天然气液化的流程设计

原料天然气进气量为50000m3/d，进口压力为0．1MPa，温度为30℃，为便于计算与模拟，取纯甲烷作为天然气成分，液化天然气的储存压力为0．1MPa，换热器冷损占换热量的4%，压缩机等熵效率为0．79，膨胀机的等熵效率为0．8，压缩机、膨胀机机械效率均为0．98。丙烷预冷循环中压缩机出口压力为1．5MPa，丙烷预冷循环中节流后压力为0．1MPa。在搭建PRO/Ⅱ流程时，需要特别注意的是，实际使用的循环压缩机需要双级以上压缩，并且具有中间冷却器，尽管可以用PRO/Ⅱ的一个压缩机单元模块模拟一个完整的压缩机，但它在压缩机动力消耗、气体出口温度上明显偏离实际过程，因此这里采用2个压缩机和一个换热器来模拟实际的双级压缩机，两个压缩机之间的简单换热器相当于双级级压缩机中的级间冷却器。此外，流程中的分离器起到管道分流作用，可以调节流向各管路的流量。根据小型天然气液化流程的特点及以上要求，初步设计了3种工艺流程方案。然气经压缩机C1、C2压缩到1．5MPa，然后经简单水冷换热器E1冷却到42℃，在分离器SP1中分流，物流S6用于节流液化产生LNG，S12用于膨胀制冷。S6经E3、E4冷却至－118℃，然后经节流阀V1降压到0．1MPa，温度降至－161．722℃，部分液体汽化，气液混合物在闪蒸罐F1中进行分离，液相进入液化天然气储罐进行储存，气相作为返流气与S14混合后为各换热器提供冷量，复热后可直接用作天然气原料气进行再循环。物流S12经膨胀机EX1膨胀，降压到1bar与返流的气相天然气S11混合为各换热器提供冷量。入口温度为30℃，入口压力为0．1MPa的天然气气体经压缩机C1、C2压缩到1．5MPa，然后经简单水冷换热器E1冷却到42℃，在分离器SP1中分流，物流S6用于节流液化产生LNG，S13用于膨胀制冷。S6经E3、E4冷却至－92℃，再经E4冷却至－118℃，然后经节流阀V1降压到0．1MPa，温度降至－161．722℃，部分液体汽化，气液混合物在闪蒸罐F1中进行分离，液相进入液化天然气储罐进行储存，气相作为返流气与S17混合后为各个换热器提供冷量，复热后可直接用作天然气原料气进行再循环。物流S13经膨胀机EX1膨胀，降压到0．387MPa，为换热器E4提供冷量，然后进入膨胀机EX2膨胀到0．1MPa，与返流的气相天然气混合为换热器E5、E3提供冷量。天然气液化模块:入口温度为30℃，入口压力为0．1MPa的天然气经压缩机C1、C2压缩到1．5MPa，然后经简单水冷换热器E2冷却到42℃，然后进入换热器E3，被丙烷和返流的天然气冷却到－37℃后进入分离器SP1分离，物流S7用于节流液化产生LNG，S13用于膨胀制冷。S7经E4、E5、E6冷却至－118℃，然后经节流阀V1降压到0．1MPa，温度降至－161．722℃，部分液体汽化，气液混合物在闪蒸罐F1中进行分离，液相进入液化天然气储罐进行储存，气相作为返流气与S17混合后进入换热器E3、E4、E6提供冷量，复热后可直接用作天然气原料气进行再循环。物流S7经膨胀机EX1膨胀到0．387MPa，为换热器E5提供冷量，然后进入膨胀机EX2膨胀到0．1MPa，降温后与返流气相天然气混合为换热器E3、E4、E6提供冷量。丙烷预冷模块:入口压力为0．1MPa，入口温度为30℃，流量为6kmol/h的丙烷经压缩机C3、C4压缩到1．5MPa进入换热器E8水冷到42℃，然后进入节流阀V2节流到0．1MPa，然后进入换热器E2，此时E2相当于丙烷预冷循环中的蒸发器，吸收天然气热量后与丙烷初始参数相同，可直接再次进行预冷循环。

天然气液化流程模拟对流程

1、2和3进行模拟，通过调整膨胀用天然气流量Qe，在各换热器没有负温差及各装置参数合理的情况下得到最高液化率，查出此时对应的压缩机功耗Wc，膨胀功We(kW)，LNG产量QL(m3/h)，LNG密度ρ(kg/m3)。在天然气压缩到相同压力、相同温度的情况下，方案1比功耗最大，液化率最低，而且膨胀机的膨胀比非常大，对膨胀机的技术要求很高，技术不能实现。方案2与方案3其设备均可实现，由于增加了丙烷预冷模块，方案3的压缩机功耗大于方案2功耗，膨胀机功率小于方案2。但是，方案3液化率比方案2高4．57%，比功耗仅占方案2的81%。综上所述，方案3是最佳方案。天然气节流前温度对液化流程的影响当压力不变的情况下，降低天然气液化温度会有效的提高液化率。节流阀前的温度会影响比功耗和液化率。为节流前温度T对系统液化率η的影响，可以看出随着温度的降低会有利于天然气的液化，液化率随之提高。为节流前温度T对系统比功耗ω的影响，可以看出随着温度的降低系统比功耗降低。这是因为温度的降低虽然导致系统功耗增大，但液化率也随之提高，液化天然气产量增加，使的液化天然气的比功耗降低3。天然气膨胀压力对液化流程的影响当天然气节流前温度不变时，改变天然气膨胀前后压比对液化率有影响。从图6可以看出，在天然气膨胀后压力为0．1MPa情况下，改变膨胀前压力p，压力越高，液化率随之提高，即膨胀比越大，液化率越高。在通常情况下，从管道送来的天然气往往具有很高的压力，有时原料气本身压力甚至可以达到4MPa，此时天然气不需经过压缩机压缩就可以进行膨胀制冷生成液化天然气，从而使功耗进一步减小。经模拟及理论研究，压力越大，其单位能耗越低。如果预冷后温度进一步降低，液化过程能耗还可大幅度减少。膨胀前后压力比越大，液化率越高。