天然氣液化計(jì)算技術(shù)

1、天然氣液化計(jì)算技術(shù)天然氣液化計(jì)算技術(shù)混合制冷液化工藝計(jì)算混合制冷液化工藝計(jì)算天然氣液化工藝過程膨脹制冷工天然氣液化工藝過程膨脹制冷工藝計(jì)算藝計(jì)算文中常用符號(hào)、名稱及單位文中常用符號(hào)、名稱及單位Ti流程中第i點(diǎn)的溫度，K；Pi流程中第i點(diǎn)的壓力，Mpa；Hi流程中第i點(diǎn)的焓，kj/kg；Si流程中第i點(diǎn)的熵，kj/（kg*k）；Gi流程中第i點(diǎn)的質(zhì)量流量，kg/h；EX(火用)，KW；Pi流程中第i個(gè)換熱器阻力，MpaP換熱器總阻力，Mpa1技術(shù)支持技術(shù)支持天然氣和制冷劑的焓、熵、密度等計(jì)算以及相平衡、閃蒸計(jì)算。以此再進(jìn)行液化工藝計(jì)算。1.1工藝計(jì)算目的工藝計(jì)算目的計(jì)算制冷劑循配比、制冷劑循環(huán)量

2、（混合制冷劑流程）；計(jì)算壓縮機(jī)功率；計(jì)算火用損失；應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍可用于5種工程中應(yīng)用廣泛的液化工藝計(jì)算：分別是氮?dú)馀蛎浿评湟夯に?；氮甲烷膨脹制冷液化工藝；調(diào)峰型丙烷預(yù)冷混合制冷劑（C3-MRC）液化工藝；基本負(fù)荷型丙烷預(yù)冷混合制冷劑（C3-MRC）液化工藝；無預(yù)冷混合制冷劑（MRC）液化工藝；1.2工藝計(jì)算前需已知的參數(shù)工藝計(jì)算前需已知的參數(shù)在工藝計(jì)算前，需確定如下已知參數(shù)（1）冷箱入口天然氣溫度、壓力、流量及各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；（2）LNG儲(chǔ)罐的存儲(chǔ)溫度、壓力；（3）換熱器端面冷、熱流體溫差，取3；（4）各種機(jī)械設(shè)備的效率，如壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、增壓機(jī)；（5）計(jì)算中換熱器阻力，本計(jì)算冷箱總阻力

3、取0.1Mpa，每個(gè)換熱器平均分配，由此引起的誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響在誤差允許范圍內(nèi)。在丙烷預(yù)冷混合制冷劑流程中，還需確定如下參數(shù)：（6）丙烷壓縮機(jī)出口壓力，設(shè)計(jì)取1.3Mpa；（7）混合制冷劑的組成及各摩爾分?jǐn)?shù)；C3/MRC混合制冷劑選4種：分別是甲烷、乙烯（或乙烷）、丙烷、氮?dú)?；MRC混合制冷劑選5種或6種，詳見操作手冊(cè)；1.3火用火用損失損失1.3.1壓縮機(jī)火用壓縮機(jī)火用損失損失 Ex=3600/1112 .012 .SSTHHG式中 Ex壓縮機(jī)火用 損失KWG制冷劑流量Kg/hH1壓縮機(jī)入口焓KJ/kgH2壓縮機(jī)出口焓KJ/kgS1壓縮機(jī)入口熵 KJ/kg. S2壓縮機(jī)出口熵KJ/kg.

4、 壓縮機(jī)效率 T0環(huán)境溫度 K 1.3.2膨脹機(jī)火用損失 Ex=3600/112 .021SSTHHG式中 Ex壓縮機(jī)火用 損失KWG制冷劑流量Kg/hH1壓縮機(jī)入口焓KJ/kgH2壓縮機(jī)出口焓KJ/kgS1壓縮機(jī)入口熵 KJ/kg. S2壓縮機(jī)出口熵KJ/kg. 壓縮機(jī)效率 T0環(huán)境溫度 K 1.3.3節(jié)流閥火用節(jié)流閥火用損失損失 Ex=3600/12 .0SSTG式中 Ex節(jié)流閥火用 損失 KWG節(jié)流閥流量Kg/hS1節(jié)流閥入口熵KJ/kg. S2節(jié)流閥出口熵KJ/kg. T0環(huán)境溫度 K 1.3.4多股流換熱器火用多股流換熱器火用損失損失 Ex=3600/ )(120iiiSSGT式中

5、Ex多股流換熱器火用損失 KWGi換熱器中第i股流的流量Kg/hSi1換熱器中第i股流入口熵KJ/kg. Si2換熱器中第i股流出口熵KJ/kg. T0環(huán)境溫度 K 1.3.5水冷器火用水冷器火用損失損失 Ex=3600/120120ttntQTGSST式中 Ex水冷器火用 損失KWG水冷器中制冷劑流量Kg/hS1制冷劑入口熵 KJ/kg. S2制冷劑出口熵KJ/kg. T0環(huán)境溫度 K Q水冷器熱負(fù)荷 KJ/h 1.3.6混合火用混合火用損失損失 Ex=3600/(2211i210iiSGSGSGSGGGT）式中 Ex混合火用 損失KW G1混合前第一股流量Kg/h G2混合前第二股流量Kg

