高嘉珮 ，王志剛 ，姚瑞清 *，曹強(qiáng)強(qiáng) ，員汝娜，郭 琦 ，李穩(wěn)宏

（1.西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710069 2.陜西延長石油天然氣有限責(zé)任公司，陜西 延安 727403）

與煤和石油相比，天然氣在使用過程排放的CO2、CO、SOX、NOX量最少，因此作為“清潔能源”被人們廣泛使用[1]。目前最常采用且經(jīng)濟(jì)、有效的天然氣輸送方式為管道運(yùn)輸[2-3]，而液化天然氣（LNG）是管道沒有抵達(dá)地區(qū)輸送天然氣的重要方式，更是遠(yuǎn)海運(yùn)輸天然氣的唯一方式。液化天然氣是利用制冷工藝，在常壓下將天然氣冷卻至-162℃變?yōu)橐后w，液化后天然氣體積僅為同質(zhì)量常規(guī)天然氣體積的1/625，為其進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和存儲(chǔ)提供了極大的便利，因此發(fā)展天然氣液化工藝具有極為重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[4-7]。

根據(jù)制冷方式的不同，天然氣液化可分為階式制冷循環(huán)、混合制冷循環(huán)和膨脹制冷循環(huán)[8～9]，其中以混合冷劑制冷循環(huán)應(yīng)用最廣，混合制冷循環(huán)是采用N2與C1～C5烴類混合物作為制冷劑的工藝，它比階式液化工藝設(shè)備機(jī)組較少，流程簡單，比膨脹制冷循環(huán)投資省，能耗低，且自身管理方便[10]?；旌现评淞鞒桃话愦嬖谀芎妮^高，并且冷劑配比難度較大的問題，因此人們對(duì)混合制冷循環(huán)工藝優(yōu)化進(jìn)行了大量研究。孟毅明[11]等采用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)混合冷劑配方進(jìn)行了研究。楊國通等[12]以比功耗最小為目標(biāo)函數(shù)確定混合冷劑最佳配比。人們常用混料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化食品、藥劑配方[13-15]，而將混料設(shè)計(jì)應(yīng)用于液化天然氣流程中的混合冷劑配比優(yōu)化還鮮有報(bào)道，因此本文在確定混合冷劑制冷工藝?yán)鋭┻\(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過混料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，以單位能耗和冷劑循環(huán)量最小為目標(biāo)函數(shù)對(duì)混合冷劑配方進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)混合制冷天然氣液化工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 混合制冷天然氣液化流程

1.1 原料氣和制冷劑的組成

一般基本負(fù)荷型LNG工廠原料氣來自附近氣源，含雜質(zhì)較多，需要進(jìn)行預(yù)處理。天然氣經(jīng)過凈化后運(yùn)輸至液化裝置。根據(jù)陜北某天然氣液化廠實(shí)際工況，具體的天然氣參數(shù)和制冷劑參數(shù)如表1所示。

表1 天然氣和制冷劑組成Table 1 Composition of the mixed refrigerant and natural gas

1.2 液化工藝流程的模擬與搭建

陜北某天然氣液化廠天然氣處理量為240×104m3/d，進(jìn)口壓力為 4.0MPa(G)，溫度 25℃，壓縮機(jī)等熵效率為0.75，模擬中天然氣出冷箱的溫度設(shè)定為-162℃。根據(jù)以上條件及天然氣、冷劑配比，利用Aspen HYSYS搭建混合制冷循環(huán)的天然氣液化流程模擬圖，物性計(jì)算方法采用 Peng-Robinson，如圖1所示。

圖1 天然氣液化工藝流程模擬圖

該廠采用混合冷劑制冷循環(huán)工藝，為閉式循環(huán)工藝，分為制冷部分和天然氣液化部分。制冷部分為來自冷劑換熱器E-401頂部的低壓冷劑氣體首先進(jìn)入氣液分離罐V-401，分離出的氣體經(jīng)壓縮機(jī)C-401一級(jí)入口壓縮至中壓，壓縮后的冷劑氣體冷卻后進(jìn)行氣液分離，分離出的中壓液態(tài)冷劑進(jìn)入E-401冷卻，氣體進(jìn)入壓縮機(jī)二級(jí)入口壓縮至高壓，在空冷器AC-402中冷卻后進(jìn)行氣液分離，分離后的高壓氣、液態(tài)冷劑分別進(jìn)入冷劑換熱器，再經(jīng)多股流換熱器各級(jí)入口為天然氣及自身提供冷量。天然氣液化部分為凈化后的天然氣進(jìn)入冷劑換熱器E-401，經(jīng)各級(jí)換熱器預(yù)冷、冷卻、液化和過冷至-158℃后，再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓至110kPa，最終得到-162℃的LNG產(chǎn)品存儲(chǔ)于V-404。循環(huán)過程中冷劑會(huì)產(chǎn)生少量損耗，需定期補(bǔ)充少許冷劑進(jìn)入冷劑循環(huán)系統(tǒng)以保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

