运行压力时所需功耗较低，从而压缩机的熵增降低，一级压缩机和二级压缩机的功耗下降，水冷却器的功耗也下降，如图 4所示。
上述设备能耗的降低有利于整个流程性能的改善，其流程的运行成本虽然会降低，但计算结果表明，当天然气压力提高38%时，压缩机和水冷却器的功耗降低6%~7%，如表 3所示。此外，天然气入口压力不能过高，因为管道的承压能力有限，压力过高可能会造成管道的损坏，同时，压力越高，对管材的质量要求也越高，管壁需要更厚[6]，这就提高了管道的建设成本和运输成本。因此，不能通过大幅提高天然气压力来达到节省能耗的目的。
高压制冷剂压力上升，混合制冷剂流量略有减少，但变化不大，维持在57 690 kmol/h左右，因此制冷剂的制冷能力增强。高压制冷剂压力变化没有影响到一级压缩机的各项参数，所以其能耗不变。但对于二级压缩机，由于压力升高引起压缩机的压比升高，使单位质量的流体耗功增加，压缩机的功耗增加，水冷却器的功耗也增加，如图 5所示。
虽然高压制冷剂压力上升可增强混合制冷剂的制冷能力，但计算结果表明，高压制冷剂压力升高35%时，二级压缩机和水冷却器的功耗都增加20%以上(见表 3)。因此，通过增加高压制冷剂压力来大幅提高混合制冷剂的制冷能力是不可行的，必须综合考虑制冷能力与功耗的影响。
低压制冷剂压力上升，混合制冷剂流量略有增加，但变化不大，维持在57 690 kmol/h左右。流量的增加一方面会导致制冷剂的制冷能力减弱，另一方面会引起一级压缩机的功耗增加。对于二级压缩机，由于压力升高引起压比降低，单位质量的流体耗功减少，因此二级压缩机的功耗下降，水冷却器的功耗几乎不变，如图 6所示。
计算结果表明，低压制冷剂压力上升32%时，一级压缩机的功耗增加29.29%，二级压缩机的功耗降低13.85%，水冷却器的功耗只增加了0.18%(见表 3)，但是低压制冷剂压力升高会导致混合制冷剂的制冷能力下降，可采用以下方案：①降低混合制冷剂中甲烷含量，增加乙烷和丙烷含量[7]；②增加混合制冷剂流量。
混合制冷剂组成对制冷剂流量和功耗的影响如表 4所示。混合制冷剂中丙烷和氮气的含量保持不变，随着甲烷含量的增加，混合制冷剂的循环量相应增加，因此混合制冷剂的制冷能力降低。这就证明了减少甲烷含量来增强混合制冷剂制冷能力的方案是可行的。
同时，一级、二级压缩机和水冷却器的功耗增加，特别是甲烷的含量超过70%时，压缩机和水冷却器的功耗大幅增加，变化率都在500%以上。因此，混合制冷剂中甲烷的含量最好控制在50%左右[8]，以此减少压缩机和水冷却器的能耗。
(1) 提高天然气的压力不仅能增强混合制冷剂的制冷能力，还可减少一级、二级压缩机和水冷却器的功耗，但功耗变化率较小。
(2) 提高高压制冷剂压力虽然可增强混合制冷剂的制冷能力，但会增加二级压缩机和水冷却器的功耗，不利于节省能耗。
(3) 提高低压制冷剂压力会增加一级压缩机的功耗，不利于节省能耗的同时还会减弱混合制冷剂的制冷能力。
(4) 减少混合制冷剂中甲烷的含量不仅能增加混合制冷剂的制冷能力，还可减少一级、二级压缩机和水冷却器的功耗，甲烷含量控制在50%左右时有利于节省能耗。
2013, Vol. 42 Issue (5): 473-477
2013, Vol. 42 Issue (5): 473-477