利用天然气管道压差能量液化天然气流程

1、 本科毕业论文（翻译）英文标题学生姓名学号教学院系石油与天然气工程学院专业年级油气储运工程2011级指导教师职称单位辅导教师职 称单位完成日期 2015年06月利用天然气管道压差能量液化天然气流程摘要长输管道天然气的输送压力通常较高（高达10兆帕），在城市门站通常需要一套节流装置完成减压过程，这个过程通常由节流装置实现，而且在此过程中会浪费非常巨大的压力能。在该文章中通过HYSYS软件来设计和模拟回收利用该巨大能量来完成一股天然气的膨胀液化过程。将单位能量消耗和液化率作为目标函数并作为优化设计选择的关键变量。同样对天然气管道在不同运输用作压力下的工作情况进行计算和讨论，同时对不同设备压力能损失

2、进行评估，并对具体细节进行分析。结果显示，这一液化率显然低于普通液化过程的液化率，该天然气膨胀液化过程适用于进行天然气液化是由于他的单位能耗低，过程简单及灵活。1. 介绍长距离输送管线通常在较高的工作压力下运行（高达10兆帕），高压天然气通常在城市门站内通过一个不可逆的节流过程从而降压到达较低的压力为了适应不同的需求，在这个过程中有用的压力能就这样被浪费了，因而，利用合适的能源利用方法回收这部分大量的压力能是十分有价值的。天然气管道压力能多用于发电，轻质烃的分离以及天然气的液化。现在已经有很多关于一些小型的LNG站场天然气液化的研究报告，天然气技术研究所开发了一个小型的利用混合制冷机制冷循环的

3、天然气液化系统，起液化能力在4-40m3 /d，kirllow等人研究了利用涡流液化技术和膨胀液化技术的小型天然气液化调峰厂。Len等人描述了几个基于压力能回收利用的天然气液化流程。Lentransgaz公司开发了充分利用压力能而没有外来能源输入来液化天然气的天然气液化的新设备。Mokarizadeh等人应用了基因遗传学的相关算法对于天然气调峰厂的液化天然气的压力能使用进行优化以及损失的评估，Cao等人使用Hysys软件分析了应用于小型天然气液化流程的使用混合制冷剂循环以及N2，CH4膨胀循环的撬装包。Remeljej等人比较了四种液化流程包括单级混合制冷循环，两级膨胀氮循环，两开环膨胀流程，

4、以及类似的能量分析得到单级的混合制冷剂循环有最低的能量损失。表1 符号命名符号名称符号名称a吸入参量，Pa(m3/mol)t温度KA无量纲吸入参量v摩尔体积m3/molb摩尔体积m3/molW能量kWB无量纲摩尔体积Z压缩系数cp气体比热容Kj/kg.kzi组分i摩尔组成ex,H单位质量内能kJ/kgzj组分j摩尔组成E内能kJ缩写h单位质量焓值kJ/kgC5+重质烃kg二元交换系数CP压缩机p压力kPaEXP膨胀机R气体常数LMTD对数平均温差S熵值kJ/kg.kLNG液化天然气T温度 KNG天然气Maunder设计了一种甲烷饱和液化流程，在膨胀过程中温度压力的降低从而达到气体液化的效果。A

5、labdulkaremet等人通过使用丙烷预冷的混合制冷剂循环将制冷过程进行优化，并发现了一种可以降低单位产品的能耗的混合制冷剂的新组成。Shen等人提出了一种利用压力能的液化天然气流程，但是并没有进行详细的分析及优化设计。Xiong等人设计了一种适用于利用压缩机制冷及换热设备的城市门站。Gao等人设计了一种带有丙烷预冷的氮气膨胀制冷循环液化煤层气的流程，并分析了氮气含量对液化率的影响。在本文中，通过利用接近城市门站的气体压力能来完成液化天然气的膨胀液化过程。这种液化过程的液化率大概在10%-15%之间。这种循环的液化率要低于像混合制冷剂循环和氮膨胀循环的液化流程。然而这种液化循环却有低能耗，

6、使用灵活，简单的优点。2. 工艺流程设计2.1原料气参数管输天然气的压力值设置在4MPA，温度设置在15，流量假设在100104Nm3/d。这种制冷过程是一种液化天然气直接膨胀循环利用高野液化天然气的一部分。大部分供给的天然气膨胀到1.7MPA然后输送到中高压的管网中，另一部分的天然气膨胀到0,4MPA然后进入中等压力的管网，此时的管输流量低于100104Nm3/d，该天然气各个组分的摩尔百分数以及该流程中的其他参数在表2中展示。2.2液化流程该液化天然气膨胀液化流程如图1所示。首先供给的天然气被分为两个部分，其中较小部分的天然气流入预处理流程从而脱除二氧化碳，水及硫化氢，然后通过两级LNG热

