天然气液化流程模拟与优化的研究
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摘要
由于天然气是一种优质、洁净的能源，其热值高、燃烧产物对环境污染少，被认为是二十一世纪首选能源。天然气低温液化后的体积仅为原体积的1／625，十分有利于运输和储存。如今，天然气液化技术已成为一项重大的先进技术，液化天然气(LNG)已发展成为一门新兴工业，并正在继续迅猛发展。本文从热力学角度出发，以降低流程功耗和增加LNG产量为目标，对天然气低温液化流程模拟与优化进行了详细的研究。
首先介绍了天然气液化技术原理，通过对各种常见的现代天然气液化流程特点的分析，给出了天然气液化流程循环工艺的选择和设计原则。由于天然气和混合制冷工质都是多元混合物，因此在液化流程中变化复杂。本文针对天然气和混合制冷工质热物性的复杂性，在给出适合其热物性计算的混合规则的基础上，确定了以SRK方程计算这两种混合物的相平衡特性，并从LKP方程出发，使用余函数法推导出计算混合物焓和熵的计算方法，由此解决了流程模拟中混合物热物性计算的问题。
在天然气液化流程模拟的各设备数学模型建立的研究中，利用模块化理论，归纳并提出了天然气液化流程中所涉及到的压缩机、膨胀机和节流阀、气液分离器、混合器、多股流换热器这五类典型设备的数学模型。通过在流程计算中的使用，效果良好，为开发天然气液化流程的热力学模拟奠定了基础。对天然气液化全流程进行了热力学模拟计算，得到了流程各节点压力、温度、焓、熵、气液两相流量，总流量及气液两相摩尔分率，同时还计算了流程中压缩机耗功，丙烷预冷量、制冷剂流量、各换热器的换热量等表示流程性能的参数。
最后从热力学角度出发，系统详尽的定性分析了各流程参数对典型液化流程性能的影响，并且结合流程计算中的各种约束条件，对液化流程的优化方法进行了有益的探讨。
The nature gas is considered as a kind of new first-advocated energy sources at twenty-first century for its characteristic of high quality and pollution-free to the environment. The physical volume of the nature gas is only 1/625 for the original volume after liquefied at low temperature. This doing is very convenient for its conveyance and storage. The liquefaction of nature gas has become an important and advanced technology and liquefied natural gas (LNG) have developed to a new, fast-growing industry by now. This text which sets out from the thermodynamics make an exact research in simulation and optimization of the liquefied process of nature gas, the aim of which is to reduce the sum of the power consumption and add the LNG's output.
At first the principle of the liquefied technology to the nature gas is introduced and the fundamental regulation for the choice and design is given out through the analysis to these characteristics that all kinds of modern common-using liquefied cycles in use of nature gas have. The nature gas and the mixed refrigerant all are diverse mixture, therefore the change of their composition in the process make the liquefied process very complicated. In this paper according to the complication of the thermodynamic properties of nature gas and mixture refrigerant, the author chooses the SRK equation and the LKP equation to calculate the phase equilibrium properties and the enthalpy and entropy on the basis of giving the proper rules of mixing. All these resolve calculations of the thermodynamic properties of mixture in simulation
In the study of establishing the mathematic models for the equipments in the simulation of the liquefied process of nature gas, these model are concluded and improved by module, which consists: (1)compressor; (2)expander and throttle valve; (3) separator; (4)mixture; (5)multi-flow heater exchanger. The good effects are showed in the calculation and this settle a good basis for the thermodynamic simulation of the liquefied process of the nature gas. Then the simulated calculation to the whole liquefied process of nature gas is going on and the pressure, temperature, enthalpy, the flux of vapor and liquid, the mol percentage of vapor and liquid of every point are obtained, the same is true of the power of the compressor, the cooling provided by the propane cycle, the flux of the refrigerant, the exchanged heat of each heat exchanger.
At last from the thermodynamics, the influences by which the process's parameters have effects on the performance of the typical liquefied process are exactly and fully analyzed. At the same time a beneficial discuss about the way of the optimization to the liquefied process according to every kind of term's stipulation in the simulated calculation is carrying out.
