天然气液化计算技术课件

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1、天然气液化计算技术,混合制冷液化工艺计算 天然气液化工艺过程膨胀制冷工艺计算,文中常用符号、名称及单位 Ti 流程中第i点的温度，K； Pi 流程中第i点的压力，Mpa； Hi 流程中第i点的焓，kj/kg； Si 流程中第i点的熵，kj/（kg*k）； Gi 流程中第i点的质量流量，kg/h； EX (火用)，KW； Pi 流程中第i个换热器阻力，Mpa P 换热器总阻力，Mpa,1技术支持 天然气和制冷剂的焓、熵、密度等计算以及相平衡、闪蒸计算。以此再进行液化工艺计算。 1.1工艺计算目的 计算制冷剂循配比、制冷剂循环量（混合制冷剂流程）； 计算压缩机功率； 计算火用损失； 应用范围 可用

2、于5种工程中应用广泛的液化工艺计算：分别是 氮气膨胀制冷液化工艺； 氮甲烷膨胀制冷液化工艺； 调峰型丙烷预冷混合制冷剂（C3-MRC）液化工艺； 基本负荷型丙烷预冷混合制冷剂（C3-MRC）液化工艺； 无预冷混合制冷剂（MRC）液化工艺；,1.2 工艺计算前需已知的参数 在工艺计算前，需确定如下已知参数 （1） 冷箱入口天然气温度、压力、流量及各组分的摩尔分数； （2）LNG储罐的存储温度、压力； （3）换热器端面冷、热流体温差，取3； （4） 各种机械设备的效率，如压缩机、膨胀机、增压机； （5） 计算中换热器阻力，本计算冷箱总阻力取0.1Mpa，每个换热器平均分配，由此引起的误差对计算结果

3、的影响在误差允许范围内。 在丙烷预冷混合制冷剂流程中，还需确定如下参数： （6） 丙烷压缩机出口压力，设计取1.3Mpa； （7） 混合制冷剂的组成及各摩尔分数； C3/MRC混合制冷剂选4种：分别是甲烷、乙烯（或乙烷）、丙烷、氮气； MRC混合制冷剂选5种或6种，详见操作手册；,1.3火用 损失 1.3.1 压缩机火用 损失,Ex=,式中 Ex压缩机火用 损失KW G制冷剂流量Kg/h H1压缩机入口焓KJ/kg H2压缩机出口焓KJ/kg S1压缩机入口熵 KJ/kg. S2压缩机出口熵KJ/kg. 压缩机效率 T0环境温度 K,1.3.2 膨胀机火用 损失,Ex=,式中 Ex压缩机火用

4、损失KW G制冷剂流量Kg/h H1压缩机入口焓KJ/kg H2压缩机出口焓KJ/kg S1压缩机入口熵 KJ/kg. S2压缩机出口熵KJ/kg. 压缩机效率 T0环境温度 K,1.3.3 节流阀火用 损失,Ex=,式中 Ex节流阀火用 损失 KW G节流阀流量Kg/h S1节流阀入口熵KJ/kg. S2节流阀出口熵KJ/kg. T0环境温度 K,1.3.4 多股流换热器火用 损失,Ex=,式中 Ex多股流换热器火用损失 KW Gi换热器中第i股流的流量Kg/h Si1换热器中第i股流入口熵KJ/kg. Si2换热器中第i股流出口熵KJ/kg. T0环境温度 K,1.3.5 水冷器火用 损失

5、,Ex=,式中 Ex水冷器火用 损失KW G水冷器中制冷剂流量Kg/h S1制冷剂入口熵 KJ/kg. S2制冷剂出口熵KJ/kg. T0环境温度 K Q水冷器热负荷 KJ/h,1.3.6 混合火用 损失,Ex=,式中 Ex混合火用 损失KW G1混合前第一股流量Kg/h G2混合前第二股流量Kg/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环境温度 K,2氮膨胀液化工艺计算说明 2.1 液化工艺流程 氮膨胀工艺流程国内中小型天然气液化厂大部分用此流程。 优点： 流程简单

6、，运行管理方便 安全性好，无爆炸危险 技术成熟 缺点： 能耗高，比混合制冷剂液化流程能耗高40%,2.1.1 天然气流程 经过预处理（脱硫、脱碳、脱水、脱汞）的天然气由1点进入冷箱。经过1号换热器预冷后脱除重烃，经2、3、4号换热器液化、过冷，经6点节流降压到24点。24点即为成品LNG，由管路余压输送到LNG储罐。 2.1.2 制冷剂流程 氮气经压缩机压缩、水冷后，依次进入低压增压机、中压增压机增压，然后由7点进入冷箱，经1号换热器预冷后进入中压膨胀机，膨胀后温度、压力均降低，同时输出膨胀功带动中压增压机。膨胀后的氮气由9点进入3号换热器继续冷却，由10点进入低压膨胀机，膨胀后温度、压力进一

