天然氣液化技術(shù)的研究

第30卷第6期蘭州理工大學(xué)學(xué)報VoL 30 No 62004年12月Journal of L anzhou University of TechnologyDec.2004文章編號:1000-5889(2004)06-0064-03天然氣液化技術(shù)的研究安彭軍1,陳叔平1,劉振全1,王峰(1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅蘭州730050;2.新疆化工集團石油化工機械有限責任公司,新疆烏魯木齊830002)摘要:針對青海天然氣甲烷質(zhì)量分數高的特點(diǎn),選用帶丙烷預冷的混合制冷劑循環(huán),并基于LKP狀態(tài)方程,在對各單元設備進(jìn)行分析計算的基礎上,對天然氣液化全流程進(jìn)行了熱力計算.結果表明:液化率達0.823,單位LNG能耗為1.863kW·h/kg.該流程在西部天然氣液化中可優(yōu)先考慮關(guān)鍵詞:液化天然氣(LNG);液化流程;混合制冷劑;熱力學(xué)計算中圖分類(lèi)號:TE646文獻標識碼:AStudy of liquefying technique of natural gasAN Peng-jun, CHEN Shu-ping, LIU Zhen-quan, WANG Feng2(1. College of Petrochemical Technology, Lanzhou Univ, of Tech, Lanzhou 730050, China: 2, Petroleum &. Chemical MachineryLtd, Xinjiang Chemical Group, Urumchi 830002, China)Abstract: According to the characteristics of Qinghai natural gas, the mixed-refrigerant cycle with propane precooling is applied for gas liquefaction. And, based on LKP equation, the thermodynamic calculationof the whole cycle was carried out through analyzing every plants unit. The result shows that liquefactionrate is 0. 823, energy consumption of LNG is 1.863kw. h/kg. The priority of using this process may begiven to the liquefaction of natural gas in west ChinaKey words: liquefied natural gas (LNG); liquefied process; mixed refrigerant; thermodynamic calcula-tion天然氣與煤炭、石油一起并稱(chēng)為世界能源的三不利組分(酸性組分、水分、重烴組分等),之后再進(jìn)大支柱.天然氣經(jīng)過(guò)低溫液化,其體積將縮小到原入制冷系統的高效換熱器不斷降溫,并將丁烷、丙體積的1625,十分有利于運輸和儲存.我國西部有烷、乙烷等逐級冷凝分離,最后在常壓下使溫度降低豐富的天然氣資源,但起步較晚,ING工業(yè)長(cháng)期以到一162C左右即可得到ING產(chǎn)品來(lái)幾乎為空白,缺乏對LNG工業(yè)鏈的基礎性研究天然氣的液化工藝流程根據所采用的制冷循環(huán)又缺少對國外LNG工業(yè)的系統了解,這些都不能可以分為3種:階式制冷循環(huán)、混合制冷劑循環(huán)和膨與西部天然氣大規模開(kāi)發(fā)利用相適應因此從熱力脹機制冷循環(huán)學(xué)傳熱學(xué)和流體力學(xué)角度對西部天然氣的低溫液1.1階式制冷循環(huán)化流程進(jìn)行研究,對于開(kāi)發(fā)立足于國內技術(shù)的西部階式制冷循環(huán)是用丙烷(或丙烯)、乙烷(或乙LNG工廠(chǎng)和LNG終端接收站具有重要的應用價(jià)烯)、甲烷等純烴冷劑(蒸發(fā)溫度分別為-38c、值和遠大的前景85℃、-160℃)進(jìn)行的三級冷凍,使天然氣在多1天然氣的液化及流程個(gè)溫度等級的制冷階中分別與相應的制冷劑換熱從而使其冷卻和液化的工藝.