丙烷預冷

丙烷預冷混合製冷劑液化工藝是最常用的天然氣液化工藝，該工藝結合了級聯式液化流程與混合製冷劑液化流程的優點，既高效又簡單，世界上80%以上的基本負荷型天然氣液化裝置採用了此流程。

由於實際情況中原料氣的入口壓力、溫度、組分均存在變化的可能，需要針對工藝的原料氣敏感性進行動態仿真分析。通過分別添加原料氣壓力、溫度、組分的擾動，得到了各個工藝系統的動態回響。結果表明：當丙烷預冷混合製冷劑液化工藝分別存在原料氣壓力、溫度、組分擾動時，各個系統均能在一段時間後重新恢復穩定，穩定時間為20～250min。驗證了丙烷預冷混合製冷劑液化工藝在原料氣入口條件擾動時的穩定性和可靠性。

基本介紹

• 中文名：丙烷預冷
• 外文名：Propane pre-cooling
• 描述：天然氣液化工藝
• 套用：混合製冷劑液化工藝
• 學科：能源科學

概念

丙烷預冷混合製冷劑分離液化可以採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，系統多了一個分離器、 一個液相節流閥、一個換熱器，但兩者換熱面積相差不大。二次分離流程工藝計算卻複雜了很多， 一次工藝計算需幾十個機時。增加一個分離器的目的是減少混合製冷劑的預冷熱負荷，即一次分離後的氣相經冷卻後為氣、 液兩相，為使液相即刻節流產冷而增加二次分離器，分離出的液相經節流而產冷，餘氣再經過過冷器冷卻、 液化，再節流產冷。

丙烷預冷

丙烷預冷混合製冷劑二次分離液化工藝計算

進入21世紀，我國天然氣事業得到飛速發展，天然氣已經廣泛套用於各行各業。天然氣長輸管道輸送項目建設周期長、投資巨大，靠天然氣長輸管道輸送供氣，下游天然氣市場供不應求，部分地區、城市、大型用戶用氣高峰季節出現氣荒。近年來，天然氣( 煤層氣) 液化項目紛紛上馬，天然氣(煤層氣)液化工藝能耗指標優劣取決於製冷循環工藝，丙烷預冷混合製冷劑分離液化工藝是混合製冷循環工藝之一， 也是國外大型天然氣液化廠普遍採用的液化工藝。

圖 1 丙烷預冷混合製冷劑二次分離液化工藝流程

計算的目的

（1）選擇製冷劑；

（2）求循環量最小的製冷劑配比；

（3）求混合製冷劑壓縮機最佳出口壓力；

（4）求天然氣壓縮機最佳出口壓力。

工藝流程

丙烷預冷混合製冷劑二次分離液化工藝流程見圖1。此流程適於大規模天然氣液化生產。天然氣液相節流閥後，氣相分率V = 0，丙烷循環流程同一次分離流程，各節點參數也相同。計算結果見圖1。

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，則混合製冷劑的循環量越小，混合製冷劑壓縮機的功率越小，然而天然氣壓力越高，天然氣壓縮機的功率越大。經試算，天然氣的壓力約為4.8MPa 時，綜合能耗處於較低值。

丙烷預冷製冷劑液化工藝原料氣敏感性分析

液化天然氣由於其本身的優越性，近年來得到了快速發展。天然氣液化後便於進行經濟可靠的運輸，提高儲存效率和安全保證，有利於城市負荷的調節，並且對環境效益顯著。在天然氣液化工藝中，20世 紀70年代後期 和80年代初期，美國空氣液化公司成功開發出丙烷預冷的混合製冷劑液化技術，在大型液化天然氣工廠得到廣泛的套用。到2003年，世界上液化天然氣產量的85%使用丙烷預冷的混合製冷劑液化工藝，其中預冷段採用丙烷製冷劑，液化段採用混合製冷劑，很好地提高了液化率和製冷劑循環效率。

天然氣液化裝置運行時，外界條件是時刻變化的，在存在擾動的情況下系統運行的穩定性是選擇液化工藝的一個重要因素，而動態仿真是驗證液化工藝穩定性的重要手段。國外對液化工藝的動態仿真起步較早，相關文獻建立了液化工藝中主要設備的動態模型並對液化工藝進行了動態仿真，並對單級混合製冷劑液化工藝和多級混合製冷劑液化工藝進行了簡單的動態仿真。挪威科技大學對混合製冷劑液化工藝的動態仿真做了大量的工作，以挪威建設的大型天然氣液化裝置為基礎建立了混合製冷劑液化工藝中主要設備的動態模型，並對級聯式混合製冷劑液化工藝、單級混合製冷劑液化工藝和多級混合製冷劑液化工藝進行了動態仿真及控制方式的研究，但是僅僅局限於天然氣流量擾動時的動態仿真，沒有進行存在其他擾動變化時的動態仿真。相對來說國內對混合製冷劑的動態仿真起步較晚，主要集中在上海交通大學、哈爾濱工業大學。上海交通大學從20世紀90年代開始從事天然氣液化相關技術的研究，主要是採用數值模擬方法進行液化工藝的分析和研究，哈爾濱工業大學主要針對混合製冷劑循環進行動態仿真研究、流程操作特性和適應性研究。

由於實際情況中原料氣的入口壓力、溫度、組分均存在變化的可能，需要針對丙烷預冷混合製冷劑液化工藝進行動態仿真，並對其原料氣敏感性進行分析。通過分別添加原料氣壓力、溫度、組分的擾動，得到了混合製冷劑、丙烷製冷劑、原料氣3個工藝系統的動態回響，從而驗證丙烷預冷混合製冷劑液化工藝在原料氣入口條件擾動時的穩定性和可靠性。

丙烷預冷混合製冷劑液化工藝模型建立

利用AspenHSYSY建立動態仿真模型，如圖1所示。動態仿真時，首先根據丙烷預冷混合製冷劑液化工藝建立流程的穩態模型，並以穩態模型的結果作為建立動態模型的初值，然後根據實際中的設備參數及邊界條件進行動態參數的設定，並增加PID控制器。動態模型採用壓力驅動的方式實現，模型中的流量通過阻力和壓力差計算，因此模型中需要設定各個壓縮機的功率和效率以及閥門等阻力件的開度和流量係數，從而得到合理的流量。

圖1 丙烷預冷混合製冷劑流程圖

研究結論

通過動態仿真的方式給丙烷預冷混合製冷劑液化工藝流程分別添加原料氣入口壓力、溫度、組分的擾動，獲得混合製冷劑、丙烷製冷劑、原料氣3個工藝系統的回響。當原料氣壓力擾動時，混合製冷劑系統需要160～250min恢復穩定，丙烷製冷劑系統需要160min、左右恢復穩定，原料氣系統需要160min左右恢復穩定；當原料氣溫度擾動時，混合製冷劑系統需要60～80min恢復穩定，丙烷製冷劑系統需要20～30min恢復穩定，原料氣系統需要20～80min恢復穩定；當原料氣組氣擾動時，混合製冷劑系統需要150min左右恢復穩定，丙烷製冷劑系統需要140min左右恢復穩定，原料氣系統需要30～160min恢復穩定。驗證了丙烷預冷混合製冷劑液化工藝在原料氣入口條件擾動時的穩定性和可靠性。而且原料氣壓力和組分的擾動對系統影響較大，系統恢復穩定所需時間教長；原料氣溫度的擾動對系統影響相對較小，系統恢復穩定所需時間較短。