摘　要：天然氣帶壓液化(PLNG)技術(shù)可在較高的壓力和溫度下儲(chǔ)存液化天然氣，為海上天然氣的液化提供了可能，但對(duì)于PLNG流程的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)、性能優(yōu)化方面的研究幾乎還未見報(bào)道。為此，借鑒氣體膨脹式天然氣液化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)CO2含量較低的海上天然氣設(shè)計(jì)了一種氣體膨脹天然氣帶壓液化流程，并利用HYSYS軟件進(jìn)行了模擬和優(yōu)化。結(jié)果表明：①分別采用N2、50％N2+50％CH4、CH4作為制冷劑，以產(chǎn)品LNG的單位能耗為衡量指標(biāo)，對(duì)流程的4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(進(jìn)口天然氣壓力、LNG儲(chǔ)存壓力、氣體制冷劑膨脹前壓力及氣體制冷劑膨脹前預(yù)冷溫度)進(jìn)行了優(yōu)化分析，并得到了它們的最優(yōu)值；②比較了N2、50％N2+50％CH4、CH4分別作為制冷劑時(shí)，流程的能耗情況，發(fā)現(xiàn)CH4是能耗最低的制冷劑；③將優(yōu)化后的氮膨脹天然氣帶壓液化流程與常規(guī)氮膨脹天然氣液化流程進(jìn)行比較，結(jié)果表明前者不僅占地面積小、流程簡單、設(shè)備初始投資低，而且運(yùn)行工況更優(yōu)良、能耗更低(僅為0.2189 kWh／m³，比常規(guī)流程的能耗降低了46％)。

關(guān)鍵詞：海上天然氣  液化天然氣  二氧化碳  帶壓液化流程  膨脹  HYSYS模擬  優(yōu)化  能耗

Simulation and optimal design of a natural gas pressurized liquefaction process with gas expansion refrigeration

Abstract：LNG can be stored under a rather high temperature and pressure with the aid of pressurized natural gas liquefaction(PLNG)technology，which also makes it possible for offshore natural gas to be liquefied．However，few literatures on this subject have ever been found up till now．In view of this，a natural gas pressurized liquefaction process with gas expansion refrigeration was designed，especially for the offshore natural gas with a low content of carbon dioxide．Then．the HYSYS software was adopted to simulate and optimize this process．First，N2，50％N2+50％CH4，and CH4 were adopted respectively as refrigerants，the unit energy consumption of LNG was regarded as the measurement index，and an optimal analysis was then performed of the 4 key parameters in this flow process：inlet natural gas pressure，LNG storage pressure，pressure and pre cooling temperature of a gas refrigerant before expansion，the optimal values of which were also obtained．Second，through a comparative analysis，CH4 is found to be the refrigerant with the lowest energy consumption needed in the flow process．Third，by comparison，this optimized flow process has more advantages than ever before：less space occupied，simple flow process，and low initial equipment cost，and its energy consumption is reduced by 46％with only 0.2189kWh／m³ as a result．

Key words：offshore natural gas，liquefied natural gas，carbon dioxide，pressurized liquefaction process，expansion，HYSYS，simulation，optimization，power consumption

海洋中蘊(yùn)藏了全球約1／3的天然氣資源^[1]，然而海上天然氣液化卻面臨諸多難題，其中之一就是如何減小液化裝置的占地面積問題。為解決這一難題，國外學(xué)者提出了天然氣帶壓液化(PLNG)技術(shù)^[2-3]，即讓天然氣液化后在較高的壓力(1～2MPa)下儲(chǔ)存運(yùn)輸，其對(duì)應(yīng)的冷凝溫度也由傳統(tǒng)流程的-l60℃明顯提高至-l00～-l20℃。由于冷凝溫度的提高，CO2在LNG中的溶解度也由0.01％左右顯著提高到l.O0％～3.30％(摩爾分?jǐn)?shù)) ^[4-5]?？紤]足夠的安全余量，對(duì)于CO2含量低于0.50％的原料天然氣就可以省去CO2預(yù)處理裝置，從而大大減小了天然氣處理裝置的占地面積。PLNG技術(shù)的這一優(yōu)勢無疑為海上天然氣的開發(fā)利用帶來了極大便利。然而，有關(guān)PLNG流程的運(yùn)行參數(shù)、性能優(yōu)化方面的研究幾乎還未見報(bào)道。

