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1、中国石油大学（北京）本科毕业设计 第I页天然气混合制冷液化流程模拟摘 要混合制冷剂天然气液化工艺是目前应用最广泛的液化工艺。本文在分析天然气液化装置中常用的混合制冷剂液化循环的几种基本工艺的基础上，根据天然气和混合制冷剂热物性的特点，选择了PR（Peng-Robinson）方程来计算这两种混合物的相平衡特性。利用HYSYS软件研究了混合制冷剂流程的冷箱制冷部分，建立了冷箱模拟计算模型，研究了混合制冷剂组分对液化过程的影响。关键词: 混合制冷液化循环；流程模拟；HYSYS；冷箱中国石油大学（北京）本科毕业设计 第II页Simulation of Mixed Refrigerant Cycle f
2、or Natural Gas LiquefactionAbstractThe Mixed-Refrigerant Cycle (MRC) is the most widely used liquefaction process nowadays. Several MRC cycles for Liquefied Natural Gas (LNG) production were analyzed in this paper,-Based on the thermodynamic properties of natural gas and mixed-refrigerant, the Peng-
3、Robinson (PR) equation was selected to calculate the phase equilibrium. The cold box in the liquefaction cycle was simulated by used HYSYS software, the model was established and the components of the mixed refrigerant influence on liquefaction process were studied.Key words: MRC; simulation; HYSYS;
4、 cold box中国石油大学（北京）本科毕业设计 第IV页目 录第1章 前 言11.1 工业背景和研究意义11.1.1 世界液化天然气工业的发展21.1.2 中国液化天然气工业的发展21.2 国内外研究现状41.3 研究内容5第2章 混合制冷液化流程62.1 混合制冷液化流程62.2 混合制冷剂液化流程的分类62.2.1 闭式混合制冷剂液化流程62.2.2 开式混合制冷剂液化流程82.2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化流程92.2.4 CII液化流程122.2.5 新型两级混合制冷剂液化流程14第3章 冷箱163.1 冷箱简介163.2 冷箱的技术关键163.2 液化天然气领域冷箱的应用16第4
5、章 天然气液化流程模拟软件194.1 HYSYS简介194.2 HYSYS中各个模块的性质与原理204.2.1 气液分离器204.2.2 壳管式换热器214.2.3 LNG换热器244.2.4 阀门264.3HYSYS的实际应用26第5章 天然气液化流程模拟285.1 概述285.2 液化流程模拟步骤285.2.1 输入条件285.2.2流程搭建305.3流程模拟计算335.3.1收敛计算335.3.2制冷剂组分对换热的影响345.3.3 结果分析35第6章 结论与展望376.1 结论376.2 展望37参考文献38致 谢39 第1章 前言 第4页第1章 前 言1.1 工业背景和研究意义天然气
6、作为一种清洁优质燃料，是当今世界能源消耗中的重要组成部分，其开发和利用已在全球受到普遍关注1。随着天然气探明储量的增加，世界天然气的产量呈持续增长趋势。近几十年，天然气在能源结构中的比例逐年稳步上升。目前，天然气消费量的年平均增长率为2.2%，远高于同期石油消费增长率的0.8%。天然气消费量增长带动和促进了天然气工业的发展，现在，人们越来越多的关心如何更好、更经济地利用天然气来服务于人类生活。液化天然气就是天然气利用的一种方式。液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）是无色透明、无臭的低温液体，是在常压下将天然气冷冻至-162左右，由气体变为液态，它是天然气经过净化
7、（脱水、脱CO2、H2S等酸性气体）后，采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的，其体积约为气态体积的1/600。将天然气液化的目的主要有以下几个方面2-4：（1）天然气液化后便于进行经济可靠的运输。目前，天然气资源分布不均衡，生产地和消费地常存在相当长的距离，在不便敷设管道的地区，用专门的槽车、火车、轮船，将LNG运输到销售地，方便灵活，适应性强。（2）提高储存效率和安全保证。可实现低压储存及使用，避免了压缩天然气（CNG）高压（压力20MPa）储存及使用带来的威胁。（3）将天然气液化，有利于城市符合的调节。可将低负荷时多余的天然气液化后储存，当用气或用电高峰时，再将其气化，
8、可以达到调节供需和应急的目的。（4）液化天然气的突出优点是环境效益显著。液化天然气作为汽车发动机燃料对大气的污染要比汽油少得多。基于以上LNG众多优点，可以看出，发展液化天然气（LNG）项目是目前世界能源发展的潮流，在我国发展液化天然气也是势在所趋。1.1.1 世界液化天然气工业的发展天然气是一种非常重要的资源，它燃烧清洁，污染小，通常生产与输送成本低廉，其储量十分巨大。但是，天然气的产地往往远离能源消耗区，这就需要通过某种方式将天然气从气田或资源国输送至目标用户。管道输送是一种好的输送方式，但对于远距离越洋运输，目前还没有成熟的技术可以建造深海长距离输送管道，因此需要寻找其他的方法。LNG是
