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小型LNG装置的预处理与液化流程研究

作　者: 曹文胜
导　师: 汪荣顺；鲁雪生
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 小型 LNG装置天然气液化预处理流程模拟模块化撬装
分类号: TE644
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

小型LNG装置体积小可撬装、机动运输、开停方便,能对分散的天然气气田进行采集,在我国具有战略价值。本文针对这一装置实施的方案及其关键技术展开研究,提出了预处理模块化的概念,以及一种新型节能的整合级联混合制冷剂液化流程（SP-MRC）,主要内容如下。一、预处理与液化流程优选及设备建模。对于小型LNG装置,建议采用分子筛吸附法脱水脱硫,提出了预处理模块化的概念。混合制冷剂液化循环可能是小型装置的最佳选择。对净化设备、热传递设备、旋转设备、分离设备和管线设备进行了数学建模。二、天然气预处理试验装置的设计与搭建。试验装置用于测试多元混合气体的干燥和净化数据,主要包括以下几个部分:（1）原料气注入系统;（2）混合器;（3）吸附系统;（4）测量系统;（5）取样分析系统;（6）安全系统。三、首次试验研究了分子筛净化天然气的模块化吸附工艺,工作内容和结论包括:（1）测定了水分、CO2在3A、4A和13X分子筛上的动态透出曲线。（2）测定了H2S在RK-38分子筛上的透出曲线。（3）测定了天然气在复合吸附床（3A+13X分子筛）上的动态吸附曲线,采用竞争吸附理论对各吸附模块进行了优化组合与配置。（4）对两种分子筛脱除CO2的试验数据进行分析,结果表明13X分子筛的吸附分离效果要优于4A分子筛。（5）建立了多组分吸附分离模型,利用试验曲线确定吸附平衡和动力学参数,对天然气和二元吸附剂的透出曲线及温度、吸附量变化趋势进行了数值模拟。（6）对分子筛在不同压力和不同温度下的动态吸附进行了研究。（7）预处理模块的吸附顺序一般为“先脱水再脱硫最后脱碳”,而脱附顺序为“先脱碳再脱硫最后脱水”。（8）对于不同产地不同气质的天然气,预处理模块化工艺可以适应对各种气源进行液化的苛刻要求。四、模拟计算主要围绕混合制冷剂液化流程和N₂-CH₄膨胀机液化流程展开,提出了一种新型的整合级联式混合制冷剂液化流程（SP-MRC）。研究内容包括:（1）设计了两套典型的撬装型天然气液化流程,对流程进行了模拟计算,比较了两者的关键参数,并分析了各换热器中管路换热负荷-温度的分布情况。（2）对三种液化流程（C₃/MRC、N₂-CH₄ Expander和SP-MRC）进行了模拟计算和关键参数比较,结果表明新型SP-MRC流程的比功耗、比制冷剂流量与C₃/MRC流程接近,比冷却水负荷介于C₃/MRC和N₂-CH₄流程之间。（3）新型液化流程采用重烃和轻烃相结合的整合式级联技术,在保证较高液化率和较低比功耗的前提下,能显著减少压缩机与换热器的数量和体积。五、从热力学的角度出发,详细分析了节能新型SP-MRC的关键参数对流程性能（比功耗、液化率、比制冷剂流量和比冷却水负荷）的影响。利用HYSYS的Original模式,以LNG比功耗最小化为目标函数,对SP-MRC液化流程进行了优化。在目标函数最优值的基础上,对LNG板翅式换热器的性能参数展开深入分析,得到了多组元混合工质在换热器中相变耦合的性能曲线。研究表明,温度、压力和组分分率的同时变化,将对换热器中多组元工质的焓值、热流量以及UA值产生重要影响。六、以中原油田文23气田1号集气站外输气为例,对小型LNG装置的模块化撬装进行了可行性研究,采用了特有的模块化复合吸附工艺和SP-MRC混合制冷工艺,得到了天然气净化与液化相耦合的全流程节点的温度、压力、摩尔焓、摩尔熵、摩尔流量、气相分率和气液两相组分的摩尔分数。结果表明:LNG回收率>90%,该装置的能耗成本仅为0.379 kWh/Nm³,相当于0.19元/m³天然气。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-32
  1.1 本课题的研究背景  13-14
  1.2 天然气液化前的预处理  14-19
    1.2.1 脱水  14-15
    1.2.2 脱酸性气体  15-16
    1.2.3 其它杂质的脱除  16-17
    1.2.4 天然气吸附法净化的研究现状  17-19
  1.3 天然气的液化工艺流程  19-30
    1.3.1 国外小型天然气液化装置研究概况  19-22
    1.3.2 国内天然气液化装置的发展  22-27
    1.3.3 最新天然气液化流程研究概况  27-30
  1.4 本文工作  30-32
第二章预处理与液化流程优选及设备建模  32-48
  2.1 原料气预处理  32-39
    2.1.1 预处理方法比较  32-33
    2.1.2 吸附剂选择  33-36
    2.1.3 原料气预处理方案设计  36-39
  2.2 天然气液化流程  39-43
    2.2.1 液化流程概述  39-40
    2.2.2 液化循环方案选择  40-42
    2.2.3 液化循环方案设计  42-43
  2.3 设备建模  43-47
