基本负荷型天然气液化HYSYS软件计算（一）.pdf

第 3 8卷 第 4期 石 油与 天然气化工 CHEMl CAL ENG J NEERl NG OF OI L GAS 271 基本负荷型天然气液化 H Y S Y S软件计算 一 李士 富 韩 志杰 西安长庆科技 工程有限责任公 司 摘 要我 国液化天然气技 术起步较晚， 水平不 高， 至今没有大型天然气液化装置 。随着我国 天然 气工 业的发 展 ， 对液 化 天然 气的 需求量 不 断增加 ， 而液化 天然 气的 设计 制约 了液 化天 然 气工业 的发展 ， 主要是计算 问题没有取得 突破 。被专家们称为“ 计算 困难” _ 1 ] 。之所以困难， 一是混合冷剂 的组成保密， 无法知道 ； 二是对流程 的解读尚未清楚。本文在研究 AP C I 和文莱丙烷预冷混合冷剂 天然气液化 流 程 的基 础上 ， 解读 了流程 的 计 算 方 法， 给 出 了 HYS YS软 件 计 算 流程 图， 并 甩 HYS YS软件进行 了液化流程计算和混合冷剂的初 步筛选， 对从事天然气设计人 员有 一定的借鉴 作 用 。 关键词 基本负荷 天然气 液化软件计算 DOI 1 O ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 O 0 7 3 4 2 6 ． 2 O O 9 ． 0 4 ． O O 1 液化 天然气 是一 门新兴 的产业 ， 但 发展极快 。 自上世纪 6 0年代第一座液化装置在阿尔及利亚投 产至今全世界 已有生产能力 1 ． 7 1 O 。 t ／ a 。1 9 6 4年 阿尔及利 亚建成 了世界上第一座 大型基本负荷 型 L NG装置 C AME L ， 采用级联式液化流程 。随着 工业 国家对 L NG需求量的增加 ， 无论是规模 ， 还是 液化工艺都有很大改进。液化装置规模从最初 的阿 尔及利亚 3 61 0 t ／ a ， 到 目前 的马来 西亚 ML NG T i g a 2 O O 2年建设 的装 置规模 已达 3 7 51 0 t ／ a 。 液化装置流程也从最初的级联式液化流程发展为混 合冷剂液化流程 MR c 和带丙烷预冷的混合冷剂 C 。 ／ MR C 液化流程 以及带膨胀机 的液化流程 等。 目前世界 8 O 以上 的基本负荷型天然气液 化装置 采用 带 丙 烷 预 冷 的 混合 冷 剂 C 。 ／ MRC 液 化 流 ⋯ 程[ 。 天然气液化各种流程的优缺点 比较 级联式液 化流程是最初开发 的液化流程 ， 其优点是 ① 能耗 低 ； ② 制冷 剂 为纯 物 质 ， 无 配 比问题 ； ③ 技术 成 熟 ， 操作稳定 。缺点是 ① 机组多 ， 流程复杂 ； ② 附属 设备多 ， 要有专门生产和储存多种制冷剂的设备 ； ③ 管道和控制系统复杂 ， 维护不便口 ] 。混合冷 剂液化 流程又分闭式混合冷剂制冷液化流程 、 开式 混合冷 剂制冷液化流程 、 带丙烷预冷的混合冷剂制冷液化 流程和整体结合式级联型液化流程 ， 简称 CⅡ液化 流程。与级联式流程相 比， 混合 冷剂制冷液化流程 的优点 ① 机组设备少、 流程简单 、 投资费用与经典 级联式流程基本相 当； ② 管理方便 ； ③ 混合制冷剂 组分可以部分或全部从天然气本身获取或补充。缺 点是 ① 能耗较 高， 比级联式 液化 流程 高 1 0 ～ 2 0 左右 ； ② 混合 制冷剂 的合理配比较为 困难 ； ③ 流程计算须提供 各组分可靠韵平衡 数据 与物性 参 数 ， 计算困难 ] 。带膨胀机的液化流程的优点是 ① 流程简单、 调节灵活、 工作可靠 、 易启动、 易操作、 维 护方便 ； ②用天然气本身为工质时 ， 省去专门生产、 运输 、 储存 冷冻剂 的费用 。缺点是 ① 送去装置 的 气流须全部深度干燥 ； ② 回流压力低 ， 换热面积大， 设备金属投入量大 ； ③受低 压 用户多少 的限制 ； ④ 液化率低 ， 如再循环 ， 则在增加循环压缩机后 ， 功耗 大大增加 ] 。各种液化流程能耗 比较见表 1 。基本 负荷型三种液化流程主要指标 比较见 表 2 。液化装 置所使用 的液化流程及性能指标见表 3 。 