由于氣體膨脹式天然氣液化系統(tǒng)具有易啟停、流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，十分適合海上天然氣的液化^[6]，因此，筆者采取了這種形式的天然氣液化流程，針對(duì)CO2含量較低的海上天然氣設(shè)計(jì)了一種氣體膨脹帶壓液化流程，并利用HYSYS軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算。分別采用N2、50％N2+50％CH4、CH4作為制冷劑，以產(chǎn)品LNG的單位能耗為指標(biāo)，對(duì)流程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，并將優(yōu)化后的氮膨脹天然氣帶壓液化流程與常規(guī)氮膨脹天然氣液化流程進(jìn)行了比較，擬為海上天然氣液化流程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1　帶壓液化流程的設(shè)計(jì)

針對(duì)CO2含量較低的海上天然氣沒計(jì)了一種氣體膨脹帶壓液化流程(圖1)。為簡化研究，筆者省略了天然氣脫H2S、脫重?zé)N、脫水等凈化處理過程。將凈化后帶有一定壓力的天然氣引入換熱器HEX-l01和HEX-l02降溫后節(jié)流至l～2MPa，變成液化產(chǎn)品LNG后引入儲(chǔ)罐V-101儲(chǔ)存。儲(chǔ)罐中的揮發(fā)氣(BOG)節(jié)流降溫后返同到換熱器，以回收部分低溫能和壓力能。整個(gè)液化流程由氣體膨脹制冷循環(huán)提供冷量，氣體制冷劑經(jīng)過兩級(jí)壓縮中間水冷后，再經(jīng)過換熱器HEX-l01預(yù)冷，然后經(jīng)過膨脹機(jī)膨脹降至低溫，依次為換熱器HEX-101和HEX-l02提供冷量，復(fù)溫后回到壓縮機(jī)。其中壓縮機(jī)C-202和膨脹機(jī)E-201共同構(gòu)成壓縮膨脹機(jī)組，膨脹機(jī)E-201產(chǎn)生的膨脹功剛好完全回收給壓縮機(jī)C-202使用。

2　液化流程的優(yōu)化

2．1　初始參數(shù)的設(shè)定

選擇P-R狀態(tài)方程作為物性模擬計(jì)算方程。流程的初始參數(shù)是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或合理的假設(shè)而設(shè)定的。設(shè)定天然氣進(jìn)口溫度和水冷后的溫度為35℃，壓縮機(jī)絕熱效率為0.85，膨脹機(jī)絕熱效率為0.8^[7-8]，天然氣液化率為1。為簡化研究，假定換熱器中天然氣的壓降為0kPa，HEX-l01的最小換熱溫為5℃，HEX-l02的最小換熱溫為3℃^[8]。由于PLNG流程主要是針對(duì)含CO2天然氣的液化而提出的，故假設(shè)進(jìn)口天然氣僅由CH4和CO2組成，選取CH4和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為99.9％和0.01％的天然氣進(jìn)行研究。

為減少流程的可調(diào)參數(shù)，借助HYSYS軟件設(shè)定了幾個(gè)邏輯關(guān)系，使得部分流程參數(shù)可以進(jìn)行自調(diào)節(jié)以達(dá)到最優(yōu)值。白調(diào)節(jié)壓縮機(jī)C-201前端天然氣流量保證換熱器HEX-l01的最小換熱溫差為5℃；白調(diào)節(jié)水冷器WC-201前端天然氣的壓力保證膨脹機(jī)的功剛好完全回收給壓縮機(jī)C-202使用；自調(diào)節(jié)膨脹機(jī)E-201后端天然氣的壓力保證換熱器HEX-102的最小換熱溫差為3℃；自調(diào)節(jié)換熱器HEX-l01后端天然氣的溫度使之與壓縮機(jī)C-201前端天然氣的溫度相等。

2．2　流程參數(shù)的優(yōu)化方法

根據(jù)流程已設(shè)定的參數(shù)及其邏輯關(guān)系，可知流程自由度為4^[9]，分別是進(jìn)口天然氣壓力(P101)、LNG儲(chǔ)存壓力(P104)、氣體制冷劑膨脹前壓力(P204)、氣體制冷劑膨脹前預(yù)冷溫度(t206)。為找到這4個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值，以產(chǎn)品LNG駒單位能耗為指標(biāo)，在其他參數(shù)相同的情況下，改變被優(yōu)化參數(shù)的值，取其能耗最低者作為最優(yōu)值。帶壓LNG產(chǎn)品的單位能耗計(jì)算公式如下：