9、一个越洋大量输送天然气的商业化技术。1964年9月27日，阿尔及利亚的世界上第一座LNG工厂建成投产。同年，第一艘载着12000吨LNG的船驶往英国，标志着世界LNG贸易的开始。1.1.2 中国液化天然气工业的发展我国是能源和原材料生产大国，也是消费大国，人均占有资源量相对少。尽管有丰富的国内天然气资源和周边国家可供利用的天然气资源，但是到目前为止，由于客观原因，致使我国天然气消费量在一次能源消费结构中仅占2%左右，而西方发达国家要占20%左右。随着我国国民经济的发展，尤其是对环境保护的日益重视，天然气需求量将迅速增大。天然气需求量的增长必然促进液化天然气工业的发展。2001年中原油田为了将天
10、然气资源用于城市燃气和汽车代用燃料，建造了国内第一座生产型的液化天然气装置。2002年新疆广汇集团开始建设一座日处理天然气量为150万m3的液化天然气工厂。2004年6月，国家发改委在我国能源中长期发展规划的基础上制定了关于我国液化天然气进口方案的建议。建议中提出在广东，福建，山东，浙江，上海，江苏，辽宁，河北，天津，广西等沿海地区建设若干LNG接收码头和输气干线。基本形成以LNG为主体的沿海天然气大通道，并适时与全国主干管网相连接。这标志着我国LNG进口工作全面启动，并将通过实施以市场换资源战略推动石油公司走出去，进入国际石油天然气资源地和LNG工业。近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃，正
11、在成为世界油气工业新的热点。我国正处在天然气工业发展的黄金时期，随着更多的城市使用更多的天然气，对液化天然气(LNG)的需求也有明显的增长。2006年6月底，深圳大鹏LNG项目的投产，更是吹响了我国LNG事业全面发展的号角。同时国际LNG市场正由买方市场转向卖方市场，但近年内仍处于买方市场，这也为我国发展LNG产业创造了良好的外部资源条件。LNG产业的发展对我国发展国民经济，调整能源结构，改善环境质量，提高生活水平，促进经济与环境协调发展具有重要意义!我国LNG工业应实施全球化，市场化，多元化和系统化发展战略，以形成LNG与管道以及海洋天然气共同发展与石油资源互为补充的格局。从而改善我国能源结
12、构，保障国家能源安全!在未来的一些年中，除了有数以百万吨计的LNG自海外进口，更多的天然气液化工厂和LNG末端装置也会迅速建设起来。总的来说，我国LNG工业的特点是起步晚、潜力大，广阔的市场和客观的经济和社会效益为我国的LNG工业发展提供了难得的机遇。LNG已经成为一种重要的不可替代的能源，持续高速度的发展历程展示了它强大的生命力。近年来，LNG基础技术以及天然气液化、储运装置的研究蓬勃发展。随着应用研究的深入，LNG将有越来越广泛得到应用。可是预言，我国LNG工业将会进入一个崭新的发展阶段。我们LNG工业刚刚起步，未有成熟的独立设计、建造工厂的经验，只能引进国外配套设备和技术。但是由于国情和
13、工厂设计规模等情况的不通，往往使得引进的天然气液化流程和提供的岗位操作参数不合时宜，出现投资费用大、液化率低、功耗大的情况。解决上述问题的方法就是根据实际情况、利用自身特点优选液化流程及合理选择操作参数。当代工业规模的天然气液化（即LNG的生产）技术通常可用下面框图表示为三部分，即原料气预处理、液化和储存三部分。图1.1 天然气液化技术组成图其中，液化流程在整个LNG工厂中占有重要的地位，实践证明，在LNG工厂总投资中天然气液化部分所占的比例大约为40%左右，研究液化工艺流程具有现实意义和深远的社会以及经济效益，所以对液化流程进行模拟设计和流程参数分析显得尤为重要，因为流程模拟是过程系统工程中
14、最基本的技术不论过程系统的分析和优化，还是过程系统的综合，都是以流程模拟为基础。而合理地选择参数不仅使模拟过程能够顺利进行，而且还会使模拟结果切实可行。1.2 国内外研究现状我国的LNG工业刚刚起步，独立设计、建造LNG装置的经验较少。进行天然气液化流程的理论分析和设计流程有重要的意义。国外从20世纪70年代开始，对LNG装置的液化流程进行来设计、模拟与评价工作5-6。Shell公司针对基本负荷型LNG装置的液化流程的最新发展，模拟计算了级联式液化流程、丙烷预冷混合制冷剂液化流程、两级混合制冷剂液化流程和氮气膨胀液化流程，并分别分析了其优劣7。1995年，Melaaen提出了简化的绕管式换热器
15、模型。在此基础上，建立了基本负荷型天然气液化流程动态仿真模型，并采用隐式DASSL进行了仿真计算，指出设计变量初值的选取对仿真计算的收敛影响很大。1998年，Terry采用HYSYS软件对典型的调峰型天然气液化流程进行了模拟计算与优化8。1997年，Kikkawa在现有设备的基础上，设计了新型的混合制冷剂预冷、膨胀机液化流程，并采用CHEMCADIII软件进行了模拟计算9。我国目前缺乏天然气液化流程设计调试经验，在专用天然气液化模拟软件的开发方面比较欠缺。20世纪90年代初，开始进行天然气液化流程理论发面的研究，陈国邦、滕大振分析了调峰型LNG装置液化流程的特点，对不同流程及其使用条件进行了比较。1992年，郭东海对混合制冷剂天然气液化流程的参数的选定及优化工作做了初步的探讨10。刘新伟针对煤层天然气的回收，提出了带循环压缩机的氮膨胀液化流程并进行了模拟计算。上海交通大学顾安忠教授领导的课题组长期以来从事液化天然气的研究，尽管如此，我国在液化天然气液化技术水平和应用范围等方面与国外还是存在一定的差距。从国内外研究发展情况可以看出，