1 HY S YS软件简介 ． HYS YS 软 件 是 Hy p r o t e c h 公 司于 1 9 7 6 年 创 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基本负荷型 天然气液化 H YSY S 软件计算 一 液化流程 级联式液化流程． 单级 混合制冷剂液化流程 n 丙烷预冷的单级 混合制冷剂液化流程 多级混合制冷剂液化流程 ’ 一’ 单级膨胀 机液化流程 丙烷预冷的单级膨胀机液化流程 能耗比较 1．o o 1． 25 1．15 1．05 2．O O 1．70 两级膨胀机液化 流程 1．70 一⋯；．投产采用的 产量压缩机功率0 项目名称 莳 南霜 花磊 缸，j t亏 。气 影 “’ 品 嗽 勰 ⋯ 眠 Ⅲs 淼 s ez z so 。Ⅲ 阿㈣ⅡK e商 1969 淼 115 利比亚M arsae1Brega1970MR C 0 69 文莱L NG 1973C3／MR C 。 108 阿尔及利亚Skikdal、2、3 1974MR C103 卡塔尔Cas 1996C3／MR C230 马来西亚M L NGDua1995C3／MR C250 马来西亚M L NGT i ga 2002Cs／MRC375 ①M R C为混合制冷剂液化流程；②C。／MRC为丙烷预冷混合 冷剂液化流程；③功率为生产lkg的L N G所消耗的功。 建的，其技术广泛应用于石 油 开采 、储运、天然气加 工、石油 化工、精 细化工、制 药、石油 炼 制 等 领域。 2002年7月H yprotech公 司被 AspenTech公司收 购。目前A SP E N T E C H 公司 的软件 产品在世界范 围内的石油、化工、炼油等工艺 流 程模拟 、仿真技术 领域 中占主导 地位。 ASPENH Y S Y S软件现已有 17000多家用户 ，遍 布80氦个国家和 地区，其注册 用户数超过世界上任何 一 家过程模拟软件产品。目 前世界各 大主要 石 油化工公司都 在使用 ASP E N H Y S Y S 软件，包括世界上名列前茅的前50家石油 和天然气公司，前50家石 油炼制公司中的 4 8家和 前15家化学制品公 司中的13家。 H Y S Y S 软件上个 世纪 80年 代 中期进入中国 市场 ，我国各主要油田均有H Y S YS软件在使用，用 户多达 60多家。 1．1HYSYS 软件的特点 1HYSY S软 件 与 同类 软 件相比具 有 非常好 的操作界面，方便易学，软件智能化程度高。 2HYSY S软件现在引进了AS P E NPLUS组 分库，有4000种纯 组分。 25000个 交互作用参数， 定义假组分对原油进行切割生成假组分。 3热力学方法状态方程 H Y SYS3．2版软 件 状态方程有29个之多， 可以满足各种物料的计算需要。 4C R UDE原 油处理原 油管理器可以对用户 的任何实验数据进行处理、将原油转换成虚拟组分， 在原油管理器 中提供了大量的关联式供用户选择。 5设备单元操作 分离器类2相分离 器 ，3相分 离器、固体 分 离 器、旋风分离器、真空过滤器、结 晶器； 塔类吸收解吸塔、有再沸器的吸收塔 、有回 流 的吸收塔，液 ～ 液萃取塔、常减压塔、精馏塔 、多组 分分离器 、三相精馏塔所有塔都能在板上加反应单 元进行反应精馏以及自定义塔等； 反应器C STR，P F R，G ib bs，平衡、转化率； 换热器热交换器、L NG多 相 流冷箱 、加 热器、 冷却器； 输送单元管道、混合器、分支器； 压力设备泵、压缩机、膨胀 机、节 流阀；逻辑单 元平衡、前置 、PID调节器、电子计算表、传递函数 发生器等等。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油与天然气 CHE MICA LE NGINE E RINGOF 1．2H YSY S主要功能 1最先进 的集成式工程 环境由于使用了面向 目标的新 一 代编程工具使集成式的工程模拟软件成 为现实。 2内置人工智 能在系统 中设有人工智能 系 统，它在所有过程中都能发挥非 常重 要的作用 。当 输入的数据能满足 系统计算要求时，人工智能 系统 会驱动系统 自动进行运算 。 3数据回归包数 据回归整理包提供了强有 力的回归工具。 