煤层气氮膨胀制冷液化工艺参数优化计算

摘 要

摘要：论述了煤层气氮膨胀制冷液化工艺的工艺参数的计算方法，分析了煤层气液化流程中影响压缩机功率的因素。关键词：液化天然气；液化煤层气；氮膨胀制冷；功耗；工艺计算Optimal Calcul
摘要：论述了煤层气氮膨胀制冷液化工艺的工艺参数的计算方法，分析了煤层气液化流程中影响压缩机功率的因素。
关键词：液化天然气；液化煤层气；氮膨胀制冷；功耗；工艺计算
Optimal Calculation of Coal Bed Methane Liquefaction Process Parameters in Nitrogen Expander Refrigeration
WANG Wen-jun，DU Jian-mei，JIANG Jian-zhi，CHANG Yu-chun
Abstract：The calculation method of coal bed methane liquefaction process parameters in nitrogen expander refrigeration is described-The factors influencing compressor power in liquefaction process of coal bed methane are analyzed.
Key words：liquefied natural gas；liquefied coal bed methane；nitrogen expander refrigeration；power consumption；process calculation
煤层气俗称瓦斯，是储存在煤层中的一种煤层气，是清洁高效的能源，其主要成分是甲烷。煤层气的存在对我国的煤矿开采一直是重大的安全隐患，“先抽后采”是煤矿安全运行的保证。此外，未经处理或回收的煤层气直接排放到大气中会造成温室效应，破坏臭氧层。现在利用深冷技术，把煤层气冷却至-162℃而形成液化煤层气(LCBM)，便于储存和远距离运输。
1 氮膨胀制冷液化工艺
   氮膨胀液化工艺近年来在我国应用较多。特别是对小规模液化厂，它具有流程简单、结构紧凑、造价略低、运行灵活、技术成熟、易于操作和控制等特点。制冷剂采用单组分的氮气，安全性好，放空不会引起火灾或爆炸危险[1、2]。其缺点是功耗较高，比采用混合制冷剂液化流程高40%左右[3]。氮膨胀制冷液化工艺流程见图1。
   (1) 煤层气流程
   煤层气原料气经压缩、脱硫、脱碳、干燥、脱汞后进入本工段。先进入冷箱，冷箱主要由1～4号换热器组成，经过1号换热器预冷后，分离出的重烃由点25排出到重烃储罐，分离后的气相经2、3、4号换热器分别液化、深冷，经点6节流降压到点24。点24即为成品液化煤层气，由管道余压输送到储罐，在常压或压力下储存。
    (2) 制冷剂氮气流程
    氮气经压缩机压缩、水冷后，依次进入低压增压机、中压增压机增压、冷却器冷却，然后由点7进入冷箱。经1号换热器初步预冷后进入中压膨胀机，膨胀后温度、压力均降低，同时输出膨胀功带动中压增压机。膨胀后的氮气由点9进入3号换热器继续冷却，由点10进入低压膨胀机，膨胀后温度、压力进一步降低，同时输出膨胀功带动低压增压机。经低压膨胀机膨胀后的制冷剂由换热器的最冷端点11逐级进入各换热器，为煤层气和制冷剂提供冷量。
 

