天然气液化技术的研究

第30卷第6期兰州理工大学学报VoL 30 No 62004年12月Journal of L anzhou University of TechnologyDec.2004文章编号:1000-5889(2004)06-0064-03天然气液化技术的研究安彭军1,陈叔平1,刘振全1,王峰(1.兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州730050;2.新疆化工集团石油化工机械有限责任公司,新疆乌鲁木齐830002)摘要:针对青海天然气甲烷质量分数高的特点,选用带丙烷预冷的混合制冷剂循环,并基于LKP状态方程,在对各单元设备进行分析计算的基础上,对天然气液化全流程进行了热力计算.结果表明:液化率达0.823,单位LNG能耗为1.863kW·h/kg.该流程在西部天然气液化中可优先考虑关键词:液化天然气(LNG);液化流程;混合制冷剂;热力学计算中图分类号:TE646文献标识码:AStudy of liquefying technique of natural gasAN Peng-jun, CHEN Shu-ping, LIU Zhen-quan, WANG Feng2(1. College of Petrochemical Technology, Lanzhou Univ, of Tech, Lanzhou 730050, China: 2, Petroleum &. Chemical MachineryLtd, Xinjiang Chemical Group, Urumchi 830002, China)Abstract: According to the characteristics of Qinghai natural gas, the mixed-refrigerant cycle with propane precooling is applied for gas liquefaction. And, based on LKP equation, the thermodynamic calculationof the whole cycle was carried out through analyzing every plants unit. The result shows that liquefactionrate is 0. 823, energy consumption of LNG is 1.863kw. h/kg. The priority of using this process may begiven to the liquefaction of natural gas in west ChinaKey words: liquefied natural gas (LNG); liquefied process; mixed refrigerant; thermodynamic calcula-tion天然气与煤炭、石油一起并称为世界能源的三不利组分(酸性组分、水分、重烃组分等),之后再进大支柱.天然气经过低温液化,其体积将缩小到原入制冷系统的高效换热器不断降温,并将丁烷、丙体积的1625,十分有利于运输和储存.我国西部有烷、乙烷等逐级冷凝分离,最后在常压下使温度降低丰富的天然气资源,但起步较晚,ING工业长期以到一162C左右即可得到ING产品来几乎为空白,缺乏对LNG工业链的基础性研究天然气的液化工艺流程根据所采用的制冷循环又缺少对国外LNG工业的系统了解,这些都不能可以分为3种:阶式制冷循环、混合制冷剂循环和膨与西部天然气大规模开发利用相适应因此从热力胀机制冷循环学传热学和流体力学角度对西部天然气的低温液1.1阶式制冷循环化流程进行研究,对于开发立足于国内技术的西部阶式制冷循环是用丙烷(或丙烯)、乙烷(或乙LNG工厂和LNG终端接收站具有重要的应用价烯)、甲烷等纯烃冷剂(蒸发温度分别为-38c、值和远大的前景85℃、-160℃)进行的三级冷冻,使天然气在多1天然气的液化及流程个温度等级的制冷阶中分别与相应的制冷剂换热从而使其冷却和液化的工艺.该循环工艺热效率高天然气的液化一般包括天然气净化(也称预处操作易于稳定,但是流程复杂、设备投资及维修费用理)过程和天然气液化过程两部分,其核心是制冷循环,首先将原料天然气经过预处理,脱除液化过程的高1.2混合制冷剂循环第6期安彭军等:天然气液化技术的研究65混合制冷剂的制冷原理与纯组分制冷剂的制冷原理1.3膨胀机制冷循环大致相同,即都是通过冷剂液体的汽化,并与被冷介以膨胀机制冷循环为基础的天然气液化工艺流质进行热交换使其降温.与纯组分制冷剂不同的是.程是通过采用透平膨胀机进行等熵膨胀而达到降温混合制冷剂产生的冷量是在一个连续的温度范围之目的的过程.根据进入膨胀机的介质的不同,膨胀机內,纯组分冷剂产生的冷量是在一个固定的温度上.制冷循环分为2种混合制冷剂制冷循环工艺流程的特点是在制冷循环1)天然气膨胀机工艺是采用天然气膨胀制冷中采用混合制冷剂,其加热曲线可与被冷却介质的的循环,又称开式膨胀机循环冷却曲线很好地匹配,有效地增加了两者的一致性2)循环膨胀机工艺是采用氮(或氮甲烷混合可见,混合制冷剂制冷循环即保留了阶式制冷循环物)膨胀制冷(闭式)的工艺流程.的优点,而且只用了一台压缩机,使流程大大简化,降低了造价2工艺流程混合制冷剂工艺可以分为全混合制冷剂工艺选用丙烷预冷的混合冷剂液化循环(见图1).(FMR)和预冷十混合制冷剂工艺,目前有多家公司原料天然气经由燃气引擎带动的压缩机两级压缩,开发岀了各具特色丙烷预冷的混合制冷剂循环工艺经冷却后,通过MEA单元除去酸性组分(CO2、硫(AP(Ⅰ公司的C3/ MCRTM工艺、 TECHNIP公司组分等),然后进入分子筛干燥系统进行深度脱水的 Tealarc工艺、 JF Prichard8Co.