15_混合制冷剂低温制冷技术工业应用研究20130809.

1、beUrvUH f TnliUgT混合制冷剂低温制冷技术工业应用研究华南理工大学刘金平教授2013年8月主要内容、天然气液化 混合工质天然气S MR液化流程优化研究丁带纯工质循环预冷的液化流程 SMR天然气液化制冷流程变工况运行的优化控制二、乙烯深冷分离Parti混合工质天然气SMR液化流程优化硏究1.1混合工质流程应用背景应用广泛缺陷：运行参数的确定困难目前,工质组分的配比以及运行压力的确定大都还依靠试 凑和经验1.2天然气液化流程的特点纟虹质天然气液化流程!r5151S3$4-uotr-单级降温特点：冷剂压缩后冷却损失小,而冷箱内换热损失大多级降温特点：冷箱内换热损失大大减小,但系统a杂1

2、.2天然气液化流程的特点混合垃流程8:0 IE範N153Q2.015055心 ob 03 lb IJ 2：0 2J 3*0 TO O g 3 n t n1 -次冷却特点：冷箱内换热损失小，冷剂压缩后冷却损失大两次压缩;令却特点：冷剂压缩后;令却损失大大减小；压缩冷却级数毬多,换热损失越小.PlIT1.3 PC I CO流程运行参数优化c-叶4”SMR湖呈冷剂：氮气炷类(C1C5)1.3.1 PC I CO混合工质流程运行 参数优化优化方法:遗传算法。流程模拟：Aspen plus优化流程:1.3.1 PC ICO混合工质流程运行 参数优化优化变昆寻优范S及优化值收敛曲线:I5CN)-二二 Iw

3、sss*sr2s V优化变wKftlIK瑕优何20|(K64.86屮烷 9fttt(kmo)h)40150I744乙(ihkmol h)5021M)163.34l*J*rt3feW(kmoIh-)20120H6.72片戊烷流KGmolZ)2010081.26低爪乐力(bar)2.543.40It百爪压力(M)204026 7920 40 60 HO 100 131 140 leo ISO 200ttRRft优化的混合冷剂流B及其组分浓度ifcW(kmol-h )浓爪(%)MCH,CH,CH503.62)2.88213332.4317.22)6.141.3.1 PC I CO混合工质流程运行 参

4、数优化优化结果冷箱换热器内的换热集成曲线优化方案下流程运行能耗相关養数仙(ft压编机簣箱效申设胃0.78JjH(kJ-kg LNGH)1003,60制冷效那(COP)0-782效率0.440fsik缩机 2 科枳吸液化址0.871(kgNGm)当m他学*0卿优结IR之1瞬)項HSMRifii用涼刃UeMoluiri/iMlchAspclund (Casel)Aspctund 存组分C心gGG N,cezgNj进冷rM302020 *0.80,730,80.8漁扯效*OJOO058103710.3990450逮名冬匕静1-3.2系统运行性能随环境变化1O |305 WKAIPC tunM90U2

5、)!QJ23B MAz爲鳥a 4SM R流程得数随环境后冷却温度的变*wo l ) lXl15Mtwn：MHII*Kw ft :S*?*141Mw 1000 19011 3000 zmKWAttV MlXIt 榻 w - 吐8 3: g:Wli0 m IQOO IM30DO23DO3an)M砂 It gl：B- c不同冷箱逬aUSiS度(6 )下的换热集成曲统150m KD 310冷ffijftU i循环效率结论：由于换热集成曲 线匹配较好，因此换热损 矢较小，流程火用效率可 以保持在38.5%以上脊#伽Yn,占1.5不同液化负荷率下运行压力天然气额定液化量:60万1.5.1优化步骤：拟合离心

6、压缩机性能曲线；满负荷条件下的冷剂配比优化；定冷剂浓度，不同负荷率下对运行压力进行优化；二）欠拟合运行压力与负荷率函数;计算对应的压缩机转速并与负荷率进行二次函数回归.1.5.2计算结果2535Pb =21 50356+1.58955 -0-01112 LJJh4沁XSMR擁IwnK *13. 2.1冷箱内换热过程分区优化IMS下对应冷構换协滞内的换热宏成曲坡冷确換帕内两股热流湛度变化曲住B点S由于冷流;令剂状态从气液两相态A点是热冷剂泡点(BP )所致.转变为气态所致.通过换热温差曲线上的两个尖点,可将整个换热过程分为I,【I和HI三个 区域,分别代表换热的低温区,中温区和离温区.3. 2.

