小型N2-CH4膨胀机天然气液化流程影响因素分析

（西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500）

小型N2-CH4膨胀机天然气液化流程影响因素分析

蒋 鹏，诸 林，范峻铭，张 政

（西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500）

利用HYSYS对小型N2-CH4膨胀机天然气液化流程进行模拟，分析关键参数对流程性能（比功耗、液化率）的影响。结果显示：降低制冷剂高压压力、LNG储存压力、制冷剂中甲烷含量和提高制冷剂低压压力、天然气入口压力，有利于减少比功耗; 提高制冷剂高压压力、LNG储存压力、制冷剂中甲烷含量和降低制冷剂低压压力、天然气入口压力，有利于提高天然气液化率。

N2-CH4天然气液化流程；流程模拟；因素分析

我国经济总量的快速增长，促使对能源的需求也不断攀升。天然气以其高效、优质、清洁等特性愈加受到人们关注。液化天然气（LNG）是经液化处理后，以液体形式存在的天然气。LNG具有适合远洋贸易、回收边远天然气等优势[1]。

天然气液化装置通常分为基本负荷型、调峰型。小型液化装置属于调峰型装置的一种，也是目前正在研发的新型液化装置，液化能力约为1～100 m3/d的LNG[2]。目前，小型天然气液化技术是该领域研究热点之一。本文利用HYSYS对小型N2-CH4膨胀机天然气液化流程进行模拟，分析流程关键参数对流程性能（比功耗、液化率）的影响。

1 N2-CH4膨胀机液化流程

N2-CH4膨胀机液化流程如图1所示。该流程由N2-CH4制冷系统及天然气液化系统组成。

对于N2-CH4制冷系统，采用N2-CH4混合气作为制冷剂。制冷剂经两级压缩（C1、C2）、冷凝（E4、E5）后经预冷换热器（E1）降温，预冷后的制冷剂在分流器（S2）的分离作用下，一部分制冷剂先后经主换热器（E2）和过冷换热器（E3）冷凝、过冷后，再经节流阀节流降温，返流为过冷换热器（E3）和主换热器（E2）提供冷量；另一部分制冷剂进入膨胀机（C3）膨胀，降压降温，膨胀后的制冷剂与返流的制冷剂在物流混合器（V2）混合后一起进入主换热器（E2），作为主换热器的冷源为其提供冷量。

图1 N2-CH4膨胀机液化流程Fig.1 N2-CH4expander liquefaction process

对于天然气液化系统，天然气经过预处理脱酸脱水后，经预冷换热器（E1）冷却，然后进入主换热器（E2）进一步冷却至一定温度后进入气液分离器（S1）气液分离，气相部分进入主换热器（E2）继续冷却液化，后经过冷换热器（E3）过冷，最后经节流阀节流降温后进入LNG储槽（V1）。从气液分离器（S1）底部出来的液相部分由于具有一定冷量，返流作为预冷换热器（E1）的部分冷源。

2 进料条件与计算方法

进料天然气处理量为15×104Nm3/d，温度为25℃、压力为4 400 kPa，组成见表1。

表1 进料组成Table 1 Feed gas compositions %(mol）

本文采用HYSYS V7.2进行模拟、分析。选定Peng-Robinson方程计算天然气和制冷剂物性[3,4]。

3 影响因素分析

衡量流程性能主要指标是比功耗和液化率[5]。定义比功耗为：

式中：ω—比功耗，J/mol;

Wc—压缩机总功耗，J/s;

We—膨胀机总输出功，J/s；

qLNG—液化天然气流量，mol/s。

定义液化率为：

式中：qNG—进入装置的天然气流量，mol/s。

3.1 制冷剂高压压力对流程性能影响

由图2可知，随着制冷剂高压压力（即压缩机C2出口压力）增加，比功耗、液化率呈现上升趋势。高压压力升高，膨胀机单位制冷量增加，液化率升高。但由于制冷负荷上升，制冷剂总流量也随之上升，压缩机压缩比增加，功耗增加。综合以上两方面的作用，LNG的比功耗呈现上升趋势[6]。

3.2 制冷剂低压压力对流程性能影响

图3显示，随着制冷剂低压压力（即膨胀机C3出口压力）增加，比功耗和液化率呈降低趋势。低压压力增加，膨胀机单位制冷量减少，液化率下降。

图2 制冷剂高压压力对比功耗和液化率影响Fig.2 Influence of refrigerant high pressure on specific power consumption and liquefaction rate