2 混合冷劑配方優(yōu)化

2.1 冷劑運(yùn)行參數(shù)的確定

混合制冷劑液化流程的流程參數(shù)會(huì)對(duì)制冷性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，而確定冷劑運(yùn)行參數(shù)是優(yōu)化冷劑配比的前提。利用Aspen HYSYS搭建液化流程，固定天然氣各參數(shù)不變，混合冷劑組分不變，以單因素實(shí)驗(yàn)分別考察中壓冷劑壓力、高壓冷劑壓力、中壓冷劑溫度以及高壓冷劑溫度單因素對(duì)工藝裝置的單位能耗的影響，結(jié)果如圖2所示。

從圖2(a)可見，當(dāng)中壓冷劑壓力升高時(shí)，單位能耗逐漸降低，在壓力升高至1900kPa時(shí)，繼續(xù)提高壓力能耗略微上升，壓力過高造成出口溫度過高，損壞壓縮機(jī)。從圖2(b)可見，當(dāng)高壓冷劑壓力升高時(shí)，單位能耗也逐漸升高，但增幅不明顯，二級(jí)壓縮機(jī)的壓比升高，從而使壓縮機(jī)壓縮單位流量的比功耗增加。從圖2(c)、圖2(d)可見，中壓冷劑溫度和高壓冷劑溫度的下降，單位能耗逐漸降低。當(dāng)冷劑溫度降低時(shí)，其進(jìn)出冷箱的焓差增大，增強(qiáng)了冷劑的攜冷能力，使得冷劑循環(huán)量下降，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的能耗降低，所以要盡可能降低中、高壓冷劑在冷箱進(jìn)口處的溫度。綜上分析，當(dāng)中壓冷劑壓力為1860kPa、高壓冷劑壓力為3800kPa，中、高壓冷劑溫度均為36℃時(shí)，裝置的單位能耗較低。

利用Aspen HYSYS中多變量穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器Optimizer，以系統(tǒng)單位能耗最小為目標(biāo)選擇序貫二次程序法(SQP法)對(duì)天然氣液化流程進(jìn)行優(yōu)化，所需滿足的約束條件為：低溫?fù)Q熱器內(nèi)多流股最小傳熱溫差應(yīng)不小于3℃，混合制冷劑在進(jìn)入冷劑壓縮機(jī)的氣相分率應(yīng)等于1。當(dāng)中壓冷劑壓力1860kPa，高壓冷劑壓力3800kPa，中壓冷劑溫度36℃，高壓冷劑溫度36℃時(shí)，LNG單位能耗為391.077kWh/t，比實(shí)際工況下LNG單位能耗400.812kWh/t有所下降。

圖2 中、高壓冷劑壓力和溫度對(duì)裝置單位能耗的影響

2.2 混合冷劑配比對(duì)液化流程的影響

在液化流程的最優(yōu)工藝參數(shù)確定后，混合冷劑的配比將極大地影響系統(tǒng)的性能，因此必須確定最佳的冷劑配比，以期實(shí)現(xiàn)最小的冷劑循環(huán)量和最低的單位能耗。

固定液化流程中的天然氣各參數(shù)不變，在中壓冷劑壓力1860 kPa，高壓冷劑壓力3800 kPa，中壓冷劑溫度36℃，高壓冷劑溫度36℃的條件下，考察冷劑配比對(duì)冷劑循環(huán)量和單位能耗的影響規(guī)律。

2.3 混料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

為了尋求混合冷劑的最佳配比，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)有約束條件的混料回歸實(shí)驗(yàn)，混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)一般應(yīng)用于配方優(yōu)化，主要研究配方中各組成之間的最佳配比， 各組成總和確定不變。 其中 x1、x2、x3、x4、x5分別為 N2、CH4、C2H4、C3H8、i-C5H12的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，由冷劑中各組成對(duì)液化流程的影響結(jié)果可以限定每種純冷劑的上下限，且設(shè)定一個(gè)x1+x2+x3+x4+x5=100%的約束條件。借助Design Expert這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件，使用混料實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Mixture中的Optimal方法，以冷劑循環(huán)量和單位能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)混合冷劑的配比進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)果與討論