4严格物性计算包HY S YS提供了 一 组功能 强大的物性计算包，它 的基础数据也是来源于世界 富有盛名的物性数 据 系统 ，并经过该公司的严 格 校 验。 ， 5功能强大的物性预 测系统对于 HY S Y S 标 准库没有包括的组分，可 通过定义假组分 ，然后选择 HY SY S的物性计算包来 自动计算该组分的基 础数 据。 6D C S接口H YS Y S 通过其动态链 接 库 D LL与D C S控制系统链接。装置的DC S数据可 以 进入 HY S YS ，而H Y S Y S的工艺参 数也可以传回 装置。通 过这种技术可以实现1在线优化控制；2 生产指导；3生产培 训；4仪表 设计 系统的离 线调 试。 7事件驱动将模拟技术和完全交互的操作方 法结合，使H Y SYS获得成功。而利用 面向目标的 技术使H Y SY S这 一 交互方式提高到 一 个更高的层 次，即事件驱动。 8工艺参数优化器软件 中增加了功 能强大的 优化器，它有五种算法可供选择 ，可解决无约束、有 约束、等式约束及不等式约束的问题 。 9窄点分析工具利用H YSY S的窄点分析技 术可对流程中的热网进行分析计算，合理设计热网 ， 使能量 的损失最小 。 10方案分析工具某些变量按 一 定趋势变化 时，其它变量 的变化趋势如何 ，了解这些对方案分析 非常重要。 儿各 种塔 板的水 力学计 算H YSYS 增加了 浮 阀、填料、筛板等各种塔板的计算 ，使塔的热力学 和水力学计算 同时解决。 12 ‘任意塔 的计算在以前接 触的软件 中所有 分馏塔都是软件商提供了 一 个最全的塔 ，然 后让用 户自己选择保留部分，而 H YSYS 软件可以对 自己 设计 的任何塔进行计算。 HY S YS软件的强大功 能使得 油气加工的设计 计算变得简单而可靠。 2带丙烷预冷 的混 流程 带丙烷预冷的昆合冷剂C。／ MR C液化流程以 APCI美国空气液化公司流程 和文莱天然气 液化 装置为代表。 AP C I流程见 图1。文莱流程 见图2。 卜天然气2 - 吸收塔；3 一 换热器；4 - 溶剂循环泵；5 - 再生塔； 6 一 分离器7 - 水；8 - 分子筛干燥器；9 - 过滤器；10 - 丙烷蒸发器 11 一 重烃回收器12 一 c，分离器；13 - C，分 离器；14 - C ；分 离器； 15 - C。分离器；16 一 汽油；17 - 返入产品；18 一 燃料气； 19 - 补充冷剂20 一 节流阀；2l L NG；22 一 低温换热器； 23 一 气液分离器；24 一 低压丙烷蒸发器；25 一 中压丙烷蒸发器； 26 一 高压丙烷蒸发 器；27 一 水冷器；28 制冷压缩机； 29 一 水冷器； 30 一 制冷压缩机31 - 水；32 - 高压丙烷；33 一 中压丙烷； 34 - 4氐压丙烷；35 - 酸气；36 一 氮气 图2 M R C法天然气液化工艺原则流程 图文莱 上述两个 流程表现形式不同，其实质是 一 样的。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 274基本负荷型 天然气液化HYSYS软件计算 一 2009 本文对常规的天然 气 净 化和重 烃分离部分不做计 算，只计算液化部分。 3工艺计算 3．1基础资料 1天然气流量100 10 。 m 。／ d0℃，101．325 kPa。 2天然气组成见表4。 3天然气温度25 。C 。 4天然气压力5150kPa。 5混合冷剂 的组成见表5。 3．2HYSYS软件计算模型 在计算前需将图1、图2的冷剂 循环 和原料天 然气部分转化为H Y SYS软件计算流程 图，见 图3。 3．3计算结果汇总 计算结果汇总见表6。 流号 汽相分数 温度，℃ 压力，k Pa 摩尔流率，kmol／h 质量流率，kg／h 流号 汽相分数 温度，℃ 压力，k Pa 摩尔流率，km ol／h 质量流率，kg／h 流号 汽相分数 温度，℃ 压力，kPa 摩尔流率，kmol／h 质 量 流率，kg／h 流号 汽相分数 温度，℃ 压力，kPa 摩尔流率，km ol／h 质量 流率，kg／h 流号 汽 相分数 温度，℃ 压力，k Pa 摩尔流率，km ol／h 质量流率，kg／h 678 1．00001．0000 158．7 38．8 5 1 10．