式中w為LNG的單位能耗，kWh／m³；W201為壓縮機(jī)C-201的總功耗，kw；q105為LNG的標(biāo)準(zhǔn)體積流量，m³／h。

3　優(yōu)化結(jié)果與分析

3．1　流程參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果

當(dāng)進(jìn)口天然氣壓力(P101)為5MPa、LNG儲(chǔ)存壓力(P104)為2MPa、氣體制冷劑膨脹前預(yù)冷溫度(t206)為-30℃時(shí)，在一定范圍內(nèi)改變制冷劑膨脹前壓力(P204)，通過HYSYS軟件模擬計(jì)算可得到產(chǎn)品LNG單位能耗(w)，進(jìn)而得到w隨P204的變化關(guān)系(圖2)。由圖2可知，產(chǎn)品LNG單位能耗隨制冷劑膨脹前壓力的增加而降低。這是因?yàn)閴毫Φ脑黾邮沟弥评鋭┡蛎浐蟮臏亟翟龃?，引起制冷劑膨脹后壓?span lang="EN-US">(P207)進(jìn)行自調(diào)節(jié)升高壓力，進(jìn)而引起制冷劑流量進(jìn)行自調(diào)節(jié)增加流量，這兩者的綜合作用使得產(chǎn)品LNG的單位能耗降低。由于制冷劑膨脹前壓力的升高可能會(huì)導(dǎo)致膨脹機(jī)帶液太大的問題，另外，壓力過高會(huì)使得設(shè)備承壓要求增加，因而流程中的壓力不宜過高，P204為5MPa是一個(gè)比較合適的氣體制冷劑膨脹前壓力。

當(dāng)進(jìn)口天然氣壓力(P101)為5MPa、LNG儲(chǔ)存壓力(P104)為2MPa、氣體制冷劑膨脹前壓力(P204)為5MPa時(shí)，在一定范圍內(nèi)改變氣體制冷劑膨脹前預(yù)冷溫度(t206)，通過HYSYS軟件模擬計(jì)算可得到產(chǎn)品LNG的單位能耗(w)，進(jìn)而得到w隨t206的變化關(guān)系(圖3)。由圖3可知，產(chǎn)品LNG單位能耗先隨制冷劑膨脹前預(yù)冷溫度的增加而降低，后又隨之增加而增加。這是因?yàn)榕蛎浨皽囟容^低時(shí)，流程的熱負(fù)荷較大，造成制冷劑流量上升，壓縮機(jī)功耗隨之增加，從而導(dǎo)致產(chǎn)品LNG能耗增加。膨脹前溫度較高時(shí)，膨脹后的溫度也較高，引起膨脹后壓力自調(diào)節(jié)降低壓力，壓縮機(jī)功耗隨之增加，從而導(dǎo)致產(chǎn)品LNG能耗增加。故而制冷劑存在一個(gè)最優(yōu)膨脹前壓力，南圖3可知，t206為-25℃、-30℃、-35℃時(shí)分別是CH4、50％N2+50％CH4、N2制冷劑的最優(yōu)膨脹前預(yù)冷溫度。

當(dāng)LNG儲(chǔ)存壓力(P104)為2MPa、氣體制冷劑膨脹前壓力(P204)為5MPa、氣體制冷劑膨脹前預(yù)冷溫度(t206)為-30℃時(shí)，在一定范圍內(nèi)改變進(jìn)口天然氣壓力(P101)，通過HYSYS軟件模擬計(jì)算可得到產(chǎn)品LNG的單位能耗(w)，進(jìn)而得到w隨P101的變化關(guān)系(圖4)。由南圖4可知，產(chǎn)品LNG單位能耗隨進(jìn)口天然氣壓力的增加而降低。這是因?yàn)閴毫υ礁撸瑩Q熱器的平均換熱溫差越小，因而能耗越低。由于進(jìn)口天然氣壓力的升高對(duì)承壓設(shè)備的要求也增加，故而不宜太高。因此，取P101為5MPa作為最優(yōu)進(jìn)口壓力。

當(dāng)進(jìn)口天然氣壓力(P101)為5MPa、氣體制冷劑膨脹前壓力(P204)為5MPa、氣體制冷劑膨脹前預(yù)冷溫度(t206)為-30℃時(shí)，在一定范圍內(nèi)改變LNG儲(chǔ)存壓力(P104)，通過HYSYS軟件模擬計(jì)算可得到產(chǎn)品LNG的單位能耗(w)，進(jìn)而得到叫隨P104的變化關(guān)系(圖5)。由圖5可知，產(chǎn)品LNG單位能耗隨LNG儲(chǔ)存壓力的增加而降低，這是因?yàn)閮?chǔ)存壓力越高，對(duì)應(yīng)的液化溫度越高，所需的制冷量越少，因而能耗越低。然而儲(chǔ)存壓力的升高對(duì)儲(chǔ)存和輸運(yùn)容器的耐壓要求也增高，增加了運(yùn)輸成本^[10]。取P104為2MPa作為最優(yōu)的LNG儲(chǔ)存壓力。

