天然氣混合制冷液化流程模擬模板

天然氣混合制冷液化步驟模擬摘要混合制冷劑天然氣液化工藝是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛液化工藝。本文在分析天然氣液化裝置中常見混合制冷劑液化循環(huán)多個(gè)基礎(chǔ)工藝基礎(chǔ)上，依據(jù)天然氣和混合制冷劑熱物性特點(diǎn)，選擇了PR（Peng-Robinson）方程來計(jì)算這兩種混合物相平衡特征。利用HYSYS軟件研究了混合制冷劑步驟冷箱制冷部分，建立了冷箱模擬計(jì)算模型，研究了混合制冷劑組分對(duì)液化過程影響。關(guān)鍵詞:混合制冷液化循環(huán)；步驟模擬；HYSYS；冷箱SimulationofMixedRefrigerantCycleforNaturalGasLiquefactionAbstractTheMixed-RefrigerantCycle(MRC)isthemostwidelyusedliquefactionprocessnowadays.SeveralMRCcyclesforLiquefiedNaturalGas(LNG)productionwereanalyzedinthispaper,--Basedonthethermodynamicpropertiesofnaturalgasandmixed-refrigerant,thePeng-Robinson(PR)equationwasselectedtocalculatethephaseequilibrium.ThecoldboxintheliquefactioncyclewassimulatedbyusedHYSYSsoftware,themodelwasestablishedandthecomponentsofthemixedrefrigerantinfluenceonliquefactionprocesswerestudied.Keywords:MRC;simulation;HYSYS;coldbox目錄第1章前言 11.1工業(yè)背景和研究意義 11.1.1世界液化天然氣工業(yè)發(fā)展 21.1.2中國液化天然氣工業(yè)發(fā)展 21.2中國外研究現(xiàn)實(shí)狀況 41.3研究內(nèi)容 5第2章混合制冷液化步驟 62.1混合制冷液化步驟 62.2混合制冷劑液化步驟分類 62.2.1閉式混合制冷劑液化步驟 62.2.2開式混合制冷劑液化步驟 82.2.3丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化步驟 92.2.4CII液化步驟 122.2.5新型兩級(jí)混合制冷劑液化步驟 14第3章冷箱 163.1冷箱介紹 163.2冷箱技術(shù)關(guān)鍵 163.2液化天然氣領(lǐng)域冷箱應(yīng)用 16第4章天然氣液化步驟模擬軟件 194.1HYSYS介紹 194.2HYSYS中各個(gè)模塊性質(zhì)和原理 204.2.1氣液分離器 204.2.2殼管式換熱器 214.2.3LNG換熱器 244.2.4閥門 264.3HYSYS實(shí)際應(yīng)用 26第5章天然氣液化步驟模擬 285.1概述 285.2液化步驟模擬步驟 285.2.1輸入條件 285.2.2步驟搭建 305.3步驟模擬計(jì)算 335.3.1收斂計(jì)算 335.3.2制冷劑組分對(duì)換熱影響 345.3.3結(jié)果分析 35第6章結(jié)論和展望 376.1結(jié)論 376.2展望 37參考文件 38致謝 39第1章前言1.1工業(yè)背景和研究意義天然氣作為一個(gè)清潔優(yōu)質(zhì)燃料，是當(dāng)今世界能源消耗中關(guān)鍵組成部分，其開發(fā)和利用已在全球受到普遍關(guān)注[1]。伴隨天然氣探明儲(chǔ)量增加，世界天然氣產(chǎn)量呈連續(xù)增加趨勢(shì)。近幾十年，天然氣在能源結(jié)構(gòu)中百分比逐年穩(wěn)步上升?，F(xiàn)在，天然氣消費(fèi)量年平均增加率為2.2%，遠(yuǎn)高于同期石油消費(fèi)增加率0.8%。天然氣消費(fèi)量增加帶動(dòng)和促進(jìn)了天然氣工業(yè)發(fā)展，現(xiàn)在，大家越來越多關(guān)心怎樣愈加好、更經(jīng)濟(jì)地利用天然氣來服務(wù)于人類生活。液化天然氣就是天然氣利用一個(gè)方法。液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，簡稱LNG）是無色透明、無臭低溫液體，是在常壓下將天然氣冷凍至-162℃左右，由氣體變?yōu)橐簯B(tài)，它是天然氣經(jīng)過凈化（脫水、脫CO2、H2將天然氣液化目標(biāo)關(guān)鍵有以下多個(gè)方面[2-4]：（1）天然氣液化后便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)輸?，F(xiàn)在，天然氣資源分布不均衡，生產(chǎn)地和消費(fèi)地常存在相當(dāng)長距離，在不便敷設(shè)管道地域，用專門槽車、火車、輪船，將LNG運(yùn)輸?shù)戒N售地，方便靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。（2）提升儲(chǔ)存效率和安全確保。可實(shí)現(xiàn)低壓儲(chǔ)存及使用，避免了壓縮天然氣（CNG）高壓（壓力20MPa）儲(chǔ)存及使用帶來威脅。（3）將天然氣液化，有利于城市符合調(diào)整?？蓪⒌拓?fù)荷時(shí)多出天然氣液化后儲(chǔ)存，當(dāng)用氣或用電高峰時(shí)，再將其氣化，能夠達(dá)成調(diào)整供需和應(yīng)急目標(biāo)。（4）液化天然氣突出優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境效益顯著。液化天然氣作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料對(duì)大氣污染要比汽油少得多。基于以上LNG眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠看出，發(fā)展液化天然氣（LNG）項(xiàng)目是現(xiàn)在世界能源發(fā)展時(shí)尚，在中國發(fā)展液化天然氣也是勢(shì)在所趨。1.1.1世界液化天然氣工業(yè)發(fā)展天然氣是一個(gè)很關(guān)鍵資源，它燃燒清潔，污染小，通常生產(chǎn)和輸送成本低廉，其儲(chǔ)量十分巨大。不過，天然氣產(chǎn)地往往遠(yuǎn)離能源消耗區(qū)，這就需要經(jīng)過某種方法將天然氣從氣田或資源國輸送至目標(biāo)用戶。管道輸送是一個(gè)好輸送方法，但對(duì)于遠(yuǎn)距離越洋運(yùn)輸，現(xiàn)在還沒有成熟技術(shù)能夠建造深海長距離輸送管道，所以需要尋求其它方法。LNG是一個(gè)越洋大量輸送天然氣商業(yè)化技術(shù)。1964年9月27日，阿爾及利亞世界上第一座LNG工廠建成投產(chǎn)。同年，第一艘載著1噸LNG船駛往英國，標(biāo)志著世界LNG貿(mào)易開始。1.1.2中國液化天然氣工業(yè)發(fā)展中國是能源和原材料生產(chǎn)大國，也是消費(fèi)大國，人均占有資源量相對(duì)少。