1、 第 38 卷 第 10 期2004 年 10 月上 海 交 通 大 学 学 报JOU RNAL O F SHAN GHA I J IAO TON G UN IV ER S IT YV o l. 38 N o. 10 O ct. 2004 收稿日期 : 2003210214基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (59576001)作者简介 : 石玉美 (19702) , 女 , 江苏启东人 , 副教授 , 博士 , 主要从事天然气液化和超流氦的研究 . 电话 (T el. ) : 021262932602;E2m ail: ym sh i sjtu. edu. cn.文章编号 : 10062
2、2467 (2004) 1021703204流程参数对丙烷预冷混合制冷剂循环损 失 的 影 响石玉美 , 汪荣顺 , 顾安忠 , 鲁雪生(上海交通大学 机械与动力工程学院 , 上海 200030)摘 要 : 在丙烷预冷的混合制冷剂循环液化流程热力分析的基础上 , 对流程进行 分析 , 并分析了流程中天然气压力、丙烷预冷后天然气的温度、制冷剂进入压缩机时的温度和压力及制冷剂压缩机排气压力对流程各设备 损失的影响 . 分析表明 , 压缩机的 损失占整个流程 损失的一半 . 提高天然气的压力、混合制冷剂压缩机进气温度、混合制冷剂压缩机进排气压力 , 降低预冷后天然气温度 , 均可降低整个流程的 损失
3、 .关键词 : 液化天然气 ; 丙烷预冷混合制冷剂循环 ; 流程参数 ; 损失中图分类号 : T E 646 文献标识码 : AEffe c t of the Pa ram e te rs on the Exe rgy Loss of C 3 MRC P roce ssS H I Y u2m ei, W A N G R ong 2shun, GU A n2z hong , L U X ue2sheng(Schoo l of M echan ical Eng. , Shanghai J iao tong U n iv. , Shanghai 200030, Ch ina)Abs tra c t:
4、 T he effect of the C3 M RC p rocess param eters on the exergy lo ss of equ ipm en t w as analyzed,w h ich are the p ressu re of natu ral gas, the tem peratu re of the natu ral gas coo led by p ropane cycle, the tem 2peratu re of the m ixed refrigeran t en tering M R com p resso r, the ab so rb ing
5、and discharging p ressu re of M Rcom p resso r. T he exergy lo ss of com p resso rs are dom inating, it con tribu tes abou t 50% of to tal exergylo ss. W ith the increasing of the p ressu re of natu ral gas and m ixed refrigeran t, the decreasing of the tem 2peratu re of natu ral gas coo led by p ro
6、pane cycle, the increasing of the tem peratu re of m ixed refrigeran t en2tering the com p resso r, the to tal exergy lo ss w ill be reduced.Ke y w o rds: liquefied natu ral gas (LN G) ; p ropane p re2coo led m ixed refrigeran t cycle (C3 M RC) p rocess;flow param eters; exergy lo ss由于液化天然气 (LN G) 在
7、远洋贸易及回收边远天然气方面的独特优越性 , 近年来发展很快 . 2000年 , 全球 LN G 贸易量高达 138. 35 109m 3 当量天然气 . 具有 LN G 出口能力的国家都具有大型的 LN G生产装置 , 即基本负荷型天然气液化装置 , 这类装置中的循环用得最多的是美国 A PC I 公司的丙烷预冷混合制冷剂液化流程 (C3 M RC).本文在流程热力分析的基础上 , 对流程进行了分析 , 并分析了流程中天然气压力、丙烷预冷后天然气的温度、制冷剂进入压缩机时的温度和压力及制冷剂压缩机排气压力对流程各设备 损失的影响 . 1995-2005 Tsinghua Tongfang O
8、ptical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1 流程图图 1 是丙烷预冷混合制冷剂循环 LN G 流程图 , 液化流程由两部分组成 , 即 (a) 混合制冷剂液化循环 , (b) 丙烷预冷循环 . 图 1 中的数字代表所处位置流程流体的代号 . 流程的 分析首先需求得这些节点的参数 .图 1 丙烷预冷混合制冷剂循环 LN G 流程图F ig. 1 F low chart of C3 M RC cycle to LN G在此流程中 , 丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气 , 而混合制冷剂循环用于进一步冷却和液化天然气 . 在液化流程中 , 天然气首先经
9、过丙烷预冷循环预冷 , 然后流经各换热器逐步被冷却 , 最后经节流阀 4 进行降压 , 从而使液化天然气在常压下贮存 . 混合制冷剂经两级压缩机压缩至高压 , 首先用水冷却 , 带走一部分热量 , 然后通过丙烷预冷循环预冷 , 再经各个多股流换热器为天然气提供冷量 . 丙烷预冷循环中 , 丙烷通过 3 个温度级的换热器为天然气和混合制冷剂提供冷量 .天然气的压力是指天然气管路中节流阀 4 之前各节点的压力 ; 预冷后天然气的温度指天然气管路中节点 2 的温度 .在流程分析中 , 忽略管道中的压力损失 , 则在本文中 , 混合制冷剂循环中制冷剂进入压缩机的压力即为低压制冷剂的压力 , 压缩机的排
