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基于液化天然氣（LNG）接收站冷量的空分流程模擬研究

文檔作者：楊勇，陳貴軍，王娟，楊翠翠文檔來源：大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月16日
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基于液化天然氣（ＬＮＧ）接收站冷量的
空分流程模擬研究
楊勇，陳貴軍，王娟，楊翠翠
（大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧大連116024）
摘要：通過流程模擬軟件Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 對(duì)大連液化天然氣（ＬＮＧ）接收站冷能用于空氣分離的流程進(jìn)行
模擬。模擬計(jì)算采用三元物系模型，使用Ｐ - Ｒ 方程進(jìn)行流程的氣、液相平衡計(jì)算，得到系統(tǒng)中關(guān)鍵
設(shè)備的熱力參數(shù)和工藝參數(shù)。根據(jù)軟件模擬結(jié)果對(duì)流程進(jìn)行分析及改進(jìn)，得到能效更高、ＬＮＧ 消耗
量更少的空分流程，從而使ＬＮＧ 冷量得到更充分的利用，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞：液化天然氣（ＬＮＧ）；冷能利用；空氣分離；流程模擬
中圖分類號(hào)：ＴＱ116. 15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：1004 -7948（2014）06 -0023 -05
doi：103969／ ｊ． ｉｓｓｎ． 1004 -7948． 2014． 06． 006
1 研究背景
隨著能源需求的不斷增加和環(huán)境問題的日益
嚴(yán)重，人類正在尋找新的能源來補(bǔ)充或代替原有常
規(guī)能源。天然氣作為一種高效優(yōu)質(zhì)清潔能源，正迅
速被開發(fā)利用。由于我國(guó)已探明天然氣儲(chǔ)量很少，
我國(guó)天然氣消費(fèi)很大程度上依靠從國(guó)外進(jìn)口。為
了便于大量?jī)?chǔ)存和運(yùn)輸，天然氣通常被液化，變成
低溫的液化天然氣（ＬＮＧ），在供給用戶使用時(shí)，再將
ＬＮＧ 氣化，氣化過程中放出大量的冷量可以被利用。
ＬＮＧ 是通過低溫工藝?yán)鋬鲆夯傻牡蜏?
（ -162℃）液體混合物，蘊(yùn)藏大量的低溫能量，每
生產(chǎn)1ｔ ＬＮＧ 的動(dòng)力消耗約為850ｋＷｈ。在供給用
戶時(shí)，一般需要將ＬＮＧ 通過汽化器汽化成常溫天
然氣。在氣化過程中釋放大量的冷能，其值約為830ｋＪ ／ ｋｇ。目前的工藝中該部分冷能通常隨海水
被舍棄，造成能源的極大浪費(fèi)，以及冷海水對(duì)環(huán)境
的冷污染。通過特定工藝技術(shù)合理利用ＬＮＧ 冷
能，可以達(dá)到節(jié)省能源、節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益的
目的。目前，ＬＮＧ 冷能利用主要應(yīng)用于空氣分離、
冷能發(fā)電、低溫冷庫、深冷粉碎、海水淡化、液化
ＣＯ2 幾個(gè)方面［1］。2003 年，我國(guó)在廣東深圳大鵬灣興建了第一
座ＬＮＧ 接收站，之后又陸續(xù)批準(zhǔn)建設(shè)了一批接收
站項(xiàng)目。2011 年，大連ＬＮＧ 接收站一期工程建
成，建設(shè)規(guī)模300 × 104
ｔ ／ ａ，二期工程計(jì)劃擴(kuò)建到
600 × 104
ｔ ／ ａ。大連ＬＮＧ 接收站位于遼寧省大連
市保稅區(qū)大孤山半島鲇魚灣海域，在大連30 萬ｔ
礦石碼頭和30 萬ｔ 原油碼頭之間，周圍有眾多石
油化工企業(yè)，對(duì)空氣分離市場(chǎng)有很大的需求。依據(jù)
接收站附近的具體情況，擬建ＬＮＧ 接收站冷能用