3．2　制冷劑的比較

通常考慮到安全因素，N2是首選的膨脹制冷劑，為降低能耗，N2-CH4混合物也常被用作制冷劑^[7]。通過上述對(duì)CH4、50％N2+50％CH4和N2這3種制冷劑的研究，可得到3種對(duì)應(yīng)液化流程的最優(yōu)參數(shù)及能耗值(表1)。由表l可知，CH4、50％N2+50％CH4和N2這3種制冷劑膨脹前預(yù)冷溫度的最優(yōu)值依次降低，這是由于N2的液化溫度低于CH4的液化溫度而造成的。由圖5及表l不難發(fā)現(xiàn)這3種制冷劑中N2的能耗最高，CH4的能耗最低，這是因?yàn)檫M(jìn)口天然氣的比熱容隨溫度變化的性質(zhì)與CH4制冷劑的比熱容隨溫度變化的性質(zhì)十分接近^[11]，使得天然氣與制冷劑換熱時(shí)的平均溫差較小，炯損失較小，能耗也較低。

3．3　氦膨脹PLNG流程與常規(guī)氮膨脹流程的比較

HYSYS模擬的常規(guī)氮膨脹天然氣液化流程如圖6所示^[12]。經(jīng)過預(yù)處理后的進(jìn)口天然氣通過換熱器HEX-l01和HEX-l02降溫，然后節(jié)流至l01kPa變?yōu)?span lang="EN-US">LNG，送入儲(chǔ)罐V-101。液化流程所需冷量由氮膨脹制冷循環(huán)提供，由于常規(guī)液化流程所需的低溫更低，若采用單級(jí)膨脹會(huì)導(dǎo)致膨脹機(jī)的膨脹比非常大，故而一般采用兩級(jí)膨脹為流程提供冷量和所需的低溫。氮?dú)庵评鋭┦紫冉?jīng)過三級(jí)壓縮水冷器，再進(jìn)入膨脹機(jī)E-201膨脹降溫，接著進(jìn)入換熱器HEX-102為其提供冷量，然后進(jìn)入膨脹機(jī)E-202繼續(xù)膨脹降溫，接著依次通過三級(jí)換熱器為其提供冷量，最后復(fù)溫回到壓縮機(jī)。其中膨脹機(jī)E-201和E-202產(chǎn)生的膨脹功分別由壓縮機(jī)C-202和C-203完全回收利用，構(gòu)成兩個(gè)壓縮膨脹機(jī)組。由于常規(guī)天然氣液化流程的進(jìn)口天然氣要經(jīng)過CO2預(yù)處理，CO2的含量一般不超過0.01％。因此，這里仍舊取99.99％CH4+0.01％CO2作為進(jìn)口原料氣。

經(jīng)過模擬和優(yōu)化計(jì)算，表2列出了常規(guī)氮膨脹天然氣液化流程和氮膨脹天然氣帶壓液化流程的優(yōu)化結(jié)果。比較可知，二者的最優(yōu)入口壓力、膨脹前壓力和預(yù)冷溫度是相同的。由此可見，和常規(guī)氮膨脹流程相比，氮膨脹天然氣帶壓液化流程具有以下優(yōu)點(diǎn)：①膨脹比降低，約為前者的一半；②最低溫度為-l66℃，比前者提高了約56℃；③產(chǎn)品LNG單位能耗僅為0.2189kwh／m³，相較前者的0.4062kwh／m³降低了約46％；④此外，膨脹比的降低使其可以省去一個(gè)壓縮膨脹機(jī)組，使流程結(jié)構(gòu)更簡單，占地面積更小，并且使流程設(shè)備更少，初投資更低。

由于常規(guī)氮膨脹流程的能耗較高，因而主要適用于液化能力較小的場合。筆者設(shè)計(jì)的新型帶壓液化流程大大較低了能耗，從而拓寬了它的適用范圍，使之不僅可以適用于液化能力較小的場合，也可以適用于液化能力較大的場合。

4　結(jié)論

1)利用氣體膨脹循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)含CO2摩爾分?jǐn)?shù)不超過0.5％的天然氣帶壓液化。

