天然气液化工艺流程模拟优化及用能分析

【摘要】：近年来,在治霾降污的压力下,呼声高涨的环境治理倒逼能源向清洁化方向加快发展。随着低碳资源的大力开发利用,我国能源消费结构得到进一步优化,煤炭在一次能源消费结构中的比重下降,优质、清洁、高效的天然气消费占比上升,且消耗量呈日益增大的趋势。本文阐述了天然气液化技术的现状和发展趋势,简要介绍了几种天然气液化流程的优缺点,并进行技术经济比较,优先选择目前国内外应用最广泛的新型高效流程——带丙烷预冷的混合制冷剂循环液化流程作为模拟流程。根据天然气和混合制冷剂的热物性,为满足计算精度要求,工质相平衡特性选用PR方程,焓熵等热物性选用LKP方程。通过ASPEN HYSYS软件进行模拟计算,得到的结果和已知实验数据的对比结果在误差范围内,说明模拟过程中选用的热力学方程是合适的。利用模块化思想对流程中每一处设备进行模拟。采用ASPEN HYSYS软件搭建流程,对循环中的压缩机、多股流换热器、节流阀和混合器等模块进行详细的参数设置,最终得到收敛的稳态模拟系统。在稳态流程工况下,分别模拟了混合制冷剂组分、高低压、温度,原料气压力、温度,以及丙烷预冷后温度对流程的影响,得到合理的制冷剂配比和科学的流程参数:混合制冷剂最佳配比是甲烷为0.436(摩尔分数,下同)、乙烷为0.393、丙烷为0.099、氮气为0.072。在此基础上,对流程关键设备进行有效能分析,进一步优化流程,达到节能降耗、提高装置经济性的目的。优化后的流程压缩机比功耗最小为7.692k W·h/kmol,比未优化前的比功耗11.75k W·h/kmol少了4.0585k W·h/kmol。模拟结果对实际的天然气液化流程的优化具有有力的理论指导意义和可靠的实用参考价值。 【关键词】：液化天然气 丙烷预冷混合制冷剂循环 关键设备 模拟优化 有效能分析
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE646
【目录】：

• 中文摘要3-4
• abstract4-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 课题研究背景8
• 1.2 研究目的和意义8-9
• 1.3 国内外现状9-10
• 1.4 研究内容10-12
• 第二章 天然气液化工艺流程的现状与选择12-20
• 2.1 前言12
• 2.2 阶式制冷循环工艺12-13
• 2.2.1 阶式制冷循环工艺12
• 2.2.2 阶式制冷循环工艺的优点12-13
• 2.2.3 阶式制冷循环工艺的缺点13
• 2.2.4 阶式制冷循环工艺的适用范围13
• 2.3 膨胀机制冷循环工艺13-15
• 2.3.1 天然气膨胀制冷循环工艺13
• 2.3.2 氮气膨胀制冷循环工艺13
• 2.3.3 氮气—甲烷混合膨胀制冷循环工艺13-14
• 2.3.4 气波制冷机和透平膨胀机联合制冷工艺14
• 2.3.5 膨胀机制冷循环工艺的优点14
• 2.3.6 膨胀机制冷循环工艺的缺点14
• 2.3.7 膨胀机制冷循环工艺的适用范围14-15
• 2.4 混合冷剂制冷循环工艺15-17
• 2.4.1 无预冷的混合制冷剂制冷循环工艺15-16
• 2.4.2 带预冷的混合制冷剂制冷循环工艺16-17
• 2.5 天然气液化工艺的技术经济比较17-19
• 2.6 小结19-20
• 第三章 天然气液化工艺流程模拟的热力学计算20-33
• 3.1 前言20
• 3.2 模拟软件HYSYS的介绍20
• 3.3 天然气液化工艺流程模拟涉及到的热力学物性参数20-21
• 3.4 天然气和制冷剂工质的相平衡计算21-26
• 3.4.1 天然气和制冷剂工质的相平衡计算状态方程21-23
• 3.4.2 相平衡计算状态方程计算方法23-26
• 3.5 天然气和制冷剂工质的焓熵计算26-32
• 3.5.1 天然气和制冷剂工质的焓熵计算状态方程26-29
• 3.5.2 焓熵状态方程计算方法29-30
• 3.5.3 LKP状态方程关于焓熵的计算步骤30-31
• 3.5.4 给定条件下的焓熵计算案例31-32
• 3.6 小结32-33
• 第四章 天然气液化工艺流程的模拟与优化33-62
• 4.1 前言33
• 4.2 天然气液化循环中的模块化思想33-39
• 4.2.1 压缩机模拟计算模块33-35
• 4.2.2 分离器模拟计算模块35-36
• 4.2.3 换热器模拟计算模块36-38
• 4.2.4 节流阀模拟计算模块38
• 4.2.5 混合器模拟计算模块38-39
• 4.3 带丙烷预冷混合制冷剂循环天然气液化流程原理39-41
• 4.4 带丙烷预冷混合制冷剂循环天然气液化流程性能参数分析41-60
• 4.4.1 混合制冷剂的组成对液化流程的影响43-52
• 4.4.2 原料天然气压力对液化流程的影响52-53
• 4.4.3 原料天然气温度对液化流程的影响53-54
• 4.4.4 混合制冷系统高压端压力对液化流程的影响54-55
• 4.4.5 混合制冷系统高压端温度对液化流程的影响55-56
• 4.4.6 混合制冷系统低压端压力对液化流程的影响56-57
• 4.4.7 丙烷预冷后温度对液化流程的影响57-60
• 4.5 小结60-62
• 第五章 天然气液化工艺流程的有效能分析62-71
• 5.1 前言62-63
• 5.2 混合制冷系统高压端压力对设备有效能损失的影响63
• 5.3 混合制冷系统高压端温度对设备有效能损失的影响63-64
• 5.4 混合制冷系统低压端压力对设备有效能损失的影响64-65
• 5.5 混合制冷系统低压端温度对设备有效能损失的影响65-66
• 5.6 制冷剂甲烷组分对设备有效能损失的影响66
• 5.7 对流程节能减排的分析和建议66-70
• 5.8 小结70-71
• 第六章 结论71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-77
• 攻读学位期间发表的论文77-78

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