6、/h Gi混合前第i股流量Kg/h S1混合前第一股流熵 KJ/kg. S2混合前第二股流熵KJ/kg. Si混合前第i股流熵KJ/kg. S混合后熵 KJ/kg. T0環(huán)境溫度 K 2氮膨脹液化工藝計(jì)算氮膨脹液化工藝計(jì)算說明說明2.1液化工藝流程液化工藝流程氮膨脹工藝流程國(guó)內(nèi)中小型氮膨脹工藝流程國(guó)內(nèi)中小型天然氣液化廠大部分用此流天然氣液化廠大部分用此流程。程。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便安全性好，無爆炸危險(xiǎn)安全性好，無爆炸危險(xiǎn)技術(shù)成熟技術(shù)成熟缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：能耗高，比混合制冷劑液化能耗高，比混合制冷劑液化流程能耗高流程能耗高40%2.1.1天然氣流程天然氣流程經(jīng)過預(yù)處

7、理（脫硫、脫碳、脫水、脫汞）的天然氣由1點(diǎn)進(jìn)入冷箱。經(jīng)過1號(hào)換熱器預(yù)冷后脫除重?zé)N，經(jīng)2、3、4號(hào)換熱器液化、過冷，經(jīng)6點(diǎn)節(jié)流降壓到24點(diǎn)。24點(diǎn)即為成品LNG，由管路余壓輸送到LNG儲(chǔ)罐。2.1.2制冷劑流程制冷劑流程氮?dú)饨?jīng)壓縮機(jī)壓縮、水冷后，依次進(jìn)入低壓增壓機(jī)、中壓增壓機(jī)增壓，然后由7點(diǎn)進(jìn)入冷箱，經(jīng)1號(hào)換熱器預(yù)冷后進(jìn)入中壓膨脹機(jī)，膨脹后溫度、壓力均降低，同時(shí)輸出膨脹功帶動(dòng)中壓增壓機(jī)。膨脹后的氮?dú)庥?點(diǎn)進(jìn)入3號(hào)換熱器繼續(xù)冷卻，由10點(diǎn)進(jìn)入低壓膨脹機(jī)，膨脹后溫度、壓力進(jìn)一步降低，同時(shí)輸出膨脹功帶動(dòng)低壓增壓機(jī)。經(jīng)第二級(jí)膨脹后的制冷劑由換熱器的最冷端11點(diǎn)逐級(jí)進(jìn)入各換熱器，為天然氣和制冷劑提供冷量。

8、2.2流程各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)確定流程各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)確定2.2.1確定冷箱冷、熱端溫度、壓力確定冷箱冷、熱端溫度、壓力（1）1點(diǎn)天然氣進(jìn)冷箱壓力是進(jìn)站穩(wěn)壓后（或原料氣壓縮機(jī)出口）壓力減去吸收塔、脫水、脫汞及管道阻力。通過迭代計(jì)算總功率最小時(shí)壓縮機(jī)出口壓力值，作為進(jìn)冷箱壓力。溫度則根據(jù)工程所在地壓縮機(jī)出口氣體冷卻后的溫度確定。（2）7點(diǎn)7點(diǎn)是制冷劑進(jìn)冷箱壓力，一般在4.44.7MPa之間，經(jīng)過迭代計(jì)算尋找壓縮機(jī)功耗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的的P7。溫度T7=T1。（3）24點(diǎn)24點(diǎn)是冷箱中LNG節(jié)流后狀態(tài)。其壓力為儲(chǔ)罐的存儲(chǔ)壓力加上輸送過程中的局部阻力、沿程阻力和液位高差，并考慮一定富余量。溫度按等于儲(chǔ)罐工作溫度計(jì)算（

9、考慮從冷箱至罐因有壓降而引起的焦耳湯姆遜效應(yīng)將導(dǎo)致一定的溫降，會(huì)抵消一部分因輸送管道受熱而引起的溫升，故計(jì)算時(shí)按溫度相等計(jì)算，因此而所引起的誤差在允許范圍內(nèi)）。（4）6點(diǎn)6壓力為天然氣冷箱入口壓力減去各換熱器阻力。然后根據(jù)h6=h24及P、H閃蒸計(jì)算T6。（5）11點(diǎn)計(jì)算11點(diǎn)前先假定10點(diǎn)狀態(tài)，根據(jù)10點(diǎn)溫度、壓力迭代計(jì)算，尋找滿足T6-T113最大的T11。10點(diǎn)壓力工程設(shè)計(jì)取1.49Mpa，溫度在140K-160K之間，經(jīng)過膨脹機(jī)等熵膨脹迭代試算T11，P11取0.4Mpa。（6）15點(diǎn)T15=T11-3，P15=P11-P，P=0.1MPa為冷制冷劑通過三個(gè)換熱器的總阻力。2.2.28

