CN105066583B - Lng液化混合冷剂的配比优化方法 - Google Patents

Lng液化混合冷剂的配比优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LNG液化混合冷剂的配比优化方法，包括：建立LNG液化流程的工艺模型；将混合冷剂的多种组成配比输入至工艺模型中，运行工艺模型；获取运行过程中多种组成配比分别对应的压缩机能耗，使压缩机能耗最小的组成配比为混合冷剂的最优配比。上述优化方法运用模拟技术建立LNG液化工艺模型，实现实时优化分析，根据原料气组分的变化实时调节混合冷剂配比，使工艺能耗降低。

Description

LNG液化混合冷剂的配比优化方法
技术领域
本发明涉及天然气液化工艺领域，具体而言，涉及一种LNG液化混合冷剂的配比优化方法。
背景技术
随着世界经济的发展，人类对化石燃料的消费也逐渐增多，由煤、石油所带来的环境问题也逐渐增多，使能源结构逐渐发生变化，对天然气等清洁能源的需求也急剧增长。当今，我国天然气事业也快速发展，液化天然气(LNG)的消耗与需求量更是大幅增长。然而，与我国LNG事业全面发展不相适应的是我国在LNG的工艺设计、低温设备制造、生产运行等方面技术还比较落后，处于刚刚起步的阶段。由于原料气组成的设计值与实际偏差较大、混合冷剂配比调整仅凭经验、生产负荷变化较大、操作参数设置与最优值偏差较大及控制系统人工调节未实现自动化等方面的因素，导致LNG液化段能耗偏高，液化率低。为了降低LNG生产过程的能耗，解决混合冷剂配比凭经验问题，急需一种解决混合冷剂配比的方法来解决这一工厂生产运行中的难题。
国外从20世纪70年代开始，对LNG装置的液化流程进行了设计、模拟与评价工作。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，根据模拟结果分析了各个流程的优缺点，并给出了每种流程最佳运行参数。
1995年，Melaaen提出了简化的绕管式换热器模型，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变化对实际生产运行产生的影响，为优化设计提供了参考。
1997年，Phillips石油公司的工程研究和发展部门通过优化方法，采用窄点分析和工艺模拟技术，开发出Phillips优化级联式天然气液化工艺。由Trinidad和Tobago组成的大西洋液化天然气集团公司在Trinidad天然气液化装置上采用了这种工艺。该工艺简化了流程装置，在进料量和气体组成有较大变化的情况下能保持装置操作稳定。
国内天然气液化技术的研究起步较晚，主要是上海交通大学，西南石油大学和哈尔滨工业大学。上海交通大学顾安忠教授领导的课题组，从上世纪90年代开始在顾安忠教授的带领下对天然气液化流程进行了系统模拟，包括基本负荷型和调峰型液化流程的热力学模拟计算、参数分析、优化分析，在混合工质的物性计算方面也做出了很多贡献。但所有的流程计算均局限在软件的模拟运算方面，没有建立起实验室装置，使模拟结果无法验证。在流程模拟方面基本是选用成熟的经典流程，没有开发出新型的液化流程。
哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所在2002年以来一直从事天然气液化技术的研究，先后对目前应用的所有液化流程进行模拟优化，并在此基础上开发出自己的液化流程，适用于中心和大型的双混合工质液化流程，既能保证流程的高效率，又简化了流程设备，比较适合于目前国内的天然气气源条件，但是这一流程还处于试验阶段，并没有具体的实践应用。
综上所述，有必要提供一种适于工业化实际应用的LNG液化混合冷剂的配比优化方法，以降低LNG液化工艺过程中的能耗。
发明内容
本发明旨在提供一种LNG液化混合冷剂的配比优化方法，以解决现有技术中LNG液化工艺过程中能耗过高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种LNG液化混合冷剂的配比优化方法，该方法包括以下步骤：建立LNG液化流程的工艺模型；将混合冷剂的多种组成配比输入至工艺模型中，运行工艺模型；获取运行过程中多种组成配比分别对应的压缩机能耗，使压缩机能耗最小的组成配比为混合冷剂的最优配比。
