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1、中国石油大学（北京）本科毕业设计 第I页天然气混合制冷液化流程模拟摘 要混合制冷剂天然气液化工艺是目前应用最广泛的液化工艺。本文在分析天然气液化装置中常用的混合制冷剂液化循环的几种基本工艺的基础上，根据天然气和混合制冷剂热物性的特点，选择了PR（Peng-Robinson）方程来计算这两种混合物的相平衡特性。利用HYSYS软件研究了混合制冷剂流程的冷箱制冷部分，建立了冷箱模拟计算模型，研究了混合制冷剂组分对液化过程的影响。关键词: 混合制冷液化循环；流程模拟；HYSYS；冷箱中国石油大学（北京）本科毕业设计 第II页Simulation of Mixed Refrigerant Cycle f
2、or Natural Gas LiquefactionAbstractThe Mixed-Refrigerant Cycle (MRC) is the most widely used liquefaction process nowadays. Several MRC cycles for Liquefied Natural Gas (LNG) production were analyzed in this paper,-Based on the thermodynamic properties of natural gas and mixed-refrigerant, the Peng-
3、Robinson (PR) equation was selected to calculate the phase equilibrium. The cold box in the liquefaction cycle was simulated by used HYSYS software, the model was established and the components of the mixed refrigerant influence on liquefaction process were studied.Key words: MRC; simulation; HYSYS;
4、 cold box中国石油大学（北京）本科毕业设计 第IV页目 录第1章 前 言11.1 工业背景和研究意义11.1.1 世界液化天然气工业的发展21.1.2 中国液化天然气工业的发展21.2 国内外研究现状41.3 研究内容5第2章 混合制冷液化流程62.1 混合制冷液化流程62.2 混合制冷剂液化流程的分类62.2.1 闭式混合制冷剂液化流程62.2.2 开式混合制冷剂液化流程82.2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化流程92.2.4 CII液化流程122.2.5 新型两级混合制冷剂液化流程14第3章 冷箱163.1 冷箱简介163.2 冷箱的技术关键163.2 液化天然气领域冷箱的应用16第4
5、章 天然气液化流程模拟软件194.1 HYSYS简介194.2 HYSYS中各个模块的性质与原理204.2.1 气液分离器204.2.2 壳管式换热器214.2.3 LNG换热器244.2.4 阀门264.3HYSYS的实际应用26第5章 天然气液化流程模拟285.1 概述285.2 液化流程模拟步骤285.2.1 输入条件285.2.2流程搭建305.3流程模拟计算335.3.1收敛计算335.3.2制冷剂组分对换热的影响345.3.3 结果分析35第6章 结论与展望376.1 结论376.2 展望37参考文献38致 谢39 第1章 前言 第4页第1章 前 言1.1 工业背景和研究意义天然气
6、作为一种清洁优质燃料，是当今世界能源消耗中的重要组成部分，其开发和利用已在全球受到普遍关注1。随着天然气探明储量的增加，世界天然气的产量呈持续增长趋势。近几十年，天然气在能源结构中的比例逐年稳步上升。目前，天然气消费量的年平均增长率为2.2%，远高于同期石油消费增长率的0.8%。天然气消费量增长带动和促进了天然气工业的发展，现在，人们越来越多的关心如何更好、更经济地利用天然气来服务于人类生活。液化天然气就是天然气利用的一种方式。液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）是无色透明、无臭的低温液体，是在常压下将天然气冷冻至-162左右，由气体变为液态，它是天然气经过净化
