CN106566475A - 不同原料气所对应的制冷剂组分配比及调整制冷剂配比的方法 - Google Patents

不同原料气所对应的制冷剂组分配比及调整制冷剂配比的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及冷剂配比优化节能技术领域，具体公开一种不同原料气所对应的制冷剂组分配比及调整制冷剂配比的方法，原料气根据乙烷的含量分为三种情况：原料气1、原料气2、原料气3，所述制冷剂的组分包括甲烷、乙烯、丙烷、氮气、异戊烷，针对原料气的不同日使用量（600000 Nm3/d~1000000 Nm3/d），调整出不同的制冷剂最佳配比。本发明的优点是，为完成装置工艺、设备模型的建立及其可靠性验证，然后从理论上研究了冷剂配比对能耗影响的机理、最佳冷剂配比的调整方法，最佳工艺参数的优化，然后指导工厂操作人员实施找到不同条件下的最佳运行工况，并结合工厂实际运行和气源、气质情况，探索不同负荷下工厂运行的最佳运行参数，提高装置生产稳定性，降低运行成本。

Description

不同原料气所对应的制冷剂组分配比及调整制冷剂配比的 方法
技术领域
本发明涉及冷剂配比优化节能技术领域，特别是指不同原料气所对应的制冷剂组分配比及调整制冷剂配比的方法。
背景技术
冷箱为钎焊铝制换热器，为保护设备，其最高工作温度为66℃，故应确保经预处理后的干燥天然气进入制冷换热器(即冷箱)的温度一定不要超过该设计温度。否则，制冷换热器上的高温感应器会触发SIS关闭天然气进气阀。
流过制冷换热器的冷剂总流量通过J-T阀控制。J-T阀对冷剂压缩机及系统起到节流作用，决定着液化单元LNG液化天然气总产量。调节J-T阀时通常应微量调整，因为这会影响压缩机的性能。微调可以改变产能和冷剂压缩机负荷。一般来讲，增加冷箱的冷剂流量可提高LNG的生产能力，或是如果LNG流量不变，则可降低LNG温度。如果工厂的BOG系统出现问题或LNG储罐的压力高，在温度控制阀的LNG温度可以调低，以减少闪蒸气和BOG系统的负荷。(LNG产品的温度越低，BOG的产生也越少)。
冷剂压缩机为离心压缩机，操作重点是压缩机的一、二级的防喘振控制，确保油系统、干气密封系统的正常运行。操作工应经常查看冷剂压缩机C-301上的就地PLC设备数据和报警。这些报警数据对液化单元设备的操作非常有用。例如，如果压缩机的出口温度升高，这可能是制冷剂的组成太轻。在这样的情况下，就需要在冷剂泵出口泵液量流量控制阀增加制冷剂。
在PRICO单循环混合制冷工艺中，规定气液相冷剂中各组分的含量，操作中应根据在线分析结果补充相应组分，使其尽量达到设计值。在各组分都正常后，可以通过控制气液比例来控制冷箱内制冷剂的组分含量。如果经冷剂泵出口泵液量流量控制阀的制冷剂液体流量太高(通过J-T阀设置)，即冷剂中重组分含量过高，会使在冷剂压缩机吸入温度开始下降，冷剂吸入罐开始形成液体。相反，如果冷剂泵出口泵液量流量控制阀流量是定得太低，冷剂压缩机的入口和出口温度比正常要高，甚至有可能高温报警或停机。
因此需要根据冷箱内温度分布调整冷剂的配比:冷箱热侧和冷侧温度分布不正常(组分发生变化)，经过计算调整，确定新的冷剂配比；当负荷变化时也需要调配冷剂：通过调整冷剂压缩机的流量，改变制冷负荷。
设计与实际操作存在偏差，工厂实际运行的气源、气质情况与设计初期发生了一定变化，按照设计参数进行操作后工厂单吨产品电耗较高。并且，设计值为100％负荷下参数，对60％-90％负荷下冷剂配比没有具体指导性参数，操作难度较大。
发明内容
本发明的目的是提供不同原料气所对应的制冷剂组分配比及调整制冷剂配比的方法，为完成装置工艺、设备模型的建立及其可靠性验证，然后从理论上研究了冷剂配比对能耗影响的机理、最佳冷剂配比的调整方法，最佳工艺参数的优化，然后指导工厂操作人员实施找到不同条件下的最佳运行工况，并结合工厂实际运行和气源、气质情况，探索不同负荷下工厂运行的最佳运行参数，提高装置生产稳定性，降低运行成本。
为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：不同原料气所对应的制冷剂组分配比，原料气根据乙烷的含量分为三种情况：原料气1为低乙烷含量，原料气2为中等乙烷含量，原料气3为高乙烷含量，所述制冷剂的组分包括甲烷、乙烯、丙烷、氮气、异戊烷，各组分的含量均以百分比计算；