进一步地，该方法包括以下步骤：S1，按照LNG液化流程，利用HYSYS软件建立LNG液化流程的工艺模型；S2，导出工艺模型中进料天然气的温焓曲线图，并筛选出温焓曲线图与天然气的温焓曲线图走势一致的混合冷剂作为待优化混合冷剂；S3，将待优化混合冷剂的组成配比输入至工艺模型中，通过HYSYS软件运行工艺模型，记录工艺模型中的冷量参数和耗功参数；以及S4，找出步骤S3中所记录的冷量参数和耗功参数中对应的压缩机能耗最小的参数，压缩机能耗最小的参数对应的组成配比即混合冷剂的最优配比。
进一步地，步骤S3中记录工艺模型中的冷量参数和耗功参数的步骤之后，还包括以下步骤：调节工艺模型中待优化混合冷剂的组成配比，并记录不同的组成配比下工艺模型在运行过程中的冷量参数和耗功参数。
进一步地，步骤S1中，建立工艺模型的步骤包括：在HYSYS软件上选择物性方程Peng-Robsen，并按照混合冷剂的组分在HYSYS软件上选择组分类型；按照LNG液化流程的PID工艺流程，在HYSYS软件上建立模型；按照实际工况标定模型，得到标定模型；设置压缩机控制逻辑，得到预备模型；以及按照实际工况中各个物流的能耗，将各个物流的能耗数据通过HYSYS软件的接口输入至预备模型的数据处理软件中，得到工艺模型。
进一步地，按照实际工况标定模型的过程中，使模型与实际工况之间的误差小于5％。
进一步地，步骤S2中，在筛选温焓曲线图与天然气的温焓曲线图走势一致的混合冷剂的过程中，筛选出的待优化混合冷剂的温焓曲线图与天然气的温焓曲线图之间的焓差小于3％。
进一步地，步骤S2中，通过试差法筛选温焓曲线图与天然气的温焓曲线图走势一致的混合冷剂作为待优化混合冷剂。
进一步地，利用窄点技术分析法，通过缩小公差调节工艺模型中待优化混合冷剂的组成配比。
进一步地，按照混合冷剂的组分在HYSYS软件上选择组分类型的过程中，组分类型包括氮气、甲烷、二氧化氮和丙烷中的至少两种。
进一步地，按照LNG液化流程的PID工艺流程，在HYSYS软件上建立模型的步骤中，PID工艺流程包括混合冷剂回路和进料天然气回路。
本发明提供的上述优化方法中，运用模拟技术建立LNG液化工艺模型，实现实时优化分析，根据原料气组分的变化实时的调节混合冷剂配比，使液化工艺能耗降低。同时，能够筛选出符合条件的各个混合冷剂的组成，最终以压缩机能耗最低为目标函数，确定最佳混合冷剂组成。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施例1中LNG液化厂的液化流程图；以及
图2示出了本发明实施例1中根据LNG液化厂的液化流程图建立的工艺模型图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
正如背景技术部分所介绍的，现有技术中LNG液化工艺过程中能耗过高。为了解决这一问题，本发明提供了一种LNG液化混合冷剂的配比优化方法，该方法包括以下步骤：建立LNG液化流程的工艺模型；将混合冷剂的多种组成配比输入至工艺模型中，运行工艺模型；获取运行过程中多种组成配比分别对应的压缩机能耗，使压缩机能耗最小的组成配比为混合冷剂的最优配比。
本发明提供的上述优化方法中，运用模拟技术建立LNG液化工艺模型，实现实时优化分析，根据原料气组分的变化实时的调节混合冷剂配比，使液化工艺能耗降低。同时，能够筛选出符合条件的各个混合冷剂的组成，最终以压缩机能耗最低为目标函数，确定最佳混合冷剂组成。
在一种优选的实施方式中，该方法包括以下步骤：
S1，按照LNG液化流程，利用HYSYS软件建立LNG液化流程的工艺模型；
S2，导出工艺模型中进料天然气的温焓曲线图，并筛选出温焓曲线图与天然气的温焓曲线图走势一致的混合冷剂作为待优化混合冷剂；
S3，将待优化混合冷剂的组成配比输入至工艺模型中，通过HYSYS软件运行工艺模型，记录工艺模型中的冷量参数和耗功参数；以及
S4，找出步骤S3中所记录的冷量参数和耗功参数中对应的压缩机能耗最小的参数，压缩机能耗最小的参数对应的组成配比即混合冷剂的最优配比。
本发明提供的上述优化方法中，先根据实际的LNG液化流程，在HYSYS软件上建立了与实际LNG液化流程相适应的工艺模型。