7、（脱水、脱CO2、H2S等酸性气体）后，采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的，其体积约为气态体积的1/600。将天然气液化的目的主要有以下几个方面2-4：（1）天然气液化后便于进行经济可靠的运输。目前，天然气资源分布不均衡，生产地和消费地常存在相当长的距离，在不便敷设管道的地区，用专门的槽车、火车、轮船，将LNG运输到销售地，方便灵活，适应性强。（2）提高储存效率和安全保证。可实现低压储存及使用，避免了压缩天然气（CNG）高压（压力20MPa）储存及使用带来的威胁。（3）将天然气液化，有利于城市符合的调节。可将低负荷时多余的天然气液化后储存，当用气或用电高峰时，再将其气化，
8、可以达到调节供需和应急的目的。（4）液化天然气的突出优点是环境效益显著。液化天然气作为汽车发动机燃料对大气的污染要比汽油少得多。基于以上LNG众多优点，可以看出，发展液化天然气（LNG）项目是目前世界能源发展的潮流，在我国发展液化天然气也是势在所趋。1.1.1 世界液化天然气工业的发展天然气是一种非常重要的资源，它燃烧清洁，污染小，通常生产与输送成本低廉，其储量十分巨大。但是，天然气的产地往往远离能源消耗区，这就需要通过某种方式将天然气从气田或资源国输送至目标用户。管道输送是一种好的输送方式，但对于远距离越洋运输，目前还没有成熟的技术可以建造深海长距离输送管道，因此需要寻找其他的方法。LNG是
9、一个越洋大量输送天然气的商业化技术。1964年9月27日，阿尔及利亚的世界上第一座LNG工厂建成投产。同年，第一艘载着12000吨LNG的船驶往英国，标志着世界LNG贸易的开始。1.1.2 中国液化天然气工业的发展我国是能源和原材料生产大国，也是消费大国，人均占有资源量相对少。尽管有丰富的国内天然气资源和周边国家可供利用的天然气资源，但是到目前为止，由于客观原因，致使我国天然气消费量在一次能源消费结构中仅占2%左右，而西方发达国家要占20%左右。随着我国国民经济的发展，尤其是对环境保护的日益重视，天然气需求量将迅速增大。天然气需求量的增长必然促进液化天然气工业的发展。2001年中原油田为了将天
10、然气资源用于城市燃气和汽车代用燃料，建造了国内第一座生产型的液化天然气装置。2002年新疆广汇集团开始建设一座日处理天然气量为150万m3的液化天然气工厂。2004年6月，国家发改委在我国能源中长期发展规划的基础上制定了关于我国液化天然气进口方案的建议。建议中提出在广东，福建，山东，浙江，上海，江苏，辽宁，河北，天津，广西等沿海地区建设若干LNG接收码头和输气干线。基本形成以LNG为主体的沿海天然气大通道，并适时与全国主干管网相连接。这标志着我国LNG进口工作全面启动，并将通过实施以市场换资源战略推动石油公司走出去，进入国际石油天然气资源地和LNG工业。近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃，正
11、在成为世界油气工业新的热点。我国正处在天然气工业发展的黄金时期，随着更多的城市使用更多的天然气，对液化天然气(LNG)的需求也有明显的增长。2006年6月底，深圳大鹏LNG项目的投产，更是吹响了我国LNG事业全面发展的号角。同时国际LNG市场正由买方市场转向卖方市场，但近年内仍处于买方市场，这也为我国发展LNG产业创造了良好的外部资源条件。LNG产业的发展对我国发展国民经济，调整能源结构，改善环境质量，提高生活水平，促进经济与环境协调发展具有重要意义!我国LNG工业应实施全球化，市场化，多元化和系统化发展战略，以形成LNG与管道以及海洋天然气共同发展与石油资源互为补充的格局。从而改善我国能源结
12、构，保障国家能源安全!在未来的一些年中，除了有数以百万吨计的LNG自海外进口，更多的天然气液化工厂和LNG末端装置也会迅速建设起来。总的来说，我国LNG工业的特点是起步晚、潜力大，广阔的市场和客观的经济和社会效益为我国的LNG工业发展提供了难得的机遇。LNG已经成为一种重要的不可替代的能源，持续高速度的发展历程展示了它强大的生命力。近年来，LNG基础技术以及天然气液化、储运装置的研究蓬勃发展。随着应用研究的深入，LNG将有越来越广泛得到应用。可是预言，我国LNG工业将会进入一个崭新的发展阶段。我们LNG工业刚刚起步，未有成熟的独立设计、建造工厂的经验，只能引进国外配套设备和技术。但是由于国情和
