天然气分输站的功能是将上游高压来气调压至中压或低压，然后输送至下游用户，在调压过程中，存在很大的压力能损失，将其转化为冷能加以利用是一种很好的压力能回收方法。直接利用分输站压力能液化天然气，液化能力较小，液化率最大为18%左右，经济效益低[1]。为了提高分输站压力能回收的经济效益，通常采用增加外冷循环提高天然气液化率。膨胀前预冷差压液化流程是在分输站直接利用压力能液化工艺上增加预冷循环，具有能耗低、效益高的特点[2]。
膨胀前预冷压差液化流程的工艺流程见图 1。
该流程主要由预冷冷剂循环、膨胀制冷支路和天然气液化支路组成。
预冷冷剂循环：冷剂经压缩机压缩后进入水冷器冷却，再经换热器Ⅰ冷却后由节流阀节流降温降压，然后再次进入换热器Ⅰ，为膨胀流股天然气和液化流股天然气提供冷量，最后进入压缩机，完成预冷循环。
天然气膨胀制冷支路：分输站来气中的一部分高压天然气经深度脱水后进入换热器Ⅰ，作为膨胀流股天然气经冷剂循环预冷后进入膨胀机Ⅱ，膨胀降温降压后依次进入换热器Ⅱ和换热器Ⅰ，为液化流股和膨胀流股天然气提供冷量，然后进入膨胀机Ⅱ压缩端增压后外输。
天然气液化支路：分输站来气中的剩余一部分天然气经深度净化、脱水后进入膨胀机Ⅰ压缩端，增压至一定压力后进入换热器Ⅰ，经预冷后进入膨胀机Ⅰ的膨胀端，膨胀降温降压后进入气液两相分离器，将重烃分离，液相去凝液回收装置，气相进入换热器Ⅱ，通过液化过冷后由节流阀节流降压，最后进入分离器进行LNG和BOG的分离，LNG产品进低温储罐。
对于膨胀前预冷压差液化流程，预冷冷剂循环为液化流股天然气和膨胀流股天然气提供预冷冷量，预冷冷量来自外冷循环。预冷循环为外冷循环，是液化装置主要的能耗环节，其结构的优化对于降低能耗具有很重要的意义[3]。
以联立模块法建立预冷循环系统结构优化数学模型，优选预冷冷剂压缩机段数。
联立模块法最初由Rosen提出，采用“黑箱”单元模块来解决系统模拟问题的新方法。它继承了联立方程法和序贯模块法的优点，具有所需计算内存较小、计算效率较高以及易通用等特点，是处理设计问题、模拟问题及其相应优化问题的有效模拟方法[4]。
一段压缩冷却的工艺流程见图 2。
根据工艺流程建立一段压缩系统数学模型如下：
式中：G为冷剂质量流量，kg/h；p为气体压力，kPa；T为气体温度，K；Wc为冷剂压缩机轴功率，kW；Q为冷却器负荷，kW; D为最小偏差；a为Jacobian矩阵系数。下标含义：a下标由两部分组成，第一部分对应流股号，第二部分表示方程中变量个数；同样参数变量下标对应流股号，且流股号与图 2对应。以下压缩系统方程参数下标含义相同。
根据以上的数学模型可以得到系统模型自由度为5，即(G1、p1、T1、p2、T3)，输出变量数为3个，即(T2、Wc、Q)[5]。
二段压缩冷却的工艺流程见图 3。
根据工艺流程建立二段压缩系统数学模型如下：
式中：p为气体压力，kPa；T为气体温度，K；G为冷剂质量流量，kg/h；xi为冷剂i组分摩尔分数；Wc为冷剂压缩机Ⅰ轴功率，kW；Q为冷却器Ⅰ负荷，kW；Wc′为冷剂压缩机Ⅱ轴功率，kW；W为冷剂泵Ⅰ功率，kW；Q′为冷却器Ⅱ负荷，kW。
方程中，其他符号含义同上，各变量下标流号如图 3所示。
根据以上的数学模型计算可得系统模型自由度为9，即(G1、p1、T1、xi1、p2、T3、p6、p7、T9)，输出变量数为13个，即(T2、Wc、Q、G4、G5、T6、Wc′、T7、W、G8、p8、T8、Q′)。
三段压缩冷却的工艺流程见图 4。
根据工艺流程建立三段压缩系统数学模型如下：