按照实际LNG液化流程，在建立工艺模型的过程中，所需要的建模的设备通常包括混合冷剂压缩机、定速电机或变频电机、冷箱、分离器、冷却器、控制阀和隔离阀、控制回路(DCS与ESD，仅指为实现控制方案需要的控制回路)、泵等。需要的资料通常包括(PFDs)过程流程图、(PID)仪表工艺流程图、管道长度与滞留量、上述设备数据、压缩机数据表、压缩机转动惯量、电机数据表、电机转动惯量、电机曲线、隔离阀数据表、控制阀数据表、防喘振控制阀数据表、冷箱工艺运行数据表、冷箱机械设备数据表、换热器工艺运行数据表、换热器机械设备数据表、仪表数据表、工艺过程描述、启停机步骤与逻辑、工艺控制设定点、控制系统设置、混合冷剂组分、进料气组分。
建立工艺模型后，通过软件能够导出进入该工艺模型的进料天然气的温焓曲线图。在现有的符合生产要求的混合冷剂中，找出温焓曲线图与上述导出的天然气温焓曲线图走势相一致的一些混合冷剂，将这些混合冷剂作为待优化混合冷剂。
在LNG液化流程中，混合冷剂循环中采用的混合冷剂是由许多种不同沸点的气体组分构成。利用部分冷凝和逐级闪蒸的原理，高压的混合冷剂液体经过降压和多级分离，能够形成不同温度位级的制冷剂。换热后的各股制冷剂物质流汇合后，进入制冷压缩机，进行制冷循环。其中混合冷剂多是以C1-C5的烃类化合物及N2等五中以上的多组分混合物。混合冷剂循环的总效率主要是取决于天然气原料与混合冷剂之间的温度匹配情况，本发明中利用工艺模型中导出的进料天然气的温焓曲线图，筛选出温焓曲线图走势与之相一致的混合冷剂，既能够初步筛选出液化效率高、液化过程能耗相对较低的混合冷剂。以这些筛选出的混合冷剂作为待优化混合冷剂，能够显著提高优化效率，简化后期的优化工序。
得到待优化混合冷剂后，将待优化混合冷剂的组成配比输入至工艺模型中，在HYSYS软件上运行工艺模型，记录工艺模型中的冷量参数和耗功参数。然后找出所记录的冷量参数和耗功参数中对应的压缩机能耗最小的参数，压缩机能耗最小的参数对应的组成配比即混合冷剂的最优配比。
混合冷剂的温焓变化是有多种因素决定，其中最重要的因素是混合制冷剂的组成。根据天然气液化过程中每个阶段需要的冷量和物性的焓与混合冷剂在每个阶段提供的冷量与焓的匹配性原则，以压缩机能耗最低为目标，来进行混合冷剂优化筛选，即可得到混合冷剂的最优配比。
上述方法中，只要根据温焓匹配性原则找出实际应用中的待优化混合冷剂，再将这些待优化混合冷剂的组成输入至工艺模型，找到压缩机能耗最低时对应的冷剂组成，即可得到较佳的混合冷剂配比，使实际LNG液化工艺过程中的能耗降低、液化效率提高。在一种优选的实施方式中，上述步骤S3中记录工艺模型中的冷量参数和耗功参数的步骤之后，还包括以下步骤：调节工艺模型中待优化混合冷剂的组成配比，并记录不同的组成配比下工艺模型在运行过程中的冷量参数和耗功参数。
利用上述步骤，对待优化混合冷剂的组成配比进行上下幅度的调整，能够进一步扩大筛选范围，然后应用正交试验法来确定出所筛选出的冷剂的优劣性。从而能够进一步优化混合冷剂的配比。
本领域技术人员能够根据本发明上述的教导在HYSYS软件上建立LNG液化工艺流程的工艺模型。在一种优选的实施方式中，上述步骤S1中，建立工艺模型的步骤包括：
在HYSYS软件上选择物性方程Peng-Robsen，并按照混合冷剂的组分在HYSYS软件上选择组分类型；
按照LNG液化流程的PID工艺流程，在HYSYS软件上建立模型；
按照实际工况标定模型，得到标定模型；
设置压缩机控制逻辑，得到预备模型；以及
按照实际工况中各个物流的能耗，将各个物流的能耗数据通过HYSYS软件的接口输入至预备模型的数据处理软件中，得到工艺模型。
选择物性方程和混合冷剂组分后，按照LNG液化流程的PID工艺流程在HYSYS软件上建立模型。标定模型的步骤能够使所建立的工艺模型与实际的LNG液化工艺流程的工况更加相符，从而能够使建立的工艺模型具有更准确的指导意义。更优选地，按照实际工况标定模型的过程中，使模型与实际工况之间的误差小于5％。
在一种优选的实施方式中，上述步骤S2中，在筛选温焓曲线图与天然气的温焓曲线图走势一致的混合冷剂的过程中，筛选出的待优化混合冷剂的温焓曲线图与天然气的温焓曲线图之间的焓差小于3％。这更够使待优化混合冷剂和进料天然气之间的温焓变化匹配性更高，从而能够进一步优化混合冷剂的配比，使其应用于实际LNG液化流程中能够进一步降低能耗、改善液化效率。
