双级氮膨胀天然气液化制冷循环流程优化

    目前,调峰型天然气液化装置一般采用混合制冷剂循环(MRC)或膨胀机(ERC)循环两种形式[1, 2].其中ERC循环包括原料天然气直接膨胀循环和非天然气工质循环制冷等几种形式.对于液化装置而言,初投资与生产成本(主要指能耗、工质补充与操作费用)是最重要的两项平衡指标.MRC循环中混合制冷剂是根据气源条件配比而成,设计计算复杂,而且其主要设备:混合制冷剂压缩机与丙烷预冷系统需要进口,价格昂贵,另外运行过程中冷剂的泄漏与补充也增加了操作的费用和难度.ERC循环一般采用天然气膨胀机或者氮膨胀机串联运行.由于天然气是混合工质,其中含有一部分高碳烃类,在使用一台天然气膨胀机直接膨胀提供冷量的时候,末级容易带液,膨胀机设计、制造、运行困难,投资较大,同时液化率较低.本文讨论的液化制冷循环是使用两台氮气膨胀机串联运行,该循环设计、运行简单可靠,所有设备国产化,初投资较低.同时使用两台膨胀机可以有效调节各换热器热端温差,降低能耗.

    1 工艺流程

    装置工艺流程见图1.原料天然气经预处理脱酸气、深度脱水后进入冷箱,经换热器E1、E2冷却后进气液分离器S1分离C₅以上烃类,以避免其在低温下冻堵换热器,分离气相部分在E3换热器全部液化并过冷,进入E4换热器深度冷却后节流,气相部分为返流气体,经换热器复热后作为分子筛纯化器再生用气.

    制冷工质段,氮气首先经过活塞式压缩机C1两级压缩,再经低、高温膨胀机所对应的增压器C3、C2两级增压水冷之后进入冷箱,经换热器E1冷却后进入高温膨胀机HTE膨胀降温进入换热器E3继续冷却,最后进入低温膨胀机LTE膨胀冷却,作为制冷工质参与循环.

    2 流程的数学模型

    流程模拟过程中选择PR(Peng-Robinson)方程进行混合物的相平衡计算[3].其表达式为

    透平膨胀机计算过程中,由入口参数p_e1、T_e1计算入口焓H_e1和熵S_e1值.按照等熵过程,由出口压力求得出口温度T_e2和焓H_e2.按照估算结果取膨胀机等熵效率ηe,根据下式求得透平实际出口焓值H´e2=He1-ηe(He1-He2).再由出口压力求得实际出口温度T‘e2.压缩机实际轴功率计算采用计算.其中:V为实际吸入气量,m³/h;p18与p8为进出口压力,Pa;η_ad为绝热效率.

    3 流程模拟结果工艺参数选择

    模拟以/西气东输0浙江段气源为条件,拟定日产20m³左右LNG[4],因此,原料气日处理量约为6 000Nm³,气源压力为410MPa,气体组份见表1.

    预处理部分,经胺洗与分子筛处理后的原料气达到液化标准:体积分数H₂O<1×10^-6, CO₂<5. 0×10^-5,H₂S<4×10^-6.压力降到315MPa,其C₅以上烃类含量为4. 720×10^-3,超过了7. 0×10^-5 [5]的要求.采用低温分离的方法,设计计算过程中不同温度下C5以上烃类分离效果见图2.原料气在冷却到208 K时重烃含量达到了装置运行要求,为保证连续运行,同时保证换热器E2出口温度与高温膨胀机HTE出口温度一致,选择195 K作为分离温度,分离后C5以上烃类含量20.