7、交换器（LNG-100和LNG-101）从而到达气液分离器所需的重烃分离温度从而达到重烃的分离，此时天然气在另外的两个LNG热交换器（LNG-102和LNG-103）中逐渐冷却及液化。之后通过一个气体节流阀调节天然气的压力，最终LNG产品在一个气液分离器中分离出来。该气液分离器顶端排出的气体则流回四个LNG换热器从而回收冷量然后流入中等压力天然气管网。另外一部分的天然气通过压缩机增压后经过水冷系统冷却然后通过LNG换热器（LNG-100）在此冷却。在此冷却的天然气被分为两个部分第一个部分通过第一个膨胀机（exp-1）为其他三个LNG换热器（LNG-101，LNG-102，LNG-103）提供冷

8、量，最终被输入中高压天然气管网。另外的一部分天然气随后经过两个LNG换热器（LNG-101，LNG-102）冷却,.随后这部分天然气经过第二个膨胀机（EXP-2）之后回到四个LNG换热器中提供冷量。最终该部分天然气输入中高压天然气管网及中压天然气管网。在本文中，研究的液化天然气流程不同于传统的液氮膨胀流程及甲烷膨胀流程。在传统的甲烷膨胀流程及氮气膨胀流程中两个膨胀机是级联式连接，但是在这个系统中，两个膨胀机是平行连接，因而具有可以通过调节两个膨胀机通过的天然气流量来满足不同液化能力的需求的优点。2.3相平衡方程相平衡方程是在液化过程中各物理参数计算的基础，在本文中使用P-R方程，P-R方程如下

9、所示：其中：P-R方程还可以使用在压缩因数中，其中：3. 优化处理3.1关键参数的优化单位能源消耗是用来评价液化天然气流程的一个重要方面，因而它往往被用作优化流程的目标函。其中几个参数对于单位能源消耗有重要的影响，其中包括压缩机的出口压力，两个膨胀机的进口温度以及重烃分离温度。这四个参数可以通过变量X=（P202,t204,t208,t105）T，能源消耗作为目标函数如下所示：其中表明膨胀机产生的效果全部应用于压缩机(单位为KW)。qLNG为LNG的体积流量（单位为Nm3/h）。由于非常低的能源消耗以及相当低的液化率，因而仅仅考虑参数对单位能源消耗的影响是不正确的。实际上，还应该考虑这四个参数

10、对于液化率的影响，在进行优化的过程中，应该保证单位能源消耗处于一个相当低的水平，然后让液化率可以到达一个尽可能高的值。在HYSYS中的优化程序在优化流程和原始方法中被选中，给出的约束函数如下所示：（1）换热器LNG-103的进出温差的最小值设置为3K。（2）输入中压天然气管网的天然气流量不超过10104Nm3/d。（3）天然气经过膨胀机后不留下任何液体。（4）经过重烃的分离后C5的摩尔分率不超过70%。3.2压缩机输出压力P202在这个工艺流程中的影响压缩机的输出压力对于单位能量消耗及液化率的影响是十分巨大的。该压缩机的出口压力同压缩机性能之间的关系如图2所示。随着压缩机出口压力的增高，液化率

11、也随着显著的增高。这是因为压缩机出口压力的增高会增大膨胀机的膨胀比，这将导致制冷机产生更强的制冷能力，从而可以液化更多的天然气。同时也表明，在压缩机出口压力不断增高的同时，压缩机的能耗也在不断的增高。如图2 压缩机的出口压力同压缩机性能之间的关系3.3第一个膨胀机的入口温度对于该流程性能的影响膨胀剂的入口温度对于制冷效果以及膨胀机的出口工作量有十分显著的影响。图3展示了随着函数变量第一个膨胀机入口温度t204变化，单位能量消耗以及液化率相应的变化关系(EXP-1)，随着膨胀机入口温度t204的不算降低，单位能量消耗先降低随后不断增高，当入口温度t204到达-20时，单位能量消耗有最低值。产生这

12、个现象的原因是，随着膨胀机入口温度的不断降低，使得流过制冷循环的单位制冷剂产生更大的制冷能力，因而使得制冷机中所需要的总制冷剂减少，压缩机所需要的压力也随着减少。然而，制冷剂流量的减少使膨胀机的输出功率降低，同时使整体流程的单位能源消耗的升高。因此第一膨胀机的入口温度t204和制冷剂流量有一个获得最低单位能量消耗的最优值。另一个方面，液化率随着膨胀机入口温度的减少而增加。图3单位能量消耗以及液化率同第一个膨胀机入口温度t204的变化图3.4第二个膨胀机的入口温度t208对于该流程性能的影响第二个膨胀机的入口温度对于第二个膨胀机的出口温度有轻微的影响。而第二个膨胀机的出口温度对于节流前的天然气温