首先介绍了天然气液化技术原理，通过对各种常见的现代天然气液化流程特点的分析，给出了天然气液化流程循环工艺的选择和设计原则。由于天然气和混合制冷工质都是多元混合物，因此在液化流程中变化复杂。本文针对天然气和混合制冷工质热物性的复杂性，在给出适合其热物性计算的混合规则的基础上，确定了以SRK方程计算这两种混合物的相平衡特性，并从LKP方程出发，使用余函数法推导出计算混合物焓和熵的计算方法，由此解决了流程模拟中混合物热物性计算的问题。
在天然气液化流程模拟的各设备数学模型建立的研究中，利用模块化理论，归纳并提出了天然气液化流程中所涉及到的压缩机、膨胀机和节流阀、气液分离器、混合器、多股流换热器这五类典型设备的数学模型。通过在流程计算中的使用，效果良好，为开发天然气液化流程的热力学模拟奠定了基础。对天然气液化全流程进行了热力学模拟计算，得到了流程各节点压力、温度、焓、熵、气液两相流量，总流量及气液两相摩尔分率，同时还计算了流程中压缩机耗功，丙烷预冷量、制冷剂流量、各换热器的换热量等表示流程性能的参数。
最后从热力学角度出发，系统详尽的定性分析了各流程参数对典型液化流程性能的影响，并且结合流程计算中的各种约束条件，对液化流程的优化方法进行了有益的探讨。
The nature gas is considered as a kind of new first-advocated energy sources at twenty-first century for its characteristic of high quality and pollution-free to the environment. The physical volume of the nature gas is only 1/625 for the original volume after liquefied at low temperature. This doing is very convenient for its conveyance and storage. The liquefaction of nature gas has become an important and advanced technology and liquefied natural gas (LNG) have developed to a new, fast-growing industry by now. This text which sets out from the thermodynamics make an exact research in simulation and optimization of the liquefied process of nature gas, the aim of which is to reduce the sum of the power consumption and add the LNG's output.
At first the principle of the liquefied technology to the nature gas is introduced and the fundamental regulation for the choice and design is given out through the analysis to these characteristics that all kinds of modern common-using liquefied cycles in use of nature gas have. The nature gas and the mixed refrigerant all are diverse mixture, therefore the change of their composition in the process make the liquefied process very complicated. In this paper according to the complication of the thermodynamic properties of nature gas and mixture refrigerant, the author chooses the SRK equation and the LKP equation to calculate the phase equilibrium properties and the enthalpy and entropy on the basis of giving the proper rules of mixing. All these resolve calculations of the thermodynamic properties of mixture in simulation
In the study of establishing the mathematic models for the equipments in the simulation of the liquefied process of nature gas, these model are concluded and improved by module, which consists: (1)compressor; (2)expander and throttle valve; (3) separator; (4)mixture; (5)multi-flow heater exchanger. The good effects are showed in the calculation and this settle a good basis for the thermodynamic simulation of the liquefied process of the nature gas. Then the simulated calculation to the whole liquefied process of nature gas is going on and the pressure, temperature, enthalpy, the flux of vapor and liquid, the mol percentage of vapor and liquid of every point are obtained, the same is true of the power of the compressor, the cooling provided by the propane cycle, the flux of the refrigerant, the exchanged heat of each heat exchanger.
At last from the thermodynamics, the influences by which the process's parameters have effects on the performance of the typical liquefied process are exactly and fully analyzed. At the same time a beneficial discuss about the way of the optimization to the liquefied process according to every kind of term's stipulation in the simulated calculation is carrying out.
