摘　要：介紹一種直接利用高壓天然氣調(diào)壓過程中的壓力能來膨脹制冷，使部分天然氣液化的調(diào)峰型LNG生產(chǎn)流程，用HYSYS軟件對該流程進(jìn)行了模擬計(jì)算。

關(guān)鍵詞：調(diào)峰　膨脹制冷　部分液化　HYSYS流程模擬軟件

Simulation of Peak shaving Type LNG Production Process with Partial Liquefaction

Abstract：A peak shaving type LNG production process where direct expansion refrigeration is performed by pressure energy from liquefaction of somenatural gas in high--pressure natural gas pressure regu1ation is introduced．The simulation calculation of the process is conducted by HYSYS software．

Keywords：peak shaving；expansion refrigeration；partial liquefaction；HYSYS software for process simulation

1　天然氣調(diào)壓與調(diào)峰的結(jié)合

目前，天然氣的長距離輸送都是采用高壓管輸?shù)姆绞?。國外大多?shù)天然氣輸氣管道壓力為8～12MPa，我國西氣東輸?shù)妮敋鈮毫?span lang="EN-US">10MPa，而我國城市輸配管網(wǎng)壓力一般為0.01～2.5MPa?？梢姡敋夤艿琅c輸配管網(wǎng)之間存在著很大的壓力差。因此各地天然氣門站需要根據(jù)用戶的供氣壓力要求將輸氣管道的超高壓天然氣進(jìn)行調(diào)壓。

簡單的調(diào)壓過程會帶來大量壓力能的損失。目前高壓天然氣壓力能的回收利用已逐漸引起政府和企業(yè)的重視，余壓利用工程是我國重點(diǎn)推進(jìn)的l0項(xiàng)節(jié)能工程之一。因此，我們可以考慮將調(diào)壓過程和液化調(diào)峰相結(jié)合，利用膨脹機(jī)液化流程液化部分天然氣來進(jìn)行調(diào)峰。

目前，國內(nèi)外已有很多膨脹制冷的天然氣液化技術(shù)，如美國專利US6023942、US637833081等，但是這些專利都存在一些不足，不太適合于門站使用，且流程復(fù)雜，投資巨大。我們在調(diào)研了大量現(xiàn)有專利及調(diào)峰型液化裝置流程的基礎(chǔ)上，利用膨脹制冷及冷量回收技術(shù)，提出了一種適合于城市管網(wǎng)調(diào)峰的天然氣液化流程，即天然氣部分液化調(diào)峰型LNG生產(chǎn)流程。

2　天然氣部分液化調(diào)峰流程

來自長輸管道的天然氣已進(jìn)行一定程度的凈化處理，要達(dá)到液化天然氣氣質(zhì)及制冷過程的要求，還需要進(jìn)行脫水以及脫CO2處理。天然氣部分液化調(diào)峰型LNG生產(chǎn)工藝流程見圖l。

采用高壓吸附、低壓再生的分子篩脫水法對進(jìn)站天然氣進(jìn)行深度脫水，以滿足低溫系統(tǒng)對氣流水露點(diǎn)的要求。經(jīng)脫水處理后的原料氣分為兩部分，即液化氣流F2和膨脹氣流F1。液化氣流F2繼續(xù)進(jìn)行脫CO2以作為液化天然氣的原料，液化成LNG產(chǎn)品；膨脹氣流Fl通過換熱器降溫后進(jìn)入膨脹機(jī)作為膨脹氣(即制冷劑)，為裝置提供冷量。進(jìn)入膨脹機(jī)的天然氣量大，因此需要繼續(xù)進(jìn)行脫CO2的氣量比較小，所以凈化系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用相對較低^[1-2]。

膨脹氣流F1：

通往膨脹機(jī)的膨脹氣流F1經(jīng)過換熱器l后溫度降低，然后進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹降溫降壓，與LNG儲罐排出的低溫天然氣匯合后通過換熱器2，然后與氣一液分離器分離出的冷凝液混合后通過換熱器1，為液化氣流F2提供冷量后溫度升到常溫，進(jìn)入城市管網(wǎng)(圖1中紅色線條部分)。

液化氣流F2：

液化回路的天然氣凈化后先通過換熱器1溫度降低，經(jīng)氣一液分離器分離出冷凝液后進(jìn)入換熱器2，高壓天然氣冷凝液化，然后通過節(jié)流閥節(jié)流降溫降壓，再進(jìn)入LNG儲罐，未液化氣體及蒸發(fā)氣與膨脹機(jī)膨脹后的天然氣匯合，進(jìn)入換熱器2。生產(chǎn)的液化天然氣在用氣高峰時氣化調(diào)壓送入城市管網(wǎng)，起到調(diào)峰作用(圖1中藍(lán)色線條部分)。

3　HYSYS軟件計(jì)算模擬

3.1　基礎(chǔ)條件

某城市的天然氣門站需將壓力為5.0MPa，溫度為25℃，流量為7.0×10⁴m³／h(標(biāo)態(tài)為15.56℃，101325Pa)的高壓天然氣降壓到0.2MPa，其調(diào)壓過程采用圖l所示的天然氣部分液化調(diào)峰型LNG生產(chǎn)工藝流程。進(jìn)站天然氣組成見表1。

