劉世民 李鵬 楊曉東 顧安忠

（1鄂爾多斯市星星能源有限公司 內(nèi)蒙古烏審旗 017300）2尼莎（西安）能源科技有限公司 陜西西安 710075）3上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

近年來，國內(nèi)液化天然氣工廠建設(shè)發(fā)展迅速，混合制冷劑循環(huán)工藝（MRC）借其工程化經(jīng)驗成熟、工藝流程簡潔、操作簡便靈活等優(yōu)勢成為100萬m3級LNG工廠的首選，其在應(yīng)對中國天然氣液化工廠普遍存在的原料氣來源多樣化、組分不穩(wěn)定、氣源季節(jié)性變化等復(fù)雜工況的實踐中體現(xiàn)出了一定的適應(yīng)性。本文以西北某100萬m3/d單回路混合冷劑整體循環(huán)液化工藝（SMR）實際操作情況為例，淺析液化天然氣工廠節(jié)能降耗技術(shù)的管理和應(yīng)用。

1 單回路混合冷劑整體循環(huán)液化工藝（SMR）流程簡介

該廠所采用的單回路混合冷劑整體循環(huán)工藝屬于閉式單循環(huán)混合制冷工藝，制冷劑由氮氣、甲烷、乙烯、丙烷及異戊烷按一定比例混合而成，混合冷劑采用2段壓縮，冷劑換熱器（冷箱）采用鋁制釬焊板翅式換熱器芯體。混合冷劑循環(huán)來自冷劑吸入罐的混合冷劑經(jīng)冷劑壓縮機1段壓縮后，依次進入1段冷卻器、分離器進行冷卻、分離；氣相進入冷劑壓縮機2段進行再壓縮至4MPa，低壓液相冷劑經(jīng)泵送至2段冷卻器前與高壓高溫冷劑混合，再依次進入2段冷卻器、分離器進行冷卻、分離；氣相冷劑（直接進入冷箱C通道頂部入口，高壓液相冷劑經(jīng)泵增壓后亦進入冷箱C通道頂部與氣相冷劑匯合。常溫、高壓的氣液混合冷劑在向下流動過程中被逐步冷卻、相變，在冷箱底部J-T閥前冷凝成液相后經(jīng)過J-T閥進行節(jié)流膨脹，節(jié)流后的部分冷劑蒸發(fā)并產(chǎn)生溫降后返回進入冷箱D通道底部，在向上流動的過程中吸收原料氣和高壓冷劑側(cè)的熱負荷逐步升溫氣化，在冷箱頂部保證混合冷劑溫度在其露點以上，經(jīng)冷劑吸入罐后返回到壓縮機1段入口，完成整個混合冷劑循環(huán)過程。凈化后的天然氣進入冷箱上段（通道A）預(yù)冷，被冷卻至大約-71℃（實際操作可以根據(jù)天然氣組分變化而相應(yīng)調(diào)整）引至重?zé)N分離罐進行重組分離后，返回至冷箱下段（通道B）逐步被液化及過冷，在冷箱B通道底部引出冷箱，經(jīng)產(chǎn)品線控制閥降壓后引至LNG儲罐儲存，見圖1。

2 SMR混合制冷劑循環(huán)工藝的熱力學(xué)分析

天然氣混合制冷劑液化循環(huán)為蒸氣壓縮式制冷，遵循熱力學(xué)第一定律和第二定律。具體過程見圖2。

圖2中h為焓值、P為壓力。循環(huán)過程：1’-2（壓縮機）：等熵壓縮；2-3（冷凝器）：等壓放熱冷凝；3-3’（過冷器）：等壓放熱 過 冷 ；3’-4 （ 節(jié) 流閥）：等焓節(jié)流；4-1（蒸發(fā)器）：等壓吸熱制冷；1-1’（回?zé)崞鳎旱葔何鼰徇^熱。以下具體闡述該流程計算的方法。

（1）單位質(zhì)量制冷量 q0：1kg制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)從被冷卻物體吸收的熱量/（kJ/kg）。

（2）單位容積制冷量 qv：壓縮機每吸入1m3制冷劑蒸氣（按吸氣狀態(tài)計），在蒸發(fā)器中所產(chǎn)生的制冷量/（kJ/m3）。v1’為冷劑比熱容。

（3）制冷劑的質(zhì)量流量Q0為冷負荷；壓縮機每秒吸入制冷劑的質(zhì)量/（kg/s）。

（4）制冷劑的體積流量VR：壓縮機每秒吸入制冷劑的體積量/（m3/s）。

（5）單位冷凝熱負荷qk：1kg制冷劑在冷卻和冷凝過程中放出的熱量/（kJ/kg）。

（6）冷凝器熱負荷Qk：制冷劑在冷凝器中傳給冷卻介質(zhì)的總熱量/kJ。

（7）單位過冷負荷qgl：1kg制冷劑液體在過冷過程中放出的熱量/（kJ/kg）。

（8）過冷總負荷Qgl：制冷劑液體在過冷過程中釋放的總熱量/kJ。

（9）單位過熱負荷qgr：1kg制冷劑蒸氣在過熱過程中吸收的熱量/（kJ/kg）。

（10）過熱總負荷Qgr：制冷劑蒸氣在過熱過程中吸收的總熱量/kJ。

（11）單位理論壓縮功W0：壓縮機每壓縮并輸送1kg制冷劑所消耗的壓縮功/（kJ/kg）。

（12）壓縮機理論耗功率pth：壓縮機每秒壓縮并輸送制冷劑所消耗的功/（kJ/s）。

實際的過程中有多個環(huán)節(jié)是偏離上述理想過程，如：①壓縮過程不是等熵壓縮，有摩擦損失、有吸熱放熱現(xiàn)象；②熱交換過程存在傳熱溫差，過程不可逆；③系統(tǒng)存在節(jié)流損失；④系統(tǒng)存在流動損失（流動阻力造成壓降，熱損失）等等。以上的偏離情況會使得根據(jù)這些方程計算的流程結(jié)果與實際運行有一些偏差，但是對于實際生產(chǎn)，上述圖2仍是非常直觀有效的節(jié)能降耗的技術(shù)手段，為生產(chǎn)運行提供調(diào)節(jié)方向的指導(dǎo)；輔以Aspen HYSYS等商用流程模擬工具，可以對生產(chǎn)優(yōu)化、節(jié)能降耗提供有力的技術(shù)支持。