2 典型氮膨胀制冷液化工艺计算
2.1 工艺计算目的
    工艺计算的目的是确定流程中各点的温度、压力、制冷剂流量，计算压缩机功率。
2.2 计算前需确定的已知条件
    (1) 冷箱入口煤层气温度、压力、流量及组成。
    本次计算以山西晋城某地区煤层气为条件，气体摩尔分数为：甲烷0.971，氮气0.024，氧气0.005；煤层气日处理量为25×104m3/d，平均小时流量为10417m3/h，煤层气来气压力为0.5MPa(本文压力均指绝对压力)，温度为34℃。
    (2) LCBM储罐的储存温度、压力，由LCBM储罐类型决定。
    (3) 换热器端面冷、热流体温差，取3℃。
    (4) 机械设备的效率，由设备厂家提供。
    (5) 换热器阻力，本次计算冷箱总阻力取0.1MPa，每个换热器平均分配，由此引起的误差对计算结果的影响在误差允许范围内。
2.3 工艺计算过程
    (1) 点1
    通过迭代计算原料气压缩机功率和制冷剂压缩机功率之和最小时，煤层气压缩机出口压力减去吸收塔、脱水、脱汞装置及管道的阻力，作为进冷箱压力。
    (2) 点7
    点7是制冷剂进冷箱压力，一般为4.4～4.7MPa。经过迭代计算寻找压缩机功耗最小时对应的p7。该点温度T7=T1。
    (3) 点24
    点24处于冷箱中LCBM节流后状态。其压力为储罐的储存压力加输送过程局部阻力、沿程阻力和液位高差静压，并考虑一定富余量。温度按储罐工作温度计算(考虑从冷箱至储罐因有压降而引起的焦耳-汤姆逊效应将导致一定的温降，会抵消一部分因输送管道受热而引起的温升，故计算时按温度相等计算，由此所引起的误差在允许范围内)。
    (4) 点6
    点6压力为煤层气冷箱入口压力减去各换热器阻力。根据节流前点6的焓h6和节流后点24的焓h24相等，由软件计算点6温度T6。
    (5) 点11
    点11处于氮气经低压膨胀机膨胀后的状态，p11取0.4MPa。点6与点11端面换热温差取3℃，是板翅式换热器的最小换热温差。若温差取得过大，换热器火用损失大，压缩机功耗高。工程设计时点10压力取1.49MPa，根据点11参数及p10可由软件计算出T10。
    (6) 点15
    T15=T1-3    (1)
    p15=p11-△p    (2)
式中Ti——点i温度，K
    pi——点i绝对压力，MPa
    △p——制冷剂通过4个换热器的总阻力，MPa，取0.1MPa
    (7) 点8和点2
    p8=p7-△p1    (3)
    T2=T8    (4)
    p2=p1-△p1    (5)
式中△p1——制冷剂或煤层气通过1号换热器的阻力，MPa，取0.025MPa
    T8是影响制冷剂压缩机功耗的主要因素之一，需迭代计算以寻找最小功耗对应的T8，迭代温度范围为230～245K。
    (8) 点9和点4
    p9=p10+△p3        (6)
    T4=T9             (7)
    p4=p1-△p1-△p2    (8)
式中△p3——制冷剂或煤层气通过3号换热器的阻力，MPa，取0.025MPa
    △p2——制冷剂或煤层气通过2号换热器的阻力，MPa，取0.025MPa
    根据点8温度瓦按等熵膨胀由软件计算出咒。
    (9) 确定制冷剂的循环量g棚
    列1、2、3、4号换热器热平衡方程。
    1号换热器热平衡方程：
    qm,1(h1-h2)+qm,7(h7-h8)=qm,7(h15-h14)      (9)
    2号换热器热平衡方程：
    qm,1(h3-h4)=qm,7(h14-h13)               (10)
    3号换热器热平衡方程：
    qm,1(h4-h5)+qm,7(h9-h10)=qm,7(h13-h12)    (11)
    4号换热器热平衡方程：
    qm,1(h5-h6)=qm,7(h12-h11)               (12)
式中qm,i——点i煤层气或制冷剂质量流量，kg/h
    hi——点i煤层气或制冷剂的比焓，kJ/(kg·K)
    由式(9)～(12)求出qm,7。
    (10) 求T14
    由式(9)求得h14，作闪蒸计算由软件求T14。
    (11) 求T13
    由式(10)求得h13，作闪蒸计算由软件求T13。
    (12) 求T12
    由式(12)求得h12，作闪蒸计算由软件求T12。
    (13) 确定低压增压机出口压力p20
    确定p20后，中压增压机入口压力为：
    p21=p20-△pc    (13)
式中△pc——单台冷却器阻力，MPa，取0.01MPa
    确定中压增压机入口温度、压力及出口压力后可计算出中压增压机所需功率Ps,2。试算不同的P20，使中压膨胀机输出功率Pe,2满足中压增压机功率需要。
   (14) 确定压缩机出口压力p17
   确定p17的方法同上，即低压膨胀机输出功率Pe,1能够满足低压增压机功率Ps,1。
   (15) 计算压缩机功率Pc
   由压缩机进口压力、温度及出口压力可计算出压缩机功率Pc。
2.4 结果的约束条件
   各换热器端面不能出现负温差，且冷热流体的设计温差不小于3℃。
    在氮膨胀制冷液化工艺中，煤层气压缩后压力约5MPa的情况下，190K时已全部液化，由于煤层气从开始液化到全部液化温度区间比较小，但在此温度区间内由于要释放出大量的潜热，故此温度区间冷负荷占换热器总负荷的比例较大。在氮膨胀制冷液化系统中，煤层气主要在2号换热器完成液化。如果液化温度区间在2号换热器底部，则此时2号换热器煤层气需要的冷负荷全部集中在底部较低的温度区间。由于制冷剂没有相变，提供的冷负荷随温度分布比较均匀，并且要求制冷剂温度比煤层气温度低，制冷剂难以在此较小的温度区间提供足够的冷负荷。因此工艺计算中需对每个换热器从低温段向高温段进行冷负荷检查，方法是从换热器底部每5℃一个温度区间进行检查，确保从低温向高温温度区间的累积冷负荷足够。
2.5 工艺计算迭代方法
    氮膨胀制冷液化工艺迭代方法见图2。
 