7、步降低，同时输出膨胀功带动低压增压机。经第二级膨胀后的制冷剂由换热器的最冷端11点逐级进入各换热器，为天然气和制冷剂提供冷量。,2.2 流程各点状态参数确定 2.2.1 确定冷箱冷、热端温度、压力 （1）1点 天然气进冷箱压力是进站稳压后（或原料气压缩机出口）压力减去吸收塔、脱水、脱汞及管道阻力。通过迭代计算总功率最小时压缩机出口压力值，作为进冷箱压力。 温度则根据工程所在地压缩机出口气体冷却后的温度确定。 （2）7点 7点是制冷剂进冷箱压力，一般在4.4 4.7MPa之间，经过迭代计算寻找压缩机功耗最小时对应的的P7。温度T7=T1。 （3）24点 24点是冷箱中LNG节流后状态。其压力为储

8、罐的存储压力加上输送过程中的局部阻力、沿程阻力和液位高差，并考虑一定富余量。温度按等于储罐工作温度计算（考虑从冷箱至罐因有压降而引起的焦耳汤姆逊效应将导致一定的温降，会抵消一部分因输送管道受热而引起的温升，故计算时按温度相等计算，因此而所引起的误差在允许范围内）。,（4）6点 6压力为天然气冷箱入口压力减去各换热器阻力。然后根据h6=h24及P、H闪蒸计算T6。 （5） 11点 计算11点前先假定10点状态，根据10点温度、压力迭代计算，寻找满足T6-T113最大的T11。10点压力工程设计取1.49Mpa，温度在140K-160K之间，经过膨胀机等熵膨胀迭代试算T11， P11取0.4Mpa

9、。 （6）15点 T15=T11-3，P15=P11-P，P=0.1MPa为冷制冷剂通过三个换热器的总阻力。,2.2.2 8点和2点 P8=P7-P1，T8是影响制冷剂压缩机功耗的主要因素之一，需迭代计算以寻找最小功耗对应的T8，迭代温度范围在230K-245K。T2=T8，P2=P1-P1，P1为天然气通过1号换热器阻力。 2.2.3 9点和4点 P9=P10+P3，P3为热制冷剂通过3号换热器阻力。由8点等熵膨胀计算T9。T4=T9，P4= P1-P1-P2。,2.2.4 确定制冷剂的循环量G7 列一、二、三、四换热器热平衡方程 一换 G1（H1-H2）+G7（H7-H8）=G7（H15-

10、H14） 二换（当无重烃分离时） G1（H3-H4）=G7（H14-H13） 三换（当无重烃分离时） G1（H4-H5）+G7（H9-H10）=G7（H13-H12）,四换 G1（H5-H6）=G7（H12-H11） 四个方程相加即为冷箱热平衡方程 G1（H1-H5）+G7（H7-H8）+G7（H9-H10）=G7（H15-H11），可写成 G7= 以此式求G7，可关联四个换热器的热平衡，故所求的G7可满足四个换热器的热平衡。,2.2.5 做第一个换热器热平衡，求H14 。由求得的 及 做P、H闪蒸求T14。 2.2.6 做第二个换热器热平衡，求H13 ，由求得的 及 做P、H闪蒸求 。 2.

11、2.7 做第四个换热器热平衡，求H12 ，由求得的 及 做P、H闪蒸求 。,2.2.8定低压增压机增压后压力P20 定P20后，中压增压机入口P21= P200.01，其中0.01为冷却器阻力。 中压增压机入口 。确定中压增压机入口温度、压力及出口压力后可计算出增压机需要的功率 。经过试算不同的 使中压膨胀机输出功 满足 / =1.011.02。即中压膨胀机输出的膨胀功能满足中压增压机。 2.2.9定压缩机压缩后压力P17 确定P17的方法同上，即低压膨胀机输出功率NPZ2能够满足低压增压机需功率。 2.2.10 计算压缩机功率N 由压缩机进口压力、温度及出口压力可计算出压缩机功耗N。,2.2