于空分裝置。
本文重點(diǎn)對(duì)ＬＮＧ 冷量的空分流程進(jìn)行了探
討，并采用系統(tǒng)流程模擬軟件根據(jù)大連ＬＮＧ 接收
站冷能利用空分裝置的具體情況對(duì)其進(jìn)行模擬。
2 流程模擬及結(jié)果分析
流程的模擬、計(jì)算及優(yōu)化由國(guó)際上比較通用的
流程模擬軟件Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 來完成［3］。該流程得到
的主產(chǎn)品為液氧和液氮，而不是氣態(tài)的產(chǎn)品。
2. 1 模擬流程的建立
大連ＬＮＧ 接收站冷能利用空分裝置具體工藝
流程如圖1 所示［2］。從圖1 可以看到，空分系統(tǒng)中
有詳細(xì)的空氣處理過程及制氬過程?？諝膺M(jìn)入冷
箱前一般要進(jìn)入純化系統(tǒng)，除去空氣中灰塵、二氧
化碳、水和碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)。文獻(xiàn)［3］中已對(duì)空
分純化系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，因此文中對(duì)該部分
不作介紹，文中把空氣當(dāng)做已處理好的氣體進(jìn)入冷
箱，考慮到制取氬系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，重
點(diǎn)對(duì)除制氬系統(tǒng)以外的流程進(jìn)行模擬。通過對(duì)流
程的分析處理，得到大連ＬＮＧ 接收站冷能利用空
分裝置模擬流程圖（見圖2）。
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圖1 大連LNG 站冷能利用空分裝置流程圖
注：Ａ1 ~ Ａ8—空氣循環(huán)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)；Ｎ1 ~ Ｎ9—氮?dú)庋h(huán)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)；ＹＯ—液氧；ＹＮ—液氮；ＹＡＲ—液氬氣。
圖2 大連LNG 接收站冷能利用空分裝置模擬流程
2. 2 流程介紹
空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)ＣＯＭＰＡ 加壓到0. 7ＭＰａ，再經(jīng)過水冷器ＣＯＯＬＥＲ 冷卻到20℃，然
后進(jìn)入換熱器ＨＥＸ1 被冷卻到- 171℃，然后進(jìn)入
精餾塔下塔ＲＡＤ1。下塔內(nèi)的空氣與從塔頂流下
的液氮在多層塔板上反復(fù)冷凝和蒸發(fā)，含有較多液
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氧成分的富氧液空聚集與下塔底部；氮?dú)饧谙滤?
頂部，通過冷凝蒸發(fā)器與上塔底部ＲＡＤ2 的液氧
交換熱量后被冷凝成液體；下塔底部的富氧液空經(jīng)
節(jié)流閥Ｊ1 降壓到0. 17ＭＰａ 進(jìn)入上塔，經(jīng)過反復(fù)蒸
發(fā)冷凝，從上塔底部引出液氧產(chǎn)品，并從上塔中部
引出粗氬產(chǎn)品，作為精餾氬的原料進(jìn)入下一個(gè)相對(duì)
獨(dú)立的制氬系統(tǒng)制取高純度的液氬。下塔頂部的
液氮被引出，一部分作為液氮產(chǎn)品引出；一部分作
為循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)入換熱器ＨＥＸ1 進(jìn)行換熱；換熱后進(jìn)
入冷氮壓縮機(jī)加壓到4ＭＰａ，進(jìn)入ＬＮＧ 換熱器
ＨＥＸ2 吸收ＬＮＧ 冷量，經(jīng)膨脹閥膨脹到0. 18ＭＰａ
進(jìn)入氣液分離器，分離出的氮?dú)庵匦逻M(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)