(1)原料气的日使用量600000Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为33.49％，乙烯的成分配比为31.02％，丙烷的成分配比为13.79％，氮气的成分配比为13.33％，异戊烷的成分配比为8.37％；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为32.85％，乙烯的成分配比为30.44％，丙烷的成分配比为13.53％，氮气的成分配比为14.97％，异戊烷的成分配比为8.21％；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为31.39％，乙烯的成分配比为30.09％，丙烷的成分配比为13.37％，氮气的成分配比为17.03％，异戊烷的成分配比为8.12％；
(2)原料气的日使用量700000Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为32.97％，乙烯的成分配比为30.55％， 丙烷的成分配比为13.58％，氮气的成分配比为14.66％，异戊烷的成分配比为8.24％；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为32.7％，乙烯的成分配比为30.29％，丙烷的成分配比为13.46％，氮气的成分配比为15.37％，异戊烷的成分配比为8.17％；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为31.55％，乙烯的成分配比为30.25％，丙烷的成分配比为13.45％，氮气的成分配比为16.77％，异戊烷的成分配比为7.98％；
(3)原料气的日使用量800000Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为32.14％，乙烯的成分配比为29.78％，丙烷的成分配比为13.23％，氮气的成分配比为16.82％，异戊烷的成分配比为8.03％；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为32.28％，乙烯的成分配比为29.9％，丙烷的成分配比为13.29％，氮气的成分配比为14.46％，异戊烷的成分配比为8.07％；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为31.1％，乙烯的成分配比为29.82％，丙烷的成分配比为13.25％，氮气的成分配比为17.86％，异戊烷的成分配比为7.96％；
(4)原料气的日使用量900000Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为32.16％，乙烯的成分配比为29.79％，丙烷的成分配比为13.24％，氮气的成分配比为16.65％，异戊烷的成分配比为8.16％；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为32.09％，乙烯的成分配比为29.73％，丙烷的成分配比为13.21％，氮气的成分配比为16.96％，异戊烷的成分配比为8.02％；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为30.94％，乙烯的成分配比为29.66％，丙烷的成分配比为13.18％，氮气的成分配比为18.23％，异戊烷的成分配比为7.99％；
(5)原料气的日使用量1000000Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为32.83％，乙烯的成分配比为30.42％， 丙烷的成分配比为13.52％，氮气的成分配比为14.91％，异戊烷的成分配比为8.33％；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为31.89％，乙烯的成分配比为29.55％，丙烷的成分配比为13.13％，氮气的成分配比为17.46％，异戊烷的成分配比为7.97％；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为30.89％，乙烯的成分配比为29.61％，丙烷的成分配比为13.16％，氮气的成分配比为18.37％，异戊烷的成分配比为7.97％。
其中，所述原料气与制冷剂在冷箱出口的温差为1.5K～2K。
调整上述制冷剂配比的方法，所述制冷剂的配比先从冷端调起，依照露点顺序由低到高，当冷端温差小时，其余组分比例不变，只增大氮气组分比例，直至冷端温差为3K；当冷端温差大时，则减小氮气组分比例，其余组分不可调整；
甲烷调整时看对数平均温差，使得冷箱对数平均温差最大，随着甲烷含量的增加，对数平均温差先增大后减小，当到达最大值时不再调整，调整时其余组分不得调整；