引文
[1]．周善元．21世纪的新能源—天然气水合物[J]．江西能源，2000(2)．P45～46
[2]．陈永武．中国21世纪初期天然气工业发展展望[J]．天然气工业，2000(1)．P1～4
[3]．宋武成．天然气应用技术发展空间巨大．“天然气应用技术论坛”论文集．上海，2001．6．P15～19
[4]．华文．二十一世纪将是天然气的时代[J]．机电新产品导报，2001(6)．P130
[5]．苗成武．我国天然气市场发展预测[J]．当代石油石化，2001(5)．P24～29
[6]．陈叔平，刘志东，刘振全．车用燃料LNG、CNG及汽油的性能比较[J]．真空与低温，2002(4)．P233～235
[7]．甑鹏，李景明，李东旭等．中国天然气工业的现状与发展展望[J]．天然气工业，1999(4)．P88～89
[8]．程宗明，黄明珠．大力开发利我国天然气[J]．天然气工业，2000(2)．P103～104
[9]. ELLER M, ERNST P. WANG R. China's natural gas industry awakening, poised forgrowth[J]. Oil & Gas Journal, 1999(7). P23～28
[10]. WILLIAms M. Nature gas: a new energy era for china[J]. LNG Journal, 1999(9). P21～24
[11]．李铁林．天然气分离与液化设备术语讨论[J]．天然气工业，1994(6)，P68～72
[12]．陈劲松，白兰君．世界液化天然气工业发展综述[J]．天然气工业，2000(3)．P101～104
[13]．徐烈，李兆慈，张洁等．我国液化天然气(LNG)的陆地储存和运输[J]．天然气工业，2002(3)．P89～91
[14]．王遇东主编．天然气处理与加工工艺[M]．北京：石油工业出版社，1999．
[15]．郑凡，杨丽娜，张良鹤，张华岩．天然气液化技术考察报告(待续)[J]．天然气与石油，1997(1)．P63～70
[16]．郑凡，杨丽娜，张良鹤，张华岩．大然气液化技术考察报告(续完)[J]．天然气与石油，1997(2)．P62～65
[17]．孙祖亮．液化天然气的开发应用[J]．城市管理与科技，2000(3)．P26～30
[18]. FINN A J, JOHNSON G L, TOMLINSON T R. Development in liquefaction natural gas[J]. Hydrocarbon processing, 1999,(4). P47～59
[19]．沈惠康．液化天然气工艺与设备[J]．煤气与热力，1999(6)．P25～28
[20]．徐文，顾安忠．世界天然气液化技术发展的新动向[J]．石油与天然气化工，1994(1)．P31～35
[21]．顾安忠，鲁雪生，汪荣顺等．液化天然气应用的基础研究[J]．深冷技术，2001(2)．P5～8
[22]．高建华．能源结构改变对兰州市大气污染的影响[D]．甘肃工业大学硕士学位论文，1998
[23]．Warren R True. Aguide to the LNG world[J]. Oil&Gas Journal, Tulsa, 2001(7). P16
[24]．朱刚，顾安忠．现代液化天然气工厂的投资趋势[J]．能源工程，1999(4)．P16～17
[25]．张祉佑，石秉三．制冷及低温技术(下册)[M]．北京：机械工业出版社，1981
[26]．张祉佑，石秉三．低温技术原理与装置(上下册)[M]．北京：机械工业出版社，1987
[27]．顾安忠，石玉美，汪荣顺等．天然气液化流程及装置[J]．深冷技术，2003(1)．P1～6
[28]．陈光明，陈国邦．制冷与低温原理[M]．北京：机械工业出版社，2000
[29]．牛刚，王经，黄玉华．2×10~4m~3/d天然气液化装置的设计分析[J]．天然气工业，2002(5)．P92～95
[30]．林文胜，顾安忠，朱刚．天然气液化装置的流程选择[J]．真空与低温，2001(6)．P105～109
[31]．郑大振．一种高效、灵便的调峰LNG工厂液化流程[J]．低温与特气，1995(4)．P46～51
[32]．郑大振等．天然气液化流程与装置选型[J]．低温工程，1990(5)．P20
[33]. KIKKAWA Y, NAKAMURA M, SUGIYAMA S. Development of liquefaction process for natural gas[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan, 1997,30(4). P625～630
[34]. JOHNSON G L,FINN A J,TOMLINSON T R. Offshore & small-scale liquefiers[J]. LNG Journal, 1999(7). P19～22
[35]．王如竹，汪荣顺．低温系统[M]．上海：上海交通大学出版社，2000
[36]．郑大振．现代调峰LNG工厂及其流程选型比较[J]．低温与特气，1995(1)．P1～7
[37]. C.Collins,C.A.Durr. Liquefaction Plant design in the 1990's[J]. Hydrocarbon processing, 1995 (3). P67
[38]．杜光能．LNG终端接收站工艺及设备[J]．天然气工业，1999(5)．P82～86
[39]．朱刚，顾安忠．液化天然气工厂建设的投资分析[J]．天然气与石油，1999(3)．P52～55
[40]．Christian Streiener作，翻译：王敏捷．天然气液化新工艺的选择[J]．国外油田工程，1999(12)．P24～28
[41]．郑大振．基本负荷LNG工厂的发展与改进[J]．天然气工业，1995(5)．P62～66
[42]．朱利凯．天然气处理与加工[M]．北京：石油工业出版社，1997
[43]．杨克剑．中小型天然气液化装置及其应用[J]．低温与超导，1996(2)．P54～58
[44]．葛敏，张宝隆．天然气液化工业的发展和上海LNG站的液化工艺[J]．化学世界，2002(增刊)．P29～34
[45]. J Gauberthier. et al. Efficiency, Simplicity and Flexibility Key Factor for LNG Peakshaving Plant[J]. Cryogenic Processes and Equipment, 1984(3). P19～22
[46]．张立希．陕北气田天然气液化工艺流程初探[J]．西安石油学院学报，1994(3)．P30～33
[47]．郑大振．LNG装置经济性比较的综合性原则[J]．低温工程，1996(5)．P31～34
[48]．苏长荪主编．高等工程热力学[M]．北京：高等教育出版社，1987
[49]．石玉美，顾安忠等．天然气和混合制冷剂的焓熵[J]．流体机械，2002(6)．P61～63
[50]．刘志刚等编著．工程热物理性质计算程序的编制及应用[M]．北京：科学出版社，1992
[51]．周继珠等编著．工程热力学[M]．长沙：国防科技大学出版社，1999
[52]．童景山主编．化工热力学[M]．北京：清华大学出版社，1995(6)
[53]．石玉美，顾安忠等．天然气和混合制冷剂的相平衡特性[J]．低温工程，1999(4)．P202～205
[54]．朱刚，顾安忠等．天然气液化流程中的闪蒸计算[J]．能源技术，2000(3)．P138～141
[55]．谭天恩，麦本颐等编著．化工原理下册(第二版)[M]．北京：化工工业出版社，1998
[56]．朱自强主编．流体相平衡原理及其应用[M]．杭州：浙江大学出版社，1990
[57]．天津大学物理化学教研室编，宋世谟，庄公惠等编订．物理化学上册(第三版)[M]．北京：高等教育出版社，1993
[58]．杨思文，金六一等合编．高等过程热力学[M]．北京：高等教育出版社，1988
[59]．何良知等编著．石油化工工艺计算程序[M]．北京：中国石化出版社，1993
[60]．石玉美，顾安忠．天然气液化流程中的气液相平衡计算[J]．低温工程，1997(3)．P12～17
[61]. Harmens A., Knapp H. Three-parameter cubic equation of state for normal substances[J]. Industrial Engineering Fundaments. 1980,Vol.19,P291～294
[62]. Schmidt G,Wenzel H. A modified van der Waals type of equation of state[J]. Chemical Engineering science, 1980,Vol.35,P1503～1512
[63]. Soave G.,Equilibrium constants from a modified Redich-Kwong equation of state[J]. Chemical Engineering science, 1972,Vol.27,P1197～1203
[64]．K S 佩德森编著，郭天民等译．石油与天然气的性质[M]．北京：中国石化出版社，1992
[65]. Byung IK Lee etc. A Generalized Thermodynamic Correlation Based on Three-Parameter Corresponding States[J]. AIChE Journal, 1975,21(3). P510～527
[66]．石玉美，顾安忠等．天然气物性的LKP求解[J]．天然气工业，2001(2)．P62～64
[67]．刘芙蓉，范春生．L-K-P状态方程用于多元体系的计算[J]．化学工程，1995(3)．P73～77
[68]．B．M．布罗江斯基，A．M．谢缅诺夫著，钱鸿章等译．低温技术热力学基础[M]．北京：机械工业出版社，1988
[69]．江休乾著．化工数学模型[M]．北京：中国石化出版社，1999