13、工厂设计规模等情况的不通，往往使得引进的天然气液化流程和提供的岗位操作参数不合时宜，出现投资费用大、液化率低、功耗大的情况。解决上述问题的方法就是根据实际情况、利用自身特点优选液化流程及合理选择操作参数。当代工业规模的天然气液化（即LNG的生产）技术通常可用下面框图表示为三部分，即原料气预处理、液化和储存三部分。图1.1 天然气液化技术组成图其中，液化流程在整个LNG工厂中占有重要的地位，实践证明，在LNG工厂总投资中天然气液化部分所占的比例大约为40%左右，研究液化工艺流程具有现实意义和深远的社会以及经济效益，所以对液化流程进行模拟设计和流程参数分析显得尤为重要，因为流程模拟是过程系统工程中
14、最基本的技术不论过程系统的分析和优化，还是过程系统的综合，都是以流程模拟为基础。而合理地选择参数不仅使模拟过程能够顺利进行，而且还会使模拟结果切实可行。1.2 国内外研究现状我国的LNG工业刚刚起步，独立设计、建造LNG装置的经验较少。进行天然气液化流程的理论分析和设计流程有重要的意义。国外从20世纪70年代开始，对LNG装置的液化流程进行来设计、模拟与评价工作5-6。Shell公司针对基本负荷型LNG装置的液化流程的最新发展，模拟计算了级联式液化流程、丙烷预冷混合制冷剂液化流程、两级混合制冷剂液化流程和氮气膨胀液化流程，并分别分析了其优劣7。1995年，Melaaen提出了简化的绕管式换热器
15、模型。在此基础上，建立了基本负荷型天然气液化流程动态仿真模型，并采用隐式DASSL进行了仿真计算，指出设计变量初值的选取对仿真计算的收敛影响很大。1998年，Terry采用HYSYS软件对典型的调峰型天然气液化流程进行了模拟计算与优化8。1997年，Kikkawa在现有设备的基础上，设计了新型的混合制冷剂预冷、膨胀机液化流程，并采用CHEMCADIII软件进行了模拟计算9。我国目前缺乏天然气液化流程设计调试经验，在专用天然气液化模拟软件的开发方面比较欠缺。20世纪90年代初，开始进行天然气液化流程理论发面的研究，陈国邦、滕大振分析了调峰型LNG装置液化流程的特点，对不同流程及其使用条件进行了比
16、较。1992年，郭东海对混合制冷剂天然气液化流程的参数的选定及优化工作做了初步的探讨10。刘新伟针对煤层天然气的回收，提出了带循环压缩机的氮膨胀液化流程并进行了模拟计算。上海交通大学顾安忠教授领导的课题组长期以来从事液化天然气的研究，尽管如此，我国在液化天然气液化技术水平和应用范围等方面与国外还是存在一定的差距。从国内外研究发展情况可以看出，无论国外还是国内，在建设LNG工厂时，首先要仔细分析各种液化流程根据实际情况，通过模拟计算对流程性能进行比较；然后优选流程方式，合理选择流程参数。该项工作在我国显得尤为重要。随着液化天然气工业在我国的蓬勃发展，这项工作越来越受到人们的重视，并提到研究的日程
17、。1.3 研究内容在天然气的液化过程中，天然气与混合制冷剂不仅是混合物，它们随着流程中压力、温度的不断变化，将会处于气相、气液平衡相和液相状态，所以混合物的相平衡计算理论是整个流程物性计算的基础。本文针对天然气和混合制冷剂的组分特性，选择了PR方程作为计算这两类混合物的相平衡方程。本文选取模拟软件HYSYS作为本次研究所使用的主要模拟工具，介绍了HYSYS的计算原理与方法，最后用HYSYS软件对混合制冷剂液化循环的冷箱部分进行模拟，以研究混合工质组分的改变对LNG产品（也可以说是初级LNG产品）温度的影响。第2章 混合制冷剂液化流程 第13页第2章 混合制冷液化流程2.1 混合制冷液化流程19
18、34年，美国的波特北尼克提出了混合制冷剂液化流程（MRC: Mixed Refrigerant Cycle）的概念。之后，法国Tecknip公司的佩雷特，详细描述了混合制冷剂液化流程用于天然气液化的工艺过程。MRC是以C1和C3的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。MRC既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。自20世纪70年代以来，对于基本负荷型天然气液化装置，广泛采用了各种不同类型的混合制冷剂液化流程。2.2 混合制冷剂液化流程的分类混合制冷剂液化路程还包括很多种类，