乙烯的调整方法与甲烷调整相同，其余组分不得调整；
依次调整完丙烷和异戊烷，丙烷和异戊烷的调整方法与甲烷的调整方法相同(调整时温差减小越小越好，乙烯、丙烷、异戊烷这三种组分较为平均，相差不大，否则冷箱温差无法通过)，整个过程对数平均温差先增大后减小；
最后将各值转化后按照百分比输入，即为最佳配比。
本发明的有益效果在于：以冷剂配比优化为核心，提出了冷剂配比随原料气组成及负荷调整的新观点，并且针对LNG工厂实际情况优化得到了最佳冷剂配比，有效地指导实施节能降耗工作。
环境温度发生变化时，冷剂的冷凝器出口温度不同，需要调整冷剂组成及操作压力，结合季节性因素，针对不同原料气温度和压力下提出有效的节能降耗方案。
大幅降低了冷剂压缩机电机的运行功率，节能降耗，节约成本。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
运用ASPEN HYSYS工艺流程模拟软件建立工艺模型及数学模型，采用现场运行数据对模型的准确性与可靠性进行验证，然后通过理论计算以降低冷剂压缩单元电耗为目标，对模型进行分析、优化。调整各工艺点的参数，最大程度降低冷剂压缩单元的电耗，指导现场的工艺操作工作。
采用“生产运行数据验证理论模型+理论优化指导生产运行”思路模式，可提高优化工作的实施效率，同时避免现场盲目摸索导致的资源浪费及相关安全问题。主要包含以下几方面：
1、冷剂配比优化
(1)冷剂配比对能耗影响的机理
冷剂配比要求为换热器冷端主要组分温差为2K，即为高压LNG与中压制冷剂的出口温差，高压LNG指天然气完成液化后进入大罐前J-T阀前的这段管线中的产品；中压冷剂指冷箱冷剂管线上J-T阀后这段管线内的冷剂，并且最好使得高压LNG与中压制冷剂的在换热过程中保持2K左右温差，最小温差大于1.5K，这样配比下来制冷剂压缩机的能耗最小即为最佳配比。
从压缩耗功来看，由表1可得知各组分的参数，由N2至C5H12所耗功依次减小；液化点(即液态天然气变成气态天然气的零界点)由-149.6℃依次升高至188.7℃；液化潜热N2最小，CH4居中，乙烷至异戊烷较大，且相差不多；临界压力氮气和异戊烷较小，其余较大。由于临界压力以上，各组分无液化段，换热较为均匀，所以当原料气压力大于48bar(即4.8MPa)时应该选择制冷剂压力在45bar～50bar，当原料气压力小于48bar时，制冷剂压力应该选择在31bar左右。氮气特点是可以获取低温，但是功耗大，当原料气压力高时，不需要太多，当原料气压力低时(接近制冷剂压力)，氮气组分增多可使制冷剂温度较低，这样易实现冷却原料气。甲烷与氮气性质类似，不过较氮气液化点高些。乙烷至异戊烷的压缩功耗小，但是饱和点较高，易液化，各组分在超临界状态下换热较为均匀，换热性能较好。这几种组分作为混合物在一起，在不同换热段利用其良好的换热性能与甲烷换热，实现温差均匀(一般热端3K，冷端2.5k，最小温差大于1.5k，同时温差曲线尽可能平坦，对数温差5.0K左右，这样在冷剂压缩机排压一定的情况下，所需制冷剂最少，能耗最小)。对于换热性能较差段采取增大该段制冷剂的组分 比例的原则，较强段减少制冷剂组分比例的原则，实现能耗最低的目标。其中调整过程中N2调最冷端，决定冷端温差，甲烷调中间段，乙烯调上段温差；丙烷和异戊烷作用是降低能耗，辅助调节温差，含量太多或者太少均使得混合物物性偏移不能正常换热。总的来说就是利用各组分相变潜热(热负荷大，为N2，甲烷和乙烯，调整对应液化段温差)，使其既满足换热(温差各段尽可能平坦)，同时能耗最小原则(一般当温差平坦时，此时能耗也最小)，同时压缩机需要满足带液允许值，这样便可得到最佳配比。
表1制冷剂各组分的参数
参数 CH4 C2H4 C3H8 i-C5H12 N2
熔点(℃) -182.5 -169.4 -187.6 -159.4 -210
沸点(℃) -161.5 -104 -42.09 27.8 -195.8
临界温度(℃) -82.6 9.6 96.8 187.8 -147.05
临界压力(MPa) 4.59 5.07 4.25 3.33 3.4
(2)调整最佳配比的方法