的 PRICO工艺、(水的体积质量分数控制在1×10-以下)Linde公司的 LINDE工艺等)低压尾气去低压管网混合冷剂压缩、预冷单元混合冷剂蒸汽3级压缩、丙烷预冷天然气原料/原料气压缩单元0.12-280MPaA2级压缩主0.30~2.80MPaA混合冷剂液体换ⅠNG去低热湿储罐MEA脱酸处理单元原料气预冷器器fCO,)<1×10r(H,S)<5×105过滤器内烷蒸汽丙烷液体分子筛脱水单元(4A)双塔切换混合冷剂制冷单元H2S)<5×103级压缩、丙烷后冷0.12-4.00MPaA图1天然气液化流程示意图Fig. 1 Schematic diagram of natural gas liquefaction process净化后的天然气经预冷器与尾气复热,并由丙换热并汽化后的混合冷剂由主换热器底部引出,复烷冷剂预冷.预冷后的天然气进入主冷却器,由混合热后,进入混合冷剂压缩机压缩,进行制冷循环冷剂冷冻至-120~-125℃(全凝、过冷).冷却后的天然气经节流温度进一步降低,通过气液分离器3数学模型及选择分离出液相LNG产品和气体.气体经主换热器和在天然气液化流程的热力学计算中,计算体系预冷器复热后,作为尾气排出装置属于以碳氢化合物为主体的非极性体系,计算中主混合冷剂经过压缩后与丙烷预冷器换热发生要涉及气液相平衡与热量的计算,对于焓值的计算部分冷凝,然后通过气液分离器分离成气相和液相要求较高.而ⅠKP对此体系的物性计算十分成功两部分.液相经节流降温后,由中部进λ(喷淋)主换对焓值的计算被公认为是精度很高的模型,而且属热器,在主换热器的热区(下部)冷却冷剂的气相部于对比态方程,适合于计算机计算,所以在流程热参分(使之部分冷凝)和原料气;气相部分先在主换热数计算时采用LKP方程66兰州理工大学学报第30卷参数在计算天然气和制冷剂热力参数焓和熵时将会表1天然气和混合制冷剂的摩尔分率用到.LKP方程的形式为Tab. I Mole contents of natural gas and mixed refrigerantZ=Z+如(Z1-Z0)=Z0+aZ1乍介CHI天然气混合制冷剂34.01+2+++各个换热器端面的温差为3℃,天然气入口温度为298K,压缩机的效率设为lB+2)计算结果B=b1-b2/T-b3/T2-b1/T3制冷剂为1.36mol,全流程丙烷预冷剂提供的C=c1-c2/T+c3/T3冷量为13.61kJ,混合冷剂压缩机的耗功为5.98d=d,+d2/kJ,主换热器总传热负荷为21.06kJ,混合冷剂预冷式中:z为压缩因子,Z。为简单流体的z值,Z为器传热负荷为13.69k.液化率为0.823,LNG参考流体的Z值,Z1为修正函数,a为流体的偏心(mol)组成:N2为0.004,CH4为0.983,C2H。为因子,a为参考流体的a值,p为对比压力,v为对0.012CH为0.001,生产单位LNG能耗为1.863比比容,T为对比温度,b1、b2、b3、b1、c1、c2、c3、C1、kW·h/kgd1、d2、B和y为12个常参数. Lee-Kesler分别用5结论种简单流体(ω=0)和一种参考流体(正辛烷)的实验数据来拟合方程中简单流体和参考流体的常1)不同的用途以及原料气参数可选择不同的数,其它任何流体的pVT关系可以由此计算液化流程,针对青海天然气的特点,选用丙烷预冷的对于混合物, Locker提出的改进的混合规则来混合冷剂液化循环.结果表明该液化流程液化率较求得混合物临界性质的表达式为高,能耗低,而且结构相对简单.在西部类似地区,这Ve,=ZeRTe. i/p种流程在选型中可重点考虑Z。,=0.2905-0.0852)在天然气液化流程的热力学计算中,计算体系属于以碳氢化合物为主体的非极性体系,计算中V.=k∑∑,(V+v主要涉及气液相平衡与热量的计算,可选用LKP方程进行热力计算.T.=B∑∑(V+vw)T参考文献p=ZRTV。=(0.2905-0.085a)RT。V[1]陈永武.中国21世纪初期天然气工业发展展望[J.天然气工2]林文胜,顾安忠,朱刚天然气液化装置的流程选择[冂.真式中:x为摩尔成分,R为气体常数,下标c表示临空与低温.2001(6):105-109界状态,下标ij、k表示组分[3 KIKKAWA Y, NAKAMURA M SUGIYAMA S Develop-方程的解法见文献[8],对于液化流程中各设备ment of liquefaction process for natural gas [J] Journal of的模拟见文献[9].Chemical Engineering. 1997.30(4): 625-630.[4]苏长荪.高等工程热力学[M].北京:高等教育出版社,19874计算结果5 HARMENS A, KNAPP H. Three-parameter cubic equation ofstate for normal substances [J]. Industrial Engineering Fun1)计算参数的设定laments,l980(19):291-294计算前,需要确定的参数有:(1)天然气和混合6] BYUNG I L. A generalized thermodynamic correlation based制冷剂中各组分的物性常数;(2)天然气的入口压on three-parameter corresponding states [J]. AICHE Journal力、温度和各组分的摩尔分率;(3)LNG的储存温度和压力;(4)第一个换热器端面高低压制冷剂的7]陈光明陈国邦.制冷与低温原理[M].北京:机械工业出版压力、温度和各组分的摩尔分率;(5)各个换热器热81刘芙蓉范春生LKP状态方程用于多元体系的计算[化端面的温差;(6)压缩机的级间压力.在本计算中,学工程,1995(3):73-7知条件其中天然气的组分取自青海柴[9]石玉美,顾安忠,汪荣顺,等,混合制冷剂循环(MRC)液化天