2) N2、50％N2+50％CH4、CH4作為氣體膨脹循環(huán)的制冷劑時(shí)，N2的能耗最高，CH4的能耗最低。

3)和常規(guī)天然氣液化流程相比，氣體膨脹天然氣帶壓液化流程除了可以省去CO2預(yù)處理裝置、減少了占地面積這一突出優(yōu)點(diǎn)之外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①能耗更低；②流程膨脹比降低，可以減少一級(jí)膨脹壓縮機(jī)組，進(jìn)而減少設(shè)備初投資，并簡化了流程，進(jìn)一步減少了占地面積。

綜上所述，氣體膨脹天然氣帶壓液化流程雖然因其較高的產(chǎn)品壓力和CO2含量為后續(xù)LNG的儲(chǔ)運(yùn)、利用帶來不少問題，在陸上天然氣液化裝置中不大可能被采用，但卻十分適合海上天然氣的液化。

參考文獻(xiàn)

[1]潘繼平，張大偉，岳來群，等．全球海洋油氣勘探開發(fā)狀況與發(fā)展趨勢[J]．中國礦業(yè)，2006，l5(11)：1-4．

PAN Jiping，ZHANG Dawei，YUE Laiqun,et al．Status quo of global offshore oil and gas exploration and development and its trends[J]．China Mining Magazine，2006，15(11)：1-4．

[2]PAPKA S D，GENTRY M C，LEGER A T，et al．Pressurized LNG：A new technology for gas commercialization[C]//Proceedings of the 15^th International Offshore and Polar Engineering Conference，l9-24 June，2005，Seoul，Korea．Seoul：International Offshore and Polar Engineering Conference，2005．

[3]FAIRCHIl，D DP，SMITH PP，BIERY NE，et al．Pressurized LNG：Prototype container fabrication[C]//Proceedings of the 15^th International Offshore and Polar Engineering Conference，l9-24 June 2005，Seoul，Korea．Seoul：International Offshore and Polar Engineering Conference，2005．

[4] EGGEMAN T．Pitfalls of CO2 freezing prediction[C]//82^nd Annual Convention of the Gas Processors Association，10March 2003，San Antonio，Texas，USA．San Antonio：Consulting Process Engineers for the Natural Gas Industries，2003．

[5]SHEN T T，GAOT，LIN W S，et al．Delermination of CO2 solubility in saturated liquid CH4+N2 and CH4+C2H6 mixtures above atmospheric pressure[J]．Journal of Chemical&Engineering Data，2012，57(8)：2296-2303．

[6]LI Q Y，JU Y L．Design and analysis of liquefaction process for offshore associated gas resources[J]．Applied Thermal Engineering,2010，30(16)：2518-2525．

[7]杜宏鵬，崔杰詩，李紅艷，等．海上天然氣液化流程模擬和優(yōu)化分析[J]．節(jié)能技術(shù)，2011，29(3)：195-197．

DU Hongpeng，CUI Jieshi，LI Hongyan，et al．The simulation and optimization analyses of process based on natural gas liquefaction at sea[J]．Energy Conversion Technology，2011，29(3)：l95-197．

[8]GAO T，LIN W S，LIU W，et al．Mixed refrigerant cycle Liquefaction process for coalbed methane with high nitrogen content[J]．Journal of the Energy Institute，2011，84(4)：185-191．

[9]CHANG H M，CHUNG M J，LEE S，et al．An efficient mutli-stage Brayton-JT cycle for liquefaction of natural gas[J]．Cryogenics，2011，51(6)：278-286．

[10]呂鵬飛，鹿院衛(wèi)，劉廣林，等．小型天然氣氮膨脹液化流程參數(shù)優(yōu)化[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32(8)：1396-1398．

LYU Pengfei，LU Yuanwei，LIU Guanglin，et al．Param eters optimization of small-scale natural gas expander liquefaetion process[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2011，32(8)：l396-1398．

[11]趙敏，厲彥忠．丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程中原料氣與制冷劑匹配研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44(2)：108-112．

ZHAO Min，LI Yanzhong．Analysis for selecting mixed refrigerant composition based on raw natural gas in propane precooled mixed refrigerant liquefaction process[J]．Journal of Xi’an Jiaotong University，2010，44(2)：108-112．

[12]顧安忠，魯雪生，汪榮順，等．液化天然氣技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

GU Anzhong，LU Xuesheng，WANG Rongshun，et al．Technology of natural gas liquefaction[M]．Beijing：China Machine Press，2003．

本文作者：熊曉俊  林文勝  顧安忠

作者單位：上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所