第59卷第10期化報VoL. 59 No 102008年10月Journal of Chemical IndustryEngineering (China)October 2008總研究論文空氣分離與天然氣液化組合循環(huán)脫瀚斐,厲彥忠,譚宏博(西安交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所,陜西西安70049)摘要:提出了利用空分系統(tǒng)冷量液化天然氣的聯(lián)合流程思想,并介紹了一種采用氮氣膨脹循環(huán)的空氣分離與天然氣液化聯(lián)合方案,在得到液化天然氣(LNG)的同時,也生產(chǎn)氮氣、氧氣等多種產(chǎn)品。通過流程模擬計算并采用有效能分析原理,確定了高、低溫膨脹量比對傳熱溫差及有效能損失的影響規(guī)律,得到了不同液化量下的優(yōu)化膨脹量之比。結(jié)果表明,基于熱負(fù)荷總組合曲線的有效能分析原理能夠方便、有效地研究整個傳熱過程的溫差分布及有效能損失規(guī)律,對實際低溫過程系統(tǒng)優(yōu)化有重要意義。關(guān)鍵詞:空氣分離;天然氣液化;組合循環(huán)中圍分類號:TE09文獻標(biāo)識碼:A文章編號:0438-1157(2008)10-2498-07Combined cycle of air separation and natural gas liquefactionTUO Hanfei, LI Yanzhong, TAN Hongbo(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xian 710049, Shaanxi, China)Abstract: An integrated process for air separation and liquefaction of natural gas was presented, and basedon such an original idea a novel combined-cycle using nitrogen expansion refrigeration unit and producingLNG in addition to nitrogen and oxygen was proposed. Process simulation and second law analysis wereperformed to reveal the influence of flow rate ratio through expanders on heat transfer temperaturedifference and consequent exergy loss, and thus the optimal p under different operation conditions wasobtained. Hence, the change of temperature difference distribution and exergy loss in the heat exchangercould be investigated conveniently and effectively through the principle of exergy analysis in combinationwith energy composite curves. Such information is valuable for optimal design of practical cryogenicsystems.Key words: air separation; natural gas liquefaction; combined cycle引言統(tǒng)十分必要,小型、可移動式天然氣液化裝置具有廣闊的應(yīng)用前景3。小型天然氣液化裝置可用于液化天然氣由于具有很高的體積能量密度,已城市用氣調(diào)峰,還可用于開發(fā)利用氣田邊緣采氣成為天然氣輸送和儲存的首選方式。目前,低溫液井、煤層氣等多種氣源,其液化流程多采用帶膨脹化裝置已廣泛地應(yīng)用于以調(diào)峰和遠(yuǎn)洋輸送為目的的機的外部制冷液化循環(huán)57。商業(yè)天然氣液化領(lǐng)域2。然而,隨著LNG、CNG相對于天然氣液化技術(shù),空氣分離液化技術(shù)較車輛的不斷發(fā)展,開發(fā)低成本的小型LNG加注系為成熟,其流程有生產(chǎn)規(guī)模大、單耗低、產(chǎn)品純度2008-01-25收到初稿,2008-05-14收到修改稿Recelved date: 2008-01-25聯(lián)系人:厲彥忠,第一作者:脫瀚斐(1983-),男,碩士研responding anthor: Prof. LI Yanzhong. E-mail: yzli-epe究生@mail. xtu. edu. en高金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2007AA052216)Foundation item: supported by theHigh-tech Research andDevelopment Program of China (2007 AA05Z216第10期脫瀚斐等:空氣分離與天然氣液化組合循環(huán)·2499·高等特點。常壓下天然氣的液化溫度要高于空示。循環(huán)壓縮機7出口處的氮氣經(jīng)兩臺增壓機8、氣的沸點,因此可以利用空氣分離裝置同時生產(chǎn)高9加壓至4.6MPa,在換熱器內(nèi)冷卻,一部分在高純氣體產(chǎn)品和LNG,從而實現(xiàn)低溫裝置的高效性溫透平膨脹機10中膨脹到0.56MPa;另一部分繼和能量的綜合利用。