图3 制冷剂低压压力对比功耗和液化率影响Fig.3 Influence of refrigerant low pressure on specific power consumption and liquefaction rate

3.3 天然气入口压力对流程性能影响

图4表明，随着天然气入口压力（即进预冷换热器E1的天然气压力）增加，比功耗、液化率均呈下降趋势。天然气入口压力增加，气液分离器（S1）分离出的液相部分（重烃）增加，液化天然气流量降低，液化率降低；天然气液化所需制冷剂流量减少，液化天然气耗冷量减少，功耗降低[7]。

图4 天然气入口压力对比功耗和液化率影响Fig.4 Influence of gas inlet pressure on specific power consumption and liquefaction rate

3.4 LNG储存压力对流程性能影响

图5显示，随着LNG储存压力（即储罐V1的压力）增加，比功耗及液化率呈上升趋势。LNG储

存压力增加，天然气液化量增加，易被液化。天然气入口状态与液化后状态间的焓差增大[8]，即液化天然气所需要的冷量增加，制冷剂流量增加，使得比功耗增加。

图5 LNG储存压力对比功耗和液化率影响Fig.5 Influence of LNG storage pressure on specific power consumption and liquefaction rate

3.5 制冷剂中CH4含量对流程性能影响

由图6可见，随着制冷剂中甲烷含量增加，比功耗及液化率呈上升趋势。甲烷含量增加，膨胀机的实际焓降增加，膨胀机单位制冷量增加，制冷剂流量、制冷负荷也随着增加，液化率增加，比功耗增加。

4 结 论

本文运用HYSYS对小型N2-CH4膨胀机天然气液化流程进行了模拟，并分析了压力、温度、制冷剂组成等主要参数对流程性能的影响。得到如下结论。

(1)降低制冷剂高压压力、LNG储存压力、制冷剂中甲烷含量和提高制冷剂低压压力、天然气入口压力，有利于减少比功耗。

(2)提高制冷剂高压压力、LNG储存压力、制冷剂中甲烷含量和降低制冷剂低压压力、天然气入口压力，有利于提高天然气液化率。

图6 制冷剂中CH4含量对比功耗和液化率影响Fig.6 Influence of the refrigerant in the methane content on specific power consumption and liquefaction rate

［1］ 顾安忠,等．液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2004．

［2］ 徐文渊．小型液化天然气生产装置[J].石油与天然气化工，2002，34(3)：161-164．

［3］ 李佩铭，焦文玲，张世泽，等．天然气液化中采用PR方程的气液相平衡计算[J].煤气与热力，2008，28(4)：B21-B24．

［4］ 唐迎春，陈保东,等．P-R方程在天然气热物性计算中的应用[J].石油化工高等学校学报，2005，18(2)：47-49．

［5］ 谭建宇，李红艳，等．小型天然气液化装置工艺流程数值模拟和优化[J]. 天然气工业，2005，25(5)：112-114．

［6］ C.W. Remeljej, A.F.A. Hoadley An exergy analysis of small-scale liquefied natural gas(LNG) liquefaction processes [J]. Energy，2006 (31)：2005-2019．

［7］ 宋磊．影响天然气液化的工艺参数分析[J]. 甘肃科技，2004，20(12)：111-112．

［8］ 曹文胜，吴集迎,等．撬装型混合制冷剂液化天然气流程的热力学分析[J].化工学报，2008，59(S2)：53-59．

Analysis of Influence Factors on Small N2-CH4Expender Liquefaction Process

JIANG Peng，ZHU Lin，FAN Jun-ming，ZHANG Zheng
（School of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500,China）

HYSYS was used to simulate N2-CH4expander natural gas liquefaction process; influences of key parameters on the performance (including power consumption ratio and liquefaction rate) of N2-CH4expander liquefaction process were analyzed. The results show that, reducing refrigerant high pressure, LNG storage pressure, the methane content in the refrigerant, as well as improving the refrigerant low pressure and gas inlet pressure, can reduce power consumption ratio; improving the refrigerant high-pressure, LNG storage pressure, the methane content in the refrigerant, as well as reducing refrigerant low-pressure, gas inlet pressure, can improve natural gas liquefaction rate.

N2-CH4natural gas liquefaction; Process simulation; Parametric analysis

TE 64

： A

： 1671-0460（2014）01-0132-03

2013-07-08

蒋鹏（1991-），男，四川资阳人，2013年6月毕业于西南石油大学化学工程与工艺专业，研究方向：化工数值计算及分析。E-mail：zealforyou@sohu.com。