级联型天然气液化HYSYS计算模型研究

王 勇 张玉玺 李娟花 李占生 齐园园

1.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710018；2.中国石油长庆油田公司监理公司，陕西 西安 710018

0 前言

天然气液化调峰装置主要分布在欧洲和北美。其主要分布情况为：美国62座、英国5座、加拿大3座、德国2座，澳大利亚、阿根庭、中国、比利时和荷兰各1座［1］。

国内某LNG调峰站是我国第一座调峰型天然气液化装置。该装置建成推动了我国液化天然气工业的发展，是东海天然气早期开采供应上海城市燃气工程下游部分中的一个重要组成部分。主要用于天然气早期开采中上游工程因不可抗拒的因素（如台风等）停产，输气管线事故，或冬季调峰时向管网提供安全可靠的天然气。该装置由法国燃气公司设计制造，1999年投入运行［2］。

法国燃气公司在研究世界各种天然气液化流程基础上，从优化流程、减少投资上开发了新型的混合冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程。该流程吸收了国外LNG技术最新发展成果，与当今天然气液化技术发展趋势相吻合。国内某LNG装置作为调峰引进了该流程，实际运行证明该工艺具有实用价值。由于国外资料没有提供具体的计算模型，因而生产操作中无法对装置进行参数的最优控制。本文通过运用国际上著名的HYSYS软件对该LNG调峰站进行模拟计算，结果表明：模拟与实际运行吻合得较好［3］。

1 级联型天然气液化流程特点

级联型天然气液化流程具有流程精简、降低设备投资和操作费用的特点，主要是简化了预冷制冷机组的设计。在流程中增加了精馏塔，并将冷剂分馏为以丁烷和戊烷为主的重组分和以氮、甲烷、乙烷为主的轻组分。重组分在冷却和节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合冷剂；轻组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝和过冷原料气。

本工艺中冷箱采用高效钎焊板翅式换热器。该换热器具有体积小，便于安装的特点。整体冷箱分为上下两部分，结构紧凑，换热器平行排列，换热面积大，绝热效果好。天然气在冷箱内被冷却至-160℃左右的液体，漏热损失降低并较好地解决了两相流分布问题。模块化型式制造使得冷箱便于安装，预留管路在施工现场进行法兰连接，降低建设费用。压缩机和驱动机具有型式简单、可靠、投资与维护费用低的特点［4］。

2 级联型天然气液化HYSYS模拟计算

2.1 天然气组成

天然气组成见表1。

表1 原料天燃气组成表

2.2 原料气冷却流程

图1为采用国际上著名软件HYSYS模拟出的流程。该流程主要由压缩机、分离器、冷却器、混合器、换热器、塔器以及节流阀组成。该数学模型主要以实际的原料气组分在操作工况下的温度和压力进行模拟，其组分在各个设备中进行分离、闪蒸、节流等过程的传质、传热计算。

原料天然气组成见表1所示。图1中天然气物流1（温度40 ℃，压力4.8 MPa，流量196.2 kmol/h）经过换热器1冷却，冷却后物流2（温度-25 ℃，压力4.79 MPa）再进入分离器1分离，分离器1底部分离出重烃。物流3从分离器1顶部出来进入节流阀1节流制冷，制冷后物流4（温度-27.73 ℃，压力4.4 MPa），再进入换热器2换热，换热后物流5（温度-135 ℃，压力4.39 MPa）进入节流阀2继续节流制冷。制冷后物流6（温度-160.5 ℃，压力0.11 MPa）最后进入分离器5，顶部分离出闪蒸气（温度-160.5 ℃，压力0.11 MPa），罐底部出来为LNG产品（温度-160.5 ℃，压力0.11 MPa）。

图1 级联型天然气液化HYSYS 计算模型图

2.3 冷剂循环流程Ⅰ

表2 制冷天然气组成表

表2为制冷天然气组成表。如图1所示：制冷天然气7（温度21.9 ℃，压力0.316 MPa，流量492.4 kmol/h）先进入低压吸入筒进行气液分离，顶部出来气相8（温度21.9 ℃，压力0.316 MPa）进入压缩机1压缩，底部液烃排出罐外。压缩后物流9（温度65.43 ℃，压力0.73 MPa）再进入冷却器1冷却，冷却后物流10（温度40 ℃，压力0.72 MPa）进入分离器7进行分离。从分离器7顶部出来的物流11进入压缩机2进行压缩。压缩后物流13（温度88.98 ℃，压力1.71 MPa）进入冷却器2冷却。冷却后物流14（温度40 ℃，压力1.7 MPa）进入精馏塔底部进行精馏。从分离器7出来的物流12（温度40 ℃，压力0.72 MPa）经过泵1增压后，物流43（温度40.68 ℃，压力1.66 MPa）进入精馏塔中部塔盘［5］。