盡管有豐富中國天然氣資源和周圍國家可供利用天然氣資源，不過到現(xiàn)在為止，因?yàn)榭陀^原因，致使中國天然氣消費(fèi)量在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中僅占2%左右，而西方發(fā)達(dá)國家要占20%左右。伴隨中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，尤其是對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，天然氣需求量將快速增大。天然氣需求量增加肯定促進(jìn)液化天然氣工業(yè)發(fā)展。中原油田為了將天然氣資源用于城市燃?xì)夂推嚧萌剂希ㄔ炝酥袊谝蛔a(chǎn)型液化天然氣裝置。新疆廣聚集團(tuán)開始建設(shè)一座日處理天然氣量為150萬m3液化天然氣工廠。6月，國家發(fā)改委在《中國能源中長久發(fā)展計(jì)劃》基礎(chǔ)上制訂了《相關(guān)中國液化天然氣進(jìn)口方案提議》?！短嶙h》中提出在廣東，福建，山東，浙江，上海，江蘇，遼寧，河北，天津，廣西等沿海地域建設(shè)若干LNG接收碼頭和輸氣干線?；A(chǔ)形成以LNG為主體沿海天然氣大通道，并適時(shí)和全國主干管網(wǎng)相連接。這標(biāo)志著中國LNG進(jìn)口工作全方面開啟，并將經(jīng)過實(shí)施以市場(chǎng)換資源戰(zhàn)略推進(jìn)石油企業(yè)走出去，進(jìn)入國際石油天然氣資源地和LNG工業(yè)。多年來全球LNG生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，正在成為世界油氣工業(yè)新熱點(diǎn)。中國正處于天然氣工業(yè)發(fā)展黃金時(shí)期，伴隨更多城市使用更多天然氣，對(duì)液化天然氣(LNG)需求也有顯著增加。6月底，深圳大鵬LNG項(xiàng)目標(biāo)投產(chǎn)，更是吹響了中國LNG事業(yè)全方面發(fā)展號(hào)角。同時(shí)國際LNG市場(chǎng)正由買方市場(chǎng)轉(zhuǎn)向賣方市場(chǎng)，但多年內(nèi)仍處于買方市場(chǎng)，這也為中國發(fā)展LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)明了良好外部資源條件。LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)中國發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，改善環(huán)境質(zhì)量，提升生活水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展含相關(guān)鍵意義!中國LNG工業(yè)應(yīng)實(shí)施全球化，市場(chǎng)化，多元化和系統(tǒng)化發(fā)展戰(zhàn)略，以形成LNG和管道和海洋天然氣共同發(fā)展和石油資源互為補(bǔ)充格局。從而改善中國能源結(jié)構(gòu)，保障國家能源安全!在未來部分年中，除了有數(shù)以百萬噸計(jì)LNG自海外進(jìn)口，更多天然氣液化工廠和LNG末端裝置也會(huì)快速建設(shè)起來?？倎碚f，中國LNG工業(yè)特點(diǎn)是起步晚、潛力大，寬廣市場(chǎng)和客觀經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益為中國LNG工業(yè)發(fā)展提供了難得機(jī)遇。LNG已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵不可替換能源，連續(xù)高速度發(fā)展歷程展示了它強(qiáng)大生命力。多年來，LNG基礎(chǔ)技術(shù)和天然氣液化、儲(chǔ)運(yùn)裝置研究蓬勃發(fā)展。伴隨應(yīng)用研究深入，LNG將有越來越廣泛得到應(yīng)用?？墒穷A(yù)言，中國LNG工業(yè)將會(huì)進(jìn)入一個(gè)嶄新發(fā)展階段。我們LNG工業(yè)剛剛起步，未有成熟獨(dú)立設(shè)計(jì)、建造工廠經(jīng)驗(yàn)，只能引進(jìn)國外配套設(shè)備和技術(shù)。不過因?yàn)閲楹凸S設(shè)計(jì)規(guī)模等情況不通，往往使得引進(jìn)天然氣液化步驟和提供崗位操作參數(shù)不合時(shí)宜，出現(xiàn)投資費(fèi)用大、液化率低、功耗大情況。處理上述問題方法就是依據(jù)實(shí)際情況、利用本身特點(diǎn)優(yōu)選液化步驟及合理選擇操作參數(shù)?，F(xiàn)代工業(yè)規(guī)模天然氣液化（即LNG生產(chǎn)）技術(shù)通?？捎孟旅婵驁D表示為三部分，即原料氣預(yù)處理、液化和儲(chǔ)存三部分。圖1.1天然氣液化技術(shù)組成圖其中，液化步驟在整個(gè)LNG工廠中占相關(guān)鍵地位，實(shí)踐證實(shí)，在LNG工廠總投資中天然氣液化部分所占百分比大約為40%左右，研究液化工藝步驟含有現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，所以對(duì)液化步驟進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)和步驟參數(shù)分析顯得尤為關(guān)鍵，因?yàn)椴襟E模擬是過程系統(tǒng)工程中最基礎(chǔ)技術(shù)不管過程系統(tǒng)分析和優(yōu)化，還是過程系統(tǒng)綜合，全部是以步驟模擬為基礎(chǔ)。而合理地選擇參數(shù)不僅使模擬過程能夠順利進(jìn)行，而且還會(huì)使模擬結(jié)果切實(shí)可行。1.2中國外研究現(xiàn)實(shí)狀況中國LNG工業(yè)剛剛起步，獨(dú)立設(shè)計(jì)、建造LNG裝置經(jīng)驗(yàn)較少。進(jìn)行天然氣液化步驟理論分析和設(shè)計(jì)步驟相關(guān)鍵意義。國外從20世紀(jì)70年代開始，對(duì)LNG裝置液化步驟進(jìn)行來設(shè)計(jì)、模擬和評(píng)價(jià)工作[5-6]。Shell企業(yè)針對(duì)基礎(chǔ)負(fù)荷型LNG裝置液化步驟最新發(fā)展，模擬計(jì)算了級(jí)聯(lián)式液化步驟、丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化步驟、兩級(jí)混合制冷劑液化步驟和氮?dú)馀蛎浺夯襟E，并分別分析了其優(yōu)劣[7]。1995年，Melaaen提出了簡化繞管式換熱器模型。在此基礎(chǔ)上，建立了基礎(chǔ)負(fù)荷型天然氣液化步驟動(dòng)態(tài)仿真模型，并采取隱式DASSL進(jìn)行了仿真計(jì)算，指出設(shè)計(jì)變量初值選擇對(duì)仿真計(jì)算收斂影響很大。1998年，Terry采取HYSYS軟件對(duì)經(jīng)典調(diào)峰型天然氣液化步驟進(jìn)行了模擬計(jì)算和優(yōu)化[8]。1997年，Kikkawa在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型混合制冷劑預(yù)冷、膨脹機(jī)液化步驟，并采取CHEMCAD=3\*ROMANIII軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算[9]。