摘　要：介绍一种直接利用高压天然气调压过程中的压力能来膨胀制冷，使部分天然气液化的调峰型LNG生产流程，用HYSYS软件对该流程进行了模拟计算。

关键词：调峰　膨胀制冷　部分液化　HYSYS流程模拟软件

Simulation of Peak shaving Type LNG Production Process with Partial Liquefaction

Abstract：A peak shaving type LNG production process where direct expansion refrigeration is performed by pressure energy from liquefaction of somenatural gas in high--pressure natural gas pressure regu1ation is introduced．The simulation calculation of the process is conducted by HYSYS software．

Keywords：peak shaving；expansion refrigeration；partial liquefaction；HYSYS software for process simulation

1　天然气调压与调峰的结合

目前，天然气的长距离输送都是采用高压管输的方式。国外大多数天然气输气管道压力为8～12MPa，我国西气东输的输气压力为10MPa，而我国城市输配管网压力一般为0.01～2.5MPa。可见，输气管道与输配管网之间存在着很大的压力差。因此各地天然气门站需要根据用户的供气压力要求将输气管道的超高压天然气进行调压。

简单的调压过程会带来大量压力能的损失。目前高压天然气压力能的回收利用已逐渐引起政府和企业的重视，余压利用工程是我国重点推进的l0项节能工程之一。因此，我们可以考虑将调压过程和液化调峰相结合，利用膨胀机液化流程液化部分天然气来进行调峰。

目前，国内外已有很多膨胀制冷的天然气液化技术，如美国专利US6023942、US637833081等，但是这些专利都存在一些不足，不太适合于门站使用，且流程复杂，投资巨大。我们在调研了大量现有专利及调峰型液化装置流程的基础上，利用膨胀制冷及冷量回收技术，提出了一种适合于城市管网调峰的天然气液化流程，即天然气部分液化调峰型LNG生产流程。

2　天然气部分液化调峰流程

来自长输管道的天然气已进行一定程度的净化处理，要达到液化天然气气质及制冷过程的要求，还需要进行脱水以及脱CO2处理。天然气部分液化调峰型LNG生产工艺流程见图l。

采用高压吸附、低压再生的分子筛脱水法对进站天然气进行深度脱水，以满足低温系统对气流水露点的要求。经脱水处理后的原料气分为两部分，即液化气流F2和膨胀气流F1。液化气流F2继续进行脱CO2以作为液化天然气的原料，液化成LNG产品；膨胀气流Fl通过换热器降温后进入膨胀机作为膨胀气(即制冷剂)，为装置提供冷量。进入膨胀机的天然气量大，因此需要继续进行脱CO2的气量比较小，所以净化系统的运行费用相对较低^[1-2]。

膨胀气流F1：

通往膨胀机的膨胀气流F1经过换热器l后温度降低，然后进入膨胀机膨胀降温降压，与LNG储罐排出的低温天然气汇合后通过换热器2，然后与气一液分离器分离出的冷凝液混合后通过换热器1，为液化气流F2提供冷量后温度升到常温，进入城市管网(图1中红色线条部分)。

液化气流F2：

液化回路的天然气净化后先通过换热器1温度降低，经气一液分离器分离出冷凝液后进入换热器2，高压天然气冷凝液化，然后通过节流阀节流降温降压，再进入LNG储罐，未液化气体及蒸发气与膨胀机膨胀后的天然气汇合，进入换热器2。生产的液化天然气在用气高峰时气化调压送入城市管网，起到调峰作用(图1中蓝色线条部分)。

3　HYSYS软件计算模拟

3.1　基础条件

某城市的天然气门站需将压力为5.0MPa，温度为25℃，流量为7.0×10⁴m³／h(标态为15.56℃，101325Pa)的高压天然气降压到0.2MPa，其调压过程采用图l所示的天然气部分液化调峰型LNG生产工艺流程。进站天然气组成见表1。

3.2　HYSYS软件计算模型

根据已知的基础条件，采用HYSYS流程模拟软件对此调峰型液化流程进行模拟计算，HYSYS软件计算模型见图2。为了和图1统一，对物流颜色作了处理，其中膨胀气流F1走向用红色线条表示，液化气流F2用蓝色线条表示。图中箭头表示物流，箭头方向表示物流流向，箭头旁的数字或文字表示物流编号或物流名称。