7、 2不同工况下固疋运 行浓度的适应度04250-3500 3250,400* 0J7J 25 HXK) 3500 热 a IkW)M优冷剖甲烷介欧=21站刘 站力*3皿*1611412108604-04冷剂氮气和甲烷组分含对冷内换热週差曲线的膨响随；令剂中氮气和甲烷含*的增加,夹点发生位从低温区逐渐移至 中温区再到离温区,流程中节流阀逬出口工质温降倉大.同时离温区的换 热増加”第一级压缩机进工过热度増加.Uw* CMm l *3.2.3冷箱换热器夹点温差冷剂乙烯和丙烷组分含对冷箱内换舸差曲线的診响随看乙烯和丙烷含*的増加换热夹点由中温区移至低温区,但不会 发生在高温区，从最优浓度值起，无论中间

8、沸点的俎分増加还是减小，高 温区域的换協量都减少,即第一级压缩机逬口冷剂的过热度都降(氐1614131()8640500 1000 1500 2000 2500 3000 3500累枳换热址(kW)3. 2.3冷箱换热器夹点温差 冷刷中化片戊烷付Hl仙尸N.M巾 Jw产唤；|0氏応*f异戊烷组分含对;令箱内换嗣差曲线的影响随着;令剂中异戊烷含的增加,夹点位从高温区逐渐移至中a区再 到低a区，流程中节流阀逬出口工质S降减小.同时离温区的换热减 4、,第一级画机进工过热度降低.3.2.3冷箱换热器夹点温差以上分析可知，减少异戊烷的含量可保证压缩机逬气工质 过热，从而避免夹点发生在低溫区并避免压缩机

9、发生液击.减 少氮气和甲烷的含量可以避免夹点发生在高溫区.另外，增加 乙烯和丙烷的含可以避免夹点发生在中溫区，同时可使得流 程中节流阀进出口工质溫降减小,冷箱低温端的换热温差减 小3.2.4 SMR流程冷剂浓度自动 调节方案coMrpiMrT 3IU TRcn29.15K的M加mM22 2 21 2*1产/ % /% 一, /7(兰関审2 o118假定冷箱的量小虞热溫星为3忙，流程的控制思路如下：1. 由于气液分离8SB5中液体高沸点含a较高,因此，通过调节液泵的转速调节MUQ1 的流S ,从而保证B3气分耀中没有液位为0且M2与M5的温差为3忙;2. 由于B2分器中液相中沸点的含5较S ,通

10、过调节ADV阀的开度调节MUQ2的流 S .从而保证节流阀Wive进出口的温基为5匸3. 通过调节节流阀Valve开度，保证节流后的压力为3ba；4调节压缩机Compl Comp2的转速,保证N3的温度为-160X.3.3理论计算与结果分析20500$00 UMMI 15002()00 2SW) AOM)Sft积换热址(kW)假定;令剂逬口冷剂温度为25弋,根据流程优化方法对其运行浓度及压力 进行优化，对应的冷臟热集成曲线如下图所示,流遅埔效率为42.3% ,功耗 1075,25kW,3.3理论计算与结果分析以优化的运行浓度为初林度，若冷箱进口温度突然至0艾，则根据上文所示的 调节策略，对其调