中國現(xiàn)在缺乏天然氣液化步驟設(shè)計(jì)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，在專用天然氣液化模擬軟件開發(fā)方面比較欠缺。20世紀(jì)90年代初，開始進(jìn)行天然氣液化步驟理論發(fā)面研究，陳國邦、滕大振分析了調(diào)峰型LNG裝置液化步驟特點(diǎn)，對(duì)不一樣步驟及其使用條件進(jìn)行了比較。1992年，郭東海對(duì)混合制冷劑天然氣液化步驟參數(shù)選定及優(yōu)化工作做了初步探討[10]。劉新偉針對(duì)煤層天然氣回收，提出了帶循環(huán)壓縮機(jī)氮膨脹液化步驟并進(jìn)行了模擬計(jì)算。上海交通大學(xué)顧安忠教授領(lǐng)導(dǎo)課題組長久以來從事液化天然氣研究，盡管如此，中國在液化天然氣液化技術(shù)水平和應(yīng)用范圍等方面和國外還是存在一定差距。從中國外研究發(fā)展情況能夠看出，不管國外還是中國，在建設(shè)LNG工廠時(shí)，首先要仔細(xì)分析多種液化步驟依據(jù)實(shí)際情況，經(jīng)過模擬計(jì)算對(duì)步驟性能進(jìn)行比較；然后優(yōu)選步驟方法，合理選擇步驟參數(shù)。該項(xiàng)工作在中國顯得尤為關(guān)鍵。伴隨液化天然氣工業(yè)在中國蓬勃發(fā)展，這項(xiàng)工作越來越受到大家重視，并提到研究日程。1.3研究內(nèi)容在天然氣液化過程中，天然氣和混合制冷劑不僅是混合物，它們伴隨步驟中壓力、溫度不停改變，將會(huì)處于氣相、氣液平衡相和液相狀態(tài)，所以混合物相平衡計(jì)算理論是整個(gè)步驟物性計(jì)算基礎(chǔ)。本文針對(duì)天然氣和混合制冷劑組分特征，選擇了PR方程作為計(jì)算這兩類混合物相平衡方程。本文選擇模擬軟件HYSYS作為此次研究所使用關(guān)鍵模擬工具，介紹了HYSYS計(jì)算原理和方法，最終用HYSYS軟件對(duì)混合制冷劑液化循環(huán)冷箱部分進(jìn)行模擬，以研究混合工質(zhì)組分改變對(duì)LNG產(chǎn)品（也能夠說是初級(jí)LNG產(chǎn)品）溫度影響。第2章混合制冷液化步驟2.1混合制冷液化步驟1934年，美國波特北尼克提出了混合制冷劑液化步驟（MRC:MixedRefrigerantCycle）概念。以后，法國Tecknip企業(yè)佩雷特，具體描述了混合制冷劑液化步驟用于天然氣液化工藝過程。MRC是以C1和C3碳?xì)浠衔锛癗2等五種以上多組分混合制冷劑為工質(zhì)，進(jìn)行逐層冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不一樣溫度水平制冷量，以達(dá)成逐步冷卻和液化天然氣目標(biāo)。MRC既達(dá)成類似級(jí)聯(lián)式液化步驟目標(biāo)，又克服了其系統(tǒng)復(fù)雜缺點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代以來，對(duì)于基礎(chǔ)負(fù)荷型天然氣液化裝置，廣泛采取了多種不一樣類型混合制冷劑液化步驟。2.2混合制冷劑液化步驟分類混合制冷劑液化旅程還包含很多個(gè)類，如：閉式混合制冷劑液化步驟，開式混合制冷劑液化步驟，丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化步驟等，下面我們就對(duì)上述多個(gè)步驟進(jìn)行簡單介紹。2.2.1閉式混合制冷劑液化步驟圖2.1為閉式混合制冷劑液化步驟（ClosedMixedRefrigerantCycle）示意圖。在閉式液化步驟中，制冷劑和天然氣液化過程分開，自成一個(gè)獨(dú)立制冷循環(huán)。制冷劑通常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H12組成。這些組分全部能夠從天然氣中提取。液化步驟中天然氣依次流過四個(gè)換熱器后，溫度逐步降低，大部分天然氣被液化，最終節(jié)流后在常壓下保留，閃蒸分離產(chǎn)生氣體可直接利用，也可回到天然氣入口再進(jìn)行液化。液化步驟中制冷劑經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮至高溫高壓后，首先用水進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入氣液分離器，氣液相分別進(jìn)入換熱器1。液體在換熱器1中過冷，再經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降溫，和后續(xù)步驟返流氣混合后共同為換熱器1提供冷量，冷卻天然氣、氣態(tài)制冷劑和需過冷液態(tài)制冷劑。氣態(tài)制冷劑經(jīng)換熱器1冷卻后進(jìn)入閃蒸分離器分離成氣相和液相，分別流入換熱器2，液體經(jīng)過冷和節(jié)流降壓降溫后，和返流氣混合為換熱器2提供冷量，天然氣深入降溫，氣相流體也被部分冷凝。換熱器3中換熱過程同換熱器1和2。制冷劑在換熱器中被冷卻后，在換熱器4中進(jìn)行過冷，然后節(jié)流降溫后返回該換熱器，冷卻天然氣和制冷劑。在混合制冷劑液化步驟換熱器中，提供冷量混合工質(zhì)液體蒸發(fā)溫度隨組分不一樣而不一樣，在換熱器內(nèi)熱交換過程是個(gè)變溫過程，經(jīng)過合理選擇制冷劑，可使冷熱流體間換熱溫差保持比較低水平。圖2.1閉式混合制冷劑液化步驟示意圖2.2.2開式混合制冷劑液化步驟圖2.2開式混合制冷劑液化步驟示意圖圖2.2為開始混合制冷劑液化步驟（OpenMixedRefrigerantCycle）示意圖。在開式液化步驟中，天然氣既是制冷劑，又是需要液化對(duì)象。原料天然氣經(jīng)凈化后，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后達(dá)成高溫高壓，首先用水冷卻，然后進(jìn)入氣液分離器，分離掉重?zé)N，得到液體經(jīng)第一個(gè)換熱器冷卻并節(jié)流后，和返流氣混合后為第一個(gè)換熱氣提供冷量。第一個(gè)分離器產(chǎn)生氣體經(jīng)過第一個(gè)換熱器冷卻后，進(jìn)入第二個(gè)氣液分離器。產(chǎn)生液體經(jīng)第二個(gè)換熱器冷卻并節(jié)流后，和返流氣混合為第二個(gè)換熱器提供冷量。第二個(gè)氣液分離器產(chǎn)生氣體經(jīng)第二個(gè)換熱器冷卻并節(jié)流后，為第三個(gè)換熱器提供冷量。第三個(gè)氣液分離器產(chǎn)生氣體經(jīng)第三個(gè)換熱器冷卻并節(jié)流后，進(jìn)入氣液分離器，產(chǎn)生液體進(jìn)入液化天然氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。2.2.3丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化步驟圖2.3丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化步驟示意圖混合制冷劑循環(huán)；b)丙烷預(yù)冷循環(huán)丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化步驟（C3/MRC:Propane-MixedRefrigerantCycle），結(jié)合了級(jí)聯(lián)式液化步驟和混合制冷劑液化步驟優(yōu)點(diǎn)，步驟既高效又簡單。