10、點(diǎn)和點(diǎn)和2點(diǎn)點(diǎn)P8=P7-P1，T8是影響制冷劑壓縮機(jī)功耗的主要因素之一，需迭代計(jì)算以尋找最小功耗對(duì)應(yīng)的T8，迭代溫度范圍在230K-245K。T2=T8，P2=P1-P1，P1為天然氣通過1號(hào)換熱器阻力。2.2.39點(diǎn)和點(diǎn)和4點(diǎn)點(diǎn)P9=P10+P3，P3為熱制冷劑通過3號(hào)換熱器阻力。由8點(diǎn)等熵膨脹計(jì)算T9。T4=T9，P4=P1-P1-P2。2.2.4確定制冷劑的循環(huán)量確定制冷劑的循環(huán)量G7列一、二、三、四換熱器熱平衡方程一換G1（H1-H2）+G7（H7-H8）=G7（H15-H14）二換（當(dāng)無重?zé)N分離時(shí)）G1（H3-H4）=G7（H14-H13）三換（當(dāng)無重?zé)N分離時(shí)）G1（H4-H5）+

11、G7（H9-H10）=G7（H13-H12）四換G1（H5-H6）=G7（H12-H11）四個(gè)方程相加即為冷箱熱平衡方程G1（H1-H5）+G7（H7-H8）+G7（H9-H10）=G7（H15-H11），可寫成G7=以此式求G7，可關(guān)聯(lián)四個(gè)換熱器的熱平衡，故所求的G7可滿足四個(gè)換熱器的熱平衡。 109871115611HHHHHHHHG2.2.5做第一個(gè)換熱器熱平衡，求做第一個(gè)換熱器熱平衡，求H14。由求得的及做P、H閃蒸求T14。2.2.6做第二個(gè)換熱器熱平衡，求做第二個(gè)換熱器熱平衡，求H13，由求得的及做P、H閃蒸求。2.2.7做第四個(gè)換熱器熱平衡，求做第四個(gè)換熱器熱平衡，求H12，由求

12、得的及做P、H閃蒸求。78772111514/)()(GHHGHHGHH74331413/ )(GHHGHH76531112/ )(GHHGHH2.2.8定低壓增壓機(jī)增壓后壓力定低壓增壓機(jī)增壓后壓力P20定P20后，中壓增壓機(jī)入口P21=P200.01，其中0.01為冷卻器阻力。中壓增壓機(jī)入口。確定中壓增壓機(jī)入口溫度、壓力及出口壓力后可計(jì)算出增壓機(jī)需要的功率。經(jīng)過試算不同的使中壓膨脹機(jī)輸出功滿足/=1.011.02。即中壓膨脹機(jī)輸出的膨脹功能滿足中壓增壓機(jī)。2.2.9定壓縮機(jī)壓縮后壓力定壓縮機(jī)壓縮后壓力P17確定P17的方法同上，即低壓膨脹機(jī)輸出功率NPZ2能夠滿足低壓增壓機(jī)需功率。2.2.1

13、0計(jì)算壓縮機(jī)功率計(jì)算壓縮機(jī)功率N由壓縮機(jī)進(jìn)口壓力、溫度及出口壓力可計(jì)算出壓縮機(jī)功耗N。2.2.11結(jié)果的約束條件結(jié)果的約束條件（1）、各換熱器斷面溫差不能出現(xiàn)負(fù)溫差，且冷熱流體的設(shè)計(jì)溫差不能小于3；（2）、各換熱器熵增必須大于零為了使各換熱器換熱過程可行，除了不能出現(xiàn)負(fù)溫差外，各換熱器的熵增必須大于零，及火用損失不能為負(fù)值。軟件中對(duì)每次計(jì)算結(jié)果都有檢查程序，保證換熱器換熱過程中不出現(xiàn)負(fù)溫差。（3）通過換熱器檢查程序換熱器檢查程序的目的是校核換熱器中制冷劑提供的冷量在換熱器的低溫段是否足夠。天然氣液化過程中天然氣和混合制冷劑均有相變。天然氣由氣相液化過程中，在較小的溫差范圍內(nèi)需要大量的冷量?；旌?/p>

14、制冷劑先被冷卻液化后再為天然氣和制冷劑提供冷量，因此有同樣的問題。而混合制冷劑在提供冷量過程中，由液相制冷劑變成氣相制冷劑的相變過程中，在較小的溫差范圍內(nèi)會(huì)提供大量冷量。如果天然氣在一個(gè)換熱器低溫段液化，而制冷劑在換熱器高溫段氣化提供冷量，雖然換熱器冷熱負(fù)荷看似平衡，但由于制冷劑汽化溫度高，冷熱流體間是負(fù)溫差，不會(huì)傳熱，因此制冷劑不會(huì)把天然氣冷卻到預(yù)計(jì)的溫度。因此檢查程序就是檢查某換熱器低溫段冷量是否足夠。檢查的方法是從換熱器底部每5一個(gè)溫度區(qū)間，確保自低溫向高溫的溫度區(qū)間累積冷負(fù)荷足夠。2.2.12氮膨脹天然氣液化工氮膨脹天然氣液化工藝程序結(jié)構(gòu)流程圖藝程序結(jié)構(gòu)流程圖2.3原料氣組分選擇及組成