19、如：闭式混合制冷剂液化流程，开式混合制冷剂液化流程，丙烷预冷混合制冷剂液化流程等，下面我们就对上述几种流程进行简单介绍。2.2.1 闭式混合制冷剂液化流程图2.1为闭式混合制冷剂液化流程（Closed Mixed Refrigerant Cycle）示意图。在闭式液化流程中，制冷剂和天然气液化过程分开，自成一个独立的制冷循环。制冷剂通常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H12组成。这些组分都可以从天然气中提取。液化流程中天然气依次流过四个换热器后，温度逐渐降低，大部分天然气被液化，最后节流后在常压下保存，闪蒸分离产生的气体可直接利用，也可回到天然气入口再进行液化。液化流程中的
20、制冷剂经过压缩机压缩至高温高压后，首先用水进行冷却，然后进入气液分离器，气液相分别进入换热器1。液体在换热器1中过冷，再经过节流阀节流降温，与后续流程的返流气混合后共同为换热器1提供冷量，冷却天然气、气态制冷剂和需过冷的液态制冷剂。气态制冷剂经换热器1冷却后进入闪蒸分离器分离成气相和液相，分别流入换热器2，液体经过冷和节流降压降温后，与返流气混合为换热器2提供冷量，天然气进一步降温，气相流体也被部分冷凝。换热器3中的换热过程同换热器1和2。制冷剂在换热器中被冷却后，在换热器4中进行过冷，然后节流降温后返回该换热器，冷却天然气和制冷剂。在混合制冷剂液化流程的换热器中，提供冷量的混合工质的液体蒸发
21、温度随组分的不同而不同，在换热器内热交换过程是个变温过程，通过合理选择制冷剂，可使冷热流体间的换热温差保持比较低的水平。图2.1 闭式混合制冷剂液化流程示意图2.2.2 开式混合制冷剂液化流程图2.2 开式混合制冷剂液化流程示意图图2.2为开始混合制冷剂液化流程（Open Mixed Refrigerant Cycle）示意图。在开式液化流程中，天然气既是制冷剂，又是需要液化的对象。原料天然气经净化后，经压缩机压缩后达到高温高压，首先用水冷却，然后进入气液分离器，分离掉重烃，得到的液体经第一个换热器冷却并节流后，与返流气混合后为第一个换热气提供冷量。第一个分离器产生的气体经过第一个换热器冷却后
22、，进入第二个气液分离器。产生的液体经第二个换热器冷却并节流后，与返流气混合为第二个换热器提供冷量。第二个气液分离器产生的气体经第二个换热器冷却并节流后，为第三个换热器提供冷量。第三个气液分离器产生的气体经第三个换热器冷却并节流后，进入气液分离器，产生的液体进入液化天然气储罐储存。2.2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化流程图2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化流程示意图a) 混合制冷剂循环； b) 丙烷预冷循环丙烷预冷混合制冷剂液化流程（C3/MRC: Propane-Mixed Refrigerant Cycle），结合了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，流程既高效又简单。所以，自20世纪70年
23、代以来，这类液化流程在基本负荷型天然气液化装置中得到了广泛的应用。目前世界上80%以上的基本负荷型天然气液化装置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。图2.3是丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程图。流程由三部分组成：混合制冷剂循环；丙烷预冷循环；天然气液化回路。在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂用于深冷和液化天然气。混合制冷剂循环如图2.3a所示，混合制冷剂经两级压缩机压缩至高压，首先用水冷却，带走一部分热量，然后通过丙烷预冷循环预冷，预冷后进入气液分离器分离成液相和气相，液相经第一换热器冷却后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第一个换热器提供
