混合制冷剂液化天然气流程因其低能耗的优点,已被广泛应用于大型LNG液化工厂[1-2]。为了进一步降低流程功耗,混合冷剂液化流程采用预冷措施。其中,阶式双混合冷剂液化天然气流程得到广泛应用。双混合冷剂液化流程中,合理的预冷温度决定预冷混合制冷剂、深冷混合制冷剂的组成。同时,最佳的预冷和深冷混合制冷剂配比是降低流程能耗的关键。本文针对双混合冷剂液化天然气流程的比功耗最小,提出阶式双混合冷剂液化流程的最佳预冷温度及混合冷剂最佳组成。
阶式双混合冷剂循环液化工艺流程见图 1[3]。该流程包括预冷混合制冷剂循环、深冷混合制冷剂循环以及天然气液化回路。结合图 1,研究预冷温度、预冷混合制冷剂及深冷混合制冷剂组成及配比,其中天然气典型组分的摩尔分数为甲烷95.8%、乙烷2.7%、丙烷0.5%。
预冷混合冷剂循环:混合制冷剂经低压、高压压缩机压缩至高压,经水冷器冷却,然后进入换热器Ⅰ预冷后节流、降温返回换热器Ⅰ,为天然气和深冷混合制冷剂预冷提供冷量,最后返回压缩机完成预冷混合冷剂循环。
深冷混合冷剂循环:混合制冷剂经低压、高压压缩机压缩至高压,经水冷器冷却,然后经换热器Ⅰ进一步冷却后进入分离器Ⅲ分离。其中,液相经换热器Ⅱ冷却后节流、降温,与返流的混合冷剂混合后,为主换热器Ⅱ提供冷量;气相经换热器Ⅱ和换热器Ⅲ冷却后节流、降温,为换热器Ⅲ、主换热器Ⅱ提供冷量。升温后的混合冷剂返回压缩机,完成深冷混合冷剂循环。
天然气液化回路:净化后的天然气经换热器Ⅰ预冷后进入分离器Ⅰ进行重烃分离。其中,液相去重烃处理装置,气相经换热器Ⅱ冷却、换热器Ⅲ液化并过冷,然后经节流降压至储存压力,最后进入分离器Ⅱ进行气液分离,液相为LNG产品进低温储罐。
双混合冷剂液化天然气流程中,预冷温度直接关系着预冷混合制冷剂和深冷混合制冷剂的组成及配比。以总流程的比功耗为最小目标函数来确定预冷的最佳温度,最小比功耗函数为[4-5]:
式中,Wy为预冷混合制冷剂循环压缩机功耗,kJ/h;Wc为深冷混合制冷剂循环压缩机功耗,kJ/h;qLNG为LNG流量,kmol/h。
预冷混合制冷剂循环中,压缩机功耗Wy为:
其中:
深冷混合冷剂循环中,压缩机功耗Wc为:
式中,qymr为预冷混合制冷剂流量,kg/h;qmr为深冷混合制冷剂流量,kg/h;H1~3、H8~9为天然气液化回路节点1、2、3、8、9处物流总焓,H10、H12为预冷混合制冷剂循环节点10、12处物流的总焓,H16、H18~20为深冷混合制冷剂循环节点16、18、19、20处物流的总焓(总焓:kJ/h);h3为天然气液化回路节点3处物流比焓,h10、h12~13为预冷混合制冷剂循环节点10、12、13处物流的比焓,h16、h18、h20为深冷混合制冷剂循环节点16、18、20处物流的比焓(比焓:kJ/kg;节点见图 1)。
根据目标函数可得,预冷温度对双混合冷剂液化天然气流程的比功耗的影响趋势见图 2。
由图 2可看出,流程比功耗随着预冷温度的降低呈下降趋势。然而,当预冷温度低于-50 ℃时,比功耗下降趋势平缓。因此,双混合冷剂液化流程中混合冷剂预冷温度不应低于-50 ℃。
双混合冷剂液化天然气流程中,预冷混合制冷剂为液化天然气和深冷混合制冷剂提供预冷冷量。混合制冷剂预冷的最低温度为-50 ℃。根据目标函数(式1),计算得预冷混合制冷剂组成对流程比功耗的影响趋势见图 3。