該循環(huán)工藝熱效率高天然氣的液化一般包括天然氣凈化(也稱(chēng)預處操作易于穩定,但是流程復雜、設備投資及維修費用理)過(guò)程和天然氣液化過(guò)程兩部分,其核心是制冷循環(huán),首先將原料天然氣經(jīng)過(guò)預處理,脫除液化過(guò)程的高1.2混合制冷劑循環(huán)第6期安彭軍等:天然氣液化技術(shù)的研究65混合制冷劑的制冷原理與純組分制冷劑的制冷原理1.3膨脹機制冷循環(huán)大致相同,即都是通過(guò)冷劑液體的汽化,并與被冷介以膨脹機制冷循環(huán)為基礎的天然氣液化工藝流質(zhì)進(jìn)行熱交換使其降溫.與純組分制冷劑不同的是.程是通過(guò)采用透平膨脹機進(jìn)行等熵膨脹而達到降溫混合制冷劑產(chǎn)生的冷量是在一個(gè)連續的溫度范圍之目的的過(guò)程.根據進(jìn)入膨脹機的介質(zhì)的不同,膨脹機內,純組分冷劑產(chǎn)生的冷量是在一個(gè)固定的溫度上.制冷循環(huán)分為2種混合制冷劑制冷循環(huán)工藝流程的特點(diǎn)是在制冷循環(huán)1)天然氣膨脹機工藝是采用天然氣膨脹制冷中采用混合制冷劑,其加熱曲線(xiàn)可與被冷卻介質(zhì)的的循環(huán),又稱(chēng)開(kāi)式膨脹機循環(huán)冷卻曲線(xiàn)很好地匹配,有效地增加了兩者的一致性2)循環(huán)膨脹機工藝是采用氮(或氮甲烷混合可見(jiàn),混合制冷劑制冷循環(huán)即保留了階式制冷循環(huán)物)膨脹制冷(閉式)的工藝流程.的優(yōu)點(diǎn),而且只用了一臺壓縮機,使流程大大簡(jiǎn)化,降低了造價(jià)2工藝流程混合制冷劑工藝可以分為全混合制冷劑工藝選用丙烷預冷的混合冷劑液化循環(huán)(見(jiàn)圖1).(FMR)和預冷十混合制冷劑工藝,目前有多家公司原料天然氣經(jīng)由燃氣引擎帶動(dòng)的壓縮機兩級壓縮,開(kāi)發(fā)岀了各具特色丙烷預冷的混合制冷劑循環(huán)工藝經(jīng)冷卻后,通過(guò)MEA單元除去酸性組分(CO2、硫(AP(Ⅰ公司的C3/ MCRTM工藝、 TECHNIP公司組分等),然后進(jìn)入分子篩干燥系統進(jìn)行深度脫水的 Tealarc工藝、 JF Prichard8Co.的 PRICO工藝、(水的體積質(zhì)量分數控制在1×10-以下)Linde公司的 LINDE工藝等)低壓尾氣去低壓管網(wǎng)混合冷劑壓縮、預冷單元混合冷劑蒸汽3級壓縮、丙烷預冷天然氣原料/原料氣壓縮單元0.12-280MPaA2級壓縮主0.30~2.80MPaA混合冷劑液體換ⅠNG去低熱濕儲罐MEA脫酸處理單元原料氣預冷器器fCO,)<1×10r(H,S)<5×105過(guò)濾器內烷蒸汽丙烷液體分子篩脫水單元(4A)雙塔切換混合冷劑制冷單元H2S)<5×103級壓縮、丙烷后冷0.12-4.00MPaA圖1天然氣液化流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of natural gas liquefaction process凈化后的天然氣經(jīng)預冷器與尾氣復熱,并由丙換熱并汽化后的混合冷劑由主換熱器底部引出,復烷冷劑預冷.預冷后的天然氣進(jìn)入主冷卻器,由混合熱后,進(jìn)入混合冷劑壓縮機壓縮,進(jìn)行制冷循環(huán)冷劑冷凍至-120~-125℃(全凝、過(guò)冷).冷卻后的天然氣經(jīng)節流溫度進(jìn)一步降低,通過(guò)氣液分離器3數學(xué)模型及選擇分離出液相LNG產(chǎn)品和氣體.氣體經(jīng)主換熱器和在天然氣液化流程的熱力學(xué)計算中,計算體系預冷器復熱后,作為尾氣排出裝置屬于以碳氫化合物為主體的非極性體系,計算中主混合冷劑經(jīng)過(guò)壓縮后與丙烷預冷器換熱發(fā)生要涉及氣液相平衡與熱量的計算,對于焓值的計算部分冷凝,然后通過(guò)氣液分離器分離成氣相和液相要求較高.而ⅠKP對此體系的物性計算十分成功兩部分.