24、冷箱，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。气相制冷剂经第一换热器冷却后，进入气液分离器分离成气相和液相，液相经第二个换热器冷却后节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第二个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。从第二个换热器出来的气相制冷剂，经第三换热器冷却后，节流、降温后进入第三换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。丙烷预冷循环如图2.3b所示，丙烷预冷循环中，丙烷通过三个温度级的换热器，为天然气和混合制冷剂提供冷量。丙烷经压缩机压缩至高温高压，经冷却水冷却后流经节流阀降温降压，再经分离器产生气液两相，气相返回压缩机，液相分成两部分，一部分
25、用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为后续流程的制冷剂。在混合制冷剂液化流程中，天然气首先经过丙烷预冷循环预冷，然后流经各换热器逐步被冷却，最后经图2.3a中节流阀4进行降压，从而使液化天然气在常压下储存。图2.4为空气产品公司APCI设计的丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程13。在空气产品公司设计的液化流程中，天然气先经过丙烷预冷，然后用混合制冷剂进一步冷却并液化。低压混合制冷剂经两级压缩机压缩后，先用水冷却，然后流经丙烷换热器进一步降温至约-35，之后进入气液分离器分离成气、液两相。生成的液体在混合制冷剂换热器温度较高区域（热区）冷却后，经节流阀降温，并与返流的气相流体混合后为热区提供冷量
26、。分离器生成的气相流体，经混合制冷剂换热器冷却后，节流降温为冷区提供冷量，之后与液相流混合为热区提供冷量。混合后的低压混合制冷剂进入压缩机压缩。图2.4 APCI丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程示意图在丙烷预冷循环中，从丙烷换热器来的高、中、低压的丙烷，用一个压缩机压缩，压缩后先用水进行预冷，然后经节流降温、降压后，为天然气和混合制冷剂提供冷量。这种液化流程的操作弹性很大。当生产能力降低时，通过改变制冷剂组成及降低吸入压力来保持混合制冷剂循环的变化时，可通过调整混合制冷剂组成及混合制冷剂压缩机吸入和排出压力，也能使天然气高效液化。2.2.4 CII液化流程天然气液化技术的发展要求液化循环具
27、有高效、低能耗、低成本、可靠性好、易操作等特点。为了适应这一发展趋势，法国燃气公司的研究部门开发了新型的混合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程（Integral Incorporated Cascade），简称CII液化流程。CII液化流程吸收了国外LNG技术最新发展成果，代表天然气液化技术的发展趋势。在上海建在的CII液化流程是我国第一座调峰型天然气液化装置中采用的流程。CII液化流程如图2.5所示，该液化流程的主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三部分。整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循环两部分。图2.5 CII液化流程示意图在天然气液化系统中，
28、预处理后的天然气进入冷箱12上部被预冷，在气液分离器13中进行气液分离，气相部分进入冷箱12下部被冷凝和过冷，最后节流至LNG储罐。在混合制冷剂循环中，混合制冷剂是N2和C1C5的烃类混合物。冷箱12出口的低压混合制冷剂蒸汽被气液分离器1分离后，被低压压缩机2压缩至中间压力，然后经冷却器3部分冷凝后进入分馏塔8。混合制冷剂分馏后分成两部分，分馏塔底部的重组分液体主要含有丙烷、丁烷和戊烷，进入冷箱12，经预冷后节流降温，再返回冷箱上部蒸发制冷，用于预冷天然气和混合制冷剂；分馏塔上部的轻组分气体主要成分是氮、甲烷和乙烷，进入冷箱12上部被冷却并部分冷凝，进气液分离器6进行气液分离，液体作为分馏塔8
