天然气液化工艺流程模拟优化及用能分析

摘要

近年来，在治霾降污的压力下，呼声高涨的环境治理倒逼能源向清洁化方向加快发展。随着低碳资源的大力开发利用，我国能源消费结构得到进一步优化，煤炭在一次能源消费结构中的比重下降，优质、清洁、高效的天然气消费占比上升，且消耗量呈日益增大的趋势。本文阐述了天然气液化技术的现状和发展趋势，简要介绍了几种天然气液化流程的优缺点，并进行技术经济比较，优先选择目前国内外应用最广泛的新型高效流程——带丙烷预冷的混合制冷剂循环液化流程作为模拟流程。根据天然气和混合制冷剂的热物性，为满足计算精度要求，工质相平衡特性选用PR方程，焓熵等热物性选用LKP方程。通过ASPEN HYSYS软件进行模拟计算，得到的结果和已知实验数据的对比结果在误差范围内，说明模拟过程中选用的热力学方程是合适的。利用模块化思想对流程中每一处设备进行模拟。采用ASPEN HYSYS软件搭建流程，对循环中的压缩机、多股流换热器、节流阀和混合器等模块进行详细的参数设置，最终得到收敛的稳态模拟系统。在稳态流程工况下，分别模拟了混合制冷剂组分、高低压、温度，原料气压力、温度，以及丙烷预冷后温度对流程的影响，得到合理的制冷剂配比和科学的流程参数:混合制冷剂最佳配比是甲烷为0.436（摩尔分数，下同）、乙烷为0.393、丙烷为0.099、氮气为0.072。在此基础上，对流程关键设备进行有效能分析，进一步优化流程，达到节能降耗、提高装置经济性的目的。优化后的流程压缩机比功耗最小为7.692kW·h/kmol，比未优化前的比功耗11.75kW· h/kmol少了4.0585kW·h/kmol。模拟结果对实际的天然气液化流程的优化具有有力的理论指导意义和可靠的实用参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外现状

1．4 研究内容

第二章 天然气液化工艺流程的现状与选择

2．1 前言

2．2 阶式制冷循环工艺

2．2．1 阶式制冷循环工艺

2．2．2 阶式制冷循环工艺的优点

2．2．3 阶式制冷循环工艺的缺点

2．2．4 阶式制冷循环工艺的适用范围

2．3 膨胀机制冷循环工艺

2．3．1 天然气膨胀制冷循环工艺

2．3．2 氮气膨胀制冷循环工艺

2．3．3 氮气—甲烷混合膨胀制冷循环工艺

2．3．4 气波制冷机和透平膨胀机联合制冷工艺

2．3．5 膨胀机制冷循环工艺的优点

2．3．6 膨胀机制冷循环工艺的缺点

2．3．7 膨胀机制冷循环工艺的适用范围

2．4 混合冷剂制冷循环工艺

2．4．1 无预冷的混合制冷剂制冷循环工艺

2．4．2 带预冷的混合制冷剂制冷循环工艺

2．5 天然气液化工艺的技术经济比较

2．6 小结

第三章 天然气液化工艺流程模拟的热力学计算

3．1 前言

3．2 模拟软件HYSYS的介绍

3．3 天然气液化工艺流程模拟涉及到的热力学物性参数

3．4 天然气和制冷剂工质的相平衡计算

3．4．1 天然气和制冷剂工质的相平衡计算状态方程

3．4．2 相平衡计算状态方程计算方法

3．5 天然气和制冷剂工质的焓熵计算

3．5．1 天然气和制冷剂工质的焓熵计算状态方程

3．5．2 焓熵状态方程计算方法

3．5．3 LKP状态方程关于焓熵的计算步骤

3．5．4 给定条件下的焓熵计算案例

3．6 小结

第四章 天然气液化工艺流程的模拟与优化

4．1 前言

4．2 天然气液化循环中的模块化思想

4．2．1 压缩机模拟计算模块

4．2．2 分离器模拟计算模块

4．2．3 换热器模拟计算模块

4．2．4 节流阀模拟计算模块

4．2．5 混合器模拟计算模块

4．3 带丙烷预冷混合制冷剂循环天然气液化流程原理

4．4 带丙烷预冷混合制冷剂循环天然气液化流程性能参数分析

4．4．1 混合制冷剂的组成对液化流程的影响

4．4．2 原料天然气压力对液化流程的影响

4．4．3 原料天然气温度对液化流程的影响

4．4．4 混合制冷系统高压端压力对液化流程的影响

4．4．5 混合制冷系统高压端温度对液化流程的影响

4．4．6 混合制冷系统低压端压力对液化流程的影响

4．4．7 丙烷预冷后温度对液化流程的影响

4．5 小结

第五章 天然气液化工艺流程的有效能分析

5．1 前言

5．2 混合制冷系统高压端压力对设备有效能损失的影响

5．3 混合制冷系统高压端温度对设备有效能损失的影响

5．4 混合制冷系统低压端压力对设备有效能损失的影响

5．5 混合制冷系统低压端温度对设备有效能损失的影响

5．6 制冷剂甲烷组分对设备有效能损失的影响

5．7 对流程节能减排的分析和建议

5．8 小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文