15、計(jì)算原料氣組分選擇及組成計(jì)算2.3.1原料氣組成計(jì)算原料氣組成計(jì)算根據(jù)天然氣每種物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù),計(jì)算出各摩爾分?jǐn)?shù)之和。2.3.2天然氣液化計(jì)算天然氣液化計(jì)算氮膨脹液化流程工藝計(jì)算其計(jì)算最終考核結(jié)果是原料氣壓縮機(jī)功率和制冷劑壓縮機(jī)功率之和最小?！暗蛎浱烊粴庥?jì)算”適用于天然氣壓力滿足液化工藝需要（一般大于4MPa），無需增加原料氣壓縮機(jī)。2.3.3天然氣液化工藝計(jì)算天然氣液化工藝計(jì)算計(jì)算前先輸入基本參數(shù)。方法是選“氮膨脹”“氮膨脹天然氣計(jì)算”“初始化”。進(jìn)入“初始化”頁面輸入計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)。其中膨脹機(jī)及增壓機(jī)效率若不輸入，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)液化規(guī)模自動(dòng)選擇相應(yīng)的效率。氮膨脹天然氣計(jì)算的迭代有2個(gè)嵌套

16、循環(huán)。分別是氮?dú)膺M(jìn)入冷箱（7點(diǎn)）壓力和氮?dú)獾谝粋€(gè)膨脹機(jī)入口（8點(diǎn)）溫度。7點(diǎn)壓力的迭代區(qū)間一般在4.4Mpa4.8Mpa（絕壓），步長(zhǎng)取0.01或0.02Mpa。8點(diǎn)溫度的迭代區(qū)間一般在230K245K，步長(zhǎng)取0.5K或1K。迭代方法是先固定壓力不變，計(jì)算完一個(gè)溫度循環(huán)，改變壓力，再次計(jì)算一個(gè)溫度循環(huán)。3氮甲烷膨脹液化工藝計(jì)氮甲烷膨脹液化工藝計(jì)算說明算說明3.1液化工藝流程液化工藝流程氮膨脹流程的改進(jìn)，功耗氮膨脹流程的改進(jìn)，功耗比氮膨脹節(jié)省比氮膨脹節(jié)省10%15%。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便管理方便,技術(shù)成熟技術(shù)成熟缺點(diǎn)：能耗高，比混合制缺點(diǎn)：能耗高，比混合制冷劑液化流程

17、能耗高冷劑液化流程能耗高25%30%,制冷劑需防制冷劑需防爆爆氮甲烷膨脹天然氣流程與氮膨脹相同，這里只介紹制冷劑系統(tǒng)。氮甲烷膨脹優(yōu)點(diǎn)是比純氮?dú)馀蛎浺夯到y(tǒng)壓縮機(jī)功耗低。在氮甲烷制冷系統(tǒng)中，制冷劑氮-甲烷經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)和增壓機(jī)增壓到工作壓力，經(jīng)水冷器冷卻后，進(jìn)入第一換熱器被冷卻到透平膨脹機(jī)的入口溫度。一部分制冷劑進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹到循環(huán)壓縮機(jī)的入口壓力，與返流的20點(diǎn)制冷劑混合后，為第二換熱器提供冷量，回收的膨脹功用于驅(qū)動(dòng)增壓機(jī)。另一部分制冷劑從16點(diǎn)經(jīng)第二、第三換熱器冷卻，經(jīng)節(jié)流閥降溫后返流，為第三換熱器提供冷量。氮甲烷膨脹用一級(jí)膨脹機(jī)的目的是為了避免采用兩個(gè)膨脹機(jī)時(shí)第二級(jí)膨脹后帶液。3.2流程各點(diǎn)

18、狀態(tài)參數(shù)確定流程各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)確定3.2.1確定制冷劑組成確定制冷劑組成制冷劑是由氮甲烷組成，其組成配比需迭代計(jì)算，尋找功耗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的配比。制冷劑中氮?dú)夂扛邉t系統(tǒng)功耗大，含量低冷箱低端節(jié)流后溫差不夠3，試算時(shí)氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)取25%，逐漸增大。3.2.2確定冷箱冷、熱端溫度、壓力確定冷箱冷、熱端溫度、壓力氮甲烷膨脹1點(diǎn)、5點(diǎn)、6點(diǎn)確定方法同氮膨脹相同。（1）12點(diǎn)制冷劑進(jìn)冷箱12點(diǎn)壓力基本和氮膨脹進(jìn)冷箱壓力相同，在4.44.7Mpa之間，經(jīng)迭代計(jì)算尋找壓縮機(jī)功耗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力。（2）18和19點(diǎn)T18=T5，P18=P12-P，P=0.1MPa為熱制冷劑通過三個(gè)換熱器的總阻力。冷箱冷端節(jié)流后1

19、9點(diǎn)壓力設(shè)計(jì)取0.4Mpa。計(jì)算節(jié)流后T19，約束條件T18-T193。（3）23點(diǎn)T23=T12-3，P23=P19-P，P為冷制冷劑通過三個(gè)換熱器的總阻力，按設(shè)計(jì)條件與熱制冷劑總阻力近似相等。3.2.313和和2點(diǎn)點(diǎn)P13=P12-P1，P1為熱制冷劑通過1號(hào)換熱器的阻力，T13是影響制冷劑壓縮機(jī)功耗及換熱器熱平衡的主要因素之一，應(yīng)迭代計(jì)算，迭代溫度范圍230K-255K。T2=T13。3.2.415、20、21及及4點(diǎn)點(diǎn)，。根據(jù)P15計(jì)算膨脹后15點(diǎn)溫度T15.。為了減小15點(diǎn)和20點(diǎn)混合火用損失，設(shè)計(jì)取。T4=T17=T20+331915PPP152120PPP3.2.5求制冷劑循環(huán)量

