辽宁中集哈深冷气体液化设备有限公司 辽宁 铁岭 610000
摘要：现阶段,随着我国经济的快速发展,而环境污染问题的日益加剧，天然气作为一种优质清洁燃料，在能源、交通、化工等领域的应用越来越广泛。液化天然气便于运输和使用，因此，开展天然气液化技术研究对扩大天然气的应用范围具有十分重要的意义。目前，天然气液化主要采用低温液化的工艺实现，大致分为级联式、膨胀式和混合冷剂３种方式。与前两者相比，混合冷剂技术具有流程简单、机组设备少、投资少、能耗低等特点。目前世界上８０％的基本负荷型天然气液化装置都采用了混合冷剂液化流程。由于操作工况复杂、冷剂介质多相共存，天然气混合冷剂液化技术面临的主要挑战是制冷剂的组成确定及配方优化。鉴于混合冷剂制冷过程中各单纯制冷工质间复杂的热力学交互作用，采用高效的均匀设计确定初步试验方案，通过ＨＹＳＹＳ流程模拟软件对混合制冷过程进行模拟研究，归纳预测混合冷剂优化组成并进一步模拟验证。
关键词：天然气;液化混合冷剂;配方优化
引言
随着目前世界各国对环境的日益重视，LNG作为一种优质、高效的清洁能源，广泛应用于工业燃气、城市公交和重型卡车等领域，对改善城市空气质量，节能减排具有重大意义。近年来LNG项目发展迅速。我国经过十几年的快速发展，实现了由主要依靠引进国外成套技术和设备到目前完全拥有LNG生产装备自主知识产权的转变。从2008年起，国内很多业主陆续使用国产技术和设备投资建设了LNG工厂，目前运行状况良好。
1混合制冷剂循环液化天然气流程
本混合制冷剂循环液化天然气流程包括两部分：混合制冷循环和天然气液化回路。混合制冷剂循环指混合制冷剂经过制冷剂循环压缩机压缩升压，经冷却后进入气液分离器进行气液分离。经气液分离器分离出来的气相制冷剂送入冷箱后，先经过第一换热器冷却后，再送入制冷剂分离器进行气液分离。从制冷剂分离器分离出来的气相制冷剂，先经第二换热器冷却，再经过第三换热器冷却后，通过节流阀节流降温降压后进入第三换热器制冷剂反流通道，为后续冷却工艺提供所需冷量。从制冷剂分离器分离出的液相制冷剂经第二换热器冷却后，通过节流阀节流降温降压后，与第三换热器返流的混合制冷剂混合后，送入第二换热器制冷剂反流通道为第二换热器提供运行所需冷量。经气液分离器分离出来的液相制冷剂送入冷箱后，经第一换热器冷却降温后，通过节流阀节流降温降压后与第二换热器制冷剂返流的混合制冷剂混合，混合后的制冷剂送入第一换热器制冷剂反流通道为第一换热器提供所需冷量。天然气液化回路工艺主要处理净化后的天然气，使其符合液化天然气的相关标准和要求。净化以后的天然气经第一换热器冷却后进入重烃分离器进行重烃分离，分离出的液相返回第一换热器后进入凝析油闪蒸系统，分离出的气相经第二、三换热器冷却后，经节流阀节流降压产生的液体则为液化天然气，作为产品被存储到LNG低温液化储罐中储存。
2天然气液化混合冷剂配方研究
混合冷剂组成的确定目前主要采用优化模型计算法和原理优化法。计算法是通过选取实验影响因素编写优化方程，利用热力学公式优化冷剂组成，该方法需要对制冷系统建立复杂的热力学模型，优化计算困难；原理优化法是结合流程模拟和原理判断，通过提高或降低混合物中某一种组分的含量来最终确定混合物组成，该方法需要大量的试算且不易寻求最优结果。鉴于混合冷剂制冷过程是复杂的热力学效应交互作用的结果，本文采用原理初选结合均匀实验设计的混合冷剂配方优化方法，通过HYSYS软件对混合制冷过程进行流程模拟，利用少量具有代表性的实验结果建立考察指标与冷剂组成间定量关系，进而预测混合冷剂的优化组成，并对预测结果进行模拟验证。
2.1混合冷剂初选
混合冷剂制冷主要是通过蒸发吸热及复杂的换热过程实现的，这与阶式制冷的原理相类似，即高沸点冷剂组分主要在高温区发挥制冷效果，低沸点冷剂组分主要在低温区发挥制冷效果。不同的是，混合冷剂中各组分可共同在单压缩循环下逐级蒸发、冷凝，实现不同沸点组分在不同温区制冷。