3.1 冷劑中各組分對(duì)液化流程影響程度

固定天然氣和冷劑運(yùn)行參數(shù)不變的條件下，混合冷劑中各組成對(duì)冷劑循環(huán)量和單位能耗的影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 冷劑中各組分單一變化對(duì)流程性能的影響

由圖3可知，隨著制冷劑組分——N2、CH4、C2H4、C3H8和i-C5H12物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的變化，液化流程中總存在著一個(gè)最小的功耗和最低冷劑循環(huán)量所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。在目前的冷劑配比下，單位能耗和冷劑循環(huán)量均不在最低點(diǎn)，說明目前的冷劑配比并不是最佳配比。混合冷劑液化流程的目標(biāo)函數(shù)為功耗最小，而能耗的高低的主要取決于冷劑循環(huán)量，冷劑循環(huán)量又取決于冷劑的配比，因此，必須找到混合冷劑的最佳配比才能確保液化流程的能耗最低。

3.2 冷劑配比優(yōu)化結(jié)果

由上述單因素實(shí)驗(yàn)可以限定每種純冷劑的上下限如下：7.0% ≤ x1≤ 9.0%、25.0% ≤ x2≤28.0%、30.0% ≤ x3≤ 34.0%、18.0% ≤ x4≤ 20.0%、15.0%≤x5≤17.0%，設(shè)定約束條件為x1+x2+x3+x4+x5=100%?；炝蠈?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及運(yùn)行結(jié)果見表2。

表2 混料優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3.3 混料實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析

通過對(duì)各因素進(jìn)行擬合得出冷劑循環(huán)量（Y1）和單位能耗（Y2）對(duì)應(yīng)的回歸方程為：

表3 不同配比下以冷劑循環(huán)量為響應(yīng)值的方差分析表

表4 不同配比下以單位能耗為響應(yīng)值的方差分析表

回歸模型對(duì)應(yīng)的方差分析見表3和表4。

由表3可知，通過對(duì)模型進(jìn)行方差分析后發(fā)現(xiàn)該二次模型的顯著水平P＜0.0001，判定系數(shù)為R12=0.9722，說明指標(biāo)Y1冷劑循環(huán)量由混合冷劑x1、x2、x3、x4、x5引起的變異有97.22%，僅有2.78%的變異是不能使用該模型進(jìn)行分析。將判定系數(shù)校正后R12Adj=0.9334，說明該模型可以很好地對(duì)冷劑循環(huán)量與冷劑配比之間的關(guān)系進(jìn)行擬合。

由表4可知，通過對(duì)模型進(jìn)行方差分析后發(fā)現(xiàn)該二次模型的顯著水平P＜0.0001，判定系數(shù)為R22=0.9954，說明指標(biāo) Y2單位能耗由混合冷劑 x1、x2、x3、x4、x5引起的變異有99.54%，僅有0.46%的變異是不能用該模型進(jìn)行分析，將判定系數(shù)校正后R22Adj=0.9889，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上說明此模型具有一定意義，完全可以作為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，并以此方法來確定混合冷劑的最佳配比。

3.4 冷劑配比對(duì)冷劑循環(huán)量與單位能耗的影響

根據(jù)回歸方程與混料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制N2、CH4、C2H4、C3H8、i-C5H12五種冷劑組成的三元等值線圖與三維響應(yīng)面圖，研究時(shí)固定其中2種組分，比較其他3種成分交互作用對(duì)冷劑循環(huán)量和單位能耗的影響，結(jié)果分別見圖4和圖5。其中編號(hào)A、B、C、D、E 分別為 N2、CH4、C2H4、C3H8、i-C5H12。

圖4 冷劑組分對(duì)冷劑循環(huán)量的影響的響應(yīng)面圖

由圖4可知，5個(gè)響應(yīng)面圖均出現(xiàn)了不同程度的弧度，說明N2與冷劑中其他四種組分對(duì)冷劑循環(huán)量的影響具有交互作用。如圖4a為固定C3H8、i-C5H12物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為18.76%、15.77%，當(dāng)C2H4物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為30%、CH4含量處于較高水平時(shí)，隨N2含量的降低，冷劑循環(huán)量出現(xiàn)較大幅度的減少，到達(dá)一定值后開始增加。當(dāng)降低制冷劑中N2含量時(shí)，液化同樣質(zhì)量的天然氣所需冷劑流量降低，壓縮機(jī)功耗降低。但N2含量不能過低，否則會(huì)受高壓氣態(tài)冷劑出口調(diào)節(jié)閥控制，使冷箱無法正常工作。從上圖看，其他組分也具有類似趨勢，而冷劑循環(huán)量出現(xiàn)極小值。