3 工藝液化天然氣工廠運行節(jié)能降耗淺析

本文主要從裝置操作環(huán)境條件改變時如何優(yōu)化參數(shù)及對裝置能耗的影響角度進行分析。

該裝置地處我國西北地區(qū)，氣候比較干燥、晝夜溫差大。該裝置循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計溫度為出水28℃、回水33℃，從實際運行情況來看，除了6～9月外，其余時段循環(huán)水出水溫度均可控制在20℃以下，因此，如何利用該環(huán)境溫度特點降低裝置能耗成為優(yōu)化裝置參數(shù)的關(guān)鍵。

3.1 出吸收塔天然氣溫度對裝置能耗的影響

該裝置MDEA溶液入塔溫度為38℃，天然氣出塔溫度為40℃，設(shè)置了出、入塔天然氣換熱器，天然氣進入分子篩溫度為37.8℃，含水量為3.17kmol/h。通過模擬計算可以發(fā)現(xiàn)，天然氣溫度在 20～40℃區(qū)間，每降低1℃含水率降低 50～70ppm，天然氣含水率在25℃時僅為38℃時0.5左右，因此，降低天然氣進入分子篩溫度對降低分子篩再生系統(tǒng)負荷和能耗、降低分子篩再生排出的工藝廢水大有益處。同時，也降低了天然氣進入冷箱的溫度，降低了冷箱的熱負荷。

3.2 混合冷劑參數(shù)變化對裝置能耗的影響

離心式壓縮機氣體多變壓縮功率方程：

式中：G為多變壓縮軸功率/kW；W 為質(zhì)量流量/（kg/s）；MW為分子量；Zavg為平均壓縮性系數(shù)；T1為入口溫度/K；P2為出口壓力/kPa；P1為進口壓力/kPa；n為多變指數(shù)；ηp為多變效率。

由于混合冷劑為多種成分組分的混合物，在液化循環(huán)過程中物性變化較大，因此，采用HYSYS模擬軟件進行模擬分析，同時參比實際運行情況進行比對。

（1）混合冷劑組分變化對裝置能耗的影響。裝置的混合冷劑設(shè)計配比為設(shè)計工況下的組分最優(yōu)解，而實際運行中由于裝置負荷變化、環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的冷劑冷卻、分離溫度變化、原料氣組分變化等因素，往往與設(shè)計工況有一定偏離。裝置低負荷運行導(dǎo)致冷箱換熱面積余量加大、最小傳熱溫度溫差降低抵消了冷劑組分配比偏差對能耗的一部分不利影響，且由于主壓縮機為定速設(shè)計，不同冷劑配比間能耗偏差不太明顯。但當(dāng)裝置高負荷運行時，優(yōu)化冷劑配比就顯得尤為重要。由傳熱學(xué)和液化天然氣工藝熱力學(xué)基本原理可知，冷箱內(nèi)冷熱負荷曲線越接近（見圖3），熱損失越小、裝置功耗越低。針對LNG裝置實際運行參數(shù)，通過優(yōu)化冷劑組分，在滿足最小傳熱溫差、低壓常溫段冷劑為過熱蒸氣等約束條件下冷熱曲線盡量趨近，達到壓縮機功耗最小的目標(biāo)，是實際操作中混合制冷工藝參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵點（見表1）。

（2）混合冷劑冷卻溫度對裝置能耗的影響。在該裝置SMR液化工藝中，天然氣液化所需的冷量大約僅為冷劑換熱器熱負荷的15%～20%，因此降低混合冷劑壓縮機 1、2段冷卻分離溫度，可有效降低冷劑壓縮機功耗。從冷箱冷熱負荷曲線也可以看出，冷箱內(nèi)傳熱溫差高溫段較低溫段高、熱損失較大。通過模擬發(fā)現(xiàn)，混合冷劑冷卻溫度變化和組分配比變化協(xié)同作用，優(yōu)化后的混合冷劑冷卻溫度每降低1℃大約可節(jié)省1%的軸功率，裝置長時間實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示與模擬結(jié)果基本相符（見表2）。

表1 不同冷劑組分下單位功耗對比表

表2 夏、冬2季制冷劑壓縮機功耗對比

4 結(jié)論

在日常的生產(chǎn)中，本文的技術(shù)團隊結(jié)合圖2的壓-焓圖先確定優(yōu)化運行的方向，之后通過調(diào)節(jié)混合冷劑冷卻溫度和混合冷劑組分進行模擬計算，根據(jù)模擬結(jié)果在實際生產(chǎn)中運用優(yōu)化參數(shù)來指導(dǎo)生產(chǎn)。本文研究的裝置于2008年11月開車成功，筆者在該裝置超過10年的運行優(yōu)化管理中，長期堅持上述的節(jié)能降耗調(diào)節(jié)手段，并監(jiān)測記錄裝置運行功耗數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示裝置取得了年均LNG單位產(chǎn)品能耗降低6%～8%的好成績，裝置節(jié)能降耗管理取得了良好的效果。