20、及去節(jié)流分流量求制冷劑循環(huán)量及去節(jié)流分流量做第三換熱器熱平衡，求制冷劑去節(jié)流閥的質(zhì)量流量：列冷箱三個(gè)換熱器的總熱平衡方程以求G12將G16方程代入上式，整理后得：）（172054116(HHHHGG)()()()()(192016212312181616131212511HHGHHGHHGHHGHHG)H - H + H - (H)()()()()(201312231720201654131221112HHHHHHHHHHGG3.2.6做第一個(gè)換熱器熱平衡，求做第一個(gè)換熱器熱平衡，求H22122111312122322G / )H - (H G + )H - (H (G - HH22H22P由

21、求得的 及做P、H閃蒸求T22。3.2.7定壓縮機(jī)壓縮后壓力定壓縮機(jī)壓縮后壓力P7增壓機(jī)入口P9=P7-0.02，其中0.02為冷卻器及管路阻力。增壓機(jī)出口P11=P12+0.01。確定增壓機(jī)入口溫度、壓力及出口壓力后計(jì)算增壓機(jī)需要的功率NZY。迭代計(jì)算不同壓縮機(jī)出口壓力P7使膨脹機(jī)輸出功NPZ滿足NPZ/NZY=1.011.02。3.2.8計(jì)算壓縮機(jī)功率計(jì)算壓縮機(jī)功率N由壓縮機(jī)進(jìn)口壓力、溫度及出口壓力可計(jì)算出壓縮機(jī)功耗N。3.2.9結(jié)果的約束條件結(jié)果的約束條件（1）、各換熱器斷面溫差不能出現(xiàn)負(fù)溫差，且冷熱流體的設(shè)計(jì)溫差不能小于3；（2）、各換熱器熵增必須大于零為了使各換熱器換熱過程可行，除了

22、不能出現(xiàn)負(fù)溫差外，各換熱器的熵增必須大于零，及火用損失不能為負(fù)值。軟件中對(duì)每次計(jì)算結(jié)果都有檢查程序，保證換熱器換熱過程中不出現(xiàn)負(fù)溫差。（3）膨脹機(jī)膨脹后不能帶液3.2.10氮甲烷膨氮甲烷膨脹天然氣液化工脹天然氣液化工藝計(jì)算程序結(jié)構(gòu)藝計(jì)算程序結(jié)構(gòu)流程圖流程圖3.3原料氣組成及組分選擇原料氣組成及組分選擇氮甲烷膨脹原料氣組成及組分選擇和氮膨脹相同。3.4天然氣液化工藝計(jì)算天然氣液化工藝計(jì)算氮甲烷膨脹液化工藝計(jì)算同氮膨脹一樣，其計(jì)算的最終結(jié)果是原料氣壓縮機(jī)功率和制冷劑壓縮機(jī)功率之和最小?！暗淄榕蛎浱烊粴庥?jì)算”也是適用于天然氣壓力滿足液化工藝需要（一般大于4MPa），無需增加原料氣壓縮機(jī)。氮甲烷膨脹

23、天然氣計(jì)算的迭代有3個(gè)嵌套循環(huán)。分別是制冷劑中氮?dú)夂?、氮甲烷進(jìn)入冷箱（12點(diǎn)）壓力和膨脹機(jī)入口（13點(diǎn)）溫度。12點(diǎn)壓力的迭代區(qū)間一般在4.4Mpa4.8Mpa，步長(zhǎng)取0.01或0.02Mpa。13點(diǎn)溫度的迭代區(qū)間一般在230K255K，步長(zhǎng)取0.5K或1K。迭代方法是先固定壓力不變，計(jì)算完一個(gè)溫度循環(huán)，改變壓力，再次計(jì)算一個(gè)溫度循環(huán)。4調(diào)峰型丙烷預(yù)冷調(diào)峰型丙烷預(yù)冷混合制冷劑混合制冷劑（C3/MRC）液化）液化工藝計(jì)算說明工藝計(jì)算說明4.1調(diào)峰型調(diào)峰型C3/MRC流流程程全世界全世界80%以上以上LNG液液化廠采用化廠采用C3/MRC液化液化流程流程優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：能耗低能耗低缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：運(yùn)行管

24、理復(fù)雜運(yùn)行管理復(fù)雜調(diào)峰型丙烷預(yù)冷混合制冷劑流程由三部分組成：（1）混合制冷劑（MRC）流程；（2）丙烷預(yù)冷流程；（3）天然氣液化流程。丙烷預(yù)冷循環(huán)用于預(yù)冷混合制冷劑和天然氣，混合制冷劑用于天然氣液化和過冷。4.1.1混合制冷劑循環(huán)流程混合制冷劑循環(huán)流程在混合制冷劑循環(huán)中，混合制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，首先用水冷卻，帶走一部分熱量，然后通過丙烷預(yù)冷，預(yù)冷后進(jìn)入氣液分離器分離成液相和氣相，液相經(jīng)第一個(gè)主換熱器冷卻后節(jié)流，降溫、降壓，并與返流的混合制冷劑混合，為第一個(gè)主換熱器提供冷量，冷卻天然氣和從氣液分離器出來的氣相和液相兩股混合制冷劑。氣相制冷劑經(jīng)第一主換熱器冷卻及第二主換熱器深冷后節(jié)流，降溫后進(jìn)入第

