行業(yè)老兵話裝置(1)：氣體膨脹型LNG流程模擬及應用實例分析
LNG廠站的同仁們，我是為峰（DWF），進入LNG行業(yè)超過15年，算得上一位行業(yè)老兵。承蒙老隊長厚愛，在此“拋玉引磚”和大家分享一些粗淺的心得體會。我大學畢業(yè)后做的第一個LNG項目位于華南某海島上，那是個火山噴發(fā)形成的火山島，島上有熱帶的陽光、潔白的沙灘、湛藍的海水，單純看自然條件的話那里怎么也不會和石化裝置聯(lián)系起來，去旅游的話倒是個不錯的選擇...哈哈，看下上面的照片大概你能理解我的意思啦。島上有幾個村子，從沒碰到過“小芳”，倒是有不少仙人掌，被扎過幾次（別笑，仙人掌開花真的很漂亮，而且還能吃?。?。此外就是香蕉豬（島上最廣泛種植的經(jīng)濟作物就是香蕉，太過普通以至于村民連家里養(yǎng)的豬都喂香蕉，被我們項目團隊冠名香蕉豬）。
不好意思，嘿嘿，扯得有點遠。教授主要讓我介紹裝置心得。我們在島上建的是個小型（15萬方/天）全撬裝模塊化的的LNG裝置，采用的甲烷膨脹制冷工藝，文章的背景照片顯示的就是這套裝置。當時全國一共才3套LNG液化裝置（我們的是第4套），也沒有使用相同工藝的工廠經(jīng)驗可以借鑒?，F(xiàn)在回過頭再來看這套裝置，其主要優(yōu)點是膨脹制冷負荷調(diào)節(jié)能力強、工藝簡單，占地省等。但是缺點也是明顯的：除基本原理決定的膨脹制冷能耗高外，島上的裝置使用燃氣發(fā)動機為驅(qū)動消耗了過多天然氣，降低了液化率，在裝置規(guī)模已經(jīng)很小的情況下又犧牲了部分產(chǎn)品收率。這個缺點在我們后來的類似工藝的都改了，即全部使用電機驅(qū)動主壓縮機，此外使用氮氣作為制冷工質(zhì)也提升了安全系數(shù)。后來建的裝置位于華北（當年的晉察冀地區(qū)），整個畫風變成了下面這樣。
告別北部灣里的火山島，我轉(zhuǎn)戰(zhàn)晉察冀，建設了一個氮氣膨脹工藝的LNG工廠。如上圖照片所示，該工廠的原料為煤層氣，其具體流程如下圖所示。以下來簡單介紹下該LNG工藝流程模擬及運用該模擬模型進行實際工廠運營問題的分析。
1 已知條件如下：
表1 已知條件數(shù)據(jù)表
節(jié)點 | NG1 | NG3 | R1 | R2 | R4 | |
壓力（MPa_g） | 3.1 | — | 0.34 | 2.2 | 4.0 | |
溫度（℃） | 40 | -136 | — | 40 | 40 | |
流量（Nm3/h） | 6250 | — | — | — | — | |
組分 （Mol%） | N2 | 0.01 | — | 1 | — | — |
CH4 | 0.98 | — | — | — | — | |
C2H6 | 0.01 | — | — | — | — | |
2 流程計算
假設將板翅換熱器和膨脹機的膨脹端組成一個熱力學系統(tǒng)，則：
進入系統(tǒng)的能量總和為：
Q入=HNG1+HR4+HBOG1
流出系統(tǒng)的能量總和為：
Q出=HNG3+HR1+HBOG3
系統(tǒng)對外界所做的功：
W=膨脹機壓縮端軸功×轉(zhuǎn)化效率
根據(jù)熱力學第一定律：
Q入=Q出+W
即：
HNG1+HR4+HBOG1= HNG3+HR1+HBOG3+膨脹機壓縮端軸功/傳遞效率
整理后得：
(HNG1- HNG3)+(HBOG1- HBOG3)=(HR1- HR4)+膨脹機壓縮端軸功/傳遞效率
=FR[(hR1- hR4)+(w冷+w熱) /0.9]
整理后得：
詳細計算流程如下圖所示：
3 煤層氣入冷箱的壓力對系統(tǒng)能耗的影響
煤層氣液化過程實際上是一個氣態(tài)煤層氣等壓降溫成液態(tài)煤層氣的過程。在特定壓力下，利用根據(jù)圖1建立的系統(tǒng)模型對煤層氣從初溫-40℃冷卻至-140℃的過程中對煤層氣的T-H進行模擬計算，結(jié)果如下圖3所示。
圖3 煤層氣T-H圖
由圖3可以看出當系統(tǒng)壓力高于臨界壓力時，煤層氣的等壓冷凝過程不再經(jīng)過兩相區(qū)，而且等壓溫度曲線隨著壓力的升高愈加平滑；當系統(tǒng)壓力低于臨界壓力時煤層氣的等壓冷凝過程需經(jīng)過兩相區(qū)，而且隨著壓力的降低煤層氣的液化溫度也會逐步下移，在汽液兩相區(qū)停留的區(qū)間就會越長。利用圖1建立的模型對煤層氣不同壓力下系統(tǒng)功耗進行了模擬，結(jié)果顯示：由于焓值隨壓力的下降而升高，因此當煤層氣壓力降低時，由公式（1）可得氮氣的循環(huán)量增加；另外，由于壓力降低，LNG的液化溫度下行，為了避免出現(xiàn)逆溫差，需降低節(jié)點R5的溫度，而膨脹機在進出口壓力相同的條件下，膨脹機對外做功會隨著入口溫度的降低而降低，即膨脹機在對外做功相同的情況下，出口壓力會隨著入口溫度的降低而降低，因此在降低節(jié)點R5的溫度后會導致節(jié)點R7的壓力下降，進而降低氮壓機的入口壓力。鑒于以上原因?qū)е碌獨鈮嚎s機的軸功增加。同時，由于煤層氣壓力的降低導致原料氣壓縮機的軸功減少量，但原料氣壓縮機軸功的減少量小于氮氣壓縮機軸功的增加量，所以總功耗隨著原料氣進冷箱的壓力下降而上升。