所以，自20世紀(jì)70年代以來，這類液化步驟在基礎(chǔ)負(fù)荷型天然氣液化裝置中得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在世界上80%以上基礎(chǔ)負(fù)荷型天然氣液化裝置中，采取了丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化步驟。圖2.3是丙烷預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)液化天然氣步驟圖。步驟由三部分組成：=1\*GB3①混合制冷劑循環(huán)；=2\*GB3②丙烷預(yù)冷循環(huán)；=3\*GB3③天然氣液化回路。在此液化步驟中，丙烷預(yù)冷循環(huán)用于預(yù)冷混合制冷劑和天然氣，而混合制冷劑用于深冷和液化天然氣?；旌现评鋭┭h(huán)圖2.3a所表示，混合制冷劑經(jīng)兩級(jí)壓縮機(jī)壓縮至高壓，首先用水冷卻，帶走一部分熱量，然后經(jīng)過丙烷預(yù)冷循環(huán)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)第一換熱器冷卻后，節(jié)流、降溫、降壓，和返流混合制冷劑混合后，為第一個(gè)換熱器提供冷箱，冷卻天然氣和從分離器出來氣相和液相兩股混合制冷劑。氣相制冷劑經(jīng)第一換熱器冷卻后，進(jìn)入氣液分離器分離成氣相和液相，液相經(jīng)第二個(gè)換熱器冷卻后節(jié)流、降溫、降壓，和返流混合制冷劑混合后，為第二個(gè)換熱器提供冷量，冷卻天然氣和從分離器出來氣相和液相兩股混合制冷劑。從第二個(gè)換熱器出來氣相制冷劑，經(jīng)第三換熱器冷卻后，節(jié)流、降溫后進(jìn)入第三換熱器，冷卻天然氣和氣相混合制冷劑。丙烷預(yù)冷循環(huán)圖2.3b所表示，丙烷預(yù)冷循環(huán)中，丙烷經(jīng)過三個(gè)溫度級(jí)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)壓縮至高溫高壓，經(jīng)冷卻水冷卻后流經(jīng)節(jié)流閥降溫降壓，再經(jīng)分離器產(chǎn)生氣液兩相，氣相返回壓縮機(jī)，液相分成兩部分，一部分用于冷卻天然氣和制冷劑，另一部分作為后續(xù)步驟制冷劑。在混合制冷劑液化步驟中，天然氣首先經(jīng)過丙烷預(yù)冷循環(huán)預(yù)冷，然后流經(jīng)各換熱器逐步被冷卻，最終經(jīng)圖2.3a中節(jié)流閥4進(jìn)行降壓，從而使液化天然氣在常壓下儲(chǔ)存。圖2.4為空氣產(chǎn)品企業(yè)APCI設(shè)計(jì)丙烷預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)液化天然氣步驟[13]。在空氣產(chǎn)品企業(yè)設(shè)計(jì)液化步驟中，天然氣先經(jīng)過丙烷預(yù)冷，然后用混合制冷劑深入冷卻并液化。低壓混合制冷劑經(jīng)兩級(jí)壓縮機(jī)壓縮后，先用水冷卻，然后流經(jīng)丙烷換熱器深入降溫至約-35℃，以后進(jìn)入氣液分離器分離成氣、液兩相。生成液體在混合制冷劑換熱器溫度較高區(qū)域（熱區(qū)）冷卻后，經(jīng)節(jié)流閥降溫，并和返流氣相流體混合后為熱區(qū)提供冷量。分離器生成氣相流體，經(jīng)混合制冷劑換熱器冷卻后，節(jié)流降溫為冷區(qū)提供冷量，以后和液相流混合為熱區(qū)提供冷量。混合后低壓混合制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮。圖2.4APCI丙烷預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)液化天然氣步驟示意圖在丙烷預(yù)冷循環(huán)中，從丙烷換熱器來高、中、低壓丙烷，用一個(gè)壓縮機(jī)壓縮，壓縮后先用水進(jìn)行預(yù)冷，然后經(jīng)節(jié)流降溫、降壓后，為天然氣和混合制冷劑提供冷量。這種液化步驟操作彈性很大。當(dāng)生產(chǎn)能力降低時(shí)，經(jīng)過改變制冷劑組成及降低吸入壓力來保持混合制冷劑循環(huán)改變時(shí)，可經(jīng)過調(diào)整混合制冷劑組成及混合制冷劑壓縮機(jī)吸入和排出壓力，也能使天然氣高效液化。2.2.4CII液化步驟天然氣液化技術(shù)發(fā)展要求液化循環(huán)含有高效、低能耗、低成本、可靠性好、易操作等特點(diǎn)。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，法國燃?xì)馄髽I(yè)研究部門開發(fā)了新型混合制冷劑液化步驟，即整體結(jié)合式級(jí)聯(lián)型液化步驟（IntegralIncorporatedCascade），簡稱CII液化步驟。CII液化步驟吸收了國外LNG技術(shù)最新發(fā)展結(jié)果，代表天然氣液化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。在上海建在CII液化步驟是中國第一座調(diào)峰型天然氣液化裝置中采取步驟。CII液化步驟圖2.5所表示，該液化步驟關(guān)鍵設(shè)備包含混合制冷劑壓縮機(jī)、混合制冷劑分餾設(shè)備和整體式冷箱三部分。整個(gè)液化步驟可分為天然氣液化系統(tǒng)和混合制冷劑循環(huán)兩部分。圖2.5CII液化步驟示意圖在天然氣液化系統(tǒng)中，預(yù)處理后天然氣進(jìn)入冷箱12上部被預(yù)冷，在氣液分離器13中進(jìn)行氣液分離，氣相部分進(jìn)入冷箱12下部被冷凝和過冷，最終節(jié)流至LNG儲(chǔ)罐。在混合制冷劑循環(huán)中，混合制冷劑是N2和C1~C5烴類混合物。冷箱12出口低壓混合制冷劑蒸汽被氣液分離器1分離后，被低壓壓縮機(jī)2壓縮至中間壓力，然后經(jīng)冷卻器3部分冷凝后進(jìn)入分餾塔8?；旌现评鋭┓逐s后分成兩部分，分餾塔底部重組分液體關(guān)鍵含有丙烷、丁烷和戊烷，進(jìn)入冷箱12，經(jīng)預(yù)冷后節(jié)流降溫，再返回冷箱上部蒸發(fā)制冷，用于預(yù)冷天然氣和混合制冷劑；分餾塔上部輕組分氣體關(guān)鍵成份是氮、甲烷和乙烷，進(jìn)入冷箱12上部被冷卻并部分冷凝，進(jìn)氣液分離器6進(jìn)行氣液分離，液體作為分餾塔8回流液，氣體經(jīng)高壓壓縮機(jī)4壓縮后，經(jīng)水冷卻器5冷卻后，進(jìn)入冷箱上部預(yù)冷，進(jìn)氣液分離器7進(jìn)行氣液分離，得到氣液兩相分別進(jìn)入冷箱下部預(yù)冷后，節(jié)流降溫返回冷箱不一樣部位為天然氣和混合制冷劑提供冷量，實(shí)現(xiàn)天然氣冷凝和過冷。CII步驟含有以下特點(diǎn)：（=11）步驟精簡、設(shè)備少。CII液化步驟出于降低設(shè)備投資和建設(shè)費(fèi)用考慮，簡化了預(yù)冷制冷機(jī)組設(shè)計(jì)。在步驟中增加了分餾塔，將混合制冷劑分餾為重組分（以丁烷和戊烷為主）和輕組分（以氮、甲烷、乙烷為主）兩部分。重組分冷卻、節(jié)流降溫后返流，作為冷源進(jìn)入冷箱上部預(yù)冷天然氣和混合制冷劑；輕組分氣液分離后進(jìn)入冷箱下部，用于冷凝、過冷天然氣。（2）冷箱采取高效釬焊鋁板翅式換熱器，體積小，便于安裝。