29、的回流液，气体经高压压缩机4压缩后，经水冷却器5冷却后，进入冷箱上部预冷，进气液分离器7进行气液分离，得到的气液两相分别进入冷箱下部预冷后，节流降温返回冷箱的不同部位为天然气和混合制冷剂提供冷量，实现天然气的冷凝和过冷。CII流程具有如下特点：（1）流程精简、设备少。CII液化流程出于降低设备投资和建设费用的考虑，简化了预冷制冷机组的设计。在流程中增加了分馏塔，将混合制冷剂分馏为重组分（以丁烷和戊烷为主）和轻组分（以氮、甲烷、乙烷为主）两部分。重组分冷却、节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合制冷剂；轻组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝、过冷天然气。（2）冷箱采用高效钎焊铝板翅
30、式换热器，体积小，便于安装。整体式冷箱结构紧凑，分为上下两部分，由经过优化设计的高效钎焊铝板翅式换热器平行排列，换热器面积大，绝热效果好。天然气在冷箱内由环境温度冷却至-160左右的液体，减少了漏热损失，并较好地解决了两相流体分布问题。冷箱以模块化的型式制造，便于安装，只需在施工现场对预留管路进行连接，降低了建设费用。（3）压缩机和驱动机的型式简单、可靠、降低了投资与维护费用。2.2.5 新型两级混合制冷剂液化流程丙烷预冷天然气液化流程具有功耗低的有点，但是由于该液化流程采用单独的丙烷循环预冷天然气，流程复杂，设备数量较多；膨胀机液化流程简便，设备紧凑，但是功耗偏高。出于简化流程设备以及保证流
31、程效率的考虑，本研究中结合当前天然气液化流程追求简便、高效的发展趋势，综合考虑了丙烷预冷混合制冷剂液化流程、单级混合制冷剂液化流程，以及整体级联式液化流程等多种混合制冷剂液化流程的技术特点，提出了新型两级混合制冷剂液化流程。新型两级混合制冷剂液化流程如图2.6所示。混合制冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷组成。该流程包括制冷剂循环和天然气循环两部分。制冷循环如下：来自冷箱的制冷剂低压气体进入低压压缩机A1，经冷却器冷却后进入预冷换热器A4，冷却降温使部分高沸点组分凝结后，进入气液分离器A3。分离出来的液体制冷剂经节流阀A5节流降温，与来自主换热器A7的返流低压气体汇合，
32、作为预冷换热器A4的冷源；分离出的气体制冷剂被高压压缩机A2压缩至高压，经预冷换热器A4降温后，与来自过冷换热器A9的低压制冷剂汇合，返回主换热器A7提供冷量；气相经主换热器A7和过冷换热器A9冷凝和过冷后，经节流阀A10节流降温后，返流为过冷换热器A9提供冷量。预处理后的天然气经预冷换热器A4预冷后，进入主换热器A7继续冷却，然后进入气液分离器A11脱除已凝结的重烃组分。重烃返流回预冷换热器A4提供部分冷量，天然气中的轻组分则继续进入主换热器A7和过冷换热器A9冷凝和过冷，最后经节流阀A12节流降压后注入LNG储罐12。图2.6 新型两级混合制冷剂液化流程示意图第3章 冷箱 第16页第3章
33、冷箱3.1 冷箱简介冷箱在我国最先主要是用于乙烯制冷工艺中的乙烯冷箱，冷箱是一种换热器组装后的形式，它可以是几个换热器的组合。通常为了避免现场的工作量，大容积装置的换热器是在制造厂完成，组装成冷箱。3.2 冷箱的技术关键冷箱实际上是铝板翅式换热器加上钢壳保温箱。核心部分是铝板翅式换热器，设计和制造的难点亦集中于此。多股持压的物流在其中按化工工艺条件和参数进行复杂的、有相变的换热过程，其操作温度一般为+30-170，最高操作压力约为5Mpa。技术关键有三个方面：1. 正确、精密的板翅式换热器单元设计；2.专用制造技术和严谨的工艺程序；3. 严格的质量监控和先进的测试技术14。 3.2 液化天然气
34、领域冷箱的应用混合制冷剂液化流程中，冷箱的应用也有很多，其外形如图3.1所示，内部结构如图3.2所示：图3.1 混合制冷剂冷箱图3.2冷箱内部结构目前我国的东海调峰型天然气液化装置和新疆广汇液化天然气工程均采用冷箱作为液化单元。流程如图3.3和3.4所示。图3.3即为CII液化流程，在前面2.2.4中已有介绍。图3.3 东海调峰型天然气液化装置图3.4 新疆广汇液化天然气工程冷箱及制冷剂循环系统部分工艺流程示意图第4章 天然气液化流程模拟软件 第22页第4章 天然气液化流程模拟软件4.1 HYSYS简介ASPEN出品的HYSYS是一个化工流程模拟动态仿真软件，是一款环境模拟设计软件，允许设计者
