天然气液化流程的发展及其有效能分析_陈赓良.pdf

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1、第31卷第1期OILANDGASTREATINGANDPROCESSING油气加工27天然气液化流程的发展及其有效能分析陈赓良中国石油西南油气田公司天然气研究院，四川成都610213摘要：生产装置大型化是LNG生产工艺技术发展水平最明显标志。与此同时，国内外中小型LNG装置技术开发与建设也取得了令人瞩目的成就。天然气液化是一种能耗极高的工艺过程，其设备投资在总投资中所占比例甚大，且有效能在总能耗中所占比例不超过40%。因此，在LNG工程可行性研究和/或前端设计（FEED）中，运用有效能Ex分析以改进各种制冷流程的热力学效率是降低设备能耗、尺寸和投资的重要技

2、术措施。此技术也是我国开发具有自主知识产权新工艺的必由之路，应引起有关部门充分重视。关键词：天然气；液化天然气；混合冷剂；有效能；有效能分析DOI：10.3969/j.issn.1006-5539.2013.01.0081制冷循环的效率与能耗相同条件下单级MRC流程比功耗为其1.25倍；C3/在液化天然气（LNG）工业领域，生产装置大型化MRC流程则为其1.15倍。是生产工艺技术发展水平最明显标志。当前国内外已根据热力学原理，通过可逆过程获得一定量LNG经开发出数十种工艺流程以适应不同现场条件、不同所需要的功是最少的（即卡诺功Wm），故可逆过程所需规模LN

3、G生产装置的建设需要［1-2］。从制冷循环原理能耗最低。但在LNG生产装置上必须有推动力才能分析，实质上只涉及2种制冷方式：冷剂（机械）制冷进行不可逆的制冷过程，必然有一定量的功（或能）损和膨胀制冷；后者可细分为节流阀膨胀、涡流管（包括失，故装置的实际功等于卡诺功加上损失功。图1为脉冲管和气波机等）膨胀和透平膨胀机膨胀等3种主典型（9温阶）级联式流程（温焓图）的组分加热/冷却要膨胀制冷形式，在从等焓膨胀逐步向等熵膨胀靠拢曲线；图1中热源线（实线）与热阱线（虚线）之间所示的过程中，制冷效率或制冷系数（COP，即实际制冷量的面积即表示损失功，后者将随着制冷温度

4、下降而变与其输入功的比值）逐步提高，装置能耗相应增加。从大。在低温工程中常用卡诺因子（Carnotfactor，C）来衡工程热力学角度分析，当前工业上名目繁多的工艺流程均是以表1所示5种类型液化制冷循环为基础开［3］发的。以林德循环为基础的级联式制冷流程的特点是制冷效率低、能耗低，主要应用于大型LNG生产装置；MRC制冷循环的特点是制冷效率较高、能耗较高；对不同生产规模的装置有很强的适应能力，是目前大、中型生产装置使用最多的制冷流程。对大型装置，典型级联式流程的比功耗约为0.33kW·h/kg（LNG），图1典型（9温阶）级联式流程的组分加热/冷却曲线收稿

5、日期：2012-12-10作者简介：陈赓良（1940-），男，上海市人，教授级高级工程师，主要从事天然气处理与加工科研工作。天然气与石油282013年2月NATURALGASANDOIL表15种基本制冷循环编号制冷循环基本原理特点与应用由制冷压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器4个部件组成最基本的制冷循环，制冷效率最差，能耗也最低；在新林德循环1闭合式制冷循环；通过压缩→冷却→膨胀→汽化（吸热）流程开发过程中，通常作为效率与能耗的评价基准。（Linde）等4个步骤制冷全球第一套级联式LNG工业装置即基于此循环高压天然气从拉法尔喷嘴高速喷出后，在涡流管中旋转制冷流

6、程和设备很简单，无转动设备，适合用于有压力涡流管循环2而将压力能转化为冷能。制冷效率介于节流阀膨胀与透能可供利用的场合。在相同条件下，以林德循环为基（Votrex）平膨胀机循环之间准，制冷效率可提高约50%将透平膨胀机应用于气体液化的新型制冷循环；此循环是目前中小型装置广泛应用的一种制冷循环。理论制克劳德循环3中大部分高压工质气体经膨胀机作绝热膨胀，使气体内冷效率比林德循环提高约90%；但单级膨胀机循环比（Claude）能以功的形式输出而提高效率林德循环的能耗高约1倍，两级膨胀能耗高约70%混合冷剂循以C1～C5烃类及N2等5种或更多组分构成的MR作适用于

7、各种生产规模及不同现场条件的LNG装置，是4环为制冷工质，进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀而得到不同当前应用最广泛的一种制冷循环。理论制冷效率比林（MRC）温度水平的冷量德循环提高约170%，但能耗仅增加约25%以气体为工质的制冷循环，工作过程包括等熵压缩→等目前广泛应用于中小型装置的N2膨胀液化流程即基布雷顿循环压冷却→等熵膨胀→等压吸热4个过程；与蒸汽压缩式于此制冷循环。与MRC制冷循环相比，N2膨胀流程更5（Brayton）制冷的工作过程类似，主要区别在于工质气体不发生相为简化、紧凑，投资更省。制冷效率比MRC高约20%，态变化但能耗比MRC高约40%［

8、4］量装置的制冷效率：是降低设备能耗、尺寸和投资的重要技术措施。近