整體式冷箱結(jié)構(gòu)緊湊，分為上下兩部分，由經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)高效釬焊鋁板翅式換熱器平行排列，換熱器面積大，絕熱效果好。天然氣在冷箱內(nèi)由環(huán)境溫度冷卻至-160℃左右液體，降低了漏熱損失，并很好地處理了兩相流體分布問題。冷箱以模塊化型式制造，便于安裝，只需在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)預(yù)留管路進(jìn)行連接，降低了建設(shè)費(fèi)用。（3）壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)型式簡單、可靠、降低了投資和維護(hù)費(fèi)用。2.2.5新型兩級(jí)混合制冷劑液化步驟丙烷預(yù)冷天然氣液化步驟含有功耗低有點(diǎn)，不過因?yàn)樵撘夯襟E采取單獨(dú)丙烷循環(huán)預(yù)冷天然氣，步驟復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量較多；膨脹機(jī)液化步驟簡便，設(shè)備緊湊，不過功耗偏高。出于簡化步驟設(shè)備和確保步驟效率考慮，本研究中結(jié)合目前天然氣液化步驟追求簡便、高效發(fā)展趨勢(shì)，綜合考慮了丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化步驟、單級(jí)混合制冷劑液化步驟，和整體級(jí)聯(lián)式液化步驟等多個(gè)混合制冷劑液化步驟技術(shù)特點(diǎn)，提出了新型兩級(jí)混合制冷劑液化步驟。新型兩級(jí)混合制冷劑液化步驟圖2.6所表示?；旌现评鋭┯傻⒓淄?、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷和異戊烷組成。該步驟包含制冷劑循環(huán)和天然氣循環(huán)兩部分。制冷循環(huán)以下：來自冷箱制冷劑低壓氣體進(jìn)入低壓壓縮機(jī)A1，經(jīng)冷卻器冷卻后進(jìn)入預(yù)冷換熱器A4，冷卻降溫使部分高沸點(diǎn)組分凝結(jié)后，進(jìn)入氣液分離器A3。分離出來液體制冷劑經(jīng)節(jié)流閥A5節(jié)流降溫，和來自主換熱器A7返流低壓氣體匯合，作為預(yù)冷換熱器A4冷源；分離出氣體制冷劑被高壓壓縮機(jī)A2壓縮至高壓，經(jīng)預(yù)冷換熱器A4降溫后，和來自過冷換熱器A9低壓制冷劑匯合，返回主換熱器A7提供冷量；氣相經(jīng)主換熱器A7和過冷換熱器A9冷凝和過冷后，經(jīng)節(jié)流閥A10節(jié)流降溫后，返流為過冷換熱器A9提供冷量。預(yù)處理后天然氣經(jīng)預(yù)冷換熱器A4預(yù)冷后，進(jìn)入主換熱器A7繼續(xù)冷卻，然后進(jìn)入氣液分離器A11脫除已凝結(jié)重?zé)N組分。重?zé)N返流回預(yù)冷換熱器A4提供部分冷量，天然氣中輕組分則繼續(xù)進(jìn)入主換熱器A7和過冷換熱器A9冷凝和過冷，最終經(jīng)節(jié)流閥A12節(jié)流降壓后注入LNG儲(chǔ)罐[12]。圖2.6新型兩級(jí)混合制冷劑液化步驟示意圖第3章冷箱3.1冷箱介紹冷箱在中國最先關(guān)鍵是用于乙烯制冷工藝中乙烯冷箱，冷箱是一個(gè)換熱器組裝后形式，它能夠是多個(gè)換熱器組合。通常為了避免現(xiàn)場(chǎng)工作量，大容積裝置換熱器是在制造廠完成，組裝成冷箱。3.2冷箱技術(shù)關(guān)鍵冷箱實(shí)際上是鋁板翅式換熱器加上鋼殼保溫箱。關(guān)鍵部分是鋁板翅式換熱器，設(shè)計(jì)和制造難點(diǎn)亦集中于此。多股持壓物流在其中按化工工藝條件和參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜、有相變換熱過程，其操作溫度通常為+30℃～-170℃，最高操作壓力約為5Mpa。技術(shù)關(guān)鍵有三個(gè)方面：1.正確、精密板翅式換熱器單元設(shè)計(jì)；2.專用制造技術(shù)和嚴(yán)謹(jǐn)工藝程序；3.嚴(yán)格質(zhì)量監(jiān)控和優(yōu)異測(cè)試技術(shù)[14]。3.2液化天然氣領(lǐng)域冷箱應(yīng)用混合制冷劑液化步驟中，冷箱應(yīng)用也有很多，其外形圖3.1所表示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2所表示：圖3.1混合制冷劑冷箱圖3.2冷箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)在中國東海調(diào)峰型天然氣液化裝置和新疆廣匯液化天然氣工程均采取冷箱作為液化單元。步驟圖3.3和3.4所表示。圖3.3即為CII液化步驟，在前面2.2.4中已經(jīng)有介紹。圖3.3東海調(diào)峰型天然氣液化裝置圖3.4新疆廣匯液化天然氣工程冷箱及制冷劑循環(huán)系統(tǒng)部分工藝步驟示意圖第4章天然氣液化步驟模擬軟件4.1HYSYS介紹ASPEN出品HYSYS是一個(gè)化工步驟模擬動(dòng)態(tài)仿真軟件，是一款環(huán)境模擬設(shè)計(jì)軟件，許可設(shè)計(jì)者經(jīng)過概念上設(shè)計(jì)而簡化制作過程來完成項(xiàng)目工作。完整交互性能充足發(fā)揮你發(fā)明力。該軟件分動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大部分。用于過程和設(shè)備模擬、分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化及開停車指導(dǎo)、動(dòng)態(tài)仿真培訓(xùn)、設(shè)計(jì)優(yōu)異控制系統(tǒng)等。ASPEN企業(yè)創(chuàng)建于1976年，是世界上最早開拓石油、化工方面工業(yè)模擬、仿真技術(shù)跨國企業(yè)。其技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油開采、儲(chǔ)運(yùn)、天然氣加工、石油化工、精細(xì)化工、制藥、煉制等領(lǐng)域。它在世界范圍內(nèi)石油化工模擬、仿真技術(shù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。HYSYS軟件和同類軟件相比含有很好操作界面，方便易學(xué)，軟件智能化程度高。另外HYSYS還有著以下部分特點(diǎn)：（1）集成式工程環(huán)境HYSYS使用了面向目標(biāo)新一代編程工具，實(shí)現(xiàn)了集成式工程模擬軟件。在這種集成系統(tǒng)中，步驟、單元操作是相互獨(dú)立。步驟只是多種單元操作這種目標(biāo)集合，單元操作之間靠步驟中物流發(fā)生聯(lián)絡(luò)。在工程設(shè)計(jì)中穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)使用同一個(gè)目標(biāo)，然后共享目標(biāo)數(shù)據(jù)，不須進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。從而得到最大效益，對(duì)復(fù)雜工藝步驟分成多個(gè)部分模擬。因?yàn)槠湫〔襟E分析方便，速度快，且對(duì)不一樣體系采取不一樣熱力學(xué)方法以取得更正確結(jié)果。