2.2优化换热系统、降低损耗
混合制冷剂组分由甲烷、乙烯、氮气、丙烷、异戊烷组成。根据混合制冷剂的特性及冷热物流曲线图1-1可知，在-162℃-140℃范围内，若换热器的冷、热物流曲线间距较远，说明混合制冷剂内氮气组分多，需减少处理。如图1-2若冷、热物流曲线相互交叉或者接近，说明氮气组分较少，需加之。根据上述原理，在不同的温度范围内，及时调节制冷剂组分配比，提高混合制冷剂效果。在-140℃-80℃之间，需要调节甲烷组分，在-80℃-35℃之间，调节乙烯组分，在-35℃-0℃范围，调节丙烷组分，在0℃-40℃之间，调节异戊烷组分，与此同时，还需调节混合制冷剂的蒸发压力，以便更好换热。
3本改造流程的创新点与理论依据
3.1向各制冷流道科学分配制冷剂
混合冷剂经压缩机压缩后送入冷箱，通过气液分离器及冷箱内制冷剂分离罐将混合冷剂分成三级分别液化并反流换热，通过精确地计算平衡分配不同组分的冷剂在不同换热段进行高效换热，从而达到降低液化能耗的目的。
在混合制冷剂液化流程的换热器中，主要是依靠混合冷剂中的混合工质在不同的温度点的相变来提供天然气液化的冷量的来源。第一级预冷段的冷量主要来自于主要成分为丙烷和异戊烷及少量乙烯与微量甲烷组成的第一级混合工质作为预冷冷剂；第二级液化段的冷量主要来自于主要成分为乙烯和甲烷及少量丙烷与微量异戊烷组成的第二级混合工质作为液化冷剂；第三级过冷段的冷量主要来自于主要成分为氮气和甲烷及少量乙烯与微量丙烷、异戊烷组成的第三级混合工质作为过冷冷剂。在各级换热器中提供冷量的混合工质的液体蒸发温度随组分的不同而不同，在换热器内的热交换过程是个变温过程，通过合理选择制冷剂的配比，可使冷热流体间的换热温差保持比较低的水平，同时能使换热效率最佳。
本流程中，预冷段的液相丙烷和异戊烷中含有适量乙烯和甲烷，在换热器中被逐级冷却降温，乙烯也处于气液平衡态，节流后含有少量乙烯的重组分在蒸发器內蒸发，提供的冷量较传统的丙烷和异戊烷蒸发制冷量大。天然气经历的预冷、冷凝、过冷三个过程，每个过程按温区顺序需要五种常规混合冷剂(N2，CH4，C2H4，C3H8，iC5H12)中的多个组分以促成冷热复合曲线的最佳配合。凸显了多股流换热器的优势，天然气吸收冷量后降温，最终转化为液化天然气。整个过程通过对三级制冷剂的分离温度的控制，来实现各级混合制冷剂配比的协调控制。
3.2实现了宽温预冷，提高了整体冷箱的操作弹性
本流程中获得的第一级制冷剂以丙烷、异戊烷为主，以适量乙烯、甲烷为辅的预冷剂，既吸收了C3/MＲC工艺高温段采用丙烷为制冷剂，按几个不同的温度级别给原料气及混合制冷剂进行预冷的工艺优势，又借鉴了DMＲ工艺中预冷循环和液化循环双向灵活调节的优点，当低温段冷量需求大时，降低预冷的温度，当低温段的冷量需求小时，提高预冷温度，这样可以使系统的能量重新达到平衡。
结语
综上所述，双混合制冷剂循环液化天然气流程优于丙烷预冷混合制冷剂流程，带回热的混合制冷剂循环液化天然气流程优于无回热流程。优化混合制冷剂循环液化天然气流程，可以节约液化天然气的设备成本，降低工艺能耗，大大提高经济效益。
参考文献
[1]吕双双,周训,王平.三种混合制冷剂循环液化天然气的比功耗和(佣)对比[J].天然气技术与经济,2017,(4):54-57.
[2]刘涛.混合制冷剂循环（MRC）液化天然气流程的设备模拟[J].中国化工贸易,2018,(32):76-76.
[3]杨鑫磊,范代娣,员汝娜等.MRC工艺中混合冷剂设计参数与配比的优化[J].化学工程,2018,(1):1-6.
论文作者:孟繁宇
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/29
标签：制冷剂论文; 天然气论文; 换热器论文; 组分论文; 预冷论文; 丙烷论文; 戊烷论文; 《科学与技术》2019年第09期论文;