在一种优选的实施方式中，上述步骤S2中，通过试差法筛选温焓曲线图与天然气的温焓曲线图走势一致的混合冷剂作为待优化混合冷剂。具体地，可以用VB编制的程序，通过读取模拟软件里相应冷剂的温焓参数，通过设置一个公差由软件来进行反复的修改，来确定冷剂组成。
在一种优选的实施方式中，利用窄点技术分析法，通过缩小公差调节工艺模型中待优化混合冷剂的组成配比。
优选地，按照混合冷剂的组分在HYSYS软件上选择组分类型的过程中，组分类型包括氮气、甲烷、二氧化氮和丙烷中的至少两种。
优选地，按照LNG液化流程的PID工艺流程，在HYSYS软件上建立模型的步骤中，PID工艺流程包括混合冷剂回路和进料天然气回路。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。
实施例1
某LNG液化厂的液化流程图如图1所示，具体的工艺原理如下：
110为丙烷预冷冷凝器；120为第一换热器；130为第二换热器；140为第三换热器；101为第一压缩机；102为第一水冷换热器；103为第二压缩机；104为第二水冷换热器；105、106、107、108、109均为节流阀；210为第一气液分离器；220为第二气液分离器；230为第三气液分离器；240为第四气液分离器；250为产品分离器；1至29分别表示了管路中不同的流体，具体说明如下：
1为进料天然气；2为经过丙烷预冷冷凝器110的天然气；3为经过第一换热器120之后的天然气；4为经过第二换热器130之后的天然气；5为经过第三换热器140之后的天然气；6为经过节流阀的液化天然气；7为经过产品分离器250后的液化天然气；8为经过产品分离器250后的未被液化的天然气；9为循环冷剂；10为经过第一压缩机101进行一级压缩的循环冷剂；11经过第二压缩机102进行二级压缩的循环冷剂；12为经过第二水冷换热器104的循环冷剂；13为经过丙烷预冷冷凝器110的循环冷剂；14为经过第三气液分离器230分离之后的气态混合冷剂；15为经过第三气液分离器230分离之后的液态混合冷剂；16为15经过第一换热器120换热之后的混合冷剂；18为15经过第一换热器120之后的液体混合冷剂；19为18经过节流阀节流之后的混合冷剂；21为16经过第四气液分离器240分离之后的气态混合冷剂；22为16经过第四气液分离器240分离之后的液态混合冷剂；23为21经过第二换热器130的气态混合冷剂；25为22经过第二换热器130的液态混合冷剂；26为25经过节流阀的混合冷剂；28为23经过第三换热器140的混合冷剂；29为28经过节流阀的混合冷剂；24为29经过第三换热器140换热的混合冷剂(提供冷量)；27为24与26混合后的混合冷剂；17为27经过第二换热器130换热之后的冷剂(提供冷量)；20为19与17混合后的混合冷剂。
在HYSYS软件上建立工艺模型，
建立工艺模型的步骤如下：
在HYSYS软件上选择物性方程Peng-Robsen，并按照混合冷剂的组分在HYSYS软件上选择组分类型；按照LNG液化流程的PID工艺流程，在HYSYS软件上建立模型；按照实际工况标定模型，得到标定模型；设置压缩机控制逻辑，得到预备模型；以及按照实际工况中各个物流的能耗，将表1中各个物流的能耗数据通过HYSYS软件的接口输入至预备模型的数据处理软件中，得到工艺模型，如图2所示：其中标号与图1中的装置和流体一一对应，需要说明的是：工艺模型中(图2)270为第五气液分离器；280为第六气液分离器；201、202、203均为混合器。
表1
注：表1中H为总焓值，h为单位流量的焓值，H＝Fmrh
筛选出温焓曲线图与进料天然气温焓曲线图走势一致的混合冷剂(焓差小于3％)作为待优化混合冷剂，各待优化混合冷剂的组分如表2所示：
表2
编号 甲烷 乙烯 丙烷 异丁烷 氮气
1 22 44 16 14 4
2 23 43 15 15 4
3 24 43 12 17 4
4 25 42 12 17 4
5 26 42 8 20 4
6 27 41 7 21 4
7 28 40 6 22 4
8 29 39 5 23 4
