摘　要：分析了原料氣進(jìn)冷箱壓力對(duì)制冷劑組份、流量、壓縮機(jī)功耗、冷卻水的冷卻量的影響。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于特定的冷箱，原料氣進(jìn)冷箱的壓力對(duì)制冷劑的組分、流量及壓縮機(jī)功耗產(chǎn)生重要影響。

關(guān)鍵詞：混合制冷劑　煤層氣　功耗　流量

Effect of the Pressure of Coalbed Methane(CBM)on the Performance of Liquefied Process

Abstract：The effect of the pressure of CBM into coldbox on the parameters was analysed．Those parameters are components and flux of the Mixed Refrigeration，the power consumption of the compressor，the heat carried away by coht water．Through ealeulalion finds that the pressure into coldbox affects the components and flux of lhe Mixed Hefrigeration，the power consumption of the compressor，the heat carried away by cold water very much to a speeified coldbox．

Keywords：refrigerant Coalbed Methane power consumption flux

在能源結(jié)構(gòu)中，天然氣、石油和煤炭并稱為三大能源。而煤層氣是一種吸附在煤層中的可燃?xì)怏w，其主要成份為甲烷，屬非常規(guī)天然氣。開發(fā)利用煤層氣具有以下意義：

(1)煤層氣中的主要成份為甲烷，甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的21倍，因此開發(fā)利用煤層氣有利于環(huán)境保護(hù)；

(2)目前國(guó)內(nèi)礦難絕大部分均是由瓦斯爆炸引起的，采煤之前先采氣可以有效減少礦道中的瓦斯含量，因此開發(fā)利用煤層氣可以有效預(yù)防煤礦安全事故的發(fā)生。

在煤層氣液化工藝中由于階式制冷工藝流程復(fù)雜，膨脹制冷工藝能耗偏高，混合制冷工藝逐步成為煤層氣液化領(lǐng)域的選擇趨勢(shì)。在混合制冷工藝中由于涉及的設(shè)備眾多，整個(gè)流程比較復(fù)雜，本文以某液化工廠流程原料氣進(jìn)冷箱的壓力對(duì)制冷劑的組分、制冷劑循環(huán)量、壓縮機(jī)功耗及冷卻水帶走熱量等性能參數(shù)的影響。從而通過合理選擇工藝參數(shù)使壓縮機(jī)的功耗降低，提高效率。

1　流程圖和流程性能參數(shù)分析方法

本文所研究的煤層氣液化流程如圖1所示。結(jié)合圖1，先簡(jiǎn)單介紹一下以后用到的流程參數(shù)名稱及含義；

(1)原料氣進(jìn)冷箱的壓力Pn：壓縮后的原料天然氣(節(jié)點(diǎn)7)的溫度和壓力；

(2)制冷劑組分：復(fù)熱回來的混合制冷劑(節(jié)點(diǎn)33)的摩爾組分。

流程簡(jiǎn)述：天然氣原料通過壓縮機(jī)一級(jí)壓縮并和循環(huán)水換熱，然后通過二級(jí)壓縮二次和循環(huán)水換熱，再經(jīng)過三級(jí)壓縮換熱進(jìn)入換熱器(LNGl00)和制冷劑一次換熱，再經(jīng)換熱器(LNGl01)二次換熱，最后進(jìn)入換熱器(LNGl02)換熱流入LNG大罐。另一路為制冷劑閉路循環(huán)從板翅式換熱器LNGl00復(fù)熱回來的制冷混合劑經(jīng)離心壓縮機(jī)一級(jí)壓縮換熱，流出分兩路，液體進(jìn)入板翅式換熱器進(jìn)行節(jié)流換熱。一路混合氣體再次經(jīng)二級(jí)壓縮換熱，分兩路氣體和液體氣體一路進(jìn)入板翅式換熱器，二級(jí)壓縮分離出來的液體經(jīng)板翅式換熱器(LNGl00、LNGl00、LNGl00)換熱匯總到離心壓縮機(jī)進(jìn)口。

本文煤層氣組分為：甲烷98％、乙烷l％、氮?dú)?span lang="EN-US">1％、進(jìn)氣溫度20℃；制冷劑的基礎(chǔ)組分為：氮?dú)?span lang="EN-US">10％、甲烷l7％、乙烯41％、丙烷l6％、異戊烷16％；LNG的存儲(chǔ)壓力為0.38MPa。制冷劑循環(huán)量Fmr的計(jì)算方法如下：

根據(jù)能量守恒可得：

H7+H17+H20+H21=H10+H33

H7：原料天然氣三級(jí)壓縮換熱后的焓值；

H17：混合制冷劑一級(jí)壓縮分離出來液體的焓值；

H20：混合制冷劑二級(jí)壓縮分離出來氣體的焓值；

H21：混合制冷劑二級(jí)壓縮分離出來液體的焓值；

H10：原料天然氣換熱后的焓值；

H33：混合制冷劑入口的焓值。

即：

H7-H10=H33-H17-H20-H21=Fmrh33-Fmr(1-Vf15)h17-FmrVf15Vf19h20-FmrVf15(1-Vf19)h21

整理后得：

Fmr=(H7-H10)／[h33-(1-Vf15)h17-Vf15Vf19h20-Vf15(1-Vf19)h21]     (1)