2.4 冷剂循环流程Ⅱ

从高压吸入筒出来的气相物流28（温度20 ℃，压力1.43 MPa）进入压缩机3进行增压，增压后物流29（温度99.73 ℃，压力4.45 MPa）进入冷却器3冷却，冷却后物流30（温度35 ℃，压力4.44 MPa）打循环进入换热器1中。经过换热后物流32（温度-20 ℃，压力4.43 MPa）进入分离器2，底部出来的液相物流3（温度-20 ℃，压力4.43 MPa）进入换热器2换热，出来物流35（温度-130℃，压力4.42 MPa）进入节流阀3节流制冷后，物流36（温度-130.1℃，压力0.36 MPa）再进入分离器3。气相物流33（温度-20 ℃，压力4.43 MPa）进入换热器2换热，换热后物流37（温度-130 ℃，压力4.42 MPa）进入节流阀4节流制冷后与物流38（温度-154 ℃，压力0.36 MPa）同时进入分离器3。从分离器3出来的液相物流39与气相物流40汇在一起后，物流41（-140.2 ℃，压力0.36 MPa）给换热器2提供冷量，换热后物流42（温度-35.8 ℃，压力0.35 MPa）与物流19汇在一起进入分离器5（后面流程见精馏塔塔底液相流程所述）。

从精馏塔顶部出来的气相物流15（温度38.5 ℃，压力1.6 MPa）经过节流阀6节流制冷后，物流24（温度36.97 ℃，压力1.44 MPa）进入换热器1换热，换热后物流25（温度20 ℃，压力1.43 MPa）进入高压吸入筒进行气液分离。底部出来的液相物流27（温度20 ℃，压力1.43 MPa）经泵2 增压后进行循环，物流46（温度20.17 ℃，压力1.65 MPa）进入精馏塔顶部。精馏塔设置10层塔盘，（塔顶压力控制为1.6 MPa，塔底压力控制为1.63 MPa）。塔顶出来气相15（温度38.49 ℃，压力1.6 MPa）经过节流阀6节流制冷后，物流24（温度36.97 ℃，压力1.44 MPa）进入换热器1，然后打循环进入高压吸入筒，如前所述。

从精馏塔底部出来的液相物流16（温度39.09 ℃，压力1.63 MPa），经过泵3增压，物流17（温度39.10 ℃，压力1.64 MPa）进入换热器1换热，换热后，物流18（温度-20 ℃，压力1.63 MPa）进入节流阀5节流制冷，制冷后物流19（温度-24.6 ℃，压力0.33 MPa）再进入分离器5，分离器顶部出来的气相物流20（温度-30.38 ℃，压力0.326 MPa）与分离器底部出来的液相21（温度-30.38 ℃，压力0.326 MPa）混合在一起，进入换热器1。换热后物流23（温度21.87 ℃，压力0.316 MPa）打循环后，物流7进入低压吸入筒［6］。

3 装置考核对比分析

通过考察国内某调峰型LNG装置的设定参数，现将其计算值与现场运行数据进行对比，结果见表3。

表3 HYSYS计算值与现场数据对比表

经研究发现：由于HYSYS模型计算得出在设定的温度或压力下，系统能耗较低和制冷循环效率较高，故表3所列关键参数的设定值和模拟计算值比较接近。实际值与计算值出现偏差，其原因是由于运行时间增加，设备出现老化，系统在低负荷下运行，参数达不到设计标准。总体来看，计算参数和运行参数吻合较好［7～8］。

4 结论

本文通过考察新型级联型天然气液化装置，通过对系统中各参数进行分析和研究，采用国际上著名的HYSYS软件建立起了级联型天然气液化装置计算模型。通过对该系统工艺参数模拟研究发现：流程中模拟参数与该运行装置参数基本接近，这也证明了HYSYS用在该流程的准确性。该模型的研究不仅对国内开展天然气液化设计提供参考、技术支撑和指导作用；还可对所建装置进行实时参数调整、优化、提高产率，降低能耗等也具有重要的价值和意义。

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