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利用天然气管网压力能的小型液化流程设计

毕业论文,硕士学位论文,投标书,商业计划书,可研报告,郑州利文代写网(http://lunwen.65dx.com/) 日期:2013-08-10 [打印] [关闭]

 
   管道天然气从上游供气方输送到终端用户的过程中,需经过多级调压处理。高压天然气蕴藏着大量的压力能,主要的压力能利用方式有:压力能发电、压力能制冷、压力能储气调峰等H I4 J。其中,利用压力能生产LNG进行储气调峰,不受地域限制,成本适中,LNG产品还可进行二次销售,获取经济利益,是更灵活、更经济的压力能利用方式,因而,相关研究进展备受关注。目前,见诸报道的利用压力能液化天然气的研究主要有:俄罗斯LENTRANSGAZ公司基于使用涡流管一节流阀的天然气液化系统,液化天然气产率在100-500kg/h之间,液化比仅有2—4% ;ROBERT W提出了利用膨胀透平进行高压管道气体的液化系统 ;美国Idaho国家实验室提出、投产的管道天然气液化装置,以透平输出功驱动压缩机增压待液化天然气,从而提高液化天然气产率 ;华南理工大学提出的结合回收轻烃的管道天然气的液化流程,其模拟所得的天然气液化比达17%左右.提出了管网压力能利用与混合工质制冷相结合的液化系统方案,其设计流程复杂,实用性较 。
上述压力能液化天然气系统及方案所获得的液化天然气,主要用于储气调峰,LNG的温度一般为储存压力下的饱和温度,不适于装车运输,以进行二次销售。液化天然气的储运、装卸与使用过程中,均存在着BOG的产生与处理的问题。目前,我国为数众多的LNG卫星站与LNG加气站都不具备BOG处理的条件,一些用户在LNG的储运、装卸与使用过程中,必须向大气中排放1—2% 的天然气,产生了较大的经济损失,造成了很大的环境威胁 l1,121。相同的外界环境条件下,LNG品质越高(温度越低),其生产成本越高,使用过程中产生的BOG量越小。当前国内的LNG市场上,尚未明确提出LNG按品质(温度)进行议价,以有效的刺激卖方生产高品质的LNG,这是造成LNG行业中BOG问题普遍的重要原因。为了获得高品质的LNG,本文提出了一种结合混合工质制冷循环、利用天然气压力能的小型天然气液化系统:利用高压天然气经膨胀透平的输出功,驱动混合工质压缩机,获得低温冷量,得到具有一定过冷度的液化天然气。
分析为获取不同温度的液化天然气对系统液化率的影响,给出了LNG贸易市场中按LNG品质议价的科学依据。通过流程模拟及参数优化,所设计流程可在无需额外能量输人情况下,得到较好的液化天然气产率和品质,可达到增强燃气储气调峰能力,提升二次销售LNG品质和经济效益的目的。
2 流程简介所设计的流程的特点是以高压管道天然气为输入,通过压力能的回收,输出高品质的LNG以及下游用户所需的中压天然气,而无需耗费其它形式的能量。
单独设计的以回收膨胀输出功驱动的混合工质压缩循环系统,是保证所得LNG能够达到一定过冷度、获得较高品质的关键。天然气压力能利用系统流程简图,高压天然气经脱水脱酸处理,流经换热器降低温度、在气液分离器中完成重烃分离后,进入级间带气液分离器的两级膨胀过程,膨胀功作为混合工质压缩机的驱动力,降温降压后的天然气经分流器分流,部分逆流进入换热器,作为冷源,同时冷却高压天然气流股及循环混合工质。流程中气液分离器出口的液相部分,通过节流阀降压至4bar(用气高峰期调气),与分流器分流出的另一部分低温天然气汇合,进入混合工质换热器,实现液化并过冷,得到高品质LNG。
混合工质循环系统中,混合工质经压缩机增压,依次进入空气冷却器、多股流换热器冷却降温后,进入混合工质换热器,经节流阀降压降温的低压混合工质逆流进入换热器,吸收高压工质及待液化天然气流股的热量后流出换热器,进入压缩机,完成循环。3 流程参数及技术评价指标3.1 流程参数某城市调压站,流人的天然气压力为4.0MPa、温度为25.0℃ 、流量约50×10 Nm /day,需向下游供应0.4MPa的中压天然气,设计该门站天然气流量的1/3通过该天然气压力能回收系统。管道天然气初始及经净化处理后的组成4 流程模拟与分析流程中,高压天然气的压力能经过膨胀透平,转化为机械功及低温冷能两种形式,机械功用于驱动混合工质压缩机,低温冷能提供天然气侧及混合工质预冷冷量。
模拟中的两个关键问题,其一在于如何分配、平衡这两种压力能形式;其二在于?昆合工质循环高、低压以及混合工质组成的选取。基于流程自身特性,模拟分析了流程中关键参数及部件性能对流程性能的影响,通过对参数的优化,得到了流程的优化结果。