3 优化结果及分析
3.1 优化结果
    液化单位体积煤层气耗电量为0.623kW·h/m3；，备点工艺参数计算结果见表1。由于本工程煤层气组分中不合重烃，因此点25无重烃析出。
表1 氮膨胀制冷液化工艺流程各点工艺参数
工况点编号
温度/K
绝对压力/MPa
比焓/(kJ·kg-1)
比熵/(kJ·kg-1·
K-1)
质量流量
/(kg·h-1)
体积流量/(m3·h-1)
1
307.00
5.30
851.43
4.70
7644
10417
2
238.00
5.28
668.96
4.02
7644
10417
3
238.00
5.28
7668.96
4.02
7644
10417
4
181.80
5.25
279.39
2.08
7644
10417
5
136.50
5.23
90.85
0.90
7644
10417
6
103.96
5.20
-20.23
-0.03
7644
10417
7
307.00
4.68
309.37
5.70
77387
61890
8
238.00
4.66
230.79
5.41
77387
61890
9
181.80
1.52
179.61
5.48
77387
61890
10
136.50
1.49
125.75
5.15
77387
61890
11
100.77
0.45
96.29
5.21
77387
61890
12
109.64
0.43
107.26
5.33
77387
61890
13
175.67
0.40
179.74
5.87
77387
61890
14
211.91
0.38
218.22
6.09
77387
61890
15
304.00
0.35
314.83
6.49
77387
61890
16
304.00
0.34
314.85
6.49
77387
61890
17
388.67
2.51
400.95
6.15
77387
61890
18
307.00
2.50
313.58
5.90
77387
61890
19
307.00
2.50
313.58
5.90
77387
61890
20
335.10
3.18
342.70
5.92
77387
61890
21
307.00
3.17
312.26
5.82
77387
61890
22
355.60
4.69
362.81
5.86
77387
61890
24
106.16
0.26
-20.23
0.08
7644
10417
3.2 压缩机功耗分析
   ① 中压膨胀机入口温度
图3是在固定原料气压缩后压力和制冷剂进入冷箱压力的情况下，原料气压缩机和制冷剂压缩机总功率随着中压膨胀机入口温度的变化曲线。由图3可见，随着中压膨胀机入口温度升高，系统总功耗减小。这是因为随着中压膨胀机入口温度升高，1号换热器热负荷减小，随之系统总热负荷减小，故制冷剂压缩机功耗降低。但中压膨胀机入口温度不能过高，否则2号换热器将出现负温差而不能正常工作。
 

    ② 原料气压缩后压力
    随着煤层气压缩后压力的增大，在满足换热器无负温差的情况下，制冷剂压缩机功率减小、原料气压缩机功率增大，压缩机总功率增大。这是因为随着煤层气压缩后压力增加，煤层气进入冷箱比焓h1降低。由于LCBM储存温度、压力不变，故冷箱底端点24比焓不变。此时煤层气入口和液化后焓差减小，冷箱所需总负荷减小，制冷剂压缩机功率减小。由于原料气压缩机功率增加速度大于制冷剂压缩机功率减小速度，故总功率略增大。此外，随着煤层气压缩后压力增加，可以采用较高的中压膨胀机入口温度。综合优化计算后，最佳的煤层气进入冷箱压力为5.3MPa，中压膨胀机入口温度为238K。
参考文献：
[1] 吴洪松.液化天然气站场的技术进展[J].煤气与热力，2007，27(10)：14-17.
[2] 朱文兰.液化天然气装置的类型与液化工艺[J].煤气与热力，2006，26(10)：5-7.
[3] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2003.
 
(本文作者：王文军 杜建梅 蒋建志 常玉春 中国市政工程华北设计研究总院 天津 300074)