其集成式工程環(huán)境能在一個(gè)模擬環(huán)境中將步驟分為若干個(gè)子步驟，可大可小。獨(dú)到之處是子步驟、主步驟之間數(shù)據(jù)相互共享，不須傳輸。它們之間還能夠采取不一樣物性計(jì)算包。（2）動(dòng)態(tài)模擬功效動(dòng)態(tài)模擬方法及過程是步驟穩(wěn)態(tài)模擬收斂后，首先定義單元操作動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如分離器幾何尺寸、液位高度等)，安裝控制儀表，然后就能夠進(jìn)入動(dòng)態(tài)，開始動(dòng)態(tài)模擬。動(dòng)態(tài)模擬過程中，能夠隨時(shí)調(diào)整溫度、壓力等多種工藝變量(這就是WINDOWS多任務(wù))，觀察它們對(duì)產(chǎn)品影響和改變規(guī)律。還能夠隨時(shí)停下來，轉(zhuǎn)回靜態(tài)。因?yàn)閯?dòng)態(tài)和靜態(tài)是相同對(duì)象共享，所以動(dòng)靜之間轉(zhuǎn)換很輕易。HYSYS提供了PID控制器、傳輸函數(shù)發(fā)生器、數(shù)控開關(guān)、變量計(jì)算表等進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬控制單元。（3）事件驅(qū)動(dòng)加物性計(jì)算包等HYSYS提供了一組物性計(jì)算包，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格校驗(yàn)，包含16000個(gè)交互作用參數(shù)和1500個(gè)純物質(zhì)數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝步驟模擬提供了基礎(chǔ)。將模擬技術(shù)和完全交互操作方法結(jié)合，使HYSYS取得成功。而利用面向目標(biāo)技術(shù)使HYSYS這一交互方法提升到一個(gè)更高層次，即事件驅(qū)動(dòng)。在研究方案時(shí)，需要將很多工藝參數(shù)放在一張表中。當(dāng)改變一個(gè)或多個(gè)變量時(shí)，另部分也要隨之改變，算出結(jié)果也要在表中自動(dòng)刷新。另外HYSYS還提供了數(shù)據(jù)回歸包，內(nèi)置人工智能等功效。為我們驗(yàn)證方案提供了很好試驗(yàn)平臺(tái)。HYSYS軟件以其高效、正確模擬特征贏得了廣泛好評(píng)，得到天然氣行業(yè)內(nèi)高度認(rèn)可?；贖YSYS這些特點(diǎn)，所以本文選擇使用HYSYS作為進(jìn)行研究模擬工具。4.2HYSYS中各個(gè)模塊性質(zhì)和原理本文中是用HYSYS進(jìn)行關(guān)鍵是制冷系統(tǒng)模擬，利用模擬設(shè)備關(guān)鍵包含:壓縮機(jī)、LNG換熱器、殼管式換熱器、節(jié)流閥等。下面我們來分別介紹一下HYSYS中以上模塊特點(diǎn)。4.2.1氣液分離器模擬軟件HYSYS中氣液分離器圖4.1所表示：圖4.1HYSYS中氣液分離器注：“3”是經(jīng)過初步冷卻天然氣，“2”是經(jīng)分離器后氣相組分，即輕組分，“1”是經(jīng)分離器后液相組分，即重?zé)N。氣液分離器是液化步驟中一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。步驟中氣液分離器分離出液相冷卻后，進(jìn)入節(jié)流閥產(chǎn)生溫降，為換熱器提供冷量，分離出氣相，為后續(xù)步驟提供制冷劑。(4.1)(4.2)(i=1,2,3N)(4.3)(i=1,2,3N)(4.4)物流在氣液分離器中經(jīng)歷是一個(gè)等溫等壓閃蒸過程，式（4.1）至（4.4）分別為物料平衡、能量平衡和相平衡關(guān)系式，可利用HYSYS軟件中閃蒸計(jì)算程序進(jìn)行求解，得到物流經(jīng)氣液分離器后氣相流量、氣相摩爾分率、液相流量和液相摩爾分率，還能夠深入得出氣液相焓值和熵值。4.2.2殼管式換熱器模擬軟件HYSYS中壓縮機(jī)圖4.2所表示：圖4.2HYSYS中殼管式換熱器HYSYS中換熱器能夠進(jìn)行雙向能量和質(zhì)量計(jì)算，其計(jì)算是基于冷流體和熱流體能量守恒。換熱器計(jì)算很靈活，能解出溫度、壓力、熱流量(包含熱損失和熱泄露)，質(zhì)量流量或綜合換熱系數(shù)等參數(shù)。其實(shí)，熱泄漏就是環(huán)境中熱量泄漏到換熱器冷端，造成冷端溫度升高。熱損失就是換熱器熱端熱量泄漏到環(huán)境中去，造成了熱端溫度降低。（1）總熱傳熱系數(shù)UA值在換熱器殼側(cè)和管側(cè)總換熱量(換熱器功率)能夠根據(jù)總換熱系數(shù)、總換熱面積和對(duì)數(shù)平均溫差來確定：(4.5)式中，U為總換熱系數(shù)，A為總換熱面積，ΔTLM為對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)，F(xiàn)t為LMTD修正因子。出于方便考慮，換熱系數(shù)和換熱面積常常合并為一個(gè)變量，這就是UA。（2）換熱器換熱模式在HYSYS中用戶能夠選擇模擬中換熱器所用到換熱模式，一共有四種換熱模式能夠選擇:=1\*GB3①末端點(diǎn)分析設(shè)計(jì)模式；=2\*GB3②理想權(quán)重設(shè)計(jì)模式(F=1)；=3\*GB3③穩(wěn)態(tài)參數(shù)方法；=4\*GB3④用于動(dòng)態(tài)模擬動(dòng)態(tài)參數(shù)方法。下面我們關(guān)鍵介紹前三種模式：=1\*GB3①換熱器設(shè)計(jì)端點(diǎn)模式(EndPointModel)換熱器設(shè)計(jì)端點(diǎn)模式是基于標(biāo)準(zhǔn)換熱器功率方程，依據(jù)總傳熱系數(shù)，總換熱面積和對(duì)數(shù)平均溫度差來確定。其關(guān)聯(lián)式參見式(4.5)。該模式存在兩個(gè)假定：a.總傳熱系數(shù)U為一個(gè)常數(shù)；b.殼側(cè)和管側(cè)流體比熱是一個(gè)常數(shù)。端點(diǎn)模式中，換熱器兩側(cè)熱曲線是線性。對(duì)于沒有相變且q是一個(gè)常數(shù)時(shí)簡單問題，利用該模式模擬換熱器己經(jīng)足夠了。對(duì)于非線性熱流動(dòng)問題則要利用權(quán)重模式。當(dāng)選中端點(diǎn)模式時(shí)能夠從HYSYS中得到參數(shù)見表4.1：表4-1換熱器選中端點(diǎn)模式時(shí)得到參數(shù)參數(shù)描述管側(cè)和殼側(cè)△P(壓力降)此處能夠確定換熱器管側(cè)和殼側(cè)壓力降，假如用戶不確定△P值，則HYSYS依據(jù)上下游流體壓力計(jì)算該值。UA為總換熱系數(shù)和總換熱面積乘積，換熱器功率正比于對(duì)數(shù)平均溫差，UA為百分比因數(shù)。UA能夠由用戶確定或由HYSYS計(jì)算出來eq\o\ac(○,2)換熱器設(shè)計(jì)權(quán)重模式(weightedmodel)權(quán)重模式是處理非線性熱曲線問題很好一個(gè)模式，比如換熱器一側(cè)或兩側(cè)純組分發(fā)生相變情況。在權(quán)重模式中，熱曲線斷成一段段間隔線，沿著每斷間隔線全部有能量平衡。