液相經(jīng)節流降溫后,由中部進(jìn)λ(噴淋)主換對焓值的計算被公認為是精度很高的模型,而且屬熱器,在主換熱器的熱區(下部)冷卻冷劑的氣相部于對比態(tài)方程,適合于計算機計算,所以在流程熱參分(使之部分冷凝)和原料氣;氣相部分先在主換熱數計算時(shí)采用LKP方程66蘭州理工大學(xué)學(xué)報第30卷參數在計算天然氣和制冷劑熱力參數焓和熵時(shí)將會(huì )表1天然氣和混合制冷劑的摩爾分率用到.LKP方程的形式為T(mén)ab. I Mole contents of natural gas and mixed refrigerantZ=Z+如(Z1-Z0)=Z0+aZ1乍介CHI天然氣混合制冷劑34.01+2+++各個(gè)換熱器端面的溫差為3℃,天然氣入口溫度為298K,壓縮機的效率設為lB+2)計算結果B=b1-b2/T-b3/T2-b1/T3制冷劑為1.36mol,全流程丙烷預冷劑提供的C=c1-c2/T+c3/T3冷量為13.61kJ,混合冷劑壓縮機的耗功為5.98d=d,+d2/kJ,主換熱器總傳熱負荷為21.06kJ,混合冷劑預冷式中:z為壓縮因子,Z。為簡(jiǎn)單流體的z值,Z為器傳熱負荷為13.69k.液化率為0.823,LNG參考流體的Z值,Z1為修正函數,a為流體的偏心(mol)組成:N2為0.004,CH4為0.983,C2H。為因子,a為參考流體的a值,p為對比壓力,v為對0.012CH為0.001,生產(chǎn)單位LNG能耗為1.863比比容,T為對比溫度,b1、b2、b3、b1、c1、c2、c3、C1、kW·h/kgd1、d2、B和y為12個(gè)常參數. Lee-Kesler分別用5結論種簡(jiǎn)單流體(ω=0)和一種參考流體(正辛烷)的實(shí)驗數據來(lái)擬合方程中簡(jiǎn)單流體和參考流體的常1)不同的用途以及原料氣參數可選擇不同的數,其它任何流體的pVT關(guān)系可以由此計算液化流程,針對青海天然氣的特點(diǎn),選用丙烷預冷的對于混合物, Locker提出的改進(jìn)的混合規則來(lái)混合冷劑液化循環(huán).結果表明該液化流程液化率較求得混合物臨界性質(zhì)的表達式為高,能耗低,而且結構相對簡(jiǎn)單.在西部類(lèi)似地區,這Ve,=ZeRTe. i/p種流程在選型中可重點(diǎn)考慮Z。,=0.2905-0.0852)在天然氣液化流程的熱力學(xué)計算中,計算體系屬于以碳氫化合物為主體的非極性體系,計算中V.=k∑∑,(V+v主要涉及氣液相平衡與熱量的計算,可選用LKP方程進(jìn)行熱力計算.T.=B∑∑(V+vw)T參考文獻p=ZRTV。=(0.2905-0.085a)RT。V[1]陳永武.中國21世紀初期天然氣工業(yè)發(fā)展展望[J.天然氣工2]林文勝,顧安忠,朱剛天然氣液化裝置的流程選擇[冂.真式中:x為摩爾成分,R為氣體常數,下標c表示臨空與低溫.2001(6):105-109界狀態(tài),下標ij、k表示組分[3 KIKKAWA Y, NAKAMURA M SUGIYAMA S Develop-方程的解法見(jiàn)文獻[8],對于液化流程中各設備ment of liquefaction process for natural gas [J] Journal of的模擬見(jiàn)文獻[9].Chemical Engineering. 1997.30(4): 625-630.[4]蘇長(cháng)蓀.高等工程熱力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,19874計算結果5 HARMENS A, KNAPP H. Three-parameter cubic equation ofstate for normal substances [J]. Industrial Engineering Fun1)計算參數的設定laments,l980(19):291-294計算前,需要確定的參數有:(1)天然氣和混合6] BYUNG I L. A generalized thermodynamic correlation based制冷劑中各組分的物性常數;(2)天然氣的入口壓on three-parameter corresponding states [J]. AICHE Journal力、溫度和各組分的摩爾分率;(3)LNG的儲存溫度和壓力;(4)第一個(gè)換熱器端面高低壓制冷劑的7]陳光明陳國邦.制冷與低溫原理[M].北京:機械工業(yè)出版壓力、溫度和各組分的摩爾分率;(5)各個(gè)換熱器熱81劉芙蓉范春生LKP狀態(tài)方程用于多元體系的計算[化端面的溫差;(6)壓縮機的級間壓力.在本計算中,學(xué)工程,1995(3):73-7知條件其中天然氣的組分取自青海柴[9]石玉美,顧安忠,汪榮順,等,混合制冷劑循環(huán)(MRC)液化天