Fmr：制冷劑循環(huán)量kmol；

H：焓值kJ；

h：摩爾焓kJ／kmol；

Vf：氣相分?jǐn)?shù)。

利用流程模擬圖可以原料氣P-T-H(P：壓力、T：溫度、H：焓值)的相關(guān)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)及曲線圖見表1、圖2、圖3。

煤層氣液化過程實(shí)際上是一個(gè)氣態(tài)煤層氣等壓降溫成液態(tài)煤層氣的過程。從表1和圖2可以看出煤層氣的露點(diǎn)線和泡點(diǎn)線在壓力達(dá)到某一特定值時(shí)則交于一點(diǎn)，即臨界點(diǎn)。從圖3可以看出由于煤層氣是一種混合物，所以與純組分相比露點(diǎn)線與泡點(diǎn)線已不再足完全重合，說明在汽液兩相區(qū)煤層氣的溫度隨汽液比的降低而降低。

在特定壓力下，利用根據(jù)圖l建立的系統(tǒng)模型對(duì)煤層氣從初溫-40℃冷卻至-l40℃的過程中對(duì)煤層氣的T-H進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果詳見表2。

由圖4可以看出當(dāng)系統(tǒng)壓力高于臨界壓力時(shí)，煤層氣的等壓冷凝過程不再經(jīng)過兩相區(qū)，而且等壓溫度曲線隨著壓力的升高愈加平滑；當(dāng)系統(tǒng)壓力低于臨界壓力時(shí)煤層氣的等壓冷凝過程需經(jīng)過兩相區(qū)，而且壓力越低在汽液兩相區(qū)停留的區(qū)間就會(huì)越大。煤層氣壓力越高，越有利于冷箱中冷熱物流熱交換平衡和物流間的平均溫差。

本文利用根據(jù)圖l建立的模型對(duì)煤層氣不同壓力下系統(tǒng)功耗進(jìn)行了模擬，具體數(shù)據(jù)見表3。

由于焓值隨壓力的下降而升高，當(dāng)Pn降低時(shí)，在其它參數(shù)不變的情況下，由公式(1)可得制冷劑的循環(huán)量增加，從而導(dǎo)致制冷劑壓縮機(jī)的軸功即冷卻量增加；但由于Pn壓力的降低導(dǎo)致原料氣壓縮機(jī)的軸功及冷卻量減少；但制冷劑壓縮機(jī)軸功及冷卻量的增加量小于原料氣壓縮機(jī)的減少量，所以總功耗及總冷卻量稱下降趨勢(shì)。

同時(shí)由圖4可以看出，隨著Pn的降低，原料氣的液化曲線不斷下移，而且愈加不平滑，由圖5～圖8可見換熱器(LNGl02)最小換熱溫差逐漸變小，當(dāng)壓力降至4.0MPa時(shí)最小溫差變?yōu)樨?fù)值，換熱器(LNGl02)無法收斂。此外由于換熱溫差減小，導(dǎo)致LNG換熱器的UA值不斷增大。對(duì)于已建工廠，由于換熱器的體積一定，且換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)、各項(xiàng)物性參數(shù)也不會(huì)發(fā)生太大變化，因此其UA值也基本是一個(gè)定值，因此此時(shí)若不對(duì)制冷劑組分進(jìn)行調(diào)整，則需增加制冷劑的循環(huán)量。在保證LNGl02換熱器UA基本不變的情況下增加制冷劑循環(huán)量處理每kmol原料氣的計(jì)算數(shù)據(jù)見表4。

此外，本文通過HYSYS(流程模擬軟件)對(duì)增加各種組分分析各種組分對(duì)最小換熱溫差的影響，其結(jié)果如下：

(1)甲烷含量對(duì)LNGl02最小換熱溫差影響較大；

(2)丙烷含量對(duì)LNGl00最小換熱溫差影響較大；

(3)乙烯含量對(duì)LNGl01最小換熱溫差影響較大。

在保證UA值基本不變的情況下，通過調(diào)整組分，在特定壓力下進(jìn)行計(jì)算，得出表5所示結(jié)果：

從以上結(jié)果可以看出，對(duì)于一個(gè)特定的冷箱，隨著Pn的降低甲烷含量不斷增加，從而導(dǎo)致制冷劑循環(huán)量及總功耗的增加。

結(jié)論：綜上所述，對(duì)于一個(gè)特定的冷箱，原料氣入冷箱壓力Pn降低會(huì)導(dǎo)致以下結(jié)果：

(1)煤層氣的液化過程會(huì)向低溫區(qū)漂移，從而導(dǎo)致冷箱的最小換熱溫差降低；

(2)由于最小溫差降低，導(dǎo)致冷熱物流換熱不充分，從而導(dǎo)致冷箱出口溫度升高，液化率降低；

(3)采用增加制冷劑循環(huán)量的方式能耗高于調(diào)整制冷劑的方式；

(4)需調(diào)整制冷劑自姐分，增加甲烷的含量及制冷劑的循環(huán)量，才能充分發(fā)揮冷箱的性能，但系統(tǒng)功耗會(huì)增加。

參考文獻(xiàn)

1顧安忠.液化天然氣技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社

2石玉美，顧安忠，汪榮順等.制冷劑參數(shù)對(duì)混合制冷劑循環(huán)液化天然氣流程性能的影響

本文作者：徐兆華　董衛(wèi)峰

作者單位：新奧能源控股有限公司