DMR工艺参数优化新方法探究

肖荣鸽，魏王颖，杨 奕，刘国庆，庞琳楠

（西安石油大学 石油工程学院 陕西省油气田特种增产技术重点实验室，陕西 西安 710065）

天然气作为低碳、清洁的一次能源[1]，是各个国家实现能源低碳化的重要资源。液化天然气（LNG）因具有清洁、高效等诸多优点，在全球的生产量以及贸易量方面始终保持着快速增长趋势[2]，各个国家都在极力发展与本国情况相匹配的LNG技术[3]。在LNG产业链中，天然气液化过程的能耗很高，导致成本居高不下，因此研究可降低能耗的LNG新技术，从而降低成本是推动国内LNG市场发展的方向。近年来天然气液化技术的发展呈现出多样化特点[4]，其中混合制冷剂液化流程被各大型LNG工厂普遍使用[5]，但对于双循环混合制冷剂液化（DMR）流程的研究还很少。

多年来不断有学者进行混合制冷剂液化流程的优化。遗传算法[6]、混合整数非线性规划算法和序贯二次程序法[7-8]等方法均通过优化程序来调节制冷剂的组分配比，选择合适的制冷剂组分配比可以达到降低流程能耗的目的，但上述方法均缺乏理论依据且优化方案复杂。KBO法是Mohd于2013年所提出的一种基于理论知识的新型优化方法，但适用性低且步骤繁琐[9]，因此需对该方法进行优化。

为弥补以往优化程序缺少理论知识支撑以及KBO法步骤繁琐的缺陷，本研究将KBO法和Aspen HYSYS优化器中的BOX算法结合，对DMR流程进行探究，优化DMR流程中各参数，如制冷剂组分、制冷剂配比以及工作压力等，通过优化后的能耗评价该方法的可行性，以期提高系统㶲效率，降低天然气液化成本。

1.1 DMR流程介绍

在工业领域内，普遍采用的混合制冷剂流程有单循环混合制冷剂（SMR）流程、丙烷预冷混合制冷剂（C3-MR）流程和DMR流程等，3种流程的适用性和特点各不相同[10]。由表1可知，DMR流程液化成本最低且换热效率高，该流程无需考虑丙烷的最低预冷温度，极大地提高了适应性，被各大LNG工厂广泛使用，因此对该流程进行优化模拟，降低流程能耗、提高系统㶲效率对实际生产有着重要意义[11]。

表1 3种混合制冷剂液化流程对比Table 1 Comparison of 3 mixed refrigerant liquefaction processes

1.2 流程优化方法和模型

1.2.1 优化方法与约束条件

有效能分析是减少流程能耗，提高流程㶲效率的重要方法，其中压缩机的能耗损失占总能耗的63.8%[12]，因此，研究如何降低压缩机能耗是提高天然气液化流程㶲效率的重要方向。在满足换热器最小温差达到3 ℃的前提下，先依据组分敏感性区间调节组分，再按沸点从低到高的顺序逐步减小组分流量，直到流量减小至最小为止，最后通过调节压缩机出口压力来进一步降低能耗[9]。

为了与实际工况更加接近，在本次优化工作开展前，流程应满足以下条件：物流经水冷器冷却后的温度为30 ℃；
气液分离器处于等温分离过程，分离器中的物流处于气液两相混合状态[12]；
压缩机入口处的物流应完全为气态[13-14]；
压缩机出口温度低于150 ℃（过热保护温度）；
各换热器中冷热流体之间的最小换热温差不小于3 ℃；
板翅式换热器热出口物流温度相等。

1.2.2 模型搭建

采用Aspen HYSYS对该DMR流程进行模型搭建，如图1所示。根据经验可知，在DMR流程中，预冷循环一般采用两级压缩，深冷循环一般采用一级压缩[15]。先利用组分分割器分别将预冷制冷剂和深冷制冷剂拆分为单组分物流，后通过混合器模块混合，再通过一个冷却器或加热器使原预冷制冷剂和混合后预冷制冷剂、原深冷制冷剂和混合后深冷制冷剂参数相同，以达到调节单组分物流的流量来调节预冷制冷剂和深冷制冷剂组分配比的目的。

图1 DMR工艺流程Fig.1 DMR process flow

本研究使用Peng-Robison状态方程计算物流的气液相平衡，使用Lee-Kesler方程来计算各物流的焓值和熵值，使用Aspen HYSYS内部优化器中的BOX算法，将达到流程最低总能耗设为目标，分别对预冷和深冷循环中混合制冷剂组分的配比、流程的部分工艺参数进行优化，包括预冷循环工作压力（原预冷制冷剂物流、节流后预冷制冷剂物流）、深冷循环工作压力（原深冷制冷剂物流、节流后深冷制冷剂物流）以及换热后原料气的温度。