4.1 关键参数对流程评价指标的影响(1)预冷温度对流程评价指标的影响混合工质液化天然气循环中,普遍都设计了预冷环节¨引。预冷温度很大程度上会决定混合工质的选取以及系统的运行效率,在文中预冷温度的选取还直接关系到两种压力能形式的平衡与分配。为此,流程模拟中,在其它设定参数不变的情况下,考察了预冷温度变化对天然气液化率的影响,得到的天然气液化比随预冷温度变化的曲线。天然气液化比随预冷温度的降低先渐增,在一25~C左右达到最大值,随即明显降低。 该变化趋势的出现,是以机械能及低温冷量存在的两种压力能形式相互匹配、平衡的结果。
当预冷温度高于一25℃时,冷量形式的压力能较为充裕,还可进一步预冷;预冷温度低于一25℃时,系统提供的机械功除供给混合工质压缩机外,将有剩余,且随着预冷温度的降低,混合工质压缩机功耗减小,机械功的剩余部分将更多,在不增加额外设备的情况下,剩余的这部分机械功将会白白浪费,致使系统压力能回收效率低下。混合工质预冷温度/℃不同的预冷温度下,混合工质的组成选取也会不同,给出了在保证混合工质换热器平均换热温差一致的情况时,不同预冷温度下确定的混合工质组成。
由可以得:(1)随预冷温度降低,混合工质组成中的重烃比重减小,轻烃比重增大。混合工质的制冷原理,是高沸点工质在高温区制冷,低沸点工质在低温区制冷,合理的混合工质组成,可使得混合工质能在整个温度区间上实现制冷接力,从而或得各个温区内的制冷冷量。当预冷温度相对较高时,需要重烃组分提供高温区的冷量;当预冷温度较低时,高沸点工质在该压力水平下的制冷温度已高于的预冷温度,此时混合工质中重烃的加入对提升系统制冷能力无任何益处;(2)混合工质组成中CH 比重大,原因在于天然气的液化点温度处于混合工质中CH 的相变温区。
(2)动部件效率对流程评价指标的影响膨胀透平及压缩机是热力系统的核心部件,其工作效率的高低直接影响着系统的整体效率。图4所示为天然气液化比随系统中动部件效率变化的关系,可见,随动部件工作效率提升,有用能利用率及天然气液化比都相应的有所增大。一般来讲,工质的进出口压比越大,膨胀透平和压缩机部件工作效率越低,实际上,大流量、高压比的膨胀透平的制造难度也极大 。在系统模拟中,两级膨胀的压比选择均在3左右,利于保证膨胀透平在较高的工作效率下工作,提升系统效率、增大天然气液化比,同时也便于实际系统的设备选型。
(3)低温换热器平均换热温差(LMTD)对流程评价指标的影响假定传热过程将热量Q从温度为 的流体传至 温度的流体,两股流体之间的换热系数为u,传热面积为A。根据热力学第二定律,该传热过程的有用能损失可知,传热温差越大、换热流体平均温度越低,有用能损失越大,系统效率越低。图5所示为低温换热器平均换热温差对天然气液化比的影响情况,可以看出,随低温换热器中换热温差的增大,天然气液化比也逐步减小。根据式(3),换热温差小,交换相同的热量,需更大的换热面积,必然增加换热器制造成本,所以,实际的换热器选型需兼顾制造成本与系统效率。
(4)液化天然气温度对液化效率的影响得到的液化天然气的温度对系统液化率的影响如图5所示。由6图可得,系统液化天然气液化比随LNG温度的降低而降低,所得液化天然气的比功耗随LNG温度的降低而升高。模拟结果表明,在相同的压力能利用状况下,获取一140oC的LNG比一160℃的LNG产率可高出约12.46%左右。容易得出,相同的压力下,吸收同等热量时,LNG温度越高,产生的BOG量越多。LNG在储运、装卸过程中,无处不漏热,一方面,需要采用更合理的绝热技术手段、更佳绝热性能的保冷材料以减少漏热;另一方面,保证LNG的低温品质同样可以减少目前行业中普遍存在的BOG排放问题。由于生产温度更低、品质更高的LNG,所需成本更高,在不确立以LNG品质议价的LNG买卖市场中,对LNG卖方生产高品质LNG不能形成有效的激励,进而导致LNG在储运、装卸、使用过程中,产生大量的BOG,造成经济损失与能源浪费,进而破坏环境。因此,建议确立根据LNG品质议价的买卖市场,以激励高品质LNG的生产使用,进而使BOG产生量从根本上得到最大限度的控制,以减少整个行业的能源浪费。
4.2 优化结果基于上述分析,对流程中某些关键参数进行了优化,得到了模拟结果。所示为部分关键参数设定值,通过对预冷温度及混合工质组成的优化,得到流程优化后部分结果见。由计算结果可得,参数优化后,可使得进入流程的18.26%的天然气转化为4bar、一160oC的液化天然气。以调压站天然气流量的1/3进入系统的情况下,可每天得到液化天然气3.11×10 Nm ,能较大的增强燃气调峰能力,生产出的高品质LNG还可二次销售,获得一定的经济利益。
5 结论与建议结合天然气管网压力能的回收利用,以减少LNG储运过程中广泛面临的BOG问题为出发点,提出了一种运用混合工质制冷循环以获取高品质LNG的天然气液化系统,通过模拟优化分析
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