根据研究结果发现，冷剂配比先从冷端调起，依照露点顺序由低到高(顺序为氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷)，冷端温差小时，其余组分比例不变，只增大氮气组分比例，直至冷端温差在3K左右，温差为3K最好；当冷端温差大时，则减小氮气组分比例，其余组分不可调整；甲烷调整时看对数平均温差，使得换热器对数平均温差最大，随着甲烷含量的增加，对数平均温差先增大后减小。当到达最大值时不再调整，调整时其余组分不得调整。乙烯的调整方法与甲烷调整相同，其余组分不得调整。前三者的主要作用是调整对数平均温差及最小温差，使之最大，后三者的作用是减小能耗，同时辅助调节温差(反向)，要求在温差(但是前提是满足最小温差大于1.5K，对数温差大于5.0K，对数温差太大能耗会高)减小不是太大的前提下调整，当温差减小太大时(即换热与能耗的相关性，三者组分太大不能满足换热，太小也不能满足换热，调整过程中先增后减)，则不再增大各组分。依次调整完丙烷和异戊烷(调整时温差减小越小越好，一般后面三者组分较为平均，相差不大，否则换热器温差无法通过)，整个过程对数平均温差先增大后减小。这样便可达到最佳配比，此时换热器对数积分温差一般在5.0K左右，能耗也为最小值。最后将各值转化后按照百分比输入，即为最佳配比。
(3)工艺参数优化
模型建立后，结合现场运行情况，对各项工艺参数进行理论优化，并指导现场具体实施。优化计算时充分考虑了不同原料气组分三类工况：低乙烷含量、中等乙烷含量、高乙烷含量原料气组分(详见表2)。本计算中主要考察四大压缩机(冷剂压缩机C-301、原料气压缩机C-101、BOG压缩机C-501、再生气压缩机C-502)和冷剂泵等主要耗电设备的电机功率，模拟计算各工况下冷剂配比、B通道底部温度等因素分别对冷剂流量、LNG产量、重烃产量、外输气量、单位产品电耗等主要经济评价指标的影响，并探索找到了适合三类不同原料气来源的最佳冷箱中部点温度、压力。
表2广安LNG工厂各负荷模拟工艺数据对比
模拟计算时严格结合实际装置中压缩机的性能曲线，能准确描述装置各关键点的压力、温度、效率、功耗等参数，避免了以往其他理论研究中固定压缩机出口压力、温度等参数导致的系统误差，显著地提高了工艺模拟计算模型的可靠性及准确性。
优化了混合冷剂单循环天然气液化系统在不同原料气气质组分下的工艺参数。建立了较完整的LNG工厂工艺、设备的理论模型，分析找到了冷剂系统节能降耗的主要方向。以冷剂配比优化为核心，提出了冷剂配比随原料气组成及负荷调整的新观点，并且针对广安LNG工厂实际情况优化得到了最佳冷剂配比，有效地指导实施节能降耗工作。环境温度发生变化时，冷剂的冷凝器出口温度不同，需要调整冷剂组成及操作压力，结合季节性因素，针对不同原料气温度和压力下提出有效的节能降耗方案。不同生产负荷下，由于冷剂使用量不同，冷剂压缩机的压力工作范围发生变化，要求冷剂组成相应进行调整。表3中给出了各种生产负荷条件下的最佳冷剂配比。
表3不同原料气制冷剂组分最佳理论配比
本发明在广安LNG工厂进行试验研究，实施效果显著，大幅降低了冷剂压缩机电机的运行功率。表4列出了各负荷生产条件下冷剂压缩机的电机优化前后的电流和功率对比。
表4 LNG工厂各工况优化前后冷剂压缩机电机电流与功率对比
从表2中数据分析发现，优化后各负荷运行情况下的功率和电流都有明显的下降，表明作为最大的耗电设备冷剂压缩机取得实际的节能成效。
表5为2013与2014年各负荷运行的主要指标对比，可以从中看出能耗有显著的下降。
表5 LNG工厂工况优化对比统计表
从表6的数据分析得出，本试验开展实施以来单位产品的电耗有显著的下降，60％、70％、80％、90％、100％负荷生产时，每天分别可节约成本22882元、10397元、23929元、6181元、17608元。
表6 LNG工厂各工况降本增效
2014年7月本优化试验开始实施以来，实际产生的经济效益如表7，半年来共节约电耗成本约326.83万元，取得良好的经济效益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (3)

1.不同原料气所对应的制冷剂组分配比，原料气根据乙烷的含量分为三种情况：原料气1为低乙烷含量，原料气2为中等乙烷含量，原料气3为高乙烷含量，其特征在于，所述制冷剂的组分包括甲烷、乙烯、丙烷、氮气、异戊烷，各组分的含量均以百分比计算；
（1）原料气的日使用量600000 Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为33.49%，乙烯的成分配比为31.02%，丙烷的成分配比为13.79%，氮气的成分配比为13.33%，异戊烷的成分配比为8.37%；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为32.85%，乙烯的成分配比为30.44%，丙烷的成分配比为13.53%，氮气的成分配比为14.97%，异戊烷的成分配比为8.21%；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为31.39%，乙烯的成分配比为30.09%，丙烷的成分配比为13.37%，氮气的成分配比为17.03%，异戊烷的成分配比为8.12%；