25、二主換熱器，冷卻天然氣和氣相混合制冷劑。4.1.2丙烷預(yù)冷循環(huán)流程丙烷預(yù)冷循環(huán)流程丙烷預(yù)冷循環(huán)中，丙烷經(jīng)過三個(gè)溫度級(jí)的換熱器，為天然氣和混合制冷劑提供冷量。丙烷經(jīng)壓縮機(jī)壓縮、水冷后通過節(jié)流閥降溫降壓，再經(jīng)分離器分離成氣液兩相，氣相返回壓縮機(jī)，液相分成兩部分，一部分只釋放出潛熱，用于冷卻天然氣和制冷劑，另一部分作為后續(xù)流程的制冷劑，節(jié)流后進(jìn)入下一級(jí)丙烷換熱器。4.1.3天然氣流程天然氣流程在天然氣通路中，天然氣首先經(jīng)過丙烷預(yù)冷循環(huán)預(yù)冷，然后流經(jīng)各換熱器逐級(jí)被冷卻，最后經(jīng)節(jié)流閥降壓后輸送到儲(chǔ)罐，使LNG在常壓或壓力下儲(chǔ)存。4.2流程各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)確定流程各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)確定4.2.1設(shè)定制冷劑的組分及各

26、組分的摩爾分?jǐn)?shù)設(shè)定制冷劑的組分及各組分的摩爾分?jǐn)?shù)混合制冷劑組分可選用4種，分別是甲烷、乙烯（或乙烷）、丙烷、氮?dú)飧鹘M分摩爾分?jǐn)?shù)范圍：甲烷26%35%、乙烯（或乙烷）35%47%、丙烷15%25%、氮?dú)猓?%12%混合制冷劑各組分的性能：（1）甲烷甲烷和氮?dú)庵饕獮榈诙鲹Q熱器提供冷量。隨著甲烷含量增加，第二主換熱器提供冷量增多，壓縮機(jī)功耗同時(shí)增加。LNG比功耗（單位質(zhì)量LNG功耗）增加。甲烷含量低時(shí)第二主換熱器可能因冷量不足而不能正常工作。（2）氮?dú)獾獨(dú)獾墓δ芎图淄榛疽恢?。隨著氮?dú)夂吭黾?，冷箱冷端制冷劑?jié)流后溫降增大，第二主換熱器提供冷量增多，壓縮機(jī)功耗增加。LNG比功耗（單位質(zhì)量LNG功耗

27、）增加。氮?dú)夂康蜁r(shí)第二主換熱器可能因冷量不足而不能正常工作。（3）乙烯（或乙烷）乙烯（或乙烷）主要是為第一主換熱器提供冷量。第一主換熱器冷量不足時(shí)，應(yīng)增大含量，壓縮機(jī)功耗隨之增大。（4）丙烷丙烷同乙烯功能相似，也是為第一換熱器提供冷量。丙烷含量增加時(shí)，耗功率下降。改變前三種組分是，為使制冷劑組分之和歸一，可相應(yīng)調(diào)整丙烷組分。4.2.2確定冷箱冷、熱端溫度、壓力確定冷箱冷、熱端溫度、壓力C3/MRC流程1點(diǎn)、6點(diǎn)、49點(diǎn)確定方法同氮膨脹相同，此處不再贅述。4.2.3確定混合制冷劑壓縮機(jī)出口確定混合制冷劑壓縮機(jī)出口46壓力壓力混合制冷劑壓縮機(jī)出口壓力一般在2.63.0之間，針對(duì)不同的天然氣組分，

28、通過迭代計(jì)算尋找功耗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力。4.2.4確定確定41、48、7、17點(diǎn)點(diǎn)丙烷底端節(jié)流后P41=0.12Mpa，T41=235K。T48=T41+3。T7=T48，T17=T4-34.2.5確定確定13、14點(diǎn)點(diǎn)14點(diǎn)壓力設(shè)計(jì)取0.4Mpa，T13=T6，根據(jù)節(jié)流后14點(diǎn)焓等于節(jié)流前13點(diǎn)焓計(jì)算T14，需滿足T13-T143。4.2.6確定確定5、15、12及及9點(diǎn)溫度，計(jì)算制冷劑循環(huán)量點(diǎn)溫度，計(jì)算制冷劑循環(huán)量先假設(shè)T5，設(shè)計(jì)取T12=T5，T9=T5，T15=T5-3。根據(jù)第二主換熱器熱平衡由其中l(wèi)v是7點(diǎn)氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由7點(diǎn)溫度、壓力可由軟件計(jì)算lv。則可計(jì)算出制冷劑的循環(huán)量G7。)

