MRC装置冷剂量改变时系统动态特性的仿真模型

　　1 前言

　　MRC循环是目前国内LNG装置建设采用最多的型式。从二十世纪九十年代至今,国内开展了大量关于天然气液化工艺的模拟工作^[1-5],相关研究均面向工艺的设计。随着LNG工厂的不断建成投产,装置的操作运行也成为从业者关心的重要问题。王坤、徐风雨、李红艳、王莉曾进行过小型MRC天然气液化装置中板翅式换热器动态特性研究^[6]。在此基础上赵国伟、尹全森、季中敏、李红艳、贾林祥对单级混合制冷剂天然气液化流程的动态特性进行了模拟^[7],对单级混合制冷剂循环(SMR)装置的操作运行具有指导意义。

　　但上述工作均基于MRC装置的运行组分,而MRC装置中由于气液分离的平衡问题,运行组分与实际充注到系统中全部冷剂的组分(以下简称为/充注组分0)并不相同^[8]。 小型的LNG装置很难在线测量运行的组分,在系统运行过程中由于冷剂的泄露、或者试车操作过程中需要加入某种冷剂组分会引起系统运行工况的变化,而这种变 化是无法基于传统的工艺模拟方法来进行预测的。为了解决这一问题,本文建立了基于充注组分的LNG装置仿真模型,可以预测充注某一或某些组分或者冷剂泄漏 后的系统运行工况,对于MRC装置的控制及操作运行有重要的指导意义。

　　2 MRC工艺流程介绍

　　本文以小型SMR液化单元为例建立仿真模型,如图1所示。其中液化循环的模拟采用HYSYS软件进行^{[1, 8, 9]}。将流程内部空间共划分成17个部分,每一部分内由于热力状态变化可以忽略,所以用一个点的热力状态来代表(以括号标在图1中),这17个部分的体积(实际仅相对大小有效)如表1所示。此外流程中的两个气液分离罐的计算体积均设为10m³。

　　3 装置模拟的仿真模型

　　MRC中充注的冷剂总量以及充注组分与运行组分的关系如下:

　　物理量:n:物质的量,m_o;l_z:冷剂的摩尔运行组分;c:冷剂的摩尔充注组分;x:液相冷剂的摩尔运行组分;h:气液分离罐液位的相对高度,%;p:压力;λ:压比;j:第j处热力状态;k:第k处气液分离罐;m:混合冷剂的总量;下标:y:汽相冷剂的摩尔运行组分;V:体积,m³;ρ_n:摩尔密度,m_ol/m³;e:气液分离罐;P:管路及设备;l:液相;v:气相;i:第i种组分;l第l级压缩机。

　　假设冷剂中共有组分i种,则以上公式中共有相互独立的未知数即运行冷剂的组分是i-1个(注:因为所有组分之和为1),但非线性方程有i个,如何补充合适的变量和方程使方程组合理封闭是建立模型的关键。需要补充的第i个变量是冷剂压缩机第一级的吸入压力p₁,假设当吸入压力变化时,各级压缩机的压比保持不变: