基于HYSYS的C3/MRC液化天然气流程分析

司云航，杜德奔，王智杰，张开行，袁晓霞，贾延超

（1.西安石油大学化学化工学院，陕西西安710065；2.新疆胜星工程建设有限公司，新疆铁门关841007；3.中建安装工程有限公司，江苏南京210046；4.苏州中本硕机电工程有限公司，江苏苏州215011）

基于HYSYS的C3/MRC液化天然气流程分析

司云航1，杜德奔2，王智杰1，张开行3，袁晓霞2，贾延超4

（1.西安石油大学化学化工学院，陕西西安710065；2.新疆胜星工程建设有限公司，新疆铁门关841007；3.中建安装工程有限公司，江苏南京210046；4.苏州中本硕机电工程有限公司，江苏苏州215011）

运用ASPEN HYSYS软件建立C3/MRC液化天然气流程模型，依据热力学衡算方程，对各单元设备进行损失模拟计算。结果表明：压缩机的损失占整流程设备损失的56.74%，LNG换热器的占比为16.04%，这两者是流程节能减排的重点。通过对各设备损失影响的工况研究可以得出能够显著影响损失的关键工艺参数。为了尽量降低压缩机、LNG换热器等设备的损失，调节关键参数可以达到优化流程、提高工艺经济性的效果。

C3/MRC；HYSYS；损失；工况研究

随着我国经济的高速发展，能源问题随之日益凸显。为了保证国民经济与环境保护的平衡发展，作为清洁高效的液化天然气备受公众的关注［1］。据中国石油经济技术研究院披露，2013年我国天然气表观消费量为1 676亿m3，预计2030年，这一数据将超过4 000亿m3。天然气液化工艺依据制冷循环原理实质分为两种［2］：冷剂（机械）制冷和膨胀制冷，而目前应用最广的是丙烷预冷混合制冷工艺（C3/MRC）。利用ASPEN HYSYS软件建立该流程模型，对各单元设备进行损失模拟计算。通过工况分析，调节能够显著影响损失的关键参数来达到优化流程、提高工艺经济性。

纵观天然气液化工艺的历史沿革，流程简单、效率较高以及生产规模较大的丙烷预冷混合制冷工艺（C3/ MRC）是目前天然气液化的主导工艺［3］。然而，该流程耗能较高，设备费占总投资的比例甚高。运用分析来提高制冷流程的热力学效率是降低设备功耗、优化工艺循环的重要技术措施［4］。分析不仅能反映能量转化中量的变化，而且还能反映能量质的变化，从更深的能量层次对液化流程进行分析，向着最优流程的方向出发，从而实现节能减排的效果。

1.1C3/MRC工艺流程的损失计算

在HYSYS软件上建模如图1（设所有设备压降均为零），通过模拟得到各节点参数。在稳态条件下，忽略流程单元操作中工质动能和势能的影响，各设备损失的计算表达式为：

式中：T0为环境温度，取其值为298.15℃，ηc为压缩机的等熵效率，Ex为损失，Hin与Hout分别为制冷介质进出各流程设备的焓，Sin与Sout分别为制冷介质进出各流程设备的熵。依据式（2）～式（3），求出流程中各设备的损失（见图2）。

图1　丙烷预冷混合制冷天然气液化工艺流程图

图2　丙烷预冷混合制冷天然气液化工艺流程中各设备损失构成

2　C3/MRC工艺流程关键参数对设备损失的影响

开展C3/MRC工艺流程关键参数（混合制冷系统的高低段压力、温度以及混合制冷剂的甲烷摩尔分数）对各设备损失影响的研究显得尤为重要。通过工况分析，可以得出某些参数能够显著影响流程设备损失。为了尽量降低压缩机、LNG换热器等设备的损失，只需调节关键参数来达到优化流程、提高工艺经济性的效果。

图3　工艺流程高压端压力对设备损失的影响

图4　工艺流程高压端温度对设备损失的影响

3　减少设备?损失的建议与措施

图5　工艺流程低压端压力对设备损失的影响

图6　工艺流程低压端温度对设备损失的影响

图7　工艺流程混合制冷剂甲烷组分对设备损失的影响

表1　工艺流程关键参数对各设备损失增减的情况

表1　工艺流程关键参数对各设备损失增减的情况

注：“-”代表保持不变或几乎保持不变，“↑”代表增加，“↓”代表降低。

Exergy LossesCompressor/%LNG HEX/%J-T Valve/%Heater/%Cooler/%Mix/%高压段压力增高-↑106.39↑41.39↑339.06↓114.81↓35.14高压端温度增高----↓2.92-低压端压力增高↓9.63↓18.11↓2.88↓2.95↓22.31↓64.89低压端温度增高-↑55.44-↓21.95-↑1.42甲烷含量增高↑0.47↑16.31↓1.40↓55.39↑3.35↑13.15

［1］丁贺，孙恒，张明，等.膨胀剂液化流程中的冷剂配比及性能优化［J］.低温与超导，2014，42（8）：81-85.

［2］陈赓良.天然气液化流程的发展及其有效能分析［J］.天然气与石油，2012，31（1）：27-32.

［3］李青平，孟伟，张进盛，等.天然气液化制冷工艺比较与选择［J］.煤气与热力，2012，32（9）：4-10.

［4］陈赓良.天然气液化流程的发展及其有效能分析［J］.天然气与石油，2013，31（1）：27-32.

［5］石玉美，汪荣顺，顾安忠.流程参数对C3/MRC天然气液化流程性能的影响（下）［J］.天然气化工，2004，24（3）：111-114.

［6］Li Q.Y.，Ju Y.L.Design and analysis of liquefaction process for offshore associated gas resources［J］.Applied Thermal Engineering，2002，（30）：2518-2525.

［7］王遇冬，郑欣，李迓红，等.天然气处理原理与工艺（第Ⅱ版）［M］.北京：中国石化出版，2011：174.

Exergy analysis of C3/MRC process of liquefied natural gas（LNG）based on HYSYS

SI Yunhang1，DU Deben2，WANG Zhijie1，ZHANG Kaihang3，YUAN Xiaoxia2，JIA Yanchao4
（1.Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；2.Xinjiang Shengxing Engineering Construction Co.，Ltd.，Tiemenguan Xinjiang 841007，China；3.China Construction Installation Engineering Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210046，China；4.Suzhou Mechanical and Electrical Engineering Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215011，China）

With ASPEN HYSYS software to establish the C3/MRC process of liquefied natural gas（LNG）model，the exergy losses are simulated for each unit of equipments on the basis of thermodynamics exergy balance equation.The results show that the compressor exergy losses account for 56.74%of the whole process equipment exergy losses，16.04%of LNG exchanger，which is central to the process of energy saving and emission reduction.Case study of the impact on each equipment exergy losses can be concluded to find the key process parameters that can significantly affect exergy losses.As far as possible in order to reduce equipment exergy losses，such as compressor，LNG heat exchanger，adjusting the parameters of the key processes can achieve the effect of optimizing process and improving technological economy.

C3/MRC；HYSYS；exergy losses；case study

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.011

TE646

A

1673-5285（2015）02-0041-04

2014－12-23

司云航（1986-），硕士，西安石油大学，从事化工工艺设计的学习与研究，邮箱：514256700@qq.com。