行循環(huán)；液氮經(jīng)分流器一部分進(jìn)入上塔ＲＡＤ2 作
為上塔頂部回流液，經(jīng)換熱后與上塔頂部低溫空氣
混合進(jìn)入換熱器ＨＥＸ1 再次進(jìn)行換熱，然后作為廢
空排除。
2. 3 模型建立
空氣是由多種氣體組成的混合物，經(jīng)過純化
后，可看做Ｎ2 - Ａｒ - Ｏ2 三元系統(tǒng)。
關(guān)于三元物系的熱力計(jì)算，國(guó)外主要有Ｈａｒｍｅｎｓ
［4］、Ｐ - Ｒ［5］、ＳＨＢＷＲ［6］等方程，本文采用空分
流程中常用的Ｐ - Ｒ 方程進(jìn)行氣、液相平衡計(jì)算，
其方程式為：
Ｐ ＝ ＲＴ
Ｖｍ
- ｂ
+ ａα
Ｖｍ
2 +2ｂＶｍ
- ｂ
2 （1）
式中：Ｐ—壓力，Ｐａ；
Ｒ—?dú)怏w常數(shù)，Ｊ（／ ｍｏｌ·Ｋ）；
Ｔ—溫度，Ｋ；
Ｖｍ
—摩爾體積，Ｌ ／ ｍｏｌ；
α—溫度與偏離系數(shù)的函數(shù)；
ａ、ｂ—物質(zhì)本身的吸引參量、排斥參量。
其中：
ａ ＝0. 45724Ｒ
2
Ｔｃ
2
Ｐｃ
（2）
ｂ ＝0． 07780ＲＴ
Ｐｃ
（3）
式中：Ｔｃ
—臨界溫度，Ｋ；
Ｐｃ
—臨界壓力，Ｐａ；
ω—物質(zhì)的偏離系數(shù)。
Ｔｒ
＝ Ｔ
Ｔｃ
式中：Ｔｒ
—對(duì)比溫度。
2. 4 模擬參數(shù)及結(jié)果分析
模擬過程中采用如下假設(shè)［7］： 1）物料各組分質(zhì)量能量、守恒； 2）空氣為三元混合氣體； 3）ＬＮＧ 全部由甲烷（ＣＨ4）組成； 4）換熱器的冷箱熱漏為5％； 5）所有換熱器傳熱溫差在5℃以上，傳熱過程
中不發(fā)生交叉?zhèn)鳠帷?空分系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，包括進(jìn)料
參數(shù)，主要壓縮機(jī)參數(shù)以及精餾塔參數(shù)。
表1 空分系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)
進(jìn)料參數(shù)溫度／℃ 壓力／ＭＰａ 流量／ ｋｍｏｌ·ｈ
-1
空氣30 0. 1013 372
ＬＮＧ -162 0. 3 368
空氣組分
比例／ ％
Ｎ2 Ｏ2 Ａｒ 78. 12 20. 95 0. 93
壓縮機(jī)參數(shù)出口壓力／ＭＰａ 等熵效率機(jī)械效率
空壓機(jī)0. 7 0. 72 0. 95
氮壓機(jī)4 0. 72 0. 95
精餾塔參數(shù)壓力／ＭＰａ 級(jí)數(shù)回流比
下塔0. 625 32 12. 03
上塔0. 15 52 11
空氣分離主要有2 個(gè)耗能單元，空氣壓縮機(jī)和
氮?dú)鈮嚎s機(jī)。經(jīng)過模擬，空氣壓縮機(jī)和氮?dú)鈮嚎s機(jī)
的能耗分別為989ｋＷ 和584. 5ｋＷ。另外，為整個(gè)
空氣分離流程提供冷量的ＬＮＧ 消耗量約為259ｍｏｌ ／ ｈ。
空氣分離流程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要熱力參數(shù)
（見表2）以及產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)（ 見表3）。經(jīng)
過模擬，ＬＮＧ 冷能利用空分裝置流程得到的液氧
產(chǎn)品純度達(dá)到99. 7％，液氮產(chǎn)品純度達(dá)到100％。
2. 5 結(jié)果分析
根據(jù)流程模擬結(jié)果，計(jì)算得出單位產(chǎn)品（ 液
氧、液氮）需要的能耗為0. 312ｋＷｈ／ ｋｇ，與傳統(tǒng)流
程的單位產(chǎn)品能耗約1. 05 ~ 1. 25ｋＷｈ／ ｋｇ 相比
較［8］，減少了70％ 左右，具有極好的節(jié)能效果，結(jié)
果如表4 所示。 通過對(duì)流程模擬研究發(fā)現(xiàn)，空氣壓縮機(jī)在空氣
出口壓力不變的情況下，耗電量基本不變。循環(huán)氮
氣作為整個(gè)流程的載冷劑，通過氮?dú)鈮嚎s機(jī)提高壓
力后，再被冷卻液化，其滿足整個(gè)工藝要求的氮?dú)?
