小型LNG装置的预处理与液化流程研究

论文摘要

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-CH4Expander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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 天然气液化前的预处理
• 1.2.1 脱水
• 1.2.2 脱酸性气体
• 1.2.3 其它杂质的脱除
• 1.2.4 天然气吸附法净化的研究现状
• 1.3 天然气的液化工艺流程
• 1.3.1 国外小型天然气液化装置研究概况
• 1.3.2 国内天然气液化装置的发展
• 1.3.3 最新天然气液化流程研究概况
• 1.4 本文工作
• 第二章 预处理与液化流程优选及设备建模
• 2.1 原料气预处理
• 2.1.1 预处理方法比较
• 2.1.2 吸附剂选择
• 2.1.3 原料气预处理方案设计
• 2.2 天然气液化流程
• 2.2.1 液化流程概述
• 2.2.2 液化循环方案选择
• 2.2.3 液化循环方案设计
• 2.3 设备建模
• 2.3.1 净化设备
• 2.3.2 热传递设备
• 2.3.3 旋转设备
• 2.3.4 分离设备
• 2.3.5 管线设备
• 2.4 本章小结
• 第三章 天然气预处理试验装置的设计和搭建
• 3.1 试验原理
• 3.2 装置结构
• 3.3 试验步骤
• 3.4 原料气注入系统
• 3.5 混合器
• 3.6 吸附系统
• 3.7 测量系统
• 3.8 取样分析系统
• 3.8.1 微量水分测量
• 3.8.2 气体组分测量
• 3.9 安全系统
• 第四章 天然气预处理的测试数据分析与模拟计算
• 4.1 引言
• 4.2 分子筛脱水的试验研究
• 4.2.1 3A-EPG分子筛脱水试验
• 4.2.2 4A-DG分子筛脱水试验
• 4.2.3 脱水试验小结
• 2的试验研究'>4.3 分子筛脱除CO₂的试验研究
• 2试验'>4.3.1 4A-DG分子筛脱除CO₂试验
• 2试验'>4.3.2 13X-PG分子筛脱除CO₂试验
• 2试验小结'>4.3.3 脱除CO₂试验小结
• 2S的试验研究'>4.4 分子筛脱H₂S的试验研究
• 4.5 天然气的预处理模块化
• 4.5.1 模块化复合吸附试验
• 4.5.2 吸附模块的优化配置
• 4.6 试验数据分析及过程模拟
• 2的试验数据分析'>4.6.1 分子筛脱除CO₂的试验数据分析
• 4.6.2 多组分吸附分离的数值模拟
• 4.7 本章小结
• 第五章 小型LNG装置中液化流程的系统模拟
• 5.1 两种撬装型天然气液化流程的参数比较
• 5.1.1 流程设计
• 5.1.2 计算结果及分析
• 5.1.3 结论
• 5.2 小型撬装式LNG装置的流程模拟
• 5.2.1 液化流程
• 5.2.2 参数初始化
• 5.2.3 计算模型
• 5.2.4 结果与讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 整合级联混合制冷剂液化流程的热力学分析
• 6.1 流程参数分析
• 6.1.1 气液分离器S1的温度对流程性能的影响
• 6.1.2 气液分离器S2的温度对流程性能的影响
• 6.1.3 高压制冷剂的压力对流程性能的影响
• 6.1.4 低压制冷剂的压力对流程性能的影响
• 6.1.5 天然气的入口压力对流程性能的影响
• 6.1.6 LNG的储存压力对流程性能的影响
• 6.1.7 天然气的组分对流程性能的影响
• 6.1.8 混合制冷剂的组分对流程性能的影响
• 6.2 流程优化分析
• 6.2.1 目标函数
• 6.2.2 约束条件
• 6.2.3 设计变量和步长
• 6.2.4 优化结果
• 6.3 LNG换热器的性能分析
• 6.3.1 板翅式换热器
• 6.3.2 LNG板翅换热器的性能曲线
• 6.4 本章小结
• 第七章 小型LNG装置的模块化撬装
• 7.1 引言
• 7.2 工艺和系统描述
• 7.2.1 原料气计量和分离撬
• 7.2.2 分子筛脱水脱碳系统
• 7.2.3 气体液化
• 7.2.4 混合制冷剂循环（SP-MRC）
• 7.2.5 介质加热系统
• 7.2.6 火炬（或放空）系统
• 7.2.7 LNG的储存和装载
• 7.3 主要工艺设备和规格
• 7.4 撬装/模块设备
• 7.5 主要设备和系统的控制
• 7.5.1 主换热器的控制
• 7.5.2 MR压缩机的控制
• 7.6 原料气脱重烃
• 7.7 节能措施
• 7.8 主要经济技术指标
• 7.8.1 产品质量指标
• 7.8.2 性能指标
• 7.9 本章小结
• 第八章 总结
• 8.1 结论
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间取得的成果及奖项
• 参考文献