1.3 流程优化研究

DMR流程由预冷循环和深冷循环两部分组成，在循环过程中，制冷剂通过压缩机压缩后进入换热器冷凝，出换热器节流后再次进入换热器内汽化，汽化过程会吸收热量从而为天然气提供冷量，最终天然气液化成为LNG[15]。在该液化流程中，制冷剂的组分配比以及循环过程中的工作压力都会对换热器内部的换热温差产生巨大影响，换热温差的变化会影响换热器能耗，从而影响系统总能耗和㶲效率。本研究模拟过程中所采用的原料天然气组分及配比（物质的量分数，下同）和初始参数设置分别如表2和表3所示。

表2 原料天然气组分及配比Table 2 Composition and ratio of raw natural gas

表3 模拟初始参数设置Table 3 Initial parameter settings of simulation

1.3.1 制冷剂组分选择

制冷剂一般包含多种组分，如N2及甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷等烷烃以及乙烯、丙烯、丁烯和戊烯等烯烃，各组分沸点不同，制冷温度区间也不同[16]。在本研究中，DMR流程包含两种制冷循环，循环所需的制冷温度区间不同，其制冷剂的组分选择也有所不同。组分选取过程中的关键点为：预冷循环的制冷区间为25~60 ℃；
深冷循环的制冷区间为-160~-60 ℃；
换热器内部最小换热温差为3 ℃；
优先选取汽化潜热高的组分[17-18]；
当组分间沸点差值过大时选择合适的中间值来衔接制冷温区等。

具体组分选取过程参照高旭[15]所做研究，本研究不再赘述，预冷制冷剂选取C2H4、C3H8和i-C5H123 种组分，深冷制冷剂选取N2、CH4、C2H4和C3H84 种组分。

1.3.2 制冷剂配比优化

制冷剂的组分配比是影响换热器内部换热温差的关键因素，不合理配比将导致换热温差过大，系统能耗增加，㶲效率降低。本研究进行配比优化的具体过程如下：在构建DMR模型时，利用组分分割器将制冷剂分割为单组分的物料，采用KBO法依次调节各组分流量，首先得到使流程能耗达到最低的制冷剂流量，其次在制冷剂流量保持不变的前提下，利用控制变量法对制冷剂中各组分配比逐步进行调节，绘制不同组分配比下系统能耗的变化趋势图，如图2和图3所示。

图2 预冷制冷剂组分配比对能耗影响Fig.2 Influence of precoolant refrigerant distribution ratio on energy consumption

图3 深冷制冷剂组分配比对能耗影响Fig.3 Influence of cryogenic refrigerant distribution ratio on energy consumption

由图2和图3可总结出制冷剂组分配比变化对系统能耗的影响规律，结果如表4所示。

表4 制冷剂组分配比变化对系统能耗的影响Table 4 Influence of refrigerant distribution ratio variation on system energy consumption

由表4可知，在满足换热器最小温差大于3 ℃的前提条件下，预冷制冷剂中i-C5H12组分增加，C2H4、C3H8组分减少和深冷制冷剂中N2组分减少，C3H8组分增加可以使流程能耗减少，因此优化结果为：预冷制冷剂各组分配比为y(C2H4):y(C3H8):y(i-C5H12) = 0.23:0.43:0.34；
深冷制冷剂各组分配比为y(CH4):y(C2H4):y(C3H8):y(N2) = 0.24:0.29:0.34:0.13。

1.3.3 工作压力优化

在DMR流程的两种循环过程中，工作压力的变化将对系统能耗产生一定的影响，本研究在满足换热器最小温差大于3 ℃的前提条件下，依次改变循环过程中的高低压数值，利用Aspen HYSYS模块记录不同压力下的系统能耗数据[19]，绘制工作压力变化对能耗的影响趋势图，如图4所示。由图4(a)和图4(c)可知，在预冷循环中，降低高压压力可以实现系统能耗降低，在压力变化范围内，最小温差始终满足前提条件，平均温差随压力的升高逐渐减小，可以看出优化过程中降低压力以降低系统能耗与提高压力以减小平均温差之间相互制约，后续优化过程需通过BOX算法找出平衡点。在深冷循环中，降低高压压力可以实现系统能耗降低，在压力变化范围内，平均温差随着压力的降低而减小，其变化趋势与能耗一致。由图4(b)和图4(d)可知，无论是在预冷循环还是深冷循环中，提高低压压力都可以实现系统能耗降低，在压力变化范围内，平均温差随着压力的提高而减小，其变化趋势与能耗一致。综合分析确定优化结果为：预冷循环中高压压力为 1748.0 kPa、低压压力为 138.6 kPa；
深冷循环中高压压力为 1682.0 kPa、低压压力为 79.0 kPa。

图4 循环工作压力变化对能耗的影响Fig.4 Influence of cyclic working pressure variation on energy consumption