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表2 空分流程主要物流節(jié)點(diǎn)參數(shù)
節(jié)點(diǎn)溫度／℃ 壓力／ ｂａｒ 氣化分率摩爾流率／ ｋｍｏｌ·ｈ
-1
Ａ1 30 1. 013 1 372
Ａ2 334. 1 7 1 372
Ａ3 20 6. 5 1 372
Ａ4 -171 6. 3 1 372
Ａ5 -171. 4 6. 27 0 167. 4
Ａ6 -186. 9 1. 7 0. 159 167. 4
Ａ7 -192. 2 1. 5 1 194. 58
Ａ8 7. 6 1. 3 1 194. 58
Ｎ1 -176. 1 6. 25 0 104. 35
Ｎ2 -180. 1 6. 25 0 104. 35
Ｎ3 -180. 1 6. 25 1 104. 35
Ｎ4 7. 6 6. 25 1 104. 35
Ｎ5 258. 2 40 1 206. 63
Ｎ6 -154. 1 39. 8 0 206. 63
Ｎ7 -190 1. 88 0. 488 206. 63
Ｎ8 -190 1. 88 0 104. 35
Ｎ9 -190 1. 88 1 102. 28
ＬＮＧ -162 3 0 259
ＮＧ 10 2. 8 1 259
表3 空分產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)
空分
產(chǎn)品
流量
／ ｋｍｏｌ·ｈ
-1
溫度
／℃
壓力
／ ｂａｒ
組分比例
Ｎ2 Ｏ2 Ａｒ
液氧70. 122 -177. 9 1. 7 0 0. 997 0. 003
液氮102. 3 -190 1. 88 1 0 0
粗氬4. 996 -188. 3 1. 53 0. 489 0. 067 0. 443
表4 單位產(chǎn)品能耗比較表kWh / kg
傳統(tǒng)空分能耗ＬＮＧ 空分能耗單位產(chǎn)品能耗減少量
1. 05 ~1. 25 0. 312 0. 738 ~0. 938
壓縮機(jī)出口壓力應(yīng)在3. 5ＭＰａ 以上。因此，作為空
分流程主要耗能裝置，氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口壓力的變化
對(duì)整個(gè)流程的能耗有著關(guān)鍵的影響。同時(shí)，作為載
冷劑的循環(huán)氮?dú)?，其流量也將影響氮?dú)鈮嚎s機(jī)的耗
能量。
因此，在原有流程的基礎(chǔ)上，調(diào)整氮?dú)鈮嚎s機(jī)
出口壓力以及ＦＳ 分離器的分離比率（即調(diào)整循環(huán)
氮?dú)饬浚?，在流程能耗和ＬＮ?耗量最少作為目標(biāo)
的前提下，對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行分析計(jì)算。
2. 5. 1 氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口壓力對(duì)流程影響
在氮?dú)獬槿”壤秊?. 5 的條件下，對(duì)壓縮機(jī)出
口壓力從3. 5ＭＰａ 逐漸調(diào)整到7ＭＰａ。在3. 5 ~
4. 5ＭＰａ，每間隔0. 2ＭＰａ 計(jì)算一次；4. 5 ~7ＭＰａ，每
間隔0. 5ＭＰａ 計(jì)算一次。計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4
所示。
圖3 氮?dú)鈮嚎s機(jī)（COMPN）出口壓力和耗功關(guān)系圖
圖4 氮?dú)鈮嚎s機(jī)（COMPN）出口壓力和LNG 耗量關(guān)系圖
由圖3、圖4 可以得出，隨著氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口
壓力的升高，氮?dú)鈮嚎s機(jī)耗功和ＬＮＧ 消耗量變化
趨勢(shì)基本相同。均隨著出口壓力升高，先降低，到
達(dá)拐點(diǎn)后再呈線性升高趨勢(shì)，二者同時(shí)都在4ＭＰａ
左右達(dá)到最小點(diǎn)。因此，在液氮分離比率為0. 5 情
況下，氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口壓力在4ＭＰａ 時(shí)，氮?dú)鈮嚎s
機(jī)耗功最少，約為584. 5ｋＷｈ，ＬＮＧ 耗量最少，約為259ｍｏｌ ／ ｈ。
氮?dú)鈮嚎s機(jī)耗功隨壓力升高先降低又升高，主
要是因?yàn)楫?dāng)壓力較低時(shí)，氣液分離罐（ ＦＬ）中回流
的氮?dú)庠龆啵瑢?dǎo)致經(jīng)過氮?dú)鈮嚎s機(jī)的氮?dú)饬髁枯^
大，從而造成氮?dú)鈮嚎s機(jī)耗功較大。隨著壓力升
高，氣液分離器中回流氮?dú)庾兩?，?jīng)過氮?dú)鈮嚎s機(jī)
的氮?dú)饬髁肯陆?。?dāng)壓力超過4ＭＰａ 時(shí)，雖然回流
的氮?dú)庾兩?，但與壓力升高的影響相比，氮?dú)饬髁?