13、度有重要影响。这个影响的结果展示在图4中。为了使膨胀剂中不产生液体因而要保证t208在-69.2以上。流程的液化率随着t208的降低而增加，这是因为随着第二个膨胀机的t208的降低可以将天然气在节流前冷却到一个较低的温度，从而使得天然气的液化率升高。而单位能量消耗量随着第二个膨胀机的入口温度的降低而减少。这是因为随着液化率的升高闪蒸汽的产生量会减少，很容易从约束函数中发现，闪蒸汽需要经过压缩才可以输入中高压天然气管网。综上所述，单位能量消耗因而减少。图4 第二个膨胀机的出口温度对于节流前的天然气温度影响3.5重烃的分离温度t205对于该流程性能的影响重烃的分离工作在天然气的液化中起着非常大的作

14、用。如果重烃的分离不在一个合适的温度中完成，将使重烃在较低的温度中固化产生运输管道的堵塞。重烃的分离温度对于该液化流程性能的影响展示在图5中。当随着重烃分离温度的降低，液化率也同时降低。重烃分离温度越低，天然气的中就有更多的重烃分离出来。结果使得天然气的液化率降低，无论如何，单位能源消耗量会随着重烃分离温度的降低而升高。图5 重烃的分离温度对于该液化流程性能的影响4. 结果及分析通过利用天然气管道压力能对液化过程的主要参数进行优化设计，如表3所示。很显然，这个流程的单位能源消耗量是非常低的，在0.03975kWh/Nm3。相比较之下，MRC流程中单位能源消耗量在0.2-0.4kWh/Nm3，氮

15、膨胀流程中单位能源消耗量在0.6kWh/Nm3左右。无论如何，相较于其他的液化流程，较低的液化率是这个流程的缺点。而且相较于其他的液化流程95%的液化率这个流程的液化率只有13.55%。这个液化能力相当于一个小型的LNG厂的液化能力，大约为13.55104Nm3/d。如图6所示，热的和冷的复合曲线是LNG换热器中的重要参数。将压力分析理论应用于LNG换热器。在高温传热系统中的高温曲线通过一个小型的LMTD同低温复合曲线相匹配。当这个传热系统降低到一个较低的温度时，高温复合曲线同低温复合曲线匹配的不是很好而且此时需要的LMTD十分巨大。这是因为，当处于较高的温度时，只有少量的重质烃被液化此时大部

16、分的天然气处于气相，因此此时的LMTD相当的小。然而在较低的温度时，甲烷同其他的碳氢化合物被液化时大部分的天然气处于气液两相中，从而导致了大量的LMTD。如图6 热的和冷的复合曲线5. 能量分析5.1管线中可用的压力能天然气管网可以被视为一个稳定的开放系统。能量分析则被用于计算天然气管线中可利用的压力能。开放系统的单位能量团的计算可以遵循如下：根据热力学熵的关系：开放系统中的单位能量团可以被表示为：在本文中，计算管线中的单位能量使用PR方程。单位能量同管线压力的关系如图7。在图中可见随着管线压力的增加，单位能量也随着增加。图7 单位能量同管线压力的关系5.2设备的能量分析包括压缩机，膨胀机，L

17、NG换热器，水冷器，阀门在内的设备会产生能量损失。能量分析被应用于这五个设备用来评估这些设备的能量损失。Lie等人介绍了这些设备能量损失的计算结果。这些设备的计算结果如图4所示。其中，Ex,i表示设备的能量损失，Ein表示输入设备的能量，Eout表示输出设备的能量，Wc表示压缩机消耗的能量，We表示膨胀机压缩的功率，Sin表示输入系统的熵值，Sout表示输出系统地熵值，T0表示周围环境温度。能量分析的结果展示在图5中，可以发现有大量的能量损失，大约有37.91%的总能量损失，来自于LNG换热器源自于较低的温度下产生的大量LMTD。因此，LNG换热器的最优化处理是减少能量损失的关键。膨胀机的热能

18、损失是在32.67%左右，这是由于两个膨胀机是平行设置而且每一个都是独立的膨胀过程，而且能量损失随着膨胀比的增加而增加。这部分的能量损失可以通过使用两级膨胀或者级联式膨胀而有效地减少。选择合理的进口压力或者增加膨胀机的效率也是减少能量损失的有效方法。由于天然气只是从4Mpa压缩到6.3Mpa,处于较低的压缩比使得压缩机只是产生了少量的能量损失。另一部分天然气需要输入中高压天然气管网中，需要将气体从450Kpa压缩到1750Kpa,而这部分的天然气数量十分小，因而压缩机的能量损失要远远的小于LNG换热器和膨胀机。对于正常的液化流程，水冷机的能量损失是十分大的，这是由于压缩机的出口温度是非常高的因而在将天然气降低到较低的温度时会产生较多而能量损耗。然而在这个所提出的方案中，压缩机的压缩比是十分小的，因而输出端的温度不是很高，因而，水冷系统的能量损耗不是很高。而节流阀的能量损耗仅占总损耗的3.94%。6. 结论提