35、通过概念上的设计而简化制作过程来完成项目工作。完整的交互性能充分发挥你的创造力。该软件分动态和稳态两大部分。用于过程与设备模拟、分析、设计、优化及开停车指导、动态仿真培训、设计先进控制系统等。ASPEN公司创建于1976年，是世界上最早开拓石油、化工方面的工业模拟、仿真技术的跨国公司。其技术广泛应用于石油开采、储运、天然气加工、石油化工、精细化工、制药、炼制等领域。它在世界范围内石油化工模拟、仿真技术领域占主导地位。HYSYS软件与同类软件相比具有非常好的操作界面，方便易学，软件智能化程度高。此外HYSYS还有着如下的一些特点：（1）集成式工程环境HYSYS使用了面向目标的新一代编程工具，实现
36、了集成式的工程模拟软件。在这种集成系统中，流程、单元操作是互相独立的。流程只是各种单元操作这种目标的集合，单元操作之间靠流程中的物流发生联系。在工程设计中稳态和动态使用同一个目标，然后共享目标的数据，不须进行数据传递。从而得到最大的效益，对复杂的工艺流程分成几个部分模拟。由于其小流程分析方便，速度快，且对不同体系采用不同的热力学方法以取得更精确的结果。其集成式的工程环境能在一个模拟环境中将流程分为若干个子流程，可大可小。独到之处是子流程、主流程之间的数据相互共享的，不须传递。它们之间还可以采用不同的物性计算包。（2）动态模拟功能动态模拟的方法及过程是流程稳态模拟收敛后，首先定义单元操作的动态数
37、据(如分离器的几何尺寸、液位高度等)，安装控制仪表，然后就可以进入动态，开始动态模拟。动态模拟过程中，可以随时调整温度、压力等各种工艺变量(这就是WINDOWS的多任务)，观察它们对产品的影响以及变化规律。还可以随时停下来，转回静态。由于动态和静态是相同对象的共享，所以动静之间转换非常容易。HYSYS提供了PID控制器、传递函数发生器、数控开关、变量计算表等进行动态模拟的控制单元。（3）事件驱动加物性计算包等HYSYS提供了一组物性计算包，其基础数据经过严格的校验，包括16000个交互作用参数和1500个纯物质数据。为实现复杂工艺流程的模拟提供了基础。将模拟技术和完全交互的操作方法结合，使HY
38、SYS获得成功。而利用面向目标的技术使HYSYS这一交互方式提高到一个更高的层次，即事件驱动。在研究方案时，需要将许多工艺参数放在一张表中。当变化一种或几种变量时，另一些也要随之改变，算出的结果也要在表中自动刷新。另外HYSYS还提供了数据回归包，内置人工智能等功能。为我们的验证方案提供了较好的试验平台。HYSYS软件以其高效、准确的模拟特性赢得了广泛好评，得到天然气行业内的高度认可。基于HYSYS的这些特点，因此本文选择使用HYSYS作为进行研究的模拟工具。4.2 HYSYS中各个模块的性质与原理本文中是用HYSYS进行的主要是制冷系统的模拟，运用的模拟设备主要包括:压缩机、LNG换热器、壳
39、管式换热器、节流阀等。下面我们来分别介绍一下HYSYS中以上模块的特点。4.2.1 气液分离器模拟软件HYSYS中的气液分离器如图4.1所示：图4.1 HYSYS中的气液分离器注：“3”是经过初步冷却的天然气，“2”是经分离器后的气相组分，即轻组分，“1” 是经分离器后的液相组分，即重烃。气液分离器是液化流程中的一个关键设备。流程中气液分离器分离出的液相冷却后，进入节流阀产生温降，为换热器提供冷量，分离出的气相，为后续流程提供制冷剂。 (4.1) (4.2) (i=1, 2, 3.N) (4.3) (i=1, 2, 3.N) (4.4)物流在气液分离器中经历的是一个等温等压的闪蒸过程，式（4.
40、1）至（4.4）分别为物料平衡、能量平衡和相平衡关系式，可利用HYSYS软件中闪蒸计算程序进行求解，得到物流经气液分离器后的气相流量、气相摩尔分率、液相流量和液相摩尔分率，还可以进一步得出气液相的焓值和熵值。4.2.2 壳管式换热器模拟软件HYSYS中的压缩机如图4.2所示：图4.2 HYSYS中的壳管式换热器HYSYS中的换热器能够进行双向能量与质量的计算，其计算是基于冷流体与热流体的能量守恒。换热器的计算非常灵活，能解出温度、压力、热流量(包括热损失与热泄露)，质量流量或综合换热系数等参数。其实，热泄漏就是环境中的热量泄漏到换热器的冷端，造成冷端温度升高。热损失就是换热器热端热量泄漏到环境