0100．0 250．3164 0 4 14 94 9180 1 112 O．9637O．41 26 32．O2．000 39803980 16401640 4 91804 9180 1．0000 90．4 8 834．00 1640 4 9180 9 1．0000 40．O O 810．O O 164 0 4 9180 0．24670．1055 1 5．00 35．O O 39603940 16401 640 491804 9180 16171819 0．00000．00000．2030 142．0 155．0 1 71．7 389038 70140．0 1 24．2124．2124．2 261926192619 212223 10 1．0000 148．2 4000 1640 49180 15 1．0000 40．5 394 0 124．2 2619 20 0．28 210．0000 一 169．0 40．5 120．O 3910 124．21 5 16 261946560 2425 0．00000．06641．00000．00000．1019 142．0 14 6．5 150．3 150．3 150．3 3890140．0120．0120．O120．O 15161516167，114 731640 4 65604656033994 57804 9180 26L N G30 燃料气 1．00000．00000．07571．0000 35．85 1 58．7 40．5 42．74 100．O1 10．0391090．O 164016101640250．3 4 9180325004 91804 14 9 3．4L NG 及燃料气组成 组分 C H 4 C2H6C3H 8 组成，％y 95．560．030．00 N。 合计 4．41100．O O 3．5液化率 原料天然气流率 为 1 860 ‘ kmol／h36650kg／ h，LN G 流率为 1610kmol／h32 500kg／h，液 化 率为86．569 ／ 6y8 8 ．68％训。 下转第283页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 8 卷第4 期 电子能谱仪在甲醇催化剂中毒失活中的应用研究 2 8 3 3结 论 工业 甲醇催化剂失活研究， 随着催化剂的使用 条件不同， 情况十分复杂。研究 中应用电子能谱仪 ， 能非常敏感地检测 出催化剂 的毒物种类 和类 型， 分 析毒物的分布特征 ， 掌握毒物的化学状态 ， 再结合其 它仪器 的辅助作用 ， 为认清毒物来源、 找到失活根源 和解决 工业 生 产 实 际 问题 提 供 了锐 利 武 器 。 因此 ， 电子能谱仪在工业催化剂失 活研 究 中具 有重要作 用 。 参考 文 献 1林长平 ， 冷 柏军． 煤炭液化 在中 国能源 战略中 的地位 和作用． 中国 能源[ J ]， 2 【 ] 6 ， 2 8 3 3 3 3 7 2王志埃． C3 O 6型甲醇催 化剂在我 公 司的应用． 化学 工业与工 程技 术[ J ] ， 2 O O 5， 2 6 3 5 1 5 2 3赵西坤． c3 O 7型甲醇合成催化剂使用 总结．化肥工业[ J ] ， 2 0 】 6 ， 3 3 4 3 6 38 4张新凤 ． c 3 o 7型中低压 甲醇合成催 化剂 的工业应用．煤 化工 [ J ] ， 2 O O5， 4 5 O一 5 3 5侯治会 ， 张运宝 ， 时桂 荣． 催 化剂在 低压 甲醇合成 装置 中 的应用． 化工生产与技术[ J ] ，2 O O 5 ， 1 2 4 3 1 3 2 6何 刚． 硫对 甲醇催化剂 c 2 O 7失活影响 的研究．石油与天 然气化工 [ J ] ， 2 O O 2 ， 3 1 4 1 7 3 1 7 7 7何 刚． 硫磷硅共存对 甲醇催化 剂失活 的影 响．石 油与 天然气 化工 [ J ] ， 2 o 0 3 ， 3 2 1 4 6 8何 刚．硫氯共 存对 甲醇催 化剂 失活 的影 响．石 油 与天 然气 化工 [ J ] ， 2 O O 3 ， 3 2 2 6 8 7 4 9何 刚 ， 高勤卫 ， 严 川伟． 硫铁镍 共存对工业用 甲醇催化剂 活性影响 的研究．