（2）原料气的日使用量700000 Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为32.97%，乙烯的成分配比为30.55%，丙烷的成分配比为13.58%，氮气的成分配比为14.66%，异戊烷的成分配比为8.24%；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为32.7%，乙烯的成分配比为30.29%，丙烷的成分配比为13.46%，氮气的成分配比为15.37%，异戊烷的成分配比为8.17%；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为31.55%，乙烯的成分配比为30.25%，丙烷的成分配比为13.45%，氮气的成分配比为16.77%，异戊烷的成分配比为7.98%；
（3）原料气的日使用量800000 Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为32.14%，乙烯的成分配比为29.78%，丙烷的成分配比为13.23%，氮气的成分配比为16.82%，异戊烷的成分配比为8.03%；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为32.28%，乙烯的成分配比为29.9%，丙烷的成分配比为13.29%，氮气的成分配比为14.46%，异戊烷的成分配比为8.07%；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为31.1%，乙烯的成分配比为29.82%，丙烷的成分配比为13.25%，氮气的成分配比为17.86%，异戊烷的成分配比为7.96%；
（4）原料气的日使用量900000 Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为32.16%，乙烯的成分配比为29.79%，丙烷的成分配比为13.24%，氮气的成分配比为16.65%，异戊烷的成分配比为8.16%；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为32.09%，乙烯的成分配比为29.73%，丙烷的成分配比为13.21%，氮气的成分配比为16.96%，异戊烷的成分配比为8.02%；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为30.94%，乙烯的成分配比为29.66%，丙烷的成分配比为13.18%，氮气的成分配比为18.23%，异戊烷的成分配比为7.99%；
（5）原料气的日使用量1000000 Nm3/d：
加工的是原料气1时，甲烷成分配比为32.83%，乙烯的成分配比为30.42%，丙烷的成分配比为13.52%，氮气的成分配比为14.91%，异戊烷的成分配比为8.33%；
加工的是原料气2时，甲烷成分配比为31.89%，乙烯的成分配比为29.55%，丙烷的成分配比为13.13%，氮气的成分配比为17.46%，异戊烷的成分配比为7.97%；
加工的是原料气3时，甲烷成分配比为30.89%，乙烯的成分配比为29.61%，丙烷的成分配比为13.16%，氮气的成分配比为18.37%，异戊烷的成分配比为7.97%。
2.根据权利要求1所述的不同原料气所对应的制冷剂组分配比，其特征在于：所述原料气与制冷剂在冷箱出口的温差为1.5K~2K。
3.调整权利要求1或2所述制冷剂配比的方法，其特征在于：所述制冷剂的配比先从冷端调起，依照露点顺序由低到高，当冷端温差小时，其余组分比例不变，只增大氮气组分比例，直至冷端温差为3K；当冷端温差大时，则减小氮气组分比例，其余组分不可调整；
甲烷调整时看对数平均温差，使得冷箱对数平均温差最大，随着甲烷含量的增加，对数平均温差先增大后减小，当到达最大值时不再调整，调整时其余组分不得调整；
乙烯的调整方法与甲烷调整相同，其余组分不得调整；
依次调整完丙烷和异戊烷，丙烷和异戊烷的调整方法与甲烷的调整方法相同（调整时温差减小越小越好，乙烯、丙烷、异戊烷这三种组分较为平均，相差不大，否则冷箱温差无法通过），整个过程对数平均温差先增大后减小；
最后将各值转化后按照百分比输入，即为最佳配比。
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