柳亭

【摘 要】目前在我国天然气资源开发的过程中，在新井试气、边远井开采、煤层气开发等方面，因缺乏地面配套工程，开发利用困难。为回收利用这部分能源，小型LNG装置因其具有体积小、开停灵活、转移方便的优势而备受关注。本文针对小型LNG装置，对单循环混合冷剂（SMR）制冷工艺进行研究，分析各工艺因素对天然气液化能耗的影响，分析影响规律，降低液化能耗，指导制冷液化工艺参数的优化。

【关键词】零散气回收；小型LNG；单循环混合冷剂制冷；SMR；影响因素分析；液化能耗

1 小型LNG液化工艺研究的意义

近年来，我国天然气的开发和利用取得了突飞猛进的发展，但同时也存在较多的问题亟需解决。首先在新井试采评价过程中，由于无完善的地面配套系统，存在大量天然气的放空。其次我国的天然气资源分布分散，单井产气量小，油气田的边远地区存在着大量零散的天然气资源，开发利用困难。利用LNG体积小、储存和运输效率高的特点，开发小型LNG液化装置，既可回收天然气资源，又能保护环境，小型LNG液化装置具有广阔的发展前景。在此背景下，进行小型LNG液化工艺的研究，开展天然气液化能耗相关的影响因素分析，指导制冷液化工艺的优化具有重要意义。本文从橇装化、拆装方便、开停灵活、液化能耗等方便统一考虑，针对单循环混合冷剂（SMR）制冷工艺进行研究。

2 天然气液化工艺影响因素研究及分析

2.1 单循环混合冷剂制冷工艺主要流程

单循环混合冷剂制冷工艺将多种冷剂组分按一定比例混合，根据蒸发温度的不同，不同组分在同一冷箱内不同层位蒸发，达到多级制冷的目的，具有工艺流程相对简单、投资较省、运行费用低等优点。

其主要流程为：经过净化处理后的天然气，通过LNG冷箱与制冷剂换热，利用制冷剂提供的冷量降低温度，之后进入分离器对重烃进行分离，气相返回冷箱进一步降低温度后进入LNG储罐储存。混合制冷剂压缩机出口的冷剂首先经冷却器冷却，之后进入LNG冷箱，利用低温端的冷剂提供的冷量进行预冷，然后通过节流阀节流降压降温后，返回冷箱为原料气及高温端的冷剂提供冷量，经换热提高温度后返回混合制冷剂压缩机进行升压，重新开始制冷循环。

2.2 基础数据

本文以国内某气田气井生产的天然气经过净化、脱水处理后的组分为基础进行研究，详细见下表所示：

表1 天然气组分表

序号 组分 组成（mol%）

1 N2 1.47

2 H2 0.01

3 C1 94.19

4 C2 3.02

5 C3 0.69

6 i-C4 0.14

7 n-C4 0.13

8 i-C5 0.13

9 n-C5 0.06

10 n-C6 0.05

11 n-C7 0.05

12 n-C8 0.04

13 n-C9 0.02

14 共计 100

2.3 计算模型

本文采用Aspen HYSYS工艺计算软件，选用SRK计算模型，按照图1中常规的单循环混合冷剂工艺流程搭建了计算模型。因本文研究的是小型LNG液化工艺，面向的主要为零散天然气回收，因此液化气量取5×104Nm3/d。模型采用五组分混合冷剂进行计算。

2.4 影响因素分析

单位天然气的液化能耗是LNG工程关注的重点，也是评价天然气液化工艺的关键指标。对于单循环混合冷剂制冷工艺来说，制冷液化部分的能耗主要为混合冷剂压缩机的电耗。本文以混合冷剂压缩机的电功率为评价指标，在混合冷剂组分配比均调整为最优的基础上，对各工艺参数进行分析，其影响因素主要包括如下几点：