熱曲線每一段中對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)和UA全部能計(jì)算出來，而且加在一起計(jì)算換熱器總UA。只有在逆流換熱器中才有權(quán)重模式，這種模式肯定是一個(gè)能量和質(zhì)量平衡模式。換熱器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于修正因子F,影響在權(quán)重模式下不予考慮。eq\o\ac(○,3)穩(wěn)態(tài)參數(shù)模型(SteadyStateRating)穩(wěn)態(tài)模型就是合并了參數(shù)計(jì)算一個(gè)端點(diǎn)模型擴(kuò)展形式，其假設(shè)基礎(chǔ)和端點(diǎn)模型是完全一致。假如用戶能夠提供換熱器具體幾何信息，那么能夠使用這種模型進(jìn)行模擬。正如其名稱，這種模型只適適用于穩(wěn)態(tài)過程。在處理線性或近似線性熱曲線問題時(shí)，能夠使用穩(wěn)態(tài)參數(shù)模型。因?yàn)榍蠼馄靼诉@種參數(shù)模型，穩(wěn)態(tài)參數(shù)模型比動(dòng)態(tài)參數(shù)模型計(jì)算速度愈加快。對(duì)于端點(diǎn)模式和權(quán)重模式，用戶能夠確定換熱器是否經(jīng)歷熱泄漏或熱損失。（3）換熱器中壓力降換熱器壓力降能夠由以下三個(gè)方法之一來確定：=1\*GB3①用戶給出壓力降；=2\*GB3②依據(jù)換熱器幾何特征和組成計(jì)算壓力降；=3\*GB3③經(jīng)過確定k值方法定義換熱器中壓力流量關(guān)系。假如在換熱器決定壓力降時(shí)選中壓力流量選項(xiàng)，則k值使得經(jīng)過換熱器摩擦壓力降和流量產(chǎn)生聯(lián)絡(luò)，此關(guān)系以下面方程所表示：(4.6)總流量方程使用經(jīng)過換熱器壓力降，沒有任何靜壓頭作用。P1-P2定義為摩擦壓力損失。4.2.3LNG換熱器模擬軟件HYSYS中壓縮機(jī)圖4.3所表示：LNG(液化天然氣)換熱器模型處理了多相流換熱器和換熱器網(wǎng)絡(luò)熱量和物質(zhì)平衡。該方法能夠求解大量已知或未知變量。對(duì)于整個(gè)換熱器，用戶能夠得到各類參數(shù)，包含熱泄漏量、熱損失和UA值等。LNG換熱器求解通常使用兩種方法。圖4.3HYSYS中LNG換熱器就單一未知量情況，算法直接從能量平衡得到未知量；對(duì)于多重未知量情況，采取迭代方法使得其結(jié)果不僅滿足能量守恒而且滿足對(duì)應(yīng)約束條件，比如，溫度約束條件等。LNG換熱器和一般換熱器區(qū)分是，LNG換熱器允很多相流，而一般換熱器只有一個(gè)熱流側(cè)和一個(gè)冷流側(cè)。（1）LNG換熱器計(jì)算理論LNG換熱器計(jì)算是基于熱流體和冷流體能量守恒。在LNG換熱器操作單元任何一個(gè)換熱層面中，應(yīng)用以下總關(guān)系式：(4.7)式中，M為LNG一個(gè)換熱層面中流體流量，ρ為密度，H為焓，Qinternal為從周圍層中得熱，Qexternal為從外部環(huán)境得熱，V為殼程或管程持液體。（2）LNG換熱器中壓力降在LNG操作單元任何層中壓力降能夠有下列兩項(xiàng)中一項(xiàng)來確定，明確壓力降；=1\*GB3①經(jīng)過定義K值，來定義每個(gè)換熱層壓力流關(guān)系；=2\*GB3②在LNG操作中，假如選擇壓力流量選項(xiàng)來確定壓力降，K值則將經(jīng)過換熱器摩擦損失和流量聯(lián)絡(luò)起來。關(guān)聯(lián)式如式(4.6)?？偭鞣匠淌褂媒?jīng)過換熱器壓力降，其中不含任何靜態(tài)壓頭項(xiàng)。式中P1-P2被定義為摩擦壓力損失，其使用K值來表現(xiàn)了LNG換熱器規(guī)格尺寸。4.2.4閥門模擬軟件HYSYS中壓縮機(jī)圖4.4所表示：圖4.4HYSYS中閥門在閥門操作過程中，HYSYS對(duì)入口物流和出口物流進(jìn)行了能量平衡和物量平衡計(jì)算。HYSYS依據(jù)物質(zhì)平衡和焓守恒標(biāo)準(zhǔn)對(duì)入口物流和出口物流進(jìn)行了計(jì)算。假定閥門操作是等焓。在閥門操作中，用戶能夠明確下列變量：=1\*GB3①入口物流溫度；=2\*GB3②入口物流壓力；=3\*GB3③出口物流溫度；=4\*GB3④出口物流壓力；=5\*GB3⑤閥門壓力降。在閥門操作求解之前需要有三個(gè)參數(shù)，最少需要一個(gè)溫度參數(shù)和一個(gè)壓力參數(shù)。HYSYS能夠計(jì)算其它兩個(gè)未知參數(shù)。閥門總壓力降依據(jù)入口物流總壓力和出口物流總壓力間壓力差來求得。經(jīng)過閥門總壓力降由閥門摩擦壓力損失，靜態(tài)壓頭壓力損失計(jì)算而求得[15]。4.3HYSYS實(shí)際應(yīng)用HYSYS在中國應(yīng)用很廣泛，中國用戶總數(shù)已超出50。全部油田設(shè)計(jì)系統(tǒng)全部采取該軟件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。下面是部分中國油田用戶名單：大慶油田設(shè)計(jì)院、遼河油田設(shè)計(jì)院、華北油田設(shè)計(jì)院、大港油田設(shè)計(jì)院、四川油田設(shè)計(jì)院、長慶油田設(shè)計(jì)院、青海油田設(shè)計(jì)院、中原油田設(shè)計(jì)院、江漢油田設(shè)計(jì)院、克拉瑪依油田設(shè)計(jì)院、克拉瑪依油田研究院、獨(dú)山子煉油廠、獨(dú)山子石化設(shè)計(jì)院、廊坊管道勘察設(shè)計(jì)研究院、中國海洋總企業(yè)生產(chǎn)研究中心、中國海洋總企業(yè)石油工程企業(yè)（天津塘沽）。中國海洋總企業(yè)南海分企業(yè)、殼牌中國分企業(yè)（Shell）、遼陽化纖企業(yè)、遼陽石化設(shè)計(jì)院、大慶石化設(shè)計(jì)院、岳陽石化企業(yè)、九江石化企業(yè)、南京石化企業(yè)、揚(yáng)子石化企業(yè)、揚(yáng)子石化設(shè)計(jì)院、撫順石化設(shè)計(jì)院、撫順石化企業(yè)、金陵石化企業(yè)、茂名石化設(shè)計(jì)院、鎮(zhèn)江煉化工程企業(yè)等[16]。第5章天然氣液化步驟模擬5.1概述天然氣液化步驟模擬,即對(duì)液化步驟進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱力和物料衡算,確定液化步驟各節(jié)點(diǎn)熱力參數(shù)和液化步驟關(guān)鍵性能指標(biāo),既對(duì)液化步驟進(jìn)行系統(tǒng)分析關(guān)鍵手段,也是天然氣液化步驟參數(shù)優(yōu)化分析基礎(chǔ)。本文是利用步驟模擬了解混合工質(zhì)(天然氣和混合制冷劑)組分改變會(huì)對(duì)LNG產(chǎn)品溫度有什么影響。5.2液化步驟模擬步驟5.2.1輸入條件（1）組分列表分為常規(guī)組分（TraditionalComponents）和假定組分(HypotheticalComponents)。我們首先假定天然氣組分分別為如表5.1所表示：表5.1天然氣混合制冷劑組分列表混合制冷劑組分天然氣組分CH4CH4C2H6C2H6C3H8--N2--打開HYSYS選擇組分界面，“添加”，選擇組分：雙擊添加所需組分。界面顯示圖5.1所表示：圖5.1HYSYS中組分選擇視圖以上為簡化假設(shè)，為是使創(chuàng)建模擬步驟時(shí)計(jì)算收斂比較簡單。