天然氣液化的流程設計

原料天然氣進氣量為50000m3/d，進口壓力為0．1MPa，溫度為30℃，為便于計算與模擬，取純甲烷作為天然氣成分，液化天然氣的儲存壓力為0．1MPa，換熱器冷損占換熱量的4%，壓縮機等熵效率為0．79，膨脹機的等熵效率為0．8，壓縮機、膨脹機機械效率均為0．98。丙烷預冷循環(huán)中壓縮機出口壓力為1．5MPa，丙烷預冷循環(huán)中節(jié)流后壓力為0．1MPa。在搭建PRO/Ⅱ流程時，需要特別注意的是，實際使用的循環(huán)壓縮機需要雙級以上壓縮，并且具有中間冷卻器，盡管可以用PRO/Ⅱ的一個壓縮機單元模塊模擬一個完整的壓縮機，但它在壓縮機動力消耗、氣體出口溫度上明顯偏離實際過程，因此這里采用2個壓縮機和一個換熱器來模擬實際的雙級壓縮機，兩個壓縮機之間的簡單換熱器相當于雙級級壓縮機中的級間冷卻器。此外，流程中的分離器起到管道分流作用，可以調(diào)節(jié)流向各管路的流量。根據(jù)小型天然氣液化流程的特點及以上要求，初步設計了3種工藝流程方案。然氣經(jīng)壓縮機C1、C2壓縮到1．5MPa，然后經(jīng)簡單水冷換熱器E1冷卻到42℃，在分離器SP1中分流，物流S6用于節(jié)流液化產(chǎn)生LNG，S12用于膨脹制冷。S6經(jīng)E3、E4冷卻至－118℃，然后經(jīng)節(jié)流閥V1降壓到0．1MPa，溫度降至－161．722℃，部分液體汽化，氣液混合物在閃蒸罐F1中進行分離，液相進入液化天然氣儲罐進行儲存，氣相作為返流氣與S14混合后為各換熱器提供冷量，復熱后可直接用作天然氣原料氣進行再循環(huán)。物流S12經(jīng)膨脹機EX1膨脹，降壓到1bar與返流的氣相天然氣S11混合為各換熱器提供冷量。入口溫度為30℃，入口壓力為0．1MPa的天然氣氣體經(jīng)壓縮機C1、C2壓縮到1．5MPa，然后經(jīng)簡單水冷換熱器E1冷卻到42℃，在分離器SP1中分流，物流S6用于節(jié)流液化產(chǎn)生LNG，S13用于膨脹制冷。S6經(jīng)E3、E4冷卻至－92℃，再經(jīng)E4冷卻至－118℃，然后經(jīng)節(jié)流閥V1降壓到0．1MPa，溫度降至－161．722℃，部分液體汽化，氣液混合物在閃蒸罐F1中進行分離，液相進入液化天然氣儲罐進行儲存，氣相作為返流氣與S17混合后為各個換熱器提供冷量，復熱后可直接用作天然氣原料氣進行再循環(huán)。物流S13經(jīng)膨脹機EX1膨脹，降壓到0．387MPa，為換熱器E4提供冷量，然后進入膨脹機EX2膨脹到0．1MPa，與返流的氣相天然氣混合為換熱器E5、E3提供冷量。天然氣液化模塊:入口溫度為30℃，入口壓力為0．1MPa的天然氣經(jīng)壓縮機C1、C2壓縮到1．5MPa，然后經(jīng)簡單水冷換熱器E2冷卻到42℃，然后進入換熱器E3，被丙烷和返流的天然氣冷卻到－37℃后進入分離器SP1分離，物流S7用于節(jié)流液化產(chǎn)生LNG，S13用于膨脹制冷。S7經(jīng)E4、E5、E6冷卻至－118℃，然后經(jīng)節(jié)流閥V1降壓到0．1MPa，溫度降至－161．722℃，部分液體汽化，氣液混合物在閃蒸罐F1中進行分離，液相進入液化天然氣儲罐進行儲存，氣相作為返流氣與S17混合后進入換熱器E3、E4、E6提供冷量，復熱后可直接用作天然氣原料氣進行再循環(huán)。物流S7經(jīng)膨脹機EX1膨脹到0．387MPa，為換熱器E5提供冷量，然后進入膨脹機EX2膨脹到0．1MPa，降溫后與返流氣相天然氣混合為換熱器E3、E4、E6提供冷量。丙烷預冷模塊:入口壓力為0．1MPa，入口溫度為30℃，流量為6kmol/h的丙烷經(jīng)壓縮機C3、C4壓縮到1．5MPa進入換熱器E8水冷到42℃，然后進入節(jié)流閥V2節(jié)流到0．1MPa，然后進入換熱器E2，此時E2相當于丙烷預冷循環(huán)中的蒸發(fā)器，吸收天然氣熱量后與丙烷初始參數(shù)相同，可直接再次進行預冷循環(huán)。

天然氣液化流程模擬對流程

1、2和3進行模擬，通過調(diào)整膨脹用天然氣流量Qe，在各換熱器沒有負溫差及各裝置參數(shù)合理的情況下得到最高液化率，查出此時對應的壓縮機功耗Wc，膨脹功We(kW)，LNG產(chǎn)量QL(m3/h)，LNG密度ρ(kg/m3)。在天然氣壓縮到相同壓力、相同溫度的情況下，方案1比功耗最大，液化率最低，而且膨脹機的膨脹比非常大，對膨脹機的技術要求很高，技術不能實現(xiàn)。方案2與方案3其設備均可實現(xiàn)，由于增加了丙烷預冷模塊，方案3的壓縮機功耗大于方案2功耗，膨脹機功率小于方案2。但是，方案3液化率比方案2高4．57%，比功耗僅占方案2的81%。綜上所述，方案3是最佳方案。天然氣節(jié)流前溫度對液化流程的影響當壓力不變的情況下，降低天然氣液化溫度會有效的提高液化率。節(jié)流閥前的溫度會影響比功耗和液化率。為節(jié)流前溫度T對系統(tǒng)液化率η的影響，可以看出隨著溫度的降低會有利于天然氣的液化，液化率隨之提高。為節(jié)流前溫度T對系統(tǒng)比功耗ω的影響，可以看出隨著溫度的降低系統(tǒng)比功耗降低。這是因為溫度的降低雖然導致系統(tǒng)功耗增大，但液化率也隨之提高，液化天然氣產(chǎn)量增加，使的液化天然氣的比功耗降低3。天然氣膨脹壓力對液化流程的影響當天然氣節(jié)流前溫度不變時，改變天然氣膨脹前后壓比對液化率有影響。從圖6可以看出，在天然氣膨脹后壓力為0．1MPa情況下，改變膨脹前壓力p，壓力越高，液化率隨之提高，即膨脹比越大，液化率越高。在通常情況下，從管道送來的天然氣往往具有很高的壓力，有時原料氣本身壓力甚至可以達到4MPa，此時天然氣不需經(jīng)過壓縮機壓縮就可以進行膨脹制冷生成液化天然氣，從而使功耗進一步減小。經(jīng)模擬及理論研究，壓力越大，其單位能耗越低。如果預冷后溫度進一步降低，液化過程能耗還可大幅度減少。膨脹前后壓力比越大，液化率越高。