29、()()(141512131212654HHGHHGHHG)()(121565412HHHHGG127GlGv4.2.7判斷第一主換熱器是否熱平衡判斷第一主換熱器是否熱平衡根據(jù)計(jì)算出制冷劑循環(huán)量，判斷第一主換熱器是否熱平衡，如果不平衡，程序自動(dòng)重復(fù)4.2.5步，計(jì)算下一個(gè)t5。如果熱平衡，計(jì)算結(jié)束并檢查換熱器是否有負(fù)溫差，如有，舍棄計(jì)算結(jié)果。4.2.8計(jì)算丙烷預(yù)冷系統(tǒng)計(jì)算丙烷預(yù)冷系統(tǒng)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)壓縮機(jī)出口壓力為1.3Mpa，溫度經(jīng)水冷后是常溫，丙烷為液態(tài)。經(jīng)一級(jí)節(jié)流后，壓力從1.3Mpa將為0.5Mpa，溫度約降到275K。節(jié)流后的液態(tài)一部分為第一預(yù)冷換熱器提供冷量，另一部分繼續(xù)節(jié)流，由0.5

30、Mpa節(jié)流到0.26Mpa，溫度降到約255K。再次節(jié)流后的液態(tài)一部分為第二預(yù)冷換熱器提供冷量，另一部分在繼續(xù)節(jié)流，由0.26Mpa節(jié)流到0.12Mpa，溫度降到約235K。在丙烷預(yù)冷換熱器中，丙烷只釋放潛熱，所以換熱器制冷劑通道進(jìn)出口溫度相等。4.2.9計(jì)算壓縮機(jī)功率計(jì)算壓縮機(jī)功率根據(jù)計(jì)算出的各點(diǎn)參數(shù)計(jì)算丙烷壓縮機(jī)和混合制冷劑壓縮機(jī)的功率。4.2.10結(jié)果的約束條件結(jié)果的約束條件（1）、各換熱器冷端溫差不能出現(xiàn)負(fù)溫差，且冷熱流體的設(shè)計(jì)溫差不能小于3；（2）、各換熱器熵增必須大于零為了使各換熱器換熱過程可行，除了不能出現(xiàn)負(fù)溫差外，各換熱器的熵增必須大于零，及火用損失不能為負(fù)值。軟件中對(duì)每次計(jì)算

31、結(jié)果都有檢查程序，保證換熱器換熱過程中不出現(xiàn)負(fù)溫差。4.2.11調(diào)峰型丙烷調(diào)峰型丙烷預(yù)冷天然氣液化工預(yù)冷天然氣液化工藝計(jì)算程序結(jié)構(gòu)流藝計(jì)算程序結(jié)構(gòu)流程圖程圖4.3工藝計(jì)算原理工藝計(jì)算原理C3/MRC液化工藝計(jì)算過程是在一定的制冷劑配比、壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力條件下，先假設(shè)5點(diǎn)溫度，做第二主換熱器（過冷換熱器）熱平衡求制冷劑循環(huán)量，再校核第一主換熱器冷負(fù)荷QL、熱負(fù)荷QR是否相等。當(dāng)冷負(fù)荷富裕比例Q=（QL-QR）/QL小于某一值時(shí)，認(rèn)為此時(shí)系統(tǒng)冷熱量已達(dá)到平衡。4.4調(diào)峰型調(diào)峰型C3/MRC天然氣液化工藝流程手動(dòng)計(jì)算天然氣液化工藝流程手動(dòng)計(jì)算由于C3/MRC流程計(jì)算過程復(fù)雜，需對(duì)溫度、壓力、混合制冷

32、劑配比均迭代計(jì)算，工作量較大，故一般不推薦采用手動(dòng)計(jì)算方法?？刹捎煤竺娉绦虻淖詣?dòng)計(jì)算方法。手動(dòng)計(jì)算需操作者手動(dòng)選擇混合制冷劑的組成及配比。每計(jì)算完一組混合制冷劑需查看“C3_MRC”中對(duì)各換熱器的檢查結(jié)果“冷量富裕比例”是否全部大于0，如果是則該組分滿足要求。否則需調(diào)整配比重新計(jì)算。MRC壓縮機(jī)和丙烷壓縮機(jī)效率若未做選擇，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)液化規(guī)模選擇相應(yīng)的效率，壓縮機(jī)類型選擇主要因?yàn)椴煌愋蛪嚎s機(jī)有不同的壓縮比，離心機(jī)最大壓縮比為2.5，往復(fù)機(jī)最大壓縮比為3.3。根據(jù)進(jìn)出壓縮機(jī)壓力、壓縮機(jī)最大壓縮比自動(dòng)選擇壓縮級(jí)數(shù)及水冷器級(jí)數(shù)。計(jì)算其中需迭代的是過冷換熱器天然氣入口溫度（5點(diǎn)），迭代步長(zhǎng)根據(jù)冷負(fù)荷富

33、裕比例Q而定，Q較大時(shí)步長(zhǎng)相應(yīng)較長(zhǎng)，Q小時(shí)迭代步長(zhǎng)小。C3/MRC液化計(jì)算工藝過程是在一定的制冷劑配比、壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力條件下，先假設(shè)5點(diǎn)溫度，做第二主換熱器（深冷換熱器）熱平衡求出制冷劑循環(huán)量，再校核第一主換熱器是否熱平衡。Q=（QL-QR）/QL，冷負(fù)荷賦予比例Q小于某一值時(shí)，認(rèn)為此時(shí)系統(tǒng)冷熱已達(dá)到熱平衡。C3/MRC液化工藝換熱器的檢查程序液化工藝換熱器的檢查程序換熱器檢查目的是校核換熱器中制冷劑提供的冷量在換熱器的低溫段是否足夠。天然氣液化過程中天然氣和混合制冷劑均有相變。天然氣由氣相液化過程中，在較小的溫差范圍內(nèi)需要大量的冷量?；旌现评鋭┫缺焕鋮s液化后再為天然氣和制冷劑提供冷量，因此