由图 3可以看出,在满足最低制冷温度-50 ℃的条件下,混合制冷剂由C2H6~C5H12组成使预冷循环比功耗最小。当混合制冷剂中分别添加少量N2、CH4或同时配有少量的N2和CH4时,比功耗增大;同时,随着N2、CH4含量的微量增加,比功耗呈上升趋势。
因此,为了使双混合冷剂液化流程的比功耗最小,预冷混合制冷剂不需要压缩功耗较大的N2、CH4,而应由C2H6~C5H12组成。
深冷混合制冷剂为天然气的液化及过冷段提供冷量,制冷温区为-50~-160 ℃。为了满足深冷混合制冷剂最低制冷温度,混合制冷剂应配有制冷温位低于-160 ℃的N2和CH4。深冷混合制冷剂制冷最高温度-50 ℃高于C3H8、C4H10、C5H12的制冷温位,但通过计算发现,深冷混合制冷剂配有适量的C3H8,可降低制冷剂压缩功,如加入摩尔分数为5%的C3H8,可降低压缩功耗约6%。而深冷混合制冷剂配有C4H10、C5H12时,由于其沸点较高,使得深冷混合制冷剂循环量反而增加,造成压缩功耗上升。因此,双混合冷剂液化流程中深冷混合制冷剂应由N2、CH4~C3H8组成。
双混合冷剂液化流程中混合制冷剂组成确定后,混合制冷剂配比是该液化流程追求低能耗的基础。因此,研究预冷混合制冷剂及深冷混合制冷剂配比与流程功耗的关系是确定混合制冷剂最佳配比的关键[6-7]。不同的操作条件下,预冷及深冷混合制冷剂的各组成配比对流程比功耗呈相同的变化趋势。下面以原料气进站压力5 MPa、温度25 ℃、LNG产品储存压力20 kPa(表压)为例,进行阶式双混合冷剂液化流程混合制冷剂配比分析,天然气组成见双混合冷剂液化流程部分。
根据目标函数计算可得,预冷混合制冷剂各组成配比对流程比功耗的关系见图 4。
由图 4可看出,流程比功耗随C2H6含量的增加先下降后上升,存在一个比功耗最小的极值点;比功耗随着C3H8、C4H10、C5H12含量的增加呈下降趋势;预冷混合制冷剂中丙烷含量不宜太高,否则将导致C4H10、C5H12含量太低,无法实现功耗最小。
由此可得,在双混合冷剂液化流程的预冷混合制冷剂中,合理地选择C2H6的摩尔分数,可以取得较佳的流程性能,且C2H6最佳含量为流程比功耗曲线的凸点。
根据目标函数计算可得,深冷混合制冷剂各组成配比对流程比功耗的影响趋势见图 5。
由图 5可看出,随着CH4、C2H6、C3H8摩尔分数的增大,流程比功耗呈先下降后上升的变化趋势。同时,从N2、CH4~C3H8对流程比功耗的影响趋势中可看出,各组成均存在一个比功耗最小的极值点。
由此可得,双混合冷剂液化天然气流程的深冷混合制冷剂最佳配比应为各组成最小比功耗所对应的含量,即流程比功耗曲线的凸点。
(1) 阶式双混合冷剂液化天然气流程中,预冷混合制冷剂制冷的最佳温度为-50 ℃。
(2) 预冷混合制冷剂循环中,N2、CH4的存在使液化流程比功耗增大。因此,预冷混合制冷剂不应含有N2、CH4,而应由C2H6~C5H12组成。
(3) 深冷混合制冷剂循环中,制冷温区为-50~-160 ℃左右,制冷最高温度-50 ℃,高于C3H8、C4H10、C5H12的制冷温位,但配有适量的C3H8可降低制冷剂压缩功耗。所以,深冷混合制冷剂应由N2、CH4~C3H8组成。
(4) 阶式双混合冷剂液化天然气流程的混合制冷剂最佳配比应按流程比功耗最小来确定。