石油与天然气化工[ J ] ， 2 o 0 8 ， 3 7 6 4 6 9 4 9 8 1 O丰 中‘ 田， 裴学 国， 唐海涛．甲醇合成 催化剂 失活 原因分 析及延 长 使用寿命 的方法． 煤化工[ J ] ， 2 0 O 7 ， 4 To t a l No ． 1 3 1 4 1 4 3 l 1余金华 ， 祁 国安 ， 薛守标． 影响 甲醇合成催化剂寿命的主要 因素及 对策．化学工业 与工程技 术[ J ] ， 1 9 9 9 ， 32 4 2 7 1 2 Go l d e n T C．Re m o va l of Tr a c e I r o n a n d Ni c k e l Ca r b o n y 1 s b y Ad s o r p t i o n ．I n d E n g c h e m R e s [ J ] ， 1 9 9 1 ， 3 0 3 5 O 2 ～5 O 7 1 3向德辉 ， 刘惠云． 化肥催 化剂使用 手册[ M] ． 北 京 化学 工业 出版 社 ， 1 9 9 2 3 3 2 1 4 B ． U． s i mp 1 e c h e mi s t r y Ha n d b 0 0 k [ M] ．顾 振军 ， 吴 国沛 译． 北 京 化学工业 出版社 ， l 9 5 7 、 作 者 简 介 何 刚 男 ， 江苏人 ， 教授 ， 硕导 ； 研究方 向 催 化剂 、 仪器分 析 和化学 电源等 。 收稿 日 期 2 0 O 8 1 2 一o 3 ； 收修改稿 2 O O 9 一o 1 一o 5 ； 编辑 康 莉 上接 第 2 7 4页 4计算要点 1 因为原料气 中 H S 、 C O 等杂质 已经脱出， 计算时选用 P R P e n g Ro b i n s o n 状态方程 。 、 P R方 程属 于半 经验 方程 ， 该 方 程是 对 RK 方程的修正 ， 其形式为 p 一旦一 一 6 6 一6 一6 P R方程和 S RK方程一样， 能使气相热 力学参数 的计算得 到满意 的结果 ， 而且预测液相密 度比 s RK方程更准确 。因此 ， HY s YS软件计 算常采用此方程。 2 在确定冷箱的个数 时， 按节流阀个数确定 ， 如本案例冷箱个数为 2 ， 热端为 4股流 ， 冷端为 3股 流 。 3 从图 1 、 图 2可知 ， 原料天然气在低 温冷箱 中是顺流的， 在输入冷箱时要按热流输入 ， 只是在节 流阀后的冷气流， 皆为逆流 。 4 先给出原料气各级冷却 的温度 ， 再确定混 合冷剂的流量 ， 用递加的方式直至换热器变成灰色 为止 ， 此 时， 表示参数正确 ， 计算结果收敛 。原料气 温度有 时也要根据热平衡进行调节。 、 r 5 在计算时混合冷剂 的量和组成都可 以调 ， 以能耗最低为准。本案例不一定是最佳 的， 只是介 绍一种计算方法 。要优化还要对冷剂进一步筛选 。 6 不是全液化时， 与产 品平衡 的气相温度最 低 ， 可以和最后一级丙烷冷却后的冷剂换热 以回收 冷量。本案例换热后冷剂从一3 5 。 C换热后降低到一 4 0 ． 5 ℃， 燃料气温度 由一1 5 8 ． 7 。C复热至一4 2 ． 7 4 ℃， 冷剂循环量从 1 7 5 O k mo l ／ h降低到 1 6 4 0 k mo l ／ h ， 节能效果显著。当然一4 2 ． 7 4 。 C燃料气的冷能还可 以进一步利用， 在实际设计 中可与丙烷二次换热 ， 回 收 冷量 。 ， 参 考 文 献 ． 1顾安 忠 等．液化天然气技术 ． 北 京 机械工 、 l 出版社 ，2 [ ] 3 ． 5 作 者 简 介 李士富 教授级高级工程师。1 9 6 4 年毕业于东北石油学院石 油炼制 系油气加工专业 ， 曾任长庆石油勘探局规划设计研究院 院长 、 长庆石 油勘探局 副总工程师 、 滇黔 桂石油勘 探局总 工程师 。长期 从 事油气加 工的设计 和研究 ， “ 一种冷 冻油的 吸收方法“ 获国家发 明专 利。1 9 9 8年退休 ， 2 0 0 o年受聘 于西安长庆科技工程有限责任公司任 高级顾 问至今 。 收稿 日期 2 0 0 9 一O 5 0 5 编辑 康莉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m