行业老兵话装置(1)：气体膨胀型LNG流程模拟及应用实例分析
LNG厂站的同仁们，我是为峰（DWF），进入LNG行业超过15年，算得上一位行业老兵。承蒙老队长厚爱，在此“抛玉引砖”和大家分享一些粗浅的心得体会。我大学毕业后做的第一个LNG项目位于华南某海岛上，那是个火山喷发形成的火山岛，岛上有热带的阳光、洁白的沙滩、湛蓝的海水，单纯看自然条件的话那里怎么也不会和石化装置联系起来，去旅游的话倒是个不错的选择...哈哈，看下上面的照片大概你能理解我的意思啦。岛上有几个村子，从没碰到过“小芳”，倒是有不少仙人掌，被扎过几次（别笑，仙人掌开花真的很漂亮，而且还能吃！）。此外就是香蕉猪（岛上最广泛种植的经济作物就是香蕉，太过普通以至于村民连家里养的猪都喂香蕉，被我们项目团队冠名香蕉猪）。
不好意思，嘿嘿，扯得有点远。教授主要让我介绍装置心得。我们在岛上建的是个小型（15万方/天）全撬装模块化的的LNG装置，采用的甲烷膨胀制冷工艺，文章的背景照片显示的就是这套装置。当时全国一共才3套LNG液化装置（我们的是第4套），也没有使用相同工艺的工厂经验可以借鉴。现在回过头再来看这套装置，其主要优点是膨胀制冷负荷调节能力强、工艺简单，占地省等。但是缺点也是明显的：除基本原理决定的膨胀制冷能耗高外，岛上的装置使用燃气发动机为驱动消耗了过多天然气，降低了液化率，在装置规模已经很小的情况下又牺牲了部分产品收率。这个缺点在我们后来的类似工艺的都改了，即全部使用电机驱动主压缩机，此外使用氮气作为制冷工质也提升了安全系数。后来建的装置位于华北（当年的晋察冀地区），整个画风变成了下面这样。
告别北部湾里的火山岛，我转战晋察冀，建设了一个氮气膨胀工艺的LNG工厂。如上图照片所示，该工厂的原料为煤层气，其具体流程如下图所示。以下来简单介绍下该LNG工艺流程模拟及运用该模拟模型进行实际工厂运营问题的分析。
1 已知条件如下：
表1 已知条件数据表
节点 | NG1 | NG3 | R1 | R2 | R4 | |
压力（MPa_g） | 3.1 | — | 0.34 | 2.2 | 4.0 | |
温度（℃） | 40 | -136 | — | 40 | 40 | |
流量（Nm3/h） | 6250 | — | — | — | — | |
组分 （Mol%） | N2 | 0.01 | — | 1 | — | — |
CH4 | 0.98 | — | — | — | — | |
C2H6 | 0.01 | — | — | — | — | |
2 流程计算
假设将板翅换热器和膨胀机的膨胀端组成一个热力学系统，则：
进入系统的能量总和为：
Q入=HNG1+HR4+HBOG1
流出系统的能量总和为：
Q出=HNG3+HR1+HBOG3
系统对外界所做的功：
W=膨胀机压缩端轴功×转化效率
根据热力学第一定律：
Q入=Q出+W
即：
HNG1+HR4+HBOG1= HNG3+HR1+HBOG3+膨胀机压缩端轴功/传递效率
整理后得：
(HNG1- HNG3)+(HBOG1- HBOG3)=(HR1- HR4)+膨胀机压缩端轴功/传递效率
=FR[(hR1- hR4)+(w冷+w热) /0.9]
整理后得：
详细计算流程如下图所示：
3 煤层气入冷箱的压力对系统能耗的影响
煤层气液化过程实际上是一个气态煤层气等压降温成液态煤层气的过程。在特定压力下，利用根据图1建立的系统模型对煤层气从初温-40℃冷却至-140℃的过程中对煤层气的T-H进行模拟计算，结果如下图3所示。
图3 煤层气T-H图
由图3可以看出当系统压力高于临界压力时，煤层气的等压冷凝过程不再经过两相区，而且等压温度曲线随着压力的升高愈加平滑；当系统压力低于临界压力时煤层气的等压冷凝过程需经过两相区，而且随着压力的降低煤层气的液化温度也会逐步下移，在汽液两相区停留的区间就会越长。利用图1建立的模型对煤层气不同压力下系统功耗进行了模拟，结果显示：由于焓值随压力的下降而升高，因此当煤层气压力降低时，由公式（1）可得氮气的循环量增加；另外，由于压力降低，LNG的液化温度下行，为了避免出现逆温差，需降低节点R5的温度，而膨胀机在进出口压力相同的条件下，膨胀机对外做功会随着入口温度的降低而降低，即膨胀机在对外做功相同的情况下，出口压力会随着入口温度的降低而降低，因此在降低节点R5的温度后会导致节点R7的压力下降，进而降低氮压机的入口压力。鉴于以上原因导致氮气压缩机的轴功增加。同时，由于煤层气压力的降低导致原料气压缩机的轴功减少量，但原料气压缩机轴功的减少量小于氮气压缩机轴功的增加量，所以总功耗随着原料气进冷箱的压力下降而上升。