41、中去，造成了热端温度的减少。（1） 总热传热系数UA的值在换热器壳侧与管侧的总换热量(换热器功率)可以按照总换热系数、总换热面积与对数平均温差来确定： (4.5)式中，U为总换热系数，A为总换热面积，TLM为对数平均温差(LMTD)，Ft为 LMTD修正因子。出于方便的考虑，换热系数与换热面积经常合并为一个变量，这就是UA 。 （2） 换热器的换热模式在HYSYS中用户可以选择模拟中的换热器所用到的换热模式，一共有四种换热模式可以选择:末端点分析设计模式；理想权重设计模式(F =1)；稳态参数方法；用于动态模拟的动态参数方法。下面我们重点介绍前三种模式： 换热器设计的端点模式(End Poin
42、t Model )换热器设计的端点模式是基于标准换热器功率方程，根据总传热系数，总换热面积与对数平均温度差来确定。其关联式参见式(4.5)。该模式存在两个假定：a. 总传热系数U为一个常数；b. 壳侧与管侧流体的比热是一个常数。端点模式中，换热器两侧的热曲线是线性的。对于没有相变且q是一个常数时的简单问题，运用该模式模拟换热器己经足够了。对于非线性热流动问题则要运用权重模式。当选中端点模式时可以从HYSYS中得到的参数见表4.1：表4-1 换热器选中端点模式时得到的参数参数描述管侧与壳侧的P(压力降)此处可以确定换热器管侧与壳侧的压力降，如果用户不确定P的值，则HYSYS根据上下游流体压力计算
43、该值。UA为总换热系数与总换热面积的乘积，换热器功率正比于对数平均温差，UA为比例因数。UA可以由用户确定或者由HYSYS计算出来 换热器设计的权重模式(weighted model )权重模式是处理非线性热曲线问题的很好的一种模式，比如换热器的一侧或者两侧的纯组分发生相变的情况。在权重模式中，热曲线断成一段段的间隔线，沿着每断间隔线都有能量平衡。热曲线的每一段中的对数平均温差(LMTD)与UA都能计算出来，并且加在一起计算换热器总的UA。只有在逆流换热器中才有权重模式，这种模式必然是一种能量与质量的平衡模式。换热器的几何结构对于修正因子F,的影响在权重模式下不予考虑。稳态参数模型(Stead
44、y State Rating)稳态模型就是合并了参数计算的一种端点模型的扩展形式，其假设基础与端点模型是完全一致的。如果用户能够提供换热器的详细的几何信息，那么可以使用这种模型进行模拟。正如其名称，这种模型只适用于稳态过程。在解决线性或近似线性热曲线问题时，可以使用稳态参数模型。由于求解器包含了这种参数模型，稳态参数模型比动态参数模型计算速度更快。对于端点模式与权重模式，用户可以确定换热器是否经历热泄漏或热损失。（3） 换热器中的压力降换热器的压力降可以由以下三个方式之一来确定：用户给出压力降；根据换热器的几何特性与组成计算压力降；通过确定k值的方法定义换热器中的压力流量关系。如果在换热器决定
45、压力降时选中压力流量选项，则k值使得通过换热器的摩擦压力降与流量产生联系，此关系如下面方程所示： (4.6)总流量方程使用通过换热器的压力降，没有任何静压头的作用。P1-P2定义为摩擦压力损失。4.2.3 LNG换热器模拟软件HYSYS中的压缩机如图4.3所示：LNG(液化天然气)换热器模型解决了多相流换热器和换热器网络的热量与物质的平衡。该方法可以求解大量的已知的或未知的变量。对于整个换热器，用户可以得到各类参数，包括热泄漏量、热损失以及UA值等。LNG换热器的求解一般使用两种方法。图 4.3 HYSYS中的LNG换热器就单一未知量的情况，算法直接从能量平衡得到未知量；对于多重未知量的情况，
46、采用迭代方法使得其结果不仅满足能量守恒而且满足相应的约束条件，比如，温度约束条件等。LNG换热器与普通换热器的区别是，LNG换热器允许多相流，而普通换热器只有一个热流侧和一个冷流侧。（1） LNG换热器计算理论LNG换热器的计算是基于热流体与冷流体的能量守恒。在LNG换热器操作单元的任何一个换热层面中，应用如下总的关系式： (4.7)式中，M 为LNG一个换热层面中的流体流量，为密度，H为焓，Qinternal为从周围层中的得热，Qexternal为从外部环境的得热，V为壳程或者管程的持液体。（2）LNG换热器中的压力降在LNG操作单元的任何层中的压力降可以有下列两项中的一项来确定，明确压力降；通过定义K值，来定义每个换热层的压力流关系；在LNG操作中，如果选择压力流量选项来确定压力降，K值则将通过换热器的摩擦损失和流量联系起来。关联式如式(4.6 )。总流方程使用经过换热器的压力降，其中不含任何静态压头项。式中P 1-P2被定义为摩擦压力损失，其使用K值来体现了LNG换热器的规格尺寸。4.2.4 阀门模拟软件HYSYS中的压缩机如图4.4所示：图 4.4 HYSYS中的阀门在阀门操作
