阶式双混合冷剂液化天然气流程的混合制冷剂研究

王元春 程小姣 高 俊 王思茜 曹连进

1.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司 2. “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 3.四川石油天然气建设工程有限责任公司

阶式双混合冷剂液化天然气流程的混合制冷剂研究

王元春1程小姣1高 俊2王思茜3曹连进2

1.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司 2. “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 3.四川石油天然气建设工程有限责任公司

为了降低混合制冷剂液化天然气流程功耗，采用预冷循环。其中，阶式双混合冷剂液化天然气流程得到广泛应用。通过建立阶式双混合冷剂液化流程比功耗的目标函数，分析预冷温度、混合制冷剂组成及配比与液化流程比功耗的关系得出：混合工质预冷的最佳温度为-50 ℃，预冷混合制冷剂由C2H6～C5H12组成，深冷混合制冷剂应为N2、CH4～C3H8组成；同时，混合制冷剂最佳配比为比功耗最小所对应的各组分的含量。

双混合冷剂 预冷温度 液化 组成 最佳配比

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。

1 双混合冷剂液化流程

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。

2 混合制冷剂组成研究

2.1 预冷温度的确定

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]：

(1)

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：

Wy=H12-H10=qymr(h12-h10)

(2)

其中：

qymr=(H1+H19-H2-H20)/(h10-h13)

(3)

深冷混合冷剂循环中，压缩机功耗Wc为：

Wc=H18-H16=qmr(h18-h16)

(4)

其中：

qmr=(H3-H8-H9)/(h3-h20)

(5)

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 ℃。

2.2 预冷混合制冷剂组成

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。

2.3 深冷混合制冷剂组成

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。

3 混合制冷剂配比研究

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。

3.1 预冷混合制冷剂配比分析

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。

3.2 深冷混合制冷剂配比分析

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。

4 结 论

(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。

[1] 张雷, 车立新, 毕胜山, 等. 天然气膨胀预冷混合制冷剂液化流程操作条件优化[J]. 西安交通大学学报, 2014, 48(2): 112-113.

[2] 刘燕妮, 孙标, 杨国敏, 等. 混合工质循环气体液化系统组分测定方法研究[J]. 石油与天然气化工, 2011, 40(3): 294-297.

[3] 马国光, 吴晓楠, 王元春. 液化天然气技术[M]. 北京: 石油工业出版社, 2012: 36-40.

[4] 顾安忠. 液化天然气技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.

[5] 马国光, 高俊, 魏向东, 等. 基于混合冷剂外冷的分输站压差液化天然气研究[J/OL]. 石油与天然气化工, http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1210.TE.20141125.1103.002.html.

[6] 杨健, 蒋浩, 蒋建志, 等. 混合制冷剂天然气液化流程工艺参数优化计算[J]. 煤气与热力, 2012, 32(7): B09-B11.

[7] 石玉美, 顾安忠, 汪荣顺, 等. 制冷剂参数对混合制冷剂循环液化天然气流程性能的影响[J]. 上海交通大学学报, 2000, 34(9): 1182-1184.

MixedrefrigerantresearchofLNGprocesswithcascadedoublemixedrefrigerantcycle

WangYuanchun1,ChengXiaojiao1,GaoJun2,WangSiqian3,CaoLianjin2

(1.ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.BeijingCompany,Beijing100000,China; 2.StateKeyLaboratoryofOilamp;GasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China; 3.SichuanOilamp;GasConstructionEngineeringCo.,Ltd,Chengdu610213,China)

To reduce the power of mixed refrigerant cycle (MRC), the process used the pre-cooling cycle. The cascade double mixed refrigerant cycles are widely used in pre-cooling cycle. This paper established the objective function of unit power consumption of the double mixed refrigerant cycle to analyze the relationship among pre-cooling temperature, composition and proportion of MR and the unit power consumption. As the result, the best pre-cooling temperature was -50 ℃. The composition of pre-cooling mixed refrigerant is from C2H6to C5H12, and the deep-cooling mixed refrigerant should include N2, CH4, C2H6and C3H8. Meanwhile, the optimum proportion of the mixed refrigerant is the content of each component corresponding to the minimum unit specific power consumption.

double mixed refrigerant, pre-cooling temperature, liquefaction, composition, optimum proportion

王元春(1963-)，男，湖北黄冈人，教授级高级工程师，现任职于中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，主要从事石油天然气集输、加工设计、科研工作。E-mailwangyuanchun@cpebj.com

TE646

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.03.011

2014-12-04；编辑康莉