丙烷预冷混合制冷剂液化流程中原料气与制冷剂匹配研究

    近年来,由于煤和石油的短缺以及所带来的境污染问题,天然气的开发和利用日益受到各个经济大国的重视.天然气作为一种优质洁净燃料,在能源、交通等领域应用前景广阔,开展天然气液化技术研究对发展我国国民经济具有重要意义.天然气的液化流程大致可分为3种形式:级联式、膨胀机式和混合制冷剂式.与级联式和膨胀机式流程相比,混合制冷剂液化流程具有流程简单,机组设备少、投资少、能耗低等特点,特别是丙烷预冷混合制冷剂液化流程,吸取了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点,流程简单又高效[1O7].

    图1示出了丙烷预冷混合制冷剂液化流程.它由3部分组成:¹天然气的液化流路;º丙烷预冷循环;»混合制冷剂循环.丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气,混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气.与一般低温流程不同的是,该流程主要参数(混合制冷剂的组分、混合制冷剂高低压等)之间相互作用复杂.文献[8O9]在分析某一参数对流程性能影响时,往往假设其他参数保持不变,不考虑参数间的相互依赖关系.本文选取6种原料气,考察其在固定和变化的制冷剂高低压条件下与制冷剂组分之间的匹配,获得了该液化流程中制冷剂组分、原料气Cp-T热力性质以及混合制冷剂高低压3者之间的相互关系.最后,比较了这6种原料天然气在不同制冷剂高低压条件下的流程比功耗.

    1   原料天然气的Cp-T性质和6种原料气的选取

    由图1可知,节流后的低压混合制冷剂不仅要冷却原料天然气,而且还要冷却它自身的高压部分.通过比较发现,冷却原料天然气的负荷占绝大部分,因此原料气的Cp-T性质(即比定压热容Cp在温度区间-160~40e的分布图)将直接影响该流程的能耗、制冷剂组分和压力以及换热器间热负荷的分配.不同压力和成分的原料天然气,其Cp-T性质也不同,为了使研究结果具有普遍意义,本文选取了6种原料气作为研究对象(见图2),其中No.1~No.3组成第1组,具有相同的成分(x(CH4)=95%),压力依次降低,分别为615、310、110 MPa;No.4~No.6组成第2组,具有相同的成分(x(CH4)=82%),压力同样从615、310、110 MPa依次降低,具体参数见表1.

    从图2中可以看出,在-160~40e,原料天然气的Cp通常存在一个峰值,对于第1组原料气,随着压力的降低,其Cp峰值向低温区移动且增大(即原料气的液化难度增加),对于第2组原料气此结论也成立.由于两组原料气的成分不同,Cp峰值变化的幅度也不同,第1组原料气低沸点组分含量高,Cp峰值变化幅度大,第2组原料气低沸点组分含量低,变化幅度则小.另外,这6种原料气中,压力和成分对其Cp的影响作用是不同的,改变压力对Cp影响都是显著的.压力不变时,压力低则组分影响显著(如No.3和No.6),压力高则影响减弱(如No.1和No.4).