丙烷預(yù)冷混合制冷劑二次分離液化工藝計(jì)算

摘 要

摘要：論述了丙烷預(yù)冷混合制冷劑二次分離天然氣液化流程工藝參數(shù)的計(jì)算，探討了求解循環(huán)量最小的制冷劑配比、混合制冷劑壓縮機(jī)最佳出口壓力和天然氣壓縮機(jī)最佳出口壓力。關(guān)鍵詞
摘要：論述了丙烷預(yù)冷混合制冷劑二次分離天然氣液化流程工藝參數(shù)的計(jì)算，探討了求解循環(huán)量最小的制冷劑配比、混合制冷劑壓縮機(jī)最佳出口壓力和天然氣壓縮機(jī)最佳出口壓力。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；天然氣液化；丙烷預(yù)冷混合制冷劑；二次分離
Calculation of Secondary Separation and Liquefaction Process with Propane Precooled Mixed Refrigerant
SUN Chunwang
Abstract：The calculation of technological parameters of secondary separation and liquefaction of natural gas with propane precooled mixed refrigerant is described.The solutions of minimum refrigerant ratio of circulating flow，the optimal outlet pressure of mixed refrigerant compressor and the optimal outlet pressure of natural gas compressor are discussed.
Key words：liquefied natural gas；natural gas liquefaction；propane precooled mixed refrigerant；secondary separation
進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)天然氣事業(yè)得到飛速發(fā)展，天然氣已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。天然氣長(zhǎng)輸管道輸送項(xiàng)目建設(shè)周期長(zhǎng)、投資巨大，目前靠天然氣長(zhǎng)輸管道輸送供氣，下游天然氣市場(chǎng)供不應(yīng)求，部分地區(qū)、城市、大型用戶用氣高峰季節(jié)出現(xiàn)氣荒。近年來，天然氣(煤層氣)液化項(xiàng)目紛紛上馬，天然氣(煤層氣)液化工藝能耗指標(biāo)優(yōu)劣取決于制冷循環(huán)工藝[1]，丙烷預(yù)冷混合制冷劑分離液化工藝是混合制冷循環(huán)工藝之一[2]，也是目前國(guó)外大型天然氣液化廠普遍采用的液化工藝。
丙烷預(yù)冷混合制冷劑分離液化可以采用一次分離或二次分離。二次分離液化流程與一次分離液化流程相比，系統(tǒng)多了一個(gè)分離器、一個(gè)液相節(jié)流閥、一個(gè)換熱器，但兩者換熱面積相差不大。二次分離流程工藝計(jì)算卻復(fù)雜了很多，一次工藝計(jì)算需幾十個(gè)機(jī)時(shí)。
增加一個(gè)分離器的目的是減少混合制冷劑的預(yù)冷熱負(fù)荷，即一次分離后的氣相經(jīng)冷卻后為氣、液兩相，為使液相即刻節(jié)流產(chǎn)冷而增加二次分離器，分離出的液相經(jīng)節(jié)流而產(chǎn)冷，余氣再經(jīng)過過冷器冷卻、液化，再節(jié)流產(chǎn)冷。
1 計(jì)算的目的
① 選擇制冷劑；
② 求循環(huán)量最小的制冷劑配比；
③ 求混合制冷劑壓縮機(jī)最佳出口壓力；
④ 求天然氣壓縮機(jī)最佳出口壓力。
2 已知條件
① 天然氣組成(摩爾分?jǐn)?shù))：yCH4=0.820，yC2H6=0.112，yC3H8=0.04，yi-C4H10=0.009，yn-C4H10=0.012，yN2=0.007。
② 天然氣處理量：25×104m3/d。
3 選擇制冷劑
以丙烷做預(yù)冷的制冷劑，選擇必要的N2、CH4、C2H6及少量C3H8便可確定預(yù)冷后所需冷量，本文在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)選用N2、CH4、C2H6、C3H8作為混合制冷劑。
4 工藝流程
丙烷預(yù)冷混合制冷劑二次分離液化工藝流程見圖1。此流程適于大規(guī)模天然氣液化生產(chǎn)。天然氣液相節(jié)流閥后，氣相分率V=0，丙烷循環(huán)流程同一次分離流程，各節(jié)點(diǎn)參數(shù)也相同。計(jì)算結(jié)果見圖1。
 
5 混合制冷劑循環(huán)各節(jié)點(diǎn)壓力及溫度
5.1 壓力
① 天然氣壓力
天然氣進(jìn)入換熱器1的設(shè)定壓力為4.76MPa，略去各換熱器阻力，各換熱器進(jìn)出壓力均為4.76MPa。
② 混合制冷劑壓力
設(shè)定混合制冷劑壓縮機(jī)出口壓力為2.5MPa，不計(jì)換熱器等設(shè)備阻力，則相應(yīng)點(diǎn)壓力為：p9=p10=p11=p12=p13=p14=p15=p16=p17=p18=p20=p21=p23=p24=2.5MPa，節(jié)流后相應(yīng)點(diǎn)壓力為：p19=p25=p26=p27=p28=p29=p22=0.4MPa。
5.2 溫度
① 換熱器4熱端：
T4=T20=T14=238K。按換熱器4平衡方程計(jì)算求得：T29=234.16K，T4-T29=3.84℃＞3℃。
② 換熱器6冷端：
常壓罐壓力為0.12MPa，保持節(jié)流后氣相分率V=0，經(jīng)計(jì)算，T7=111.03K，于是T18=111.03K。經(jīng)節(jié)流閥，等焓求得T19=107.66K，T18-T19=3.37℃＞3℃。
③ 換熱器5的冷、熱端溫度計(jì)算：
a. 設(shè)定T5=T21=T15=T16=T23=180K，T27=T5-3K=177K。
b. 設(shè)定T6=T24=T17=150K，則T25=T6-3K=147K。
c. T22按T21=180K，p21=2.5MPa，p22=0.4MPa等焓求得，T28以T22和T27二股流混合焓及p28定壓力，按等焓閃蒸求得。
d. T51按T24=150K，p24=2.5MPa及p51=0.4MPa等焓求得，T26以T25和T51二股流混合焓及p26定壓力，按等焓閃蒸求得。
6 循環(huán)量計(jì)算
6.1 做換熱器6平衡求循環(huán)量
① 在上述“5.2③b”中設(shè)定T6=T24=T17=150K，T25=147K，在相應(yīng)壓力條件下，求得滿足換熱器6熱平衡的循環(huán)量。
② 以所求循環(huán)量，在上述“5.2③a”中設(shè)定T5=T23=T16=180K，T27=177K，在相應(yīng)壓力條件下，做換熱器5熱平衡計(jì)算。若熱平衡滿足相對(duì)誤差為±1%要求，則所設(shè)溫度成立。反之如下：
a. 若換熱器5冷量不足，提高所設(shè)溫度T16、T17可得較高的循環(huán)量(每次升1℃)。
b. 換熱器5冷量過大，則降低所設(shè)溫度T16、T17可得較低的循環(huán)量(每次降1℃)。
本例中計(jì)算求得T6=151.73K。
6.2 求某一配比條件下的最小循環(huán)量
上述計(jì)算是在設(shè)定T5=T15=180K條件下進(jìn)行的，現(xiàn)改變?yōu)門5=170～190K，T6=140～160K，求最小循環(huán)量。
7 混合制冷劑配比選擇
7.1 選擇范圍
z(CH4)=0.3～0.4，z(C2H6)=0.35～0.45，z(N2)=0.04～0.10，z(C3H8)滿足歸一化：
z(CH4)+z(C2H6)+z(N2)+z(C3H8)=1
式中z——氣液相摩爾分?jǐn)?shù)之和
7.2 約束條件
① 換熱器6冷端進(jìn)出口溫差△T＞3℃，最小也必須滿足△T＞2℃。
② 換熱器各溫段的換熱進(jìn)出口溫差△T≥2℃。
7.3 求最小循環(huán)量
按上述制冷劑選擇范圍排列組合，求循環(huán)量最小的制冷劑配比。此計(jì)算過程很長(zhǎng)，需摸索每一迭代計(jì)算步長(zhǎng)，以減少機(jī)時(shí)。本例求得最佳配比為：
z(CH4)：z(C2H6)：z(N2)：z(C3H8)=43：31：20：6
以此配比求得T5=180K，T6=151.7K，T29=234.16K，循環(huán)量為274.88kmol/h，循環(huán)比1.8923。
8 天然氣的最佳壓力
以p1=4.5～5.5MPa，按上述過程求最佳天然氣壓力。天然氣的壓力越高，其需冷量越小，則混合制冷劑的循環(huán)量越小，混合制冷劑壓縮機(jī)的功率越小，然而天然氣壓力越高，天然氣壓縮機(jī)的功率越大。經(jīng)試算，天然氣的壓力約為4.8MPa時(shí)，綜合能耗處于較低值。
9 制冷劑壓縮機(jī)最佳出口壓力
以p10=2.0～3.0MPa，按上述過程求混合制冷劑的最佳壓力，經(jīng)試算，p10=2.5MPa左右為最佳。
10 功耗
① 丙烷壓縮機(jī)功率993kW，單耗為0.0953kW·h/m3。
② 混合制冷劑壓縮機(jī)功率為1477kW，單耗為0.1418kW·h/m3。
③ 以上二項(xiàng)合計(jì)功率為2470kW，單耗為0.2371kW·h/m3。
參考文獻(xiàn)：
[1] 范學(xué)軍，袁樹明，杜建梅，等.天然氣部分液化工藝計(jì)算[J].煤氣與熱力，2010，30(7)：A40-A42.
[2] 袁樹明，劉蘭慧，范學(xué)軍，等.丙烷預(yù)冷混合制冷劑天然氣液化流程工藝計(jì)算[J].煤氣與熱力，2010，30(8)：B07-B09.
 
(本文作者：孫春旺 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)