3.2　HYSYS軟件計(jì)算模型

根據(jù)已知的基礎(chǔ)條件，采用HYSYS流程模擬軟件對此調(diào)峰型液化流程進(jìn)行模擬計(jì)算，HYSYS軟件計(jì)算模型見圖2。為了和圖1統(tǒng)一，對物流顏色作了處理，其中膨脹氣流F1走向用紅色線條表示，液化氣流F2用藍(lán)色線條表示。圖中箭頭表示物流，箭頭方向表示物流流向，箭頭旁的數(shù)字或文字表示物流編號或物流名稱。

計(jì)算要點(diǎn)及說明：

①此次模擬僅模擬了液化部分，沒有模擬氣化部分。由于需要收集LNG儲罐的蒸發(fā)氣及未冷凝的氣體，所以本次模擬采用氣一液分離器模型模擬LNG儲罐。

②本例取膨脹氣流Fl和液化氣流砣質(zhì)量流量之比為4。

③采用P-R(Peng-Robinson)狀態(tài)方程。

P-R方程屬于半經(jīng)驗(yàn)方程，該方程是對R-K方程的修正，其表達(dá)式見式(1)。

式中p——絕對壓力，Pa

R——摩爾氣體常數(shù)，J／(mol·K)，取8.314J／(mol·K)

T——熱力學(xué)溫度，K

Vm——摩爾體積，m³／mol

a、b——與混合物所含組分的種類及狀態(tài)有關(guān)的常量，其計(jì)算詳見文獻(xiàn)[3]

P-R方程應(yīng)用范圍更寬，可用于兩相流的計(jì)算，對于烴類運(yùn)算，其精確度很高。因此，HYSYS軟件計(jì)算常采用此狀態(tài)方程^[4]22。

④因進(jìn)站天然氣含有H2O，為防止對設(shè)備的腐蝕以及在低溫下凍結(jié)而堵塞設(shè)備和管道，所以必須經(jīng)過脫水器進(jìn)行脫水處理。而CO2對膨脹氣流沒有影響，但是要防止液化氣流在低溫下形成CO2固體，因此需要對液化氣流進(jìn)行脫CO2的處理。采用在塔頂打入吸收劑甲基二乙醇胺(MDEA)及一乙醇胺(MEA)混合胺溶液脫除液化氣流中的CO2。在本次HYSYS軟件模擬的過程中，采用分子篩切割器(component splitter)模擬脫水器和脫CO2塔，切割出物流中的H2O和CO2^[4]292-294。

調(diào)試流程直至收斂，得到計(jì)算結(jié)果見表2，LNG及去城市管網(wǎng)天然氣組成見表3。

3.3　HYSYS軟件計(jì)算結(jié)果

通過該液化裝置的處理，5.0MPa、25℃的高壓天然氣調(diào)節(jié)到0.23MPa、23.74℃，符合城市燃?xì)庵袎狠斉涔芫W(wǎng)的要求。通過使用此流程，能夠獲得甲烷含量(摩爾分?jǐn)?shù))約為96.63％的LNG 9035kg／h。LNG產(chǎn)量與脫除水和CO2后的液化氣流F2質(zhì)量流量之比為92.14％。該流程總的液化率即LNG產(chǎn)量與進(jìn)站天然氣質(zhì)量流量之比為18.4％。

膨脹機(jī)出口物流9的氣相摩爾分?jǐn)?shù)為0.9025，因此，在該流程中，天然氣膨脹機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備。在膨脹過程中，天然氣中一些沸點(diǎn)較高的組分將會冷凝析出，導(dǎo)致膨脹機(jī)在帶液工況下運(yùn)行，這就要求膨脹機(jī)有特殊的結(jié)構(gòu)。目前國外多家公司已制造出天然氣帶液膨脹機(jī)，美國在1972年已出現(xiàn)膨脹量為53×10⁴m³／h的大型天然氣透平膨脹機(jī)，天然氣從16.7MPa膨脹到4.7MPa，膨脹機(jī)出口含濕量(摩爾分?jǐn)?shù))為15％，大于膨脹機(jī)出口物流9的液相摩

爾分?jǐn)?shù)9.75％，可以滿足該流程對膨脹機(jī)的要求^[5]。

4　結(jié)語

①高壓輸氣管道蘊(yùn)藏著大量的壓力能，簡單的調(diào)壓過程會造成巨大的能量浪費(fèi)。使用本方案流程既回收了管網(wǎng)的壓力能，又達(dá)到了城市燃?xì)庹{(diào)峰的作用。通過前面的流程圖可以看出，本方案利用天然氣輸氣管道與城市輸配管網(wǎng)的壓力差膨脹制冷，幾乎不需要消耗電能，運(yùn)行費(fèi)用低。

②在有剩余壓力可以利用的情況下，可以結(jié)合實(shí)際情況，通過整合該工藝流程，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，合理調(diào)配膨脹氣流和液化氣流的流量比來進(jìn)行調(diào)峰流程的設(shè)計(jì)。既可以獲得最大液化率，又可以取得最佳的節(jié)能效果和最佳經(jīng)濟(jì)效益。

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本文作者：梁光川  周姿潼  劉丙曉

作者單位：西南石油大學(xué)