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      級聯(lián)型天然氣液化HYSYS計算模型研究

      2013-11-08 03:32:46張玉璽李娟花李占生齊園園
      天然氣與石油 2013年3期
      關(guān)鍵詞:精餾塔節(jié)流分離器

      王 勇 張玉璽 李娟花 李占生 齊園園

      1.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710018;2.中國石油長慶油田公司監(jiān)理公司,陜西 西安 710018

      0 前言

      天然氣液化調(diào)峰裝置主要分布在歐洲和北美。其主要分布情況為:美國62座、英國5座、加拿大3座、德國2座,澳大利亞、阿根庭、中國、比利時和荷蘭各1座[1]。

      國內(nèi)某LNG調(diào)峰站是我國第一座調(diào)峰型天然氣液化裝置。該裝置建成推動了我國液化天然氣工業(yè)的發(fā)展,是東海天然氣早期開采供應(yīng)上海城市燃氣工程下游部分中的一個重要組成部分。主要用于天然氣早期開采中上游工程因不可抗拒的因素(如臺風(fēng)等)停產(chǎn),輸氣管線事故,或冬季調(diào)峰時向管網(wǎng)提供安全可靠的天然氣。該裝置由法國燃氣公司設(shè)計制造,1999年投入運行[2]。

      法國燃氣公司在研究世界各種天然氣液化流程基礎(chǔ)上,從優(yōu)化流程、減少投資上開發(fā)了新型的混合冷劑液化流程,即整體結(jié)合式級聯(lián)型液化流程。該流程吸收了國外LNG技術(shù)最新發(fā)展成果,與當(dāng)今天然氣液化技術(shù)發(fā)展趨勢相吻合。國內(nèi)某LNG裝置作為調(diào)峰引進了該流程,實際運行證明該工藝具有實用價值。由于國外資料沒有提供具體的計算模型,因而生產(chǎn)操作中無法對裝置進行參數(shù)的最優(yōu)控制。本文通過運用國際上著名的HYSYS軟件對該LNG調(diào)峰站進行模擬計算,結(jié)果表明:模擬與實際運行吻合得較好[3]。

      1 級聯(lián)型天然氣液化流程特點

      級聯(lián)型天然氣液化流程具有流程精簡、降低設(shè)備投資和操作費用的特點,主要是簡化了預(yù)冷制冷機組的設(shè)計。在流程中增加了精餾塔,并將冷劑分餾為以丁烷和戊烷為主的重組分和以氮、甲烷、乙烷為主的輕組分。重組分在冷卻和節(jié)流降溫后返流,作為冷源進入冷箱上部預(yù)冷天然氣和混合冷劑;輕組分氣液分離后進入冷箱下部,用于冷凝和過冷原料氣。

      本工藝中冷箱采用高效釬焊板翅式換熱器。該換熱器具有體積小,便于安裝的特點。整體冷箱分為上下兩部分,結(jié)構(gòu)緊湊,換熱器平行排列,換熱面積大,絕熱效果好。天然氣在冷箱內(nèi)被冷卻至-160℃左右的液體,漏熱損失降低并較好地解決了兩相流分布問題。模塊化型式制造使得冷箱便于安裝,預(yù)留管路在施工現(xiàn)場進行法蘭連接,降低建設(shè)費用。壓縮機和驅(qū)動機具有型式簡單、可靠、投資與維護費用低的特點[4]。

      2 級聯(lián)型天然氣液化HYSYS模擬計算

      2.1 天然氣組成

      天然氣組成見表1。

      表1 原料天燃氣組成表

      2.2 原料氣冷卻流程

      圖1為采用國際上著名軟件HYSYS模擬出的流程。該流程主要由壓縮機、分離器、冷卻器、混合器、換熱器、塔器以及節(jié)流閥組成。該數(shù)學(xué)模型主要以實際的原料氣組分在操作工況下的溫度和壓力進行模擬,其組分在各個設(shè)備中進行分離、閃蒸、節(jié)流等過程的傳質(zhì)、傳熱計算。

      原料天然氣組成見表1所示。圖1中天然氣物流1(溫度40 ℃,壓力4.8 MPa,流量196.2 kmol/h)經(jīng)過換熱器1冷卻,冷卻后物流2(溫度-25 ℃,壓力4.79 MPa)再進入分離器1分離,分離器1底部分離出重?zé)N。物流3從分離器1頂部出來進入節(jié)流閥1節(jié)流制冷,制冷后物流4(溫度-27.73 ℃,壓力4.4 MPa),再進入換熱器2換熱,換熱后物流5(溫度-135 ℃,壓力4.39 MPa)進入節(jié)流閥2繼續(xù)節(jié)流制冷。制冷后物流6(溫度-160.5 ℃,壓力0.11 MPa)最后進入分離器5,頂部分離出閃蒸氣(溫度-160.5 ℃,壓力0.11 MPa),罐底部出來為LNG產(chǎn)品(溫度-160.5 ℃,壓力0.11 MPa)。