式中: p为气体压力，kPa；T为气体温度，K；G为冷剂质量流量，kg/h；xi为冷剂i组分摩尔分数；Wc为冷剂压缩机Ⅰ轴功率，kW；Q为冷却器Ⅰ负荷，kW；Wc′为冷剂压缩机Ⅱ轴功率，kW；W为冷剂泵Ⅰ功率，kW；Q′为冷却器Ⅱ负荷，kW；Wc″为冷剂压缩机Ⅲ轴功率，kW；W′为冷剂泵Ⅱ功率，kW；Q″为冷却器Ⅲ负荷，kW。
方程中，其他符号含义同上，各变量下标流号如图 4所示。
根据以上数学模型计算可得系统模型自由度为12，即(G1、p1、T1、xil、p2、T3、p6、p7、T9、p12、p13、T15), 系统输出变量数为23个，即(T2、Wc、Q、G4、G5、T6、Wc′、T7、W、G8、p8、T8、Q′、G10、G11、T12、T13、Wc″、W′、G14、p14、T14、Q″)。
预冷冷剂压缩系统中，存在的能耗有压缩机功耗、冷剂泵功耗以及冷却器负荷，即：
式中：E为压缩系统总能耗，kW；Wc为压缩机功耗，kW；W为冷剂泵功耗，kW；Q为冷却器负荷，kW。
以上述预冷冷剂压缩系统建立的系统数学模型为指导，对一段、二段、三段压缩流程进行模拟计算，可得多段压缩系统中，级间压力对压缩流程总能耗存在以下的影响趋势。
二段压缩系统中级间压力对总能耗的影响如图 5所示。由图 5可知，随着级间压力的增大，压缩系统总能耗呈先下降后上升的变化趋势，存在一个极小值点。由此可得，该极小值点所对应的压力为二段压缩系统最优级间压力。
三段压缩系统中级间压力对总能耗的影响如图 6和图 7所示。由图 6和图 7可知，三段压缩系统总能耗随着第一级和第二级间压力的变化趋势相同，都是先下降后上升，存在极小值点。因此，三段压缩系统各级压力的最优值为极小值所对应的压力。由此可知，对于多段压缩系统，级间压力应为压力-能耗曲线图中的极小值点。
已知某天然气分输站来气压力为7.0 MPa，温度为298 K，流量为100×104 m3/d，外输压力为2.5 MPa，天然气组成见表 1。
离心式压缩机单级压缩比相对较小，采用多段压缩可实现较高的压力。气体经各段压缩后，温度上升，需冷却后进一步压缩，冷却后混合物经气液两相分离，气相直接进行压缩，液相通过冷剂泵加压。假设压缩机效率均为0.75，且多段压缩的级间压力为最优值，表 2分析了不同压缩段数下，压缩机、冷剂泵以及冷却器所耗的能量。表中以一段压缩系统的冷剂增压设备总功耗和冷凝器负荷为比较标准，取为1。
由表 2可以得出，增加压缩机段数后，增压设备总功耗逐渐降低，同时冷却器负荷也呈下降变化。但是压缩段数越多就会造成工艺流程越复杂，而设备数量的增加又会使建造成本增加。根据现有国内压缩机的使用情况，装置成本最优时，冷剂压缩为三段压缩比较合理。此时，压缩机的结构布置相对简单，而且每段都能保持比较高的效率。因此，本工艺流程中预冷冷剂压缩系统选择三段压缩。其整个工艺流程见图 8。
本研究基于联立模块法对膨胀前预冷压差液化流程的预冷循环系统建立数学模型，通过模拟计算得出不同压缩段数数学模型的自由度及输出变量，为预冷循环系统的模拟计算优选提供了理论基础。通过对不同压缩段数的能耗的计算，得出压缩段数越多，能耗越低的规律。根据国内压缩机的使用情况，采用三段压缩时，压缩机的结构布置相对简单，而且每段都能保持比较高的效率。因此，为了降低装置能耗，获得更大的经济效益，建议采用三段压缩的方式对预冷冷剂进行压缩。
2016, Vol. 45 Issue (1): 57-62
2016, Vol. 45 Issue (1): 57-62