2.1 流程优化结果

已知流程模拟完成后得到的LNG产品流量为982.5 kmol/h，模拟时所用原料气流量为1000.0 kmol/h，因此可知该流程液化率高达98.25%。该流程中共有两个换热器（即换热器1和换热器2），两个换热器的换热温差分别为3.002 ℃和3.005 ℃，均满足前提条件，其平均温差分别为3.942 ℃和5.305 ℃。各节点的优化数据如表5所示。

表5 流程优化后各节点数据Table 5 Data of each node after process optimization

2.2 可行性分析

2.2.1 换热器换热温差

本研究采用新方法进行DMR流程内各参数的优化工作，通过改变制冷剂流量、配比以及循环工作压力的数值等来调节换热器内部的换热温差，使其更加均匀，达到提高系统㶲效率的目的。两个换热器内部冷热侧复合曲线如图5所示，两曲线接近且平滑，表明冷热流体间换热温差均匀，此时能耗小，系统㶲效率较高。两个换热器内部换热温差曲线如图6所示，大范围温区内换热温差均匀，足以达到提高系统㶲效率的目的。

图5 换热器冷热侧复合曲线Fig.5 Compound curves of hot and cold side in heat exchanger

图6 换热器换热温差曲线Fig.6 Curves of heat transfer temperature difference in heat exchanger

2.2.2 流程能耗

评价一种流程是否经济高效，能耗是最直观的因素。系统比能耗（J，kW∙h/t）和液化㶲效率（η，%）计算公式分别如式(1)和式(2)所示。本研究优化完成后流程能耗数据如表6所示。

表6 优化后的流程能耗Table 6 Energy consumption of optimized process

式中，Q为系统总能耗，kW；
qLNG为LNG流量，t/h；
CQ1、CQ2和CQ3为压缩机 1、2 和 3 的能耗，kW；
PQ1为离心泵1的能耗，kW；
h1为LNG的焓，kW∙h/t；
s1为LNG的熵，kW∙h/(t∙k)；
h2为天然气的焓，kW∙h/t；
s2为天然气的熵，kW∙h/(t∙k)；
T0为环境温度，K。

目前国内的LNG工厂中，陕西安塞和山东泰安均采用DMR流程，其比能耗分别为384.00 kW∙h/t和 316.80 kW∙h/ t，液化㶲效率分别为 35.00%和37.80%[20]，与本研究优化后的流程能耗作对比，结果如表7所示。

表7 本研究与其他工厂流程能耗比较Table 7 Comparison of energy consumption between this study and other plants

由表7可知，本研究通过新方法开展一系列优化模拟后的流程能耗比目前工厂中的流程能耗显著降低，系统液化㶲㶲效率提高，因此该方法可行。

本文采用KBO法和BOX算法结合的方法对DMR流程进行了优化研究，主要对DMR流程中各参数进行了优化，如制冷剂组分选择、制冷剂配比以及工作压力等参数，通过优化后的液化㶲效率来评价该方法的可行性，得出以下结论。

（1）参数优化后结果为：预冷制冷剂选取C2H4、C3H8和i-C5H123 种组分，各组分配比为y(C2H4):y(C3H8):y(i-C5H12) = 0.23:0.43:0.34；
深冷制冷剂选取N2、CH4、C2H4和C3H84 种组分，各组分配比为y(CH4):y(C2H4):y(C3H8):y(N2) = 0.24:0.29:0.34:0.13；
预冷循环中高压压力为1748.0 kPa，低压压力为138.6 kPa；
深冷循环中高压压力为 1682.0 kPa，低压压力为 79.0 kPa。

（2）流程经优化后天然气液化率为98.25%，系统比能耗为311.14 kW∙h/t，液化㶲效率为39.68%。通过新方法优化后的DMR流程能耗与目前国内工厂相比显著降低，达到了提高系统㶲效率，降低天然气液化成本的目的。

猜你喜欢深冷预冷制冷剂深冷处理时间对TC4钛合金微观组织结构及力学性能的影响常州大学学报(自然科学版)(2022年4期)2022-07-12基于ANSYS的LNG接收站典型管道预冷分析煤气与热力(2022年4期)2022-05-23小型LNG气化站预冷方法对比分析煤气与热力(2021年7期)2021-08-23变参数对深冷烟气脱硫效果的影响上海理工大学学报(2020年2期)2020-05-30房间空调器用制冷剂安全要求分析中国设备工程(2019年6期)2019-01-17杏鲍菇真空预冷工艺优化研究中国食用菌(2018年5期)2018-09-22天然气深冷装置双级膨胀与单级膨胀制冷工艺对比分析化工管理(2017年12期)2017-05-12近共沸制冷剂R134a/R1234yf的PVTx性质的实验研究制冷技术(2016年2期)2016-12-01深冷股份业绩“蹦极”有预兆证券市场周刊(2016年35期)2016-09-19碳氢制冷剂在基站空调中的应用研究通信电源技术(2016年4期)2016-04-04

推荐访问:探究 新方法 优化