的變化對(duì)壓縮機(jī)耗功影響變小，氮?dú)鈮嚎s機(jī)功耗變
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成主要由出口壓力決定。因此，隨著出口壓力的變
大，氮?dú)鈮嚎s機(jī)耗功成線性上升趨勢(shì)。
2. 5. 2 循環(huán)氮?dú)饬繉?duì)流程影響
循環(huán)氮?dú)庾鳛檩d冷劑經(jīng)過氮?dú)鈮嚎s機(jī)，其流量
大小直接決定著氮?dú)鈮嚎s機(jī)的功耗大小，同時(shí)對(duì)流
程ＬＮＧ 耗量產(chǎn)生決定性的影響。因此，需要對(duì)循
環(huán)氮?dú)饬康拇笮∵M(jìn)行分析。
調(diào)節(jié)液氮分流器（ＦＳ）的液氮產(chǎn)品抽取率（ 調(diào)
節(jié)ＬＮＧ 抽取率），同時(shí)滿足換熱器（ＨＥＸ1）廢氮
（Ａ8）出口溫度在15℃ 以下，對(duì)流程進(jìn)行分析計(jì)
算。液氮產(chǎn)品抽取率在0 ~0. 6 之間每間隔0. 1 計(jì)
算一次，在0. 45 ~ 0. 51 之間每間隔0. 01 計(jì)算一
次。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6 所示。
圖5 液氮產(chǎn)品抽取率與氮?dú)鈮嚎s機(jī)耗功關(guān)系圖
圖6 液氮產(chǎn)品抽取率和LNG 消耗量關(guān)系圖
由圖5、圖6 可知，隨著液氮產(chǎn)品抽取率的升
高，即循環(huán)氮?dú)饬康臏p少，氮?dú)鈮嚎s機(jī)和ＬＮＧ 消耗
量均呈下降趨勢(shì)，因此循環(huán)氮?dú)饬吭缴僭胶谩Ｍ瑫r(shí)
為了保證分子篩能夠使用廢氮冷量，廢氮出口溫度
必須在15℃以下。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液氮產(chǎn)品抽取
比率在0. 5 的情況下，廢氮出口溫度達(dá)到14℃，若
液氮產(chǎn)品抽取率繼續(xù)升高，廢氮出口溫度也將繼續(xù)
升高，不能滿足工藝需求。因此，液氮產(chǎn)品抽取比
率在0. 5 左右較為合適。
3 結(jié)語
利用ＬＮＧ 冷能的空分流程具有節(jié)能、系統(tǒng)運(yùn)
行壓力相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。通過空分裝置把ＬＮＧ 冷
量回收，既節(jié)約了傳統(tǒng)空分設(shè)備的耗能，還可以減
少海水冷污染。
近年來，中國(guó)的液化天然氣產(chǎn)業(yè)已起步，在液
化天然氣鏈的每一環(huán)節(jié)上都有所發(fā)展。在ＬＮＧ 接
收站，大量低溫的ＬＮＧ 蘊(yùn)藏著數(shù)量可觀的冷能。
在建設(shè)ＬＮＧ 接收站時(shí)，應(yīng)當(dāng)重視采用冷能利用技
術(shù)，有效回收ＬＮＧ 的冷量，節(jié)省能源。
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作者簡(jiǎn)介：楊勇（1988 - ），男，河南開封人，碩士在讀，從事
ＬＮＧ 能量綜合利用的研究。
指導(dǎo)教師：陳貴軍（1962 - ），男，遼寧營(yíng)口人，碩士，副教
授，研究方向：節(jié)能優(yōu)化與利用。
收稿日期：2014 -03 -02；修回日期：2014 -04 -24
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2014 年第6 期
（總第381 期）
節(jié) 能
ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ
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