计算要点及说明：

①此次模拟仅模拟了液化部分，没有模拟气化部分。由于需要收集LNG储罐的蒸发气及未冷凝的气体，所以本次模拟采用气一液分离器模型模拟LNG储罐。

②本例取膨胀气流Fl和液化气流砣质量流量之比为4。

③采用P-R(Peng-Robinson)状态方程。

P-R方程属于半经验方程，该方程是对R-K方程的修正，其表达式见式(1)。

式中p——绝对压力，Pa

R——摩尔气体常数，J／(mol·K)，取8.314J／(mol·K)

T——热力学温度，K

Vm——摩尔体积，m³／mol

a、b——与混合物所含组分的种类及状态有关的常量，其计算详见文献[3]

P-R方程应用范围更宽，可用于两相流的计算，对于烃类运算，其精确度很高。因此，HYSYS软件计算常采用此状态方程^[4]22。

④因进站天然气含有H2O，为防止对设备的腐蚀以及在低温下冻结而堵塞设备和管道，所以必须经过脱水器进行脱水处理。而CO2对膨胀气流没有影响，但是要防止液化气流在低温下形成CO2固体，因此需要对液化气流进行脱CO2的处理。采用在塔顶打入吸收剂甲基二乙醇胺(MDEA)及一乙醇胺(MEA)混合胺溶液脱除液化气流中的CO2。在本次HYSYS软件模拟的过程中，采用分子筛切割器(component splitter)模拟脱水器和脱CO2塔，切割出物流中的H2O和CO2^[4]292-294。

调试流程直至收敛，得到计算结果见表2，LNG及去城市管网天然气组成见表3。

3.3　HYSYS软件计算结果

通过该液化装置的处理，5.0MPa、25℃的高压天然气调节到0.23MPa、23.74℃，符合城市燃气中压输配管网的要求。通过使用此流程，能够获得甲烷含量(摩尔分数)约为96.63％的LNG 9035kg／h。LNG产量与脱除水和CO2后的液化气流F2质量流量之比为92.14％。该流程总的液化率即LNG产量与进站天然气质量流量之比为18.4％。

膨胀机出口物流9的气相摩尔分数为0.9025，因此，在该流程中，天然气膨胀机是关键设备。在膨胀过程中，天然气中一些沸点较高的组分将会冷凝析出，导致膨胀机在带液工况下运行，这就要求膨胀机有特殊的结构。目前国外多家公司已制造出天然气带液膨胀机，美国在1972年已出现膨胀量为53×10⁴m³／h的大型天然气透平膨胀机，天然气从16.7MPa膨胀到4.7MPa，膨胀机出口含湿量(摩尔分数)为15％，大于膨胀机出口物流9的液相摩

尔分数9.75％，可以满足该流程对膨胀机的要求^[5]。

4　结语

①高压输气管道蕴藏着大量的压力能，简单的调压过程会造成巨大的能量浪费。使用本方案流程既回收了管网的压力能，又达到了城市燃气调峰的作用。通过前面的流程图可以看出，本方案利用天然气输气管道与城市输配管网的压力差膨胀制冷，几乎不需要消耗电能，运行费用低。

②在有剩余压力可以利用的情况下，可以结合实际情况，通过整合该工艺流程，优化工艺设计参数，合理调配膨胀气流和液化气流的流量比来进行调峰流程的设计。既可以获得最大液化率，又可以取得最佳的节能效果和最佳经济效益。

参考文献：

[1]杨光，王晓东，余祖强．LNG调峰站加压气化工艺的研究[J]．煤气与热力，2008，28(3)：Bl7-B20．

[2]熊永强，华贲，罗东晓．用于燃气调峰和轻烃回收的管道天然气液化流程[J]．天然气工业，2006，26(5)：130-132．

[3]李佩铭，焦文玲，张世泽．天然气液化中采用PR方程的气液相平衡计算[J]．煤气与热力，2008，28(4)：B21-B24．

[4]李士富．油气处理工艺及计算[M]．北京：中国石化出版社，2010．

[5]顾安忠．液化天然气技术[M]．北京：机械工业出版社，2006：133-134．

本文作者：梁光川  周姿潼  刘丙晓

作者单位：西南石油大学