步驟搭建計(jì)算收斂后，可將參數(shù)修改為實(shí)際情況下組分。（2）物性方法（狀態(tài)方程）狀態(tài)方程是物質(zhì)P-V-T關(guān)系解析式。從19世紀(jì)理想氣體方程開始，狀態(tài)方程一直在完善和發(fā)展中。狀態(tài)方程能夠分為下列三類。第一類是立方型狀態(tài)方程，如VanderWaals、RK、SRK、PR等；第二類是多常數(shù)狀態(tài)方程，如Virial、BWR、MH等；第三類是理論型狀態(tài)方程。第一類和第二類狀態(tài)方程直接以工業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)，在分析和探討流體性質(zhì)規(guī)律基礎(chǔ)上，結(jié)合一定理論指導(dǎo)，由半經(jīng)驗(yàn)方法建立模型，并帶有若干個(gè)模型參數(shù)，需要從試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。通常來說，狀態(tài)方程包含流體性質(zhì)規(guī)律愈多，方程就越可靠，描述流體性質(zhì)正確性越高，范圍越廣，模型越有價(jià)值。即使是試驗(yàn)型狀態(tài)方程也不是簡單擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，和研究者理論素質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)和技巧親密相關(guān)。物質(zhì)宏觀性質(zhì)決定于其微觀結(jié)構(gòu)，科學(xué)工作者一直致力于從微觀出發(fā)建立狀態(tài)方程。第三類狀態(tài)方程就是分子間相互作用和統(tǒng)計(jì)力學(xué)結(jié)合結(jié)果，不過，微觀現(xiàn)象如此復(fù)雜，現(xiàn)在情況下，其結(jié)果離實(shí)際使用仍有差距。綜上特點(diǎn)，本文決定采取第一類立方型狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算。在第一類狀態(tài)方程中，因?yàn)镻R方程能夠較正確估計(jì)液相摩爾體積，所以此次研究中我們選擇PR方程進(jìn)行氣液平衡計(jì)算。圖5.2所表示：圖5.2HYSYS中求解方程選擇視圖（3）.創(chuàng)建物流等控件輸入條件、選定物性方程后，進(jìn)入模擬環(huán)境，創(chuàng)建物流。添加物流包含天然氣和混合制冷不一樣狀態(tài)參數(shù)下各物流。添加其它控件包含：LNG換熱器（兩個(gè)）、節(jié)流閥（兩個(gè)）、氣液分離器（一個(gè)），這些控件全部在第三章中進(jìn)行了比較具體介紹。5.2.2步驟搭建（1）分析步驟圖4.3所表示，該步驟系混合制冷劑制冷循環(huán)。關(guān)鍵步驟為：天然氣進(jìn)入冷箱（換熱器）初步冷卻，約至-40℃～-50℃左右，分離掉部分重?zé)N（關(guān)鍵是C3以上組分），氣相組分繼續(xù)流過冷箱，深入冷卻，至約-150℃低溫，再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓至約-160℃低溫，成為液態(tài)形式（LNG）；混合制冷劑物流進(jìn)入冷箱，被冷混合制冷劑物流冷卻，至-140℃左右。然后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫、降壓，至-150℃圖5.3珠海液化步驟項(xiàng)目混合制冷劑制冷部分（2）搭建步驟模型因?yàn)樘烊粴饨?jīng)冷箱時(shí)，中間有一個(gè)分離重?zé)N操作，所以模擬時(shí)需將冷箱（換熱器）部分等同為兩個(gè)換熱器串聯(lián)形式。搭建時(shí)，關(guān)鍵先分為三部分：氣液分離器（圖5.4（a）），換熱器1（圖5.4（b）），換熱器2（圖5.4（c））。計(jì)算至收斂后再把這幾部分連接起來。圖5.4（a）氣液分離器圖5.4（b）換熱器1圖5.4（c）換熱器2最終搭建成步驟圖5.5所表示：圖5.5最終搭建步驟（已計(jì)算收斂步驟）5.3步驟模擬計(jì)算5.3.1收斂計(jì)算針對(duì)搭建各獨(dú)立控件模塊，參考實(shí)際情況，輸入其進(jìn)出口物流參數(shù)，將各項(xiàng)參數(shù)：各組分摩爾分?jǐn)?shù)，物流壓力、溫度、流量等輸入進(jìn)去。初步收斂計(jì)算情況下參數(shù)設(shè)置如表5.2所表示：表5.2初步收斂計(jì)算參數(shù)設(shè)置列表物流名稱溫度（℃）壓力（Mpa）流量(kgmol/h)備注NG28.04.3401000NG1-48.34.3101000輕組分-48.34.311000LNG1-84.764.2701000LNG-161.00.1001000MR40.04.0008000MR1-50.03.9608000MR2-145.04.2701000MR3-161.30.3308000MR4-79.680.29648000MR532.00.2708000注：混合制冷劑組分為甲烷0.25，乙烷0.25，丙烷0.25，氮?dú)?.25；天然氣組分為甲烷0.98，乙烷0.02（均為摩爾分?jǐn)?shù)）。正體字為輸入數(shù)據(jù)，斜體字為軟件計(jì)算生成出數(shù)據(jù)。5.3.2制冷劑組分對(duì)換熱影響表5.3所表示為輸入數(shù)值，各模擬過程均在此條件下進(jìn)行，為不改變值（壓力、流量如表5.2中，不改變），換熱效率經(jīng)過觀察最終LNG產(chǎn)品（節(jié)流降壓降溫前溫度，即步驟中物流“LNG1”溫度）溫度來進(jìn)行對(duì)比。表5.3不改變數(shù)據(jù)物流名NGNG1輕組分MRMR1MR2MR5溫度（℃）38.0-48.3-48.340.0-50-145.032.0在此以初步收斂計(jì)算時(shí)組分情況為基礎(chǔ)（混合制冷劑中各組分摩爾分?jǐn)?shù)均為0.25），以“0.02”為步長，以下表所表示改變混合制冷劑組分：表5.4改變組分計(jì)算結(jié)果列表組分CH4C2H6C3H8N2LNG1溫度（℃）摩爾分?jǐn)?shù)050.25-84.761摩爾分?jǐn)?shù)10.23-85.62摩爾分?jǐn)?shù)20.250.270.25-87.84摩爾分?jǐn)?shù)7-89.792摩爾分?jǐn)?shù)10.21-86.63摩爾分?jǐn)?shù)20.250.290.25-91.93摩爾分?jǐn)?shù)9-97.643摩爾分?jǐn)?shù)10.39-87.78摩爾分?jǐn)?shù)20.250.310.25-97.32摩爾分?jǐn)?shù)1-108.34摩爾分?jǐn)?shù)10.37-89.06摩爾分?jǐn)?shù)20.250.330.25-103.9摩爾分?jǐn)?shù)3-結(jié)果分析對(duì)表5.4中對(duì)應(yīng)不一樣制冷劑組分下，模擬計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做趨勢(shì)圖，圖5.6所表示：圖5.6各組組分計(jì)算結(jié)果示圖每組中，對(duì)于固定N2摩爾分?jǐn)?shù)，分別增加其它三種烴類摩爾分?jǐn)?shù)，我們從圖5.6中能夠很直觀、清楚地看出，“LNG1”溫度值隨較重組分摩爾組分增加而降低，即