11、节结栗逬行数摇橫拟计算.计算结果显示，调节后,冷確内的换热 集成曲线如ffl口所示.从ffl上可以看出，其换热温差t匕较均匀.量大温差不超过9 K , 从而保证了系统的高效运行.此时，其3偲如为41.3% ,功耗856.59kW ,相比于系统 恒定T2=25CR兄运行,节能219kW ,超过20%.1.2.3.4.5. 本文提出了一种SMR混合工质天然气液化流程的控制方案,通过对控制 过程的模拟分析可知，该控制方案具有很遂的适朋性,即使工质进;令箱的 温度从25C突然降至0C ,系统依然可以保持很高的焜效率.3.4结论SMR；令箱的换热过程中，由于冷剂和天然气工质物性特点,换热温差曲 线上存在

12、两个尖点”通过这两个尖点的位量,可将换热过程分为高差换热 区，中温换热区和低温换热区.随着冷剂中氮气和甲烷含11的增加,冷辑中夹点GJ从彳氐温区逐渐移至中 a区再到高温区，流程中节流阀逬出口工质温降増大.同时高温区的换热 増加,第一级压缩机逬口工质过热度増加.而夹点位豪及过热度随异戊 烷含的变化方向与氮气和甲烷刚好相反.随看乙烯和丙烷含*的增加，换热夹点由中温区移至低温区，但不会发生 在高温区，从最优浓度值起,无论中间沸点的组分増加还是减小,离温区 域的换热都减少，即第YR压缩机进口;令剂的过热度都降1氐.固定运行浓度在不同：052下的适应度很彳氐rV .-，J r 、r(乙烯深冷分离中变温冷

13、却过程制冷系统的设计与优化乡 W* Mm Hmm* vf tvWv-裂解气在冷箱中的冷却曲线是连续变温的，但是复叠制冷系 统的特点是冷剂提供的供;令曲线是非连续的几个恒定温位, 导致平均传热温差较大，传热过程不可逆损失大,能量利用 報低。-采用混合冷剂的优点是可使其蒸发曲线与工艺物流的冷却曲 线相近,尽量减小传热平均温差,减少系统的爛増。-考虑在裂解气预冷冷箱中采用混合冷剂制冷,在各塔的塔顶 冷凝器采用纯工质冷剂制冷，这种集成了混合冷剂和纯工质 复制冷的裂解气的分离过程制冷效帧高,能耗降低。、乙烯深冷分离过程1裂解气分离工艺流程. condenser of demethanuer3O(M160

14、009000 12000 15000 IWNNI 21000enthalpy ZkW图1前脱氢髙压脱甲烷工艺流程示图1. 2、3、4, 5, 7液分离當；6-Bi甲咖;热S8 ; 9丙囲令却港；10、11、12乙Jg冷却器；13塔顶冷盛卷；14一回问；15塔莹再浇器；16、17、1& 19, 20冷箱、乙烯深冷分离过程2冷负荷需求200kt/a乙烯装置 中裂解气从冷却水冷 却后到分离出乙烯产 品共需消耗冷: 24122.02kW其中 各塔顶冷凝器占69% , 预冷用冷却器占31%.ffl2 200kt/a乙烯装胃裂解汽负荷a塗士豐邛J二、组合式制冷系统及其优化回1140nMt *Vt()Ee dBlCO厂 7 FVw Ue ilMrttei图3多元混合冷剂制冷系统流程图塗士豐邛J二、组合式制冷系统及其优化fclt A.2优化-优化的目标函数：两台压缩机的功耗之和最小。-优化变a:循环冷剂中甲烷流fi、乙烯流量、丙烯 流量、异戊烷流量、压缩机岀口压力及节流后压力。-优化过程:流程在逬冷箱换热器前进行撕裂,用遗 传算法对优化变量进行赋值，州呆留每次计算的功 耗最小值,最终得到最优值。1设计采用的丙烯乙烯复fi制冷换热过程分析M 側 W 押 O 川I I p、aJIUEAdul2亠 propykiK composhr curve -o- Hher Mmims composHc cu