    2.3.1 净化设备  44-45
    2.3.2 热传递设备  45
    2.3.3 旋转设备  45-46
    2.3.4 分离设备  46-47
    2.3.5 管线设备  47
  2.4 本章小结  47-48
第三章天然气预处理试验装置的设计和搭建  48-56
  3.1 试验原理  48
  3.2 装置结构  48-49
  3.3 试验步骤  49-50
  3.4 原料气注入系统  50
  3.5 混合器  50
  3.6 吸附系统  50
  3.7 测量系统  50-51
  3.8 取样分析系统  51-55
    3.8.1 微量水分测量  51-53
    3.8.2 气体组分测量  53-55
  3.9 安全系统  55-56
第四章天然气预处理的测试数据分析与模拟计算  56-77
  4.1 引言  56-57
  4.2 分子筛脱水的试验研究  57-59
    4.2.1 3A-EPG分子筛脱水试验  57-58
    4.2.2 4A-DG分子筛脱水试验  58
    4.2.3 脱水试验小结  58-59
  4.3 分子筛脱除CO_2的试验研究  59-61
    4.3.1 4A-DG分子筛脱除CO_2试验  59-60
    4.3.2 13X-PG分子筛脱除CO_2试验  60
    4.3.3 脱除CO_2试验小结  60-61
  4.4 分子筛脱H_2S的试验研究  61-62
  4.5 天然气的预处理模块化  62-67
    4.5.1 模块化复合吸附试验  62-63
    4.5.2 吸附模块的优化配置  63-67
  4.6 试验数据分析及过程模拟  67-75
    4.6.1 分子筛脱除CO_2的试验数据分析  67-69
    4.6.2 多组分吸附分离的数值模拟  69-75
  4.7 本章小结  75-77
第五章小型LNG装置中液化流程的系统模拟  77-88
  5.1 两种撬装型天然气液化流程的参数比较  77-82
    5.1.1 流程设计  77-79
    5.1.2 计算结果及分析  79-82
    5.1.3 结论  82
  5.2 小型撬装式LNG装置的流程模拟  82-87
    5.2.1 液化流程  82-85
    5.2.2 参数初始化  85
    5.2.3 计算模型  85-86
    5.2.4 结果与讨论  86-87
  5.3 本章小结  87-88
第六章整合级联混合制冷剂液化流程的热力学分析  88-106
  6.1 流程参数分析  88-97
    6.1.1 气液分离器S1的温度对流程性能的影响  88-89
    6.1.2 气液分离器S2的温度对流程性能的影响  89-90
    6.1.3 高压制冷剂的压力对流程性能的影响  90-91
    6.1.4 低压制冷剂的压力对流程性能的影响  91-92
    6.1.5 天然气的入口压力对流程性能的影响  92-93
    6.1.6 LNG的储存压力对流程性能的影响  93-94
    6.1.7 天然气的组分对流程性能的影响  94-95
    6.1.8 混合制冷剂的组分对流程性能的影响  95-97
  6.2 流程优化分析  97-98
    6.2.1 目标函数  97
    6.2.2 约束条件  97
    6.2.3 设计变量和步长  97
    6.2.4 优化结果  97-98
  6.3 LNG换热器的性能分析  98-105
    6.3.1 板翅式换热器  98-99
    6.3.2 LNG板翅换热器的性能曲线  99-105
  6.4 本章小结  105-106
第七章小型LNG装置的模块化撬装  106-119
  7.1 引言  106
  7.2 工艺和系统描述  106-114
    7.2.1 原料气计量和分离撬  106
    7.2.2 分子筛脱水脱碳系统  106-107
    7.2.3 气体液化  107
    7.2.4 混合制冷剂循环（SP-MRC）  107
    7.2.5 介质加热系统  107
    7.2.6 火炬（或放空）系统  107
    7.2.7 LNG的储存和装载  107-114
  7.3 主要工艺设备和规格  114-116
  7.4 撬装/模块设备  116
  7.5 主要设备和系统的控制  116-117
    7.5.1 主换热器的控制  117
    7.5.2 MR压缩机的控制  117
  7.6 原料气脱重烃  117
  7.7 节能措施  117-118
  7.8 主要经济技术指标  118
    7.8.1 产品质量指标  118
    7.8.2 性能指标  118
  7.9 本章小结  118-119
第八章总结  119-123
  8.1 结论  119-121
  8.2 创新点  121-122
  8.3 展望  122-123
致谢  123-124
攻读博士学位期间取得的成果及奖项  124-126
参考文献  126-137

小型LNG装置的预处理与液化流程研究

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