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调峰电厂中天然气液化过程的能源优化

M. Mokarizadeh Haghighi Shirazi, D. Mowla*

伊朗，法尔斯，设拉子，詹德街，设拉子大学，化学和石油工程学院

1. 简介

天然气设备调峰是一个技术替代去补偿冬天未覆盖的天然气需求(NG)[1]。如图1所示，这种设备包括预处理过程(CO2移除装置,脱水装置和汞去除装置),NG液化过程中,液化天然气储罐和日输气量系统。NG,提供管道压力(50 e70bar),每年超过270天被液化,液化天然气产品直接输送到储罐。补偿冬天输气管道的压力损失,就将储存的LNG汽化,注入。这种设备的主要投资是甜NG通过制冷系统以及特殊的热交换器完全凝聚的液化过程。这个过程非常消耗能量的。这里使用的重要设备是有着循环制冷剂压缩机驱动的压缩机和冷却和液化天然气的换热器e和制冷剂流之间的交换热量。

使用世界级规模的基本负荷来报告NG几个液化过程[2]。这些过程如丙烷预冷却混合制冷剂循环(C3 /MR),二元混合制冷剂(DMR)周期,和混合流体级联过程(MFCP) 在每个火车有大容量的液化天然气生产。通常安装2 e3列车，以提供所需的规模经济。

economies of scale [3]. Geist [4] reported that C₃/MR cycle regarding the sum of energy consumption in the two refrigerant cycles is the most efficient Geist[4]报道,C3 /MR周期和两制冷剂循环对能源消耗的总和是最有效的液化过程,而范德格拉夫和佩克[5]声称外形并行混合制冷剂(PMR)过程涉及液化天然气产能效率要更高。.

由于小规模NG液化过程每年生产不到100万吨液化天然气,广泛用于天然气设备调峰。Remeljej和Hoadley[3]比较四种不同的天然气小规模液化过程，其特点是简单、低投资和放射本能分析更简洁;尽管他们的想法是来自于基于每小时每千摩尔的液化天然气的能源消耗和在这个过程中使用的设备数量，单一混合制冷剂过程过程更高效的。其他三个新的液化天然气计划过程方案、天然气咨询有限公司(GCL)和cLNG过程Remeljej和Hoadley[3]几乎没有使用。几乎同样的李[6]优化使用图形化的定位目标市场的方法的PRICO SMR过程的能源消耗。他推断,主要在这一过程中损失的能量主要在在液化天然气的热交换器。因此,李在液化天然气调整换热器中减小冷热复合曲线制的温差通过调整冷剂成分和用过程中的卡诺系数块使结果可视化。紧随着李的,有曹等。[7] HYSYS软件为混合制冷剂循环和N2eCH4膨胀机循环优化功耗,这是应用于NG液化过程。在两个过程中有两个阶段，去冷却、液化天然气和进行NG的局部冷却。曹等。[7]达到N2eCH4膨胀机循环的观点,术语。吸引项参数的EOS(kPa(立方米/ kmol)2)的一个无量纲有吸引力的词参数EOS b排斥力EOS(立方米/ kmol)b的参数无量纲EOS的排斥力参数c下界变量d上界的变量(火用)(千瓦)交货目标函数f摩尔流量(kmol / h)gk不等式约束函数

h_k equality constraints function H enthalpy [kJ/kmol]

k_ij binary interaction parameter n number of moles [kmol] N number of components in mixture p penalty function

P pressure [kPa] Q heat load of water coolers [kW] r penalty factor

R universal gas constant [kPa m³/kmol K] S entropy [kJ/kmol K] t time [s]

T absolute temperature [K] T₀ ambient temperature [K] v molar volume [m³/kmol] V volume [m³]

W compressor power [kW]

部分需要功率的压缩机是恢复扩张器。因此,这个过程需要更低的能耗在压缩阶段。

过程是相当合适的对于液化NG调峰工厂因为它的低成本的设备,简单的机械配置和更合适的情况在以前的研究。在其他研究小规模NG液化过程,间接的方法例如图形的方法和设备用于优化过程的(火用)分析能源消耗。本研究的贡献是能量x液相组成关键设计变量总体构成矩阵y汽相组成z z压缩因子hbc压缩机绝热效率4我逸度系数在混合物

Xiabiao2

R refrigerant streams s isentropic process

Superscripts

l liquid phase v vapor phase

Abbreviations

BOG boil of gas

DMR dual mixed refrigerant

EOS equation of state

GA Genetic Algorithm

HP high pressure

LNG liquefied natural gas

LP low pressure

MFCP mixed fluid cascade process

NG natural gas

PR Peng Robinson

SMR single mixed refrigerant

SMR过程的消耗最小化作为目标函数,直接与关键设计变量相联系。压缩机能量消耗的总和被定义为一个参数的函数,它适用于SMR过程的所有布局设计。MATLAB文件里，这个参数函数是由使用热力学关系和过程流的属性计算产生的，MATLAB遗传算法(GA)中使用文件,这个文件实现关键设计变量的最优条件和最低压缩机能耗。最后,对拟议过程中主要设备的熵破坏进行了分析。

Fig. 1. 简化的调峰厂流程图

Fig. 2. SMR过程流程图

2. 拟议过程的描述

PRICO SMR过程在1981年在斯基克达液化天然气厂首次使用，在阿尔及利亚这个过程的三个火车在普理查德许可下安装[4]。这里也使用类似的过程。简化这个过程的流程图见图2，显示出压缩机的两个阶段,两个壳管热交换器和压后冷却器,分离的液化天然气换热器和带有在高压(HP)液化天然气流和制冷循环下安装的两个节流阀的制冷剂。此外,有两个吸洗涤塔用于压缩机的两个阶段和一个分离器和没有显示在NG液化过程的流程图中的泵水冷却器2。在这个过程中,低压(LP)节流阀1中的减压阶段的制冷剂流提供了必要的冷淡冷却和液化NG流和液化天然气换热器中的HP制冷剂流。

对于LNG换热器的制冷剂流的高压缩比和最小不可逆性程度的最小压缩比,建议考虑两个压后冷却器的压缩级;因此它会产生一个更有效的SMR过程。此外,在最近的一些设计(3 8),液体或者低温透平膨胀机代替节流阀去扩大过程中的LP流的HP流，也用来恢复部分能量功耗。由于在调峰电站里液化过程的增加资本投资,这些设备是在这个仿真里暂时不被考虑。.

为了文学Remeljej和Hoadley的结果[3],SMR过程的主要不可逆性过程是液化天然气热交换器。 Table 1