混合制冷剂循环+膨胀机天然气液化流程设计（全文）.pdf

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1、第三届中国 LNG 论坛论文编号：1230703混合制冷剂循环混合制冷剂循环+膨胀机天然气液化流程设计膨胀机天然气液化流程设计鹿来运，张镨，郭开华（中山大学工学院，广东广州，510006）摘要：摘要：提出一种混合制冷剂循环和膨胀机制冷循环内复叠天然气液化流程（Hybrid JT-exp） 。采用自主开发的流程模拟程序，分别对 C3/MRC 流程、AP-XTM流程和 Hybrid JT-exp 流程进行了模拟分析，并以单位能耗为指标对三种流程进行了优化。 优化结果发现， Hybrid JT-exp 流程综合特性曲线匹配效果最好， 其流程总功耗和单位能耗与 AP-XTM流程相当； 与 C3/MRC

2、 流程相比， 其流程总功耗降低约 9.5%， 单位能耗降低约 9.6%。 Hybrid JT-exp 流程可作为 AP-XTM流程的一种替代技术方案。关键词：关键词：混合制冷剂；膨胀机；内复叠；天然气液化1 引言引言美国 APCI 公司设计的丙烷预冷混合制冷剂液化流程（C3/MRC）1具有流程简单、效率高、运行稳定等优点，目前世界上 80%以上的基本负荷型天然气液化装置采用 C3/MRC 流程2。随着全球LNG 行业的迅猛发展和天然气气田开发力度的不断加强， “规模效益” （Economies of Scale）3逐渐成为人们研究开发新型天然气液化流程的主要考虑因素，即在液化流程效率相当的情况

3、下，大大增加天然气液化工厂单条生产线产能，从而降低单位产品生产成本。工业上发展了一些改进的天然气液化流程，如美国康菲公司 Phillips Optimized Cascade Process4采用丙烷预冷循环，其驱动压缩机采用可变速燃气轮机， 具有更高灵活性、 易操作； 德国 Linde 公司 Mixed Fluid Cascade Process5（MFCP）预冷段采用混合制冷剂，流程效率和单条生产线规模都有了进一步提高；荷兰壳牌公司 Dual MixedRefrigerant Process6(DMR)预冷段采用乙烷、丙烷与少量甲烷、丁烷混合物作为制冷剂，天然气预冷温度可达到-40，工艺设

4、备少，灵活性更大；法国 Axens 公司 Axens LiquefinTMProcess7预冷段用混合制冷剂替代丙烷， 据称该工艺生产 LNG 的费用每吨可降低 25%。 美国 APCI 公司 AP-XTMHybridLNG Process8增加独立氮气膨胀制冷循环实现天然气的深冷和液化，在提高流程效率的同时大幅度增加系统产能，其单线产能达到 750 万吨/年。另一方面，随着天然气液化工厂生产规模的不断增大，其液化工艺所采用设备的尺寸和型号也大幅增加，比如压缩机、多股流换热器、膨胀机等。近年来，研究人员对膨胀设备特别是两相膨胀机（Two-Phase Expansion）的研究取得了很大进展，大

5、大扩展了膨胀机在大中型天然气液化流程中的应用范围9-10，也为开发新型液化流程提供了新的设计思路。本文提出一种混合制冷剂循环和膨胀机制冷循环内复叠天然气液化流程（Hybrid JT-exp） 。采用自主开发的流程模拟程序，分别对 C3/MRC 流程、Hybrid JT-exp 流程和 AP-XTM流程进行了模拟分析，并以单位能耗为指标对上述三种流程进行了优化。对最优工况下三种流程各自的换热性能、负荷分配、单位功耗等进行了比较和分析。2 流程模拟流程模拟2.1 流程设计流程设计C3/MRC 流程的特点为预冷循环和 MRC 循环两级外复叠，其流程图见图 1。AP-XTM流程的特专利申请中。点为预冷

6、循环、MRC 循环和氮气膨胀制冷循环三级外复叠，其流程图见图 2。本文所设计 HybridJT-exp 流程的特点为预冷循环和 MRC 循环两级外复叠，其流程图见图 3。Hybrid JT-exp 流程与C3/MRC 流程相比，增加膨胀机制冷循环承担天然气深冷段负荷，流程负荷配置更灵活；与 AP-XTM流程相比，将 MRC 循环与氮气膨胀制冷循环外复叠设计为内复叠，省却了独立的氮气压缩循环，流程结构更紧凑。图 1 C3/MRC 液化流程1Fig.1 Liquefaction process of propane pre-cooling MRC图 2 AP-XTM液化流程8Fig.2 AP-XT

7、Mhybrid LNG process图 3 Hybrid JT-exp 液化流程Fig.3 Hybrid JT-exp liquefaction cycle2.2 模拟条件与假定模拟条件与假定本文采用自主开发的流程模拟程序对上述三种液化流程进行模拟分析。为了比较分析不同流程的性能，对各流程模拟采用相同的模拟条件与假定。流程模拟程序选择 P-R（Peng-Robinson）方程进行相平衡计算。对流程模拟所涉及设备作如下假定：压缩机入口为气相；各换热器中最小换热温差为 3.0-5.0；各换热器均无压降；忽略系统漏热；压缩机等熵效率为 80%，膨胀机等熵效率为 80%。各流程的预冷循环均以丙烷作为