[70]．吴业正．往复式压缩机数学模型及应用[M]．西安：西安交通大学，1989
[71]．高慎琴主编．化工机器[M]．北京：化学工业出版社，1992
[2]．陈永武．中国21世纪初期天然气工业发展展望[J]．天然气工业，2000(1)．P1～4
[3]．宋武成．天然气应用技术发展空间巨大．“天然气应用技术论坛”论文集．上海，2001．6．P15～19
[4]．华文．二十一世纪将是天然气的时代[J]．机电新产品导报，2001(6)．P130
[5]．苗成武．我国天然气市场发展预测[J]．当代石油石化，2001(5)．P24～29
[6]．陈叔平，刘志东，刘振全．车用燃料LNG、CNG及汽油的性能比较[J]．真空与低温，2002(4)．P233～235
[7]．甑鹏，李景明，李东旭等．中国天然气工业的现状与发展展望[J]．天然气工业，1999(4)．P88～89
[8]．程宗明，黄明珠．大力开发利我国天然气[J]．天然气工业，2000(2)．P103～104
[9]. ELLER M, ERNST P. WANG R. China's natural gas industry awakening, poised forgrowth[J]. Oil & Gas Journal, 1999(7). P23～28
[10]. WILLIAms M. Nature gas: a new energy era for china[J]. LNG Journal, 1999(9). P21～24
[11]．李铁林．天然气分离与液化设备术语讨论[J]．天然气工业，1994(6)，P68～72
[12]．陈劲松，白兰君．世界液化天然气工业发展综述[J]．天然气工业，2000(3)．P101～104
[13]．徐烈，李兆慈，张洁等．我国液化天然气(LNG)的陆地储存和运输[J]．天然气工业，2002(3)．P89～91
[14]．王遇东主编．天然气处理与加工工艺[M]．北京：石油工业出版社，1999．
[15]．郑凡，杨丽娜，张良鹤，张华岩．天然气液化技术考察报告(待续)[J]．天然气与石油，1997(1)．P63～70
[16]．郑凡，杨丽娜，张良鹤，张华岩．大然气液化技术考察报告(续完)[J]．天然气与石油，1997(2)．P62～65
[17]．孙祖亮．液化天然气的开发应用[J]．城市管理与科技，2000(3)．P26～30
[18]. FINN A J, JOHNSON G L, TOMLINSON T R. Development in liquefaction natural gas[J]. Hydrocarbon processing, 1999,(4). P47～59
[19]．沈惠康．液化天然气工艺与设备[J]．煤气与热力，1999(6)．P25～28
[20]．徐文，顾安忠．世界天然气液化技术发展的新动向[J]．石油与天然气化工，1994(1)．P31～35
[21]．顾安忠，鲁雪生，汪荣顺等．液化天然气应用的基础研究[J]．深冷技术，2001(2)．P5～8
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[24]．朱刚，顾安忠．现代液化天然气工厂的投资趋势[J]．能源工程，1999(4)．P16～17
[25]．张祉佑，石秉三．制冷及低温技术(下册)[M]．北京：机械工业出版社，1981
[26]．张祉佑，石秉三．低温技术原理与装置(上下册)[M]．北京：机械工业出版社，1987
[27]．顾安忠，石玉美，汪荣顺等．天然气液化流程及装置[J]．深冷技术，2003(1)．P1～6
[28]．陈光明，陈国邦．制冷与低温原理[M]．北京：机械工业出版社，2000
[29]．牛刚，王经，黄玉华．2×10~4m~3/d天然气液化装置的设计分析[J]．天然气工业，2002(5)．P92～95
[30]．林文胜，顾安忠，朱刚．天然气液化装置的流程选择[J]．真空与低温，2001(6)．P105～109
[31]．郑大振．一种高效、灵便的调峰LNG工厂液化流程[J]．低温与特气，1995(4)．P46～51
[32]．郑大振等．天然气液化流程与装置选型[J]．低温工程，1990(5)．P20
[33]. KIKKAWA Y, NAKAMURA M, SUGIYAMA S. Development of liquefaction process for natural gas[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan, 1997,30(4). P625～630
[34]. JOHNSON G L,FINN A J,TOMLINSON T R. Offshore & small-scale liquefiers[J]. LNG Journal, 1999(7). P19～22
[35]．王如竹，汪荣顺．低温系统[M]．上海：上海交通大学出版社，2000
[36]．郑大振．现代调峰LNG工厂及其流程选型比较[J]．低温与特气，1995(1)．P1～7