由圖5可知，5個(gè)響應(yīng)面圖均出現(xiàn)了不同程度的弧度，說明N2與冷劑中其他四種組分對(duì)單位能耗的影響具有交互作用。如圖5b為固定C2H4、i-C5H12物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為31.54%、15.77%，當(dāng)N2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為7%、CH4含量處于較高水平時(shí)，隨C3H8含量的升高，單位能耗出現(xiàn)較大幅度的減少。當(dāng)制冷劑中C3H8含量增加時(shí)，液化同樣質(zhì)量的天然氣所需冷劑流量降低，壓縮機(jī)功耗降低，但C3H8屬于過渡溫區(qū)，含量不能過高，否則會(huì)使總體的制冷效率有所降低。從上圖看，其他組分也具有類似趨勢，單位能耗出現(xiàn)極小值。

圖5 冷劑組分對(duì)單位能耗的影響的響應(yīng)面圖

3.5 最佳冷劑配比的確定

利用Design-Expert軟件的中Optimization優(yōu)化方法對(duì)混合冷劑配比進(jìn)行優(yōu)化，得到雙響應(yīng)值的最佳冷劑組分物質(zhì)的量比為：N2∶CH4∶C2H4∶C3H8∶i-C5H12=7.0∶25.0∶32.4∶18.7∶16.9；此時(shí)預(yù)測的最小冷劑循環(huán)量為73079 kg/h，預(yù)測的最小LNG單位能耗為370.518kWh/t。

將優(yōu)化得到的最佳冷劑配比在Aspen HYSYS中進(jìn)行模擬驗(yàn)證，結(jié)果見表5。

表5 驗(yàn)證結(jié)果

由表5可知，在最佳冷劑配比下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，此時(shí)模擬冷劑循環(huán)量為73101 kg/h，LNG單位能耗為370.328kWh/t，二者相對(duì)誤差分別為0.030%和0.051%，與響應(yīng)面設(shè)計(jì)預(yù)測的響應(yīng)值高度吻合，說明混料實(shí)驗(yàn)分析方法及回歸方程較為可靠。

3.6 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

將優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)以及最優(yōu)混合冷劑配比輸入液化流程中進(jìn)行模擬，得到液化裝置優(yōu)化前后的各參數(shù)見表6。

表6 優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比

由表6可知：通過對(duì)液化流程的工藝參數(shù)和冷劑配比進(jìn)行優(yōu)化，冷箱的冷量利用率由22.41%提高至26.12%，說明在冷箱中冷量利用更加合理；冷劑的循環(huán)量由83888kg/h降低至73101kg/h，降幅12.86%；生產(chǎn)每噸LNG的能耗由400.81kWh降至370.33kWh，降幅7.61%。通過優(yōu)化，裝置的生產(chǎn)成本明顯降低，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

4 結(jié)論

（1）以冷劑循環(huán)量和單位能耗最小為目標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了液化流程的最優(yōu)工藝參數(shù)：中壓冷劑壓力1860kPa，高壓冷劑壓力3800kPa，中壓冷劑溫度36℃，高壓冷劑溫度36℃；在此工藝條件下冷劑循環(huán)量為 80104kg/h，LNG單位能耗為391.077kWh/t。

（2）在最優(yōu)工藝參數(shù)下，研究了冷劑中各組分對(duì)液化流程的影響，結(jié)果表明每種組分都存在對(duì)應(yīng)的最優(yōu)液化流程參數(shù)。以冷劑循環(huán)量和單位能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè)有約束條件的混料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)冷劑配比進(jìn)行優(yōu)化，通過Design Expert軟件中的Optimal方法得到了最優(yōu)混合冷劑各組分物質(zhì)的量比為：N2∶CH4∶C2H4∶C3H8∶i-C5H12=7.0% ∶25.0% ∶32.4% ∶18.4% ∶16.9% ，Aspen HYSYS的模擬驗(yàn)證結(jié)果表明，冷劑的循環(huán)量降低了12.86%，生產(chǎn)每噸LNG的能耗降低7.61%，因此通過此種方法優(yōu)化后，裝置的生產(chǎn)成本明顯降低，可以滿足節(jié)能降耗的需求。