12、.11 结果的约束条件 （1）、各换热器断面温差不能出现负温差，且冷热流体的设计温差不能小于3； （2）、各换热器熵增必须大于零 为了使各换热器换热过程可行，除了不能出现负温差外，各换热器的熵增必须大于零，及火用损失不能为负值。软件中对每次计算结果都有检查程序，保证换热器换热过程中不出现负温差。 （3）通过换热器检查程序 换热器检查程序的目的是校核换热器中制冷剂提供的冷量在换热器的低温段是否足够。 天然气液化过程中天然气和混合制冷剂均有相变。天然气由气相液化过程中，在较小的温差范围内需要大量的冷量。混合制冷剂先被冷却液化后再为天然气和制冷剂提供冷量，因此有同样的问题。而混合制冷剂在提供冷量过程

13、中，由液相制冷剂变成气相制冷剂的相变过程中，在较小的温差范围内会提供大量冷量。如果天然气在一个换热器低温段液化，而制冷剂在换热器高温段气化提供冷量，虽然换热器冷热负荷看似平衡，但由于制冷剂汽化温度高，冷热流体间是负温差，不会传热，因此制冷剂不会把天然气冷却到预计的温度。因此检查程序就是检查某换热器低温段冷量是否足够。检查的方法是从换热器底部每5一个温度区间，确保自低温向高温的温度区间累积冷负荷足够。,2.2.12 氮膨胀天然气液化工艺程序结构流程图,2.3 原料气组分选择及组成计算 2.3.1原料气组成计算 根据天然气每种物质的摩尔分数,计算出各摩尔分数之和。 2.3.2天然气液化计算 氮膨胀

14、液化流程工艺计算其计算最终考核结果是原料气压缩机功率和制冷剂压缩机功率之和最小。“氮膨胀天然气计算”适用于天然气压力满足液化工艺需要（一般大于4MPa），无需增加原料气压缩机。 2.3.3天然气液化工艺计算 计算前先输入基本参数。方法是选“氮膨胀”“氮膨胀天然气计算” “初始化”。进入“初始化”页面输入计算所需的基本数据。其中膨胀机及增压机效率若不输入，系统会根据液化规模自动选择相应的效率。 氮膨胀天然气计算的迭代有2个嵌套循环。分别是氮气进入冷箱（7点）压力和氮气第一个膨胀机入口（8点）温度。7点压力的迭代区间一般在4.4Mpa4.8Mpa（绝压），步长取0.01或0.02Mpa。8点温度的

15、迭代区间一般在230K 245K，步长取0.5K或1K。迭代方法是先固定压力不变，计算完一个温度循环，改变压力，再次计算一个温度循环。,3 氮甲烷膨胀液化工艺计算说明 3.1 液化工艺流程 氮膨胀流程的改进，功耗比氮膨胀节省10%15%。 优点： 流程简单，运行管理方便 , 技术成熟 缺点：能耗高，比混合制冷剂液化流程能耗高25%30%, 制冷剂需防爆,氮甲烷膨胀天然气流程与氮膨胀相同，这里只介绍制冷剂系统。 氮甲烷膨胀优点是比纯氮气膨胀液化系统压缩机功耗低。在氮甲烷制冷系统中，制冷剂氮-甲烷经循环压缩机和增压机增压到工作压力，经水冷器冷却后，进入第一换热器被冷却到透平膨胀机的入口温度。一部分

16、制冷剂进入膨胀机膨胀到循环压缩机的入口压力，与返流的20点制冷剂混合后，为第二换热器提供冷量，回收的膨胀功用于驱动增压机。另一部分制冷剂从16点经第二、第三换热器冷却，经节流阀降温后返流，为第三换热器提供冷量。氮甲烷膨胀用一级膨胀机的目的是为了避免采用两个膨胀机时第二级膨胀后带液。,3.2 流程各点状态参数确定 3.2.1确定制冷剂组成 制冷剂是由氮甲烷组成，其组成配比需迭代计算，寻找功耗最小时对应的配比。制冷剂中氮气含量高则系统功耗大，含量低冷箱低端节流后温差不够3，试算时氮气摩尔分数取25%，逐渐增大。 3.2.2确定冷箱冷、热端温度、压力 氮甲烷膨胀1点、5点、6点确定方法同氮膨胀相同。 （1）12点 制冷剂进冷箱12点压力基本和氮膨胀进冷箱压力相同，在4.4 4.7Mpa之间，经迭代计算寻找压缩机功耗最小时对应的压力。 （2）18和19点 T18=T5，P18=P12-P，P=0.1MPa为热制冷剂通过三个换热器的总阻力。 冷箱冷端节流后19点压力设计取0.4Mpa。计算节