级联式天然气液化工艺模拟研究

肖 婷，李宪昭，尚增辉



级联式天然气液化工艺模拟研究

肖 婷，李宪昭，尚增辉

（中国石油集团工程设计有限责任公司 华北分公司，河北 任丘 062550）

主要对级联式天然气液化流程进行研究，并通过工艺模拟软件对级联式天然气液化流程进行模拟分析。通过分析得出级联式天然气液化工艺是实用可靠的天然气液化工艺。该工艺具有技术成熟、操作稳定以及能耗低的优点，适合于小型基本符合型天然气液化工厂。

级联式；天然气；液化；模拟软件

相比于煤和石油，天然气是一种优质洁净的能源。天然气的开发利用也越来越受到各国的重视。天然气液化是天然气利用的一个重要方式。液化天然气与常规气态天然气相比在运输和调峰方面具有巨大的优势[1]。

1 天然气液化流程

目前主要的天然气液化工艺有：级联式液化流程、膨胀机式液化流程以及混合冷剂液化流程。其中，混合冷剂液化流程又分为：闭式混合冷剂制冷液化流程、开式混合冷剂制冷液化流程和带丙烷预冷的混合冷剂液化流程。级联式液化流程一般用于小型基本负荷型液化工厂[2,3]。

级联式液化流程与其他流程相比具有以下优点：

1）能耗低；

2）制冷剂为纯物质，无配比问题；

3）技术成熟，操作稳定。

本论文主要对级联式天然气液化流程模拟设计进行分析研究。

2 液化流程工艺分析

2.1 装置处理能力

装置天然气液化能力为105×104Nm3/h（1 830 kmol/h）；

年操作时间为：8 000 h。

2.2 原料气组成

本论文中的所需液化的天然气为经过处理的纯净天然气，其组成如表1所示。

表1 原料气的组成

2.3 热力学方法选取

本文天然气液化使用的是Peng-Robinson状态方程[4,5]。

Peng-Robinson方程的通用形式如下：

其中：

式中，aα是与气体种类有关的常数。

2.4 液化工艺流程

本文所采取的级联式天然气液化流程工艺流程如图1所示[6,7]。

图1 级联式天然气液化工艺流程图

在本流程中所选取的三种冷剂分别是丙烷、乙烯和甲烷。其中丙烷的作用是预冷冷剂乙烯和甲烷；乙烯的作用是预冷甲烷和为冷箱1和冷箱2提供冷量；甲烷的作用为冷箱3提供深冷冷量对天然气进行液化，并对冷箱1和冷箱2提供冷量对天然气进行预冷。

在本液化工艺运行过程中，在丙烷循环制冷系统中丙烷经过压缩机C107升压和空冷器E107冷却至30 ℃后经节流阀节流至获得-32.8 ℃的低温，然后先后通过换热器E108和E110分别对乙烯冷剂和甲烷冷剂进行预冷。

乙烯制冷循环系统中乙烯经压缩机组（C105和C106）升压和E108换热预冷后通过节流阀2节流获得-94.6 ℃的低温，然后通过E109对甲烷冷剂进行进一步预冷。对甲烷冷剂预冷之后的乙烯先后进入冷箱2和冷箱1对天然气进行预冷。

甲烷制冷循环中甲烷经压缩机（C103和C104）升压和E110以及E109预冷至092.6 ℃后经节流阀3节流后获得-154.9 ℃的低温，然后先后进入冷箱3、冷箱2和冷箱1对天然气进液化。

原料气的液化过程是：原料经压缩机组（C101和C102）以及空冷器E102降温后进入冷箱1。原料气在冷箱1中被冷却至-35 ℃后进入冷箱2进一步冷却至-80 ℃。从冷箱2出来的原料气进入冷箱3进一步冷却至-150 ℃液化。最后从冷箱3出来的液化气经节流阀4节流至储存压力后进入低温分离，分离器闪蒸出的气相经冷箱3回收冷量后作为燃料气，液相作为LNG产品进入储罐。

3 主要设备工艺参数

在天然气液化工艺中冷箱是重要的换冷设备，其设计和工艺参数的选取对整个液化流程有这重要的影响。从1可以看出，在本文所研究的天然气液化流程中含有三个LNG冷箱：冷箱1、冷箱2以及冷箱3。三个冷箱的工艺参数分别在表2、表3以及表4中列出。

表2 冷箱1工艺参数

表3 冷箱2工艺参数

表4 冷箱3工艺参数

流程中冷剂及LNG节流阀的工艺参数如表5所示：

表5 节流阀工艺参数

4 模拟结果

制冷剂循环量见表6。

表6 制冷剂循环量

根据优化后的工艺参数,采用本文工艺天然气液化的各产品的量如表7所示。

表7 液化产品的量及液化率

表8和表9中数据分别是是LNG及燃料气的组成。

表8 LNG的组成

续表

分子式含量,%(w) n-Butane9.43E-03 i-Pentane3.14E-03 n-Pentane2.09E-03 n-Hexane2.09E-03 Nitrogen6.45E-03

表9 燃料气的组成

从模拟结果可以看出，在第三节中的工艺参数下原料气的液化率达到99.13%。

5 结 论

级联式天然气液化流程中由于采用的冷剂均为纯净物，因此在液化过程中不存在冷剂配比的问题，简化了工艺参数选取的难度，且操作稳定。

级联式天然气液化工艺中采用了丙烷、乙烯和甲烷三种不同冷剂分别为天然气液化过程提供了浅、中、深三种冷源，并且三种冷剂的制冷循环之间也存在冷量交换：丙烷为乙烯和甲烷的预冷提供冷量、乙烯为甲烷的预冷提供冷量。三种冷剂的压缩机组相互独立有利于充分优化不同冷剂的所需压力和减小整个工艺的能量消耗。

由于以上特点，级联式天然气液化流程适合小型基本负荷型天然气液化工厂。

［1］张宏杰. 天然气液化装置及工艺设计与应用研究[D].广州：华南理工大学, 2014.

［2］王春燕，邵方元，朱新，张彩珠,等. 混合制冷剂液化天然气过程的有效能分析[J]. 化工进展, 2013,11(32): 2604-2608.

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Simulation Research of Cascade Natural Gas Liquefaction Process

XIAO Ting, LI Xian-zhao, SHANG Zeng-hui

（China Petroleum Engineering CO.,LTD. North China Company, Hebei Renqiu 062550，China）

The process of cascade natural gas liquefaction was investigated. And the process simulation software was used for simulation and analyzing of the process. The simulation results show that the cascade natural gas liquefaction process is practical and reliable. This process has the advantages of technological maturity, good operating stability and low energy consumption. This process is suitable for small natural gas liquefaction plants.

Cascade; Natural gas; Liquefaction; Simulation software

TE 624

A

1671-0460（2016）06-1176-03

2016-04-15

肖婷（1981-），女，工程师，研究方向：油气田地面工程及分离工程。

李宪昭（1986-），男，工程师，硕士,研究方向: 油气田地面工程及分离工程。E-mail：lxz861020@yeah.net。