本文作者首次提出了利用空分續(xù)在換熱器中冷卻,在低溫級透平膨脹機11中膨制冷技術(shù)液化天然氣的復(fù)合流程方案,并申報了國脹到0.56MPa,膨脹后的氮氣經(jīng)換熱器復(fù)熱后返家發(fā)明專利10。采用空分和液化天然氣聯(lián)合制冷回循環(huán)壓縮機的入口,完成循環(huán)。在此循環(huán)中,兩系統(tǒng)有一些明顯的優(yōu)勢。聯(lián)合流程對于溫度的控制臺膨脹機分別向高溫區(qū)和低溫區(qū)提供天然氣液化所更加方便靈活,系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉更簡單;系統(tǒng)中需冷量。處理后的帶壓原料天然氣在循環(huán)換熱器內(nèi)省去了級聯(lián)式液化系統(tǒng)中額外的制冷工質(zhì),避免了被循環(huán)氮氣冷卻液化,節(jié)流后進入LNG儲槽12。由于工質(zhì)成分變化對系統(tǒng)性能的影響;在液化天然該方案冷量完全由中壓氮氣循環(huán)提供,通過調(diào)節(jié)循氣的同時,空分系統(tǒng)的氧、氮產(chǎn)品還可充分利用。環(huán)膨脹氮氣量實現(xiàn)冷量的合理分配,系統(tǒng)變負(fù)荷能這些優(yōu)點使得組合循環(huán)制冷系統(tǒng)具有很大的發(fā)展優(yōu)力和液化能力強,能按需生產(chǎn)LNG、氮氣、氧氣勢和應(yīng)用前景。本文提出了一種新的聯(lián)合制冷循環(huán)等多種產(chǎn)品。系統(tǒng)的最高運行壓力低,而且天然氣流程,對流程能耗及換熱溫差的影響規(guī)律進行了深僅與氮氣換熱,系統(tǒng)更安全。入的研究。1液化流程方案根據(jù)制冷方式,空氣分離與天然氣液化組合循環(huán)可以分為氮氣膨脹制冷和空氣膨脹制冷兩種,作者前期提出了氮氣膨脹制冷方案,而文獻[1采用的是空氣膨脹制冷,后者又進一步分為空氣直接膨脹制冷和循環(huán)空氣膨脹制冷兩種流程方案。原料空氣經(jīng)壓縮機加壓后,經(jīng)過純化器除去雜質(zhì),進主換熱器冷卻降溫,部分膨脹為系統(tǒng)提供冷量,另部分節(jié)流后進入下塔。若膨脹空氣直接進入下,則為空氣直接膨脹制冷;若部分膨脹空氣在主圖1氮氣膨脹循環(huán)制冷換熱器內(nèi)復(fù)溫后再進入循環(huán)壓縮機,則為循環(huán)空氣Fig. 1 Flowsheet of novel combined-cycle膨脹制冷。帶有一定壓力的原料天然氣經(jīng)過丙烷制sing nitrogen expansion冷機組預(yù)冷,除去雜質(zhì),再進入空分主換熱器冷卻l-air compressor: 2-purifier: 3--main heat exchanger降溫,節(jié)流液化成LNG進入儲槽。空氣直接膨脹6-nitrogen heat exchanger 7-cycling compressors制冷系統(tǒng)簡便,但是膨脹空氣量受原料空氣量的限8,g-oe;10,1- nsion turbine;.12- LNG storage制,因而膨脹制冷量有限,變負(fù)荷運行能力差。循環(huán)空氣膨脹制冷量不再受加工空氣量的限制,增強2流程性能分析了液化能力和變負(fù)荷運行能力,但原料空氣需加壓2.1有效能分析原理到7MPa,增加了空壓機能耗和換熱器及管路的設(shè)圖2是低溫工藝流程的熱負(fù)荷總組合曲計難度。以上兩種空氣膨脹制冷流程,天然氣在主線11,設(shè)高溫物流和低溫物流的熱力學(xué)溫度分換熱器中與空氣、氧氣換熱,一旦泄漏混合,會產(chǎn)別為Tn和Tc,傳熱量為△Q,在TQ圖上描繪了生爆炸等危險。雖然文獻[7]又提出了利用下塔換熱過程熱流量沿溫度的分布?？衫迷搱D計算和復(fù)溫氮氣液化天然氣,但額外需要一個以氬氣、氟分析高低溫物流在換熱過程中的最大、最小以及平里昂等惰性物質(zhì)為工質(zhì)的制冷循環(huán)提供高溫區(qū)冷均傳熱溫差,其中平均傳熱溫差可按式(1)計算量,使流程變得復(fù)雜,難于運行控制。為了克服空氣膨脹制冷存在的問題,本文提出iqc tc△Tm(1)了采用雙溫膨脹氮氣循環(huán)制冷的新方案,如圖1所2500化工學(xué)報第59卷T△圖2熱負(fù)荷總組合曲線圖3有效能總組合曲線Fig 2 Heat load composite curveFig 3 Exergy composite curve根據(jù)換熱器熱平衡關(guān)系中壓氮氣制冷系統(tǒng)為天然氣和精餾下塔提供冷量,所以提供合理比例的高、低溫區(qū)冷量,需要高、低化簡為溫膨脹機的膨脹量比β=ve1/Ve2合理匹配,這對于流程的優(yōu)化設(shè)計非常重要。因此,本文利用8q(TH-tc)△T(3) ASPEN PLUS軟件進行了各種運行工況的流程模擬計算,結(jié)合夾點分析方法和有效能分析原理,分根據(jù)媚分析原理,熱力學(xué)溫度為T,換熱量為△Q析β對有效能的影響規(guī)律?；具\行參數(shù)為:原料的物流相對于環(huán)境溫度的最大做功能力,即冷量煙空氣初始狀態(tài)0.1MPa、300K,加工氣量1000ExQ可用式(4)表示m3·h-',按兩元氣體處理。模擬計算中,物性選用RKS方程,壓縮機的等溫效率取0.7,膨脹機Era=.q(T。/T-1)等熵效率取0.8,機械效率為0.9。天然氣的進口式中T為環(huán)境溫度,且T