      圖1 級聯(lián)型天然氣液化HYSYS 計算模型圖

      2.3 冷劑循環(huán)流程Ⅰ

      表2 制冷天然氣組成表

      表2為制冷天然氣組成表。如圖1所示:制冷天然氣7(溫度21.9 ℃,壓力0.316 MPa,流量492.4 kmol/h)先進入低壓吸入筒進行氣液分離,頂部出來氣相8(溫度21.9 ℃,壓力0.316 MPa)進入壓縮機1壓縮,底部液烴排出罐外。壓縮后物流9(溫度65.43 ℃,壓力0.73 MPa)再進入冷卻器1冷卻,冷卻后物流10(溫度40 ℃,壓力0.72 MPa)進入分離器7進行分離。從分離器7頂部出來的物流11進入壓縮機2進行壓縮。壓縮后物流13(溫度88.98 ℃,壓力1.71 MPa)進入冷卻器2冷卻。冷卻后物流14(溫度40 ℃,壓力1.7 MPa)進入精餾塔底部進行精餾。從分離器7出來的物流12(溫度40 ℃,壓力0.72 MPa)經(jīng)過泵1增壓后,物流43(溫度40.68 ℃,壓力1.66 MPa)進入精餾塔中部塔盤[5]。

      2.4 冷劑循環(huán)流程Ⅱ

      從高壓吸入筒出來的氣相物流28(溫度20 ℃,壓力1.43 MPa)進入壓縮機3進行增壓,增壓后物流29(溫度99.73 ℃,壓力4.45 MPa)進入冷卻器3冷卻,冷卻后物流30(溫度35 ℃,壓力4.44 MPa)打循環(huán)進入換熱器1中。經(jīng)過換熱后物流32(溫度-20 ℃,壓力4.43 MPa)進入分離器2,底部出來的液相物流3(溫度-20 ℃,壓力4.43 MPa)進入換熱器2換熱,出來物流35(溫度-130℃,壓力4.42 MPa)進入節(jié)流閥3節(jié)流制冷后,物流36(溫度-130.1℃,壓力0.36 MPa)再進入分離器3。氣相物流33(溫度-20 ℃,壓力4.43 MPa)進入換熱器2換熱,換熱后物流37(溫度-130 ℃,壓力4.42 MPa)進入節(jié)流閥4節(jié)流制冷后與物流38(溫度-154 ℃,壓力0.36 MPa)同時進入分離器3。從分離器3出來的液相物流39與氣相物流40匯在一起后,物流41(-140.2 ℃,壓力0.36 MPa)給換熱器2提供冷量,換熱后物流42(溫度-35.8 ℃,壓力0.35 MPa)與物流19匯在一起進入分離器5(后面流程見精餾塔塔底液相流程所述)。

      從精餾塔頂部出來的氣相物流15(溫度38.5 ℃,壓力1.6 MPa)經(jīng)過節(jié)流閥6節(jié)流制冷后,物流24(溫度36.97 ℃,壓力1.44 MPa)進入換熱器1換熱,換熱后物流25(溫度20 ℃,壓力1.43 MPa)進入高壓吸入筒進行氣液分離。底部出來的液相物流27(溫度20 ℃,壓力1.43 MPa)經(jīng)泵2 增壓后進行循環(huán),物流46(溫度20.17 ℃,壓力1.65 MPa)進入精餾塔頂部。精餾塔設(shè)置10層塔盤,(塔頂壓力控制為1.6 MPa,塔底壓力控制為1.63 MPa)。塔頂出來氣相15(溫度38.49 ℃,壓力1.6 MPa)經(jīng)過節(jié)流閥6節(jié)流制冷后,物流24(溫度36.97 ℃,壓力1.44 MPa)進入換熱器1,然后打循環(huán)進入高壓吸入筒,如前所述。

      從精餾塔底部出來的液相物流16(溫度39.09 ℃,壓力1.63 MPa),經(jīng)過泵3增壓,物流17(溫度39.10 ℃,壓力1.64 MPa)進入換熱器1換熱,換熱后,物流18(溫度-20 ℃,壓力1.63 MPa)進入節(jié)流閥5節(jié)流制冷,制冷后物流19(溫度-24.6 ℃,壓力0.33 MPa)再進入分離器5,分離器頂部出來的氣相物流20(溫度-30.38 ℃,壓力0.326 MPa)與分離器底部出來的液相21(溫度-30.38 ℃,壓力0.326 MPa)混合在一起,進入換熱器1。換熱后物流23(溫度21.87 ℃,壓力0.316 MPa)打循環(huán)后,物流7進入低壓吸入筒[6]。

      3 裝置考核對比分析

      通過考察國內(nèi)某調(diào)峰型LNG裝置的設(shè)定參數(shù),現(xiàn)將其計算值與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果見表3。

      表3 HYSYS計算值與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比表

      經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):由于HYSYS模型計算得出在設(shè)定的溫度或壓力下,系統(tǒng)能耗較低和制冷循環(huán)效率較高,故表3所列關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定值和模擬計算值比較接近。實際值與計算值出現(xiàn)偏差,其原因是由于運行時間增加,設(shè)備出現(xiàn)老化,系統(tǒng)在低負荷下運行,參數(shù)達不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)??傮w來看,計算參數(shù)和運行參數(shù)吻合較好[7~8]。

      4 結(jié)論

      本文通過考察新型級聯(lián)型天然氣液化裝置,通過對系統(tǒng)中各參數(shù)進行分析和研究,采用國際上著名的HYSYS軟件建立起了級聯(lián)型天然氣液化裝置計算模型。通過對該系統(tǒng)工藝參數(shù)模擬研究發(fā)現(xiàn):流程中模擬參數(shù)與該運行裝置參數(shù)基本接近,這也證明了HYSYS用在該流程的準(zhǔn)確性。該模型的研究不僅對國內(nèi)開展天然氣液化設(shè)計提供參考、技術(shù)支撐和指導(dǎo)作用;還可對所建裝置進行實時參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化、提高產(chǎn)率,降低能耗等也具有重要的價值和意義。

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