34、有同樣的問題。而混合制冷劑在提供冷量過程中，由液相制冷劑變成氣相制冷劑的相變過程中，在較小的溫差范圍內(nèi)會(huì)提供大量冷量。如果天然氣在一個(gè)換熱器低溫段液化，而制冷劑在換熱器高溫段氣化提供冷量，雖然換熱器冷熱負(fù)荷看似平衡，但由于制冷劑汽化溫度高，冷熱流體間是負(fù)溫差，不會(huì)傳熱，因此制冷劑不會(huì)把天然氣冷卻到預(yù)計(jì)的溫度。因此檢查就是檢查某換熱器低溫段冷量是否足夠。檢查的方法是從換熱器底部每5一個(gè)溫度區(qū)間，確保自低溫向高溫的溫度區(qū)間累積冷負(fù)荷足夠。即每一段的冷負(fù)荷富裕比例Q均大于零。4.5C3/MRC天然氣液化工藝自動(dòng)計(jì)算天然氣液化工藝自動(dòng)計(jì)算4.5.1天然氣液化自動(dòng)計(jì)算天然氣液化自動(dòng)計(jì)算和前面所講流程相同

35、，“天然氣液化計(jì)算”是在原料氣壓力足夠高時(shí)，無需增加原料氣壓縮機(jī)。C3/MRC調(diào)峰型天然氣液化工藝計(jì)算混合制冷劑組成選擇甲烷、乙烷（或乙烯）、丙烷、氮?dú)?。?jì)算時(shí)需迭代混合制冷劑壓縮機(jī)出口壓力，混合制冷劑中甲烷、乙烷（或乙烯）、丙烷、氮?dú)獾鹊捏w積分?jǐn)?shù)，過冷換熱器天然氣入口溫度（流程圖中5點(diǎn)）提到的“冷負(fù)荷富裕比例Q”?；旌现评鋭嚎s機(jī)出口壓力迭代計(jì)算時(shí)可選2.63.0MPa?；旌现评鋭┲屑淄轶w積分?jǐn)?shù)一般在25%35%、乙烷（或乙烯）體積分?jǐn)?shù)在35%48%、氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)在7%12%，過冷換熱器天然氣入口溫度取196K160K（計(jì)算時(shí)是從高溫向低溫計(jì)算）。不同的天然氣組分需不同的制冷劑組成。根據(jù)輸入

36、的上述三種制冷劑范圍自動(dòng)計(jì)算丙烷的范圍。C3/MRC調(diào)峰型自動(dòng)計(jì)算過程會(huì)通過檢查壓縮機(jī)出口壓力、混合制冷劑配比及對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)總功率（混合制冷劑壓縮機(jī)功率和丙烷壓縮機(jī)功率之和）。在所輸入的制冷劑范圍全部計(jì)算完畢后，會(huì)輸出最小功率對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)各點(diǎn)參數(shù)。5基本負(fù)荷型丙烷預(yù)冷基本負(fù)荷型丙烷預(yù)冷混合制冷劑（混合制冷劑（C3/MRC）液化工藝計(jì)算說明液化工藝計(jì)算說明5.1流程流程基本負(fù)荷型丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程和調(diào)峰型基本一樣，不同之處是基本負(fù)荷型混合制冷劑循環(huán)經(jīng)過2次氣液分離。計(jì)算方法同調(diào)峰型基本相同。基荷型丙烷預(yù)冷天然氣基荷型丙烷預(yù)冷天然氣液化工藝計(jì)算程序結(jié)構(gòu)液化工藝計(jì)算程序結(jié)構(gòu)流程圖流程圖5.2基

37、荷型基荷型C3/MRC天然天然氣液化工藝計(jì)算氣液化工藝計(jì)算基本負(fù)荷型C3/MRC天然氣液化工藝流程手動(dòng)計(jì)算和調(diào)峰型C3/MRC天然氣液化工藝流程手動(dòng)計(jì)算過程基本相同。不同之處是在初始化時(shí)，除給定過冷換熱器入口溫度范圍之外，還需迭代計(jì)算第二個(gè)氣液分離器入口溫度。6無預(yù)冷混合制冷劑無預(yù)冷混合制冷劑（MRC）液化工藝流）液化工藝流程說明程說明6.1無預(yù)冷混合制冷劑無重?zé)N無預(yù)冷混合制冷劑無重?zé)N分離器流程分離器流程6.1.1流程流程無預(yù)冷混合制冷劑流程示意圖如圖6.1。天然氣流程和其余流程相同，由1點(diǎn)進(jìn)入冷箱，液化后由5點(diǎn)離開冷箱進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐?；旌现评鋭┝鞒逃?點(diǎn)進(jìn)入冷箱，在冷箱中被低溫制冷劑液化后，在冷箱底部9點(diǎn)節(jié)流，為混合制冷劑和天然氣提供低溫冷量。6.1.2流程各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)確定流程各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)確定6.1.2.1確定冷箱冷、熱端溫度、壓力（1）冷箱天然氣側(cè)溫度、壓力確定方法與其余流程相同，