8、制冷工质，MRC 循环以氮气和烷烃的混合物作为制冷工质，AP-XTM流程的独立膨胀制冷循环以氮气作为单一制冷剂。原料气条件为：天然气处理量为1.0kmol/s，进气压力为 40.0bar，温度为 27.0；天然气的液化率为 0.92，LNG 的储存压力为 1.2bar。天然气组分和各流程混合制冷剂的配比见表 1。表 1 组分摩尔百分比Table 1 Mole fraction of components (mol %)N2CH4C2H6C3H8iC4H10nC4H10iC5H12nC5H12NG0.0788.777.542.590.450.560.010.01C3/MRC20.0024.002

9、6.5023.003.403.10AP-XTM40.8037.3021.000.460.44Hybrid JT-exp55.509.5012.5018.902.301.303 结果与分析结果与分析3.1 流程优化流程优化对上述三种流程的优化均以单位能耗 w 作为第一指标，其值按如下公式进行计算：,netm LNGWwq=式中，netW为流程中净输入功，单位为 kW；,m LNGq为目标产品 LNG 的流量，单位为 kg/h。天然气液化流程的能耗主要由换热器的平均换热温差决定，一般情况下，换热器的平均换热温差越小，流程的单位能耗越低。综合特性曲线（Composite curve）11-12常用来

10、分析换热器的换热性能。换热器中所有热流用热复合曲线（Hot composite curve）表示，所有冷流用冷复合曲线（Coldcomposite curve）表示。当冷热流复合曲线匹配较好时，换热器的平均换热温差越小，反之则较大。图 4图 6 分别为 C3/MRC 流程、AP-XTM流程、Hybrid JT-exp 流程优化后的换热曲线。比较三个流程的综合特性曲线可知， C3/MRC 流程冷热流复合曲线匹配最差， 在其预冷段最大换热温差约为 40.0，在其深冷段最大换热温差约为 20.0，较大的换热温差导致系统的不可逆损失也较大。HybridJT-exp 流程冷热流复合曲线匹配最好，在其预冷

11、段最大换热温差约 30.0，在其深冷段最大换热温差约 8.0，系统换热性能较 C3/MRC 流程得到大大改善。 AP-XTM流程预冷段换热性能与 HybridJT-exp 流程差不多， 但在其深冷段最大换热温差约为 15.0， 平均换热温差较 Hybrid JT-exp 流程大。3.2 流程负荷分配流程负荷分配由于各流程预冷循环模拟条件相似，三种流程中预冷循环所承担负荷约占各自流程总负荷的20%。对于 C3/MRC 流程，MRC 循环所承担负荷约占其流程负荷的 80%，这一比例在 Hybrid JT-exp流程中变为 MRC 循环承担约 60%，膨胀机制冷循环承担约 20%；在 AP-XTM流

12、程中变为 MRC 循环承担约 70%，氮气膨胀制冷循环承担约 10%。Hybrid JT-exp 流程中汽液分离温度约为 102.0，所分离气相工质组分主要为 N2和 CH4，其摩尔百分比约为 87.0% N2+13.0%CH4；同在深冷段（H.E.3） ，AP-XTM流程氮气膨胀制冷循环工质流量与原料气流量比为 2.12， Hybrid JT-exp 流程膨胀机制冷循环工质流量与原料气流量比为 1.82，虽然 AP-XTM流程氮气膨胀制冷循环工质流量比 Hybrid JT-exp 流程膨胀机制冷循环工质流量多约 15%，但其所承担的负荷却比后者少约 10%。因此，内复叠的膨胀机制冷循环比外复

13、叠的独立氮气膨胀制冷循环效果要好很多，而且灵活的流程负荷分配必然使得液化系统运行更加稳定可靠，同时也大大提高系统效率。图 4 C3/MRC 流程换热曲线Fig.4 Hot and cold composite curves for the C3/MRC process图 5 AP-XTM流程换热曲线Fig.5 Hot and cold composite curves for AP-XTMprocess图 6 Hybrid JT-exp 流程换热曲线Fig.6 Hot and cold composite curves for the Hybrid JT-exp cycle图 7 C3/MRC

14、 流程负荷分配Fig.7 Natural gas cooling curve for the C3/MRC process图 8 AP-XTM流程负荷分配Fig.8 Natural gas cooling curve for the AP-XTMprocess图 9 Hybrid JT-exp 流程负荷分配Fig.9 Natural gas cooling curve for the Hybrid JT-exp cycle3.3 优化结果优化结果上述三种液化流程的优化结果如表 2 所示。流程总功耗，即流程净输入功等于压缩机功耗减去膨胀机做功。从表中的结果分析可知，Hybrid JT-exp 流

15、程的总功耗和单位能耗与 AP-XTM流程相当，与 C3/MRC 流程相比，其流程总功耗降低约 9.5%，单位能耗降低约 9.6%。表 2 各流程优化结果比较Table 2 Comparison of the optimization results for the three liquefaction processes天然气流量（kmol/s）混合工质流量（kmol/s）压缩机功耗（kW）膨胀机做功（kW）液化率单位能耗（kW.h/kg）C3/MRC1.001.74197770.920.324AP-XTM1.001.731959417530.920.292Hybrid JT-exp1.002

16、.932042825210.920.2934.结论结论提出一种混合制冷剂循环和膨胀机制冷循环内复叠天然气液化流程（Hybrid JT-exp） 。采用自主开发的流程模拟程序，分别对 C3/MRC 流程、AP-XTM流程和 Hybrid JT-exp 流程进行了模拟分析，并以单位能耗为指标对各流程进行了优化。优化结果发现，Hybrid JT-exp 流程综合特性曲线匹配效果最好，其流程总功耗和单位能耗与 AP-XTM流程相当；与 C3/MRC 流程相比，其流程总功耗降低约 9.5%，单位能耗降低约 9.6%。Hybrid JT-exp 流程可作为 AP-XTM流程的一种替代技术方案。参考文献参考

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