（1）原料气的液化压力

（2）进装置的原料气温度

（3）混合冷剂压缩机的吸入及排出压力

（4）混合冷剂进入冷箱前的温度

以上影响因素中，原料气和混合冷剂进入冷箱的温度越低，原料气液化所需的冷量越少，制冷能耗越低，但实际工程中因水冷或空冷等冷却方式的限制，其受环境温度的影响较大，不是影响液化能耗的主要变量。因此，本文仅针对原料气液化压力、混合冷剂压缩机的吸入及排出压力进行研究分析。

2.5 原料气液化压力的影响规律研究

原料气的压力对液化工艺有一定影响，压力越高，越有利于液化，按照经验，天然气液化所需的经济液化压力一般高于其临界压力4.4MPa，通常在5.0MPa左右，当原料气有压力能可利用时，可尽量提高其液化压力，降低制冷机组能耗，但通常情况下，原料气通过压缩机增压后进入LNG装置进行液化，液化压力越高，增压能耗越高，不能无限制地提高液化压力。因此研究原料气液化压力对能耗的影响规律是有必要的，本文选取3.5MPa～5.5MPa的压力范围，在确定的原料气及混合冷剂温度、混合冷剂压缩机吸入及排出压力的前提下，仅针对不同的原料气压力，通过调整混合冷剂组分找到最佳配比，得到不同液化压力下的制冷机组能耗。

由分析计算可以得出以下规律：

（1）原料气液化压力越高，天然气液化所需的制冷能耗越低。

（2）当原料气液化压力超过4.0MPa左右时，随着原料气压力的提高，制冷机组能耗下降的趋势逐渐减缓。

（3）以本文研究的5×104Nm3/d LNG装置为例，电价以0.81元/ kW·h计算，原料气压力为5MPa较3.5MPa工况，年运行成本可节省约44.8万元。

2.6混合冷剂压缩机排出压力影响规律研究

混合冷剂压缩机的吸入及排出压力，主要影响混合冷剂的配比，从而影响混合冷剂的总体流量及制冷机组的能耗。在实际工程中，冷剂压缩机的吸入压力通常控制在微正压，对制冷能耗的影响不大，本文暂按0.17MPa考虑，通过设定不同的混合冷剂压缩机排出压力，调整混合冷剂配比，计算单位液化能耗，分析混合冷剂压缩机的排出压力对工艺的影响。

由上述计算可得：

（1）在2.5MPa～4.0MPa的区间范围内，虽然冷剂压缩机的排压升高，但其对应的混合冷剂单位制冷量高，冷剂压缩机的排量逐渐减少，天然气的单位液化能耗逐渐降低。

（2）在4.0MPa～4.5MPa的区间范围内，随冷劑压缩机的排压升高，冷剂压缩机排量增大，天然气的单位液化能耗也增大。

（3）冷剂压缩机的排压为4.0MPa时，单位天然气液化能耗最低。该工况与2.5MPa排压相比，年运行成本可节约9.8万元。

3 结论

本文通过对单循环混合冷剂制冷工艺进行研究，分析各工艺因素对天然气液化能耗的影响，得到如下结论：

（1）在天然气液化过程中，原料气的液化压力及混合冷剂压缩机的排出压力是影响液化能耗的关键因素：

a、通过本文的建模计算，原料气压力越高，单位液化能耗越低。超过4.0MPa后，制冷机组能耗下降的趋势逐渐减缓。

b、在五组份单循环混合冷剂制冷工艺中，冷剂压缩机的排压为4.0MPa时，单位天然气液化能耗最低。

（2）计算分析发现，对于小型LNG装置，混合冷剂压缩机的排压对液化能耗的影响不大，运行成本降低有限，实际工程中可重点考虑冷剂压缩机系统的设备及管线费用。

而原料气压力对液化能耗的影响较大，实际工程中应予以关注，并结合天然气来源处的压力体系及高压带来的设备管线投资增加，综合考虑确定最优液化压力。

参考文献：

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（作者单位：中石化石油工程设计有限公司）