9 30 38 4 24 4
10 31 37 3 25 4
11 32 36 2 26 4
将上述编号1至11中的混合冷剂的组成导入至上述工艺模型中，运行工艺模型，记录各组分状态下对应的冷量参数和耗功参数。然后，利用窄点技术分析法，通过缩小公差调节工艺模型中各待优化混合冷剂的组成配比，并记录不同的组成配比下所述工艺模型在运行过程中的冷量参数和耗功参数。
以压缩机能耗最小为目的，找出记录的冷量参数和耗功参数中对应压缩机能耗最小的参数，以该参数对应的混合冷剂配比作为适用于该厂LNG液化工艺的最佳混合冷剂。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种LNG液化混合冷剂的配比优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
建立LNG液化流程的工艺模型；
将混合冷剂的多种组成配比输入至所述工艺模型中，运行所述工艺模型；
获取运行过程中所述多种组成配比分别对应的压缩机能耗，使所述压缩机能耗最小的组成配比为所述混合冷剂的最优配比；
所述方法包括以下步骤：
S1，按照LNG液化流程，利用HYSYS软件建立所述LNG液化流程的工艺模型；
S2，导出所述工艺模型中进料天然气的温焓曲线图，并筛选出温焓曲线图与所述天然气的温焓曲线图走势一致的混合冷剂作为待优化混合冷剂；
S3，将所述待优化混合冷剂的组成配比输入至所述工艺模型中，通过所述HYSYS软件运行所述工艺模型，记录所述工艺模型中的冷量参数和耗功参数；以及
S4，找出所述步骤S3中所记录的冷量参数和耗功参数中对应的压缩机能耗最小的参数，所述压缩机能耗最小的参数对应的组成配比即所述混合冷剂的最优配比；
所述步骤S1中，建立所述工艺模型的步骤包括：
在所述HYSYS软件上选择物性方程Peng-Robsen，并按照混合冷剂的组分在所述HYSYS软件上选择组分类型；
按照所述LNG液化流程的PID工艺流程，在所述HYSYS软件上建立模型；
按照实际工况标定所述模型，得到标定模型；
设置压缩机控制逻辑，得到预备模型；以及
按照所述实际工况中各个物流的能耗，将所述各个物流的能耗数据通过所述HYSYS软件的接口输入至所述预备模型的数据处理软件中，得到所述工艺模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中记录所述工艺模型中的冷量参数和耗功参数的步骤之后，还包括以下步骤：
调节所述工艺模型中所述待优化混合冷剂的组成配比，并记录不同的组成配比下所述工艺模型在运行过程中的冷量参数和耗功参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照所述实际工况标定所述模型的过程中，使所述模型与所述实际工况之间的误差小于5％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，在筛选温焓曲线图与所述天然气的温焓曲线图走势一致的混合冷剂的过程中，筛选出的所述待优化混合冷剂的温焓曲线图与所述天然气的温焓曲线图之间的焓差小于3％。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过试差法筛选温焓曲线图与所述天然气的温焓曲线图走势一致的混合冷剂作为所述待优化混合冷剂。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用窄点技术分析法，通过缩小公差调节所述工艺模型中所述待优化混合冷剂的组成配比。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照混合冷剂的组分在所述HYSYS软件上选择所述组分类型的过程中，所述组分类型包括氮气、甲烷、二氧化氮和丙烷中的至少两种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照所述LNG液化流程的PID工艺流程，在所述HYSYS软件上建立模型的步骤中，所述PID工艺流程包括混合冷剂回路和进料天然气回路。
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