[37]. C.Collins,C.A.Durr. Liquefaction Plant design in the 1990's[J]. Hydrocarbon processing, 1995 (3). P67
[38]．杜光能．LNG终端接收站工艺及设备[J]．天然气工业，1999(5)．P82～86
[39]．朱刚，顾安忠．液化天然气工厂建设的投资分析[J]．天然气与石油，1999(3)．P52～55
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[42]．朱利凯．天然气处理与加工[M]．北京：石油工业出版社，1997
[43]．杨克剑．中小型天然气液化装置及其应用[J]．低温与超导，1996(2)．P54～58
[44]．葛敏，张宝隆．天然气液化工业的发展和上海LNG站的液化工艺[J]．化学世界，2002(增刊)．P29～34
[45]. J Gauberthier. et al. Efficiency, Simplicity and Flexibility Key Factor for LNG Peakshaving Plant[J]. Cryogenic Processes and Equipment, 1984(3). P19～22
[46]．张立希．陕北气田天然气液化工艺流程初探[J]．西安石油学院学报，1994(3)．P30～33
[47]．郑大振．LNG装置经济性比较的综合性原则[J]．低温工程，1996(5)．P31～34
[48]．苏长荪主编．高等工程热力学[M]．北京：高等教育出版社，1987
[49]．石玉美，顾安忠等．天然气和混合制冷剂的焓熵[J]．流体机械，2002(6)．P61～63
[50]．刘志刚等编著．工程热物理性质计算程序的编制及应用[M]．北京：科学出版社，1992
[51]．周继珠等编著．工程热力学[M]．长沙：国防科技大学出版社，1999
[52]．童景山主编．化工热力学[M]．北京：清华大学出版社，1995(6)
[53]．石玉美，顾安忠等．天然气和混合制冷剂的相平衡特性[J]．低温工程，1999(4)．P202～205
[54]．朱刚，顾安忠等．天然气液化流程中的闪蒸计算[J]．能源技术，2000(3)．P138～141
[55]．谭天恩，麦本颐等编著．化工原理下册(第二版)[M]．北京：化工工业出版社，1998
[56]．朱自强主编．流体相平衡原理及其应用[M]．杭州：浙江大学出版社，1990
[57]．天津大学物理化学教研室编，宋世谟，庄公惠等编订．物理化学上册(第三版)[M]．北京：高等教育出版社，1993
[58]．杨思文，金六一等合编．高等过程热力学[M]．北京：高等教育出版社，1988
[59]．何良知等编著．石油化工工艺计算程序[M]．北京：中国石化出版社，1993
[60]．石玉美，顾安忠．天然气液化流程中的气液相平衡计算[J]．低温工程，1997(3)．P12～17
[61]. Harmens A., Knapp H. Three-parameter cubic equation of state for normal substances[J]. Industrial Engineering Fundaments. 1980,Vol.19,P291～294
[62]. Schmidt G,Wenzel H. A modified van der Waals type of equation of state[J]. Chemical Engineering science, 1980,Vol.35,P1503～1512
[63]. Soave G.,Equilibrium constants from a modified Redich-Kwong equation of state[J]. Chemical Engineering science, 1972,Vol.27,P1197～1203
[64]．K S 佩德森编著，郭天民等译．石油与天然气的性质[M]．北京：中国石化出版社，1992
[65]. Byung IK Lee etc. A Generalized Thermodynamic Correlation Based on Three-Parameter Corresponding States[J]. AIChE Journal, 1975,21(3). P510～527
[66]．石玉美，顾安忠等．天然气物性的LKP求解[J]．天然气工业，2001(2)．P62～64
[67]．刘芙蓉，范春生．L-K-P状态方程用于多元体系的计算[J]．化学工程，1995(3)．P73～77
[68]．B．M．布罗江斯基，A．M．谢缅诺夫著，钱鸿章等译．低温技术热力学基础[M]．北京：机械工业出版社，1988
[69]．江休乾著．化工数学模型[M]．北京：中国石化出版社，1999
[70]．吴业正．往复式压缩机数学模型及应用[M]．西安：西安交通大学，1989
[71]．高慎琴主编．化工机器[M]．北京：化学工业出版社，1992
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