天然氣液化的流程設計

原料天然氣進氣量為50000m3/d，進口壓力為0．1MPa，溫度為30℃，為便于計算與模擬，取純甲烷作為天然氣成分，液化天然氣的儲存壓力為0．1MPa，換熱器冷損占換熱量的4%，壓縮機等熵效率為0．79，膨脹機的等熵效率為0．8，壓縮機、膨脹機機械效率均為0．98。丙烷預冷循環中壓縮機出口壓力為1．5MPa，丙烷預冷循環中節流后壓力為0．1MPa。在搭建PRO/Ⅱ流程時，需要特別注意的是，實際使用的循環壓縮機需要雙級以上壓縮，并且具有中間冷卻器，盡管可以用PRO/Ⅱ的一個壓縮機單元模塊模擬一個完整的壓縮機，但它在壓縮機動力消耗、氣體出口溫度上明顯偏離實際過程，因此這里采用2個壓縮機和一個換熱器來模擬實際的雙級壓縮機，兩個壓縮機之間的簡單換熱器相當于雙級級壓縮機中的級間冷卻器。此外，流程中的分離器起到管道分流作用，可以調節流向各管路的流量。根據小型天然氣液化流程的特點及以上要求，初步設計了3種工藝流程方案。然氣經壓縮機C1、C2壓縮到1．5MPa，然后經簡單水冷換熱器E1冷卻到42℃，在分離器SP1中分流，物流S6用于節流液化產生LNG，S12用于膨脹制冷。S6經E3、E4冷卻至－118℃，然后經節流閥V1降壓到0．1MPa，溫度降至－161．722℃，部分液體汽化，氣液混合物在閃蒸罐F1中進行分離，液相進入液化天然氣儲罐進行儲存，氣相作為返流氣與S14混合后為各換熱器提供冷量，復熱后可直接用作天然氣原料氣進行再循環。物流S12經膨脹機EX1膨脹，降壓到1bar與返流的氣相天然氣S11混合為各換熱器提供冷量。入口溫度為30℃，入口壓力為0．1MPa的天然氣氣體經壓縮機C1、C2壓縮到1．5MPa，然后經簡單水冷換熱器E1冷卻到42℃，在分離器SP1中分流，物流S6用于節流液化產生LNG，S13用于膨脹制冷。S6經E3、E4冷卻至－92℃，再經E4冷卻至－118℃，然后經節流閥V1降壓到0．1MPa，溫度降至－161．722℃，部分液體汽化，氣液混合物在閃蒸罐F1中進行分離，液相進入液化天然氣儲罐進行儲存，氣相作為返流氣與S17混合后為各個換熱器提供冷量，復熱后可直接用作天然氣原料氣進行再循環。物流S13經膨脹機EX1膨脹，降壓到0．387MPa，為換熱器E4提供冷量，然后進入膨脹機EX2膨脹到0．1MPa，與返流的氣相天然氣混合為換熱器E5、E3提供冷量。天然氣液化模塊:入口溫度為30℃，入口壓力為0．1MPa的天然氣經壓縮機C1、C2壓縮到1．5MPa，然后經簡單水冷換熱器E2冷卻到42℃，然后進入換熱器E3，被丙烷和返流的天然氣冷卻到－37℃后進入分離器SP1分離，物流S7用于節流液化產生LNG，S13用于膨脹制冷。S7經E4、E5、E6冷卻至－118℃，然后經節流閥V1降壓到0．1MPa，溫度降至－161．722℃，部分液體汽化，氣液混合物在閃蒸罐F1中進行分離，液相進入液化天然氣儲罐進行儲存，氣相作為返流氣與S17混合后進入換熱器E3、E4、E6提供冷量，復熱后可直接用作天然氣原料氣進行再循環。物流S7經膨脹機EX1膨脹到0．387MPa，為換熱器E5提供冷量，然后進入膨脹機EX2膨脹到0．1MPa，降溫后與返流氣相天然氣混合為換熱器E3、E4、E6提供冷量。丙烷預冷模塊:入口壓力為0．1MPa，入口溫度為30℃，流量為6kmol/h的丙烷經壓縮機C3、C4壓縮到1．5MPa進入換熱器E8水冷到42℃，然后進入節流閥V2節流到0．1MPa，然后進入換熱器E2，此時E2相當于丙烷預冷循環中的蒸發器，吸收天然氣熱量后與丙烷初始參數相同，可直接再次進行預冷循環。

天然氣液化流程模擬對流程

1、2和3進行模擬，通過調整膨脹用天然氣流量Qe，在各換熱器沒有負溫差及各裝置參數合理的情況下得到最高液化率，查出此時對應的壓縮機功耗Wc，膨脹功We(kW)，LNG產量QL(m3/h)，LNG密度ρ(kg/m3)。在天然氣壓縮到相同壓力、相同溫度的情況下，方案1比功耗最大，液化率最低，而且膨脹機的膨脹比非常大，對膨脹機的技術要求很高，技術不能實現。方案2與方案3其設備均可實現，由于增加了丙烷預冷模塊，方案3的壓縮機功耗大于方案2功耗，膨脹機功率小于方案2。但是，方案3液化率比方案2高4．57%，比功耗僅占方案2的81%。綜上所述，方案3是最佳方案。天然氣節流前溫度對液化流程的影響當壓力不變的情況下，降低天然氣液化溫度會有效的提高液化率。節流閥前的溫度會影響比功耗和液化率。為節流前溫度T對系統液化率η的影響，可以看出隨著溫度的降低會有利于天然氣的液化，液化率隨之提高。為節流前溫度T對系統比功耗ω的影響，可以看出隨著溫度的降低系統比功耗降低。這是因為溫度的降低雖然導致系統功耗增大，但液化率也隨之提高，液化天然氣產量增加，使的液化天然氣的比功耗降低3。天然氣膨脹壓力對液化流程的影響當天然氣節流前溫度不變時，改變天然氣膨脹前后壓比對液化率有影響。從圖6可以看出，在天然氣膨脹后壓力為0．1MPa情況下，改變膨脹前壓力p，壓力越高，液化率隨之提高，即膨脹比越大，液化率越高。在通常情況下，從管道送來的天然氣往往具有很高的壓力，有時原料氣本身壓力甚至可以達到4MPa，此時天然氣不需經過壓縮機壓縮就可以進行膨脹制冷生成液化天然氣，從而使功耗進一步減小。經模擬及理論研究，壓力越大，其單位能耗越低。如果預冷后溫度進一步降低，液化過程能耗還可大幅度減少。膨脹前后壓力比越大，液化率越高。