10、气压力即为高压制冷剂的压力 .2 损失计算图 1 所示流程中各设备的 损失计算表达式如下 1, 2 :压缩机 损失I I = (H out - H in) (1 Gm - 1) + T 0 (S out - S in)节流阀 损失I I = T 0 (S out - S in)膨胀机 损失I I = (H in - H out) (1 - Ge) + T 0 (S out - S in)物流混合器 损失I I = T 0 (S out - S in1 - S in2)多股流换热器 损失I I = T 0 6 S out - 6 S in水冷却器的 损失I I = T 0 (S out - S
11、in) + T 0 Q$T ln T w , outTw , in式中 : I I 为 损失 ; H in、 H out分别为制冷工质进出设备单元的焓 ; S in、 S out分别为制冷工质进出设备单元的熵 ; T 0 为环境温度 ; Gm 为压缩机的机械效率 ; Ge为膨胀机的效率 ; Q 为换热量 ; $T 为冷却水进出换热器的温差 ; T w , in和 T w , out为冷却水进入和离开换热器的温度 .焓和熵值均通过流程的热力计算得到 , 流程的分析是以流程的热力模拟 3 为基础 .3 流程参数对 损失的影响3. 1 参 数计算中假定生成的液化天然气流量为 1 m o l s.在参
12、数分析中已知的参数值见表 1、 2.表 1 压力和温度Tab. 1 The pressure and tem perature param eters参数 天然气 高压制冷剂 低压制冷剂 LN G 储存p M Pa 5. 00 2. 50 0. 20 0. 15T K 235 235 220 117. 2表 2 组分的摩尔分数Tab. 2 M ol percen tage of the com ponen ts %工 质 N 2 CH 4 C2H 6 C3H 8 IC4H 10 N C4H 10天然气 0. 7 82. 0 11. 2 4. 0 1. 2 0. 9混合制冷剂 5. 0 41.
13、0 34. 0 20. 0 0. 0 0. 04071 上 海 交 通 大 学 学 报 第 38 卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表 1、 2 中混合制冷剂的摩尔分数、天然气温度、高低压制冷剂温度均为第一个换热器热端面处的值 . 各个换热器热端面的温差为 3 K. 天然气入口温度 , 即流程中节点 1 的温度为 298 K. Gm = 0. 75. 丙烷预冷循环的压缩机出口压力为 1. 3 M Pa.进行参数分析时 , 只变动进行分析的参数值 , 其余值不变 .3. 2 流程参数对
14、 损失的影响本文分别分析天然气的压力 p ng、预冷后天然气的温度 T 2、混合制冷剂循环中压缩机进气温度 T 9、低压制冷剂的压力 p 9 和高压制冷剂的压力 p 13对流程中各设备的 损失的影响 (p ng的下标 ng 表示天然气 , T 2、 T 9、 p 9、 p 13的下标对应流程图 1 (a) 中的流体节点号 ).计算结果见图 2 11. 图 2、 4、 6、 8、 10 中压缩机的 损失为丙烷压缩机和混合制冷剂压缩机的 损失之和 . 换热的 损失为两个循环中所有换热器和水冷却器的 损失之和 . 节流阀的 损失为两个循环中所有节流阀的 损失之和 . 混合器的 损失为两个循环中所有混
15、合器的 损失之和 . 图 3、 5、 7、 9、图 2 p ng对流程各设备 损失的影响F ig. 2 Effect of natural gas p ressure onthe exergy lo ss of equipm ent图 3 p ng对总 损失的影响F ig. 3 Effect of natural gas p ressure onthe to tal exergy lo ss图 4 T 2 对流程各设备 损失的影响F ig. 4 Effect of natural gas temperature onthe exergy lo ss of equipm ent图 5 T 2 对
16、总 损失的影响F ig. 5 Effect of natural gas temperature onthe to tal exergy lo ss图 6 T 9 对流程各设备 损失的影响F ig. 6 Effect of M R temperature entering comp resso ron the exergy lo ss of equipm ent图 7 T 9 对总 损失的影响F ig. 7 Effect of M R temperature entering comp resso ron the to tal exergy lo ss5071 第 10 期 石玉美 , 等 :
17、 流程参数对丙烷预冷混合制冷剂循环 损失的影响 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 8 p 9 对流程各设备 损失的影响F ig. 8 Effect of low M R p ressure on theexergy lo ss of equipm ent图 9 p 9 对总 损失的影响F ig. 9 Effect of low M R p ressure on theto tal exergy lo ss图 10 p 13对流程各设备 损失的影响F ig. 10 Effect of
18、h igh M R p ressure on theexergy lo ss of equipm ent11 中所列出的曲线分别为丙烷预冷循环的总 损失、混合制冷剂循环的总 损失及两个循环总的 损失 .图 2 中 , 当 p ng升高 , 达到系统所需的运行压力时所需消耗的功较低 , 从而压缩机的熵增降低 , 其 损失也随之降低 . 图 4 中 , 当天然气温度升高 , 液化它所需消耗的功增加 , 压缩机的 损失也增加 . 图 8中 , 混合制冷剂循环的压缩机进口压力增加时 , 则压图 11 p 13对总 损失的影响F ig. 11 Effect of h igh M R p ressure
19、on theto tal exergy lo ss缩机的压比降低 , 压缩机的耗功降低 , 损失降低 .压缩机进气温度变化对系统的 损失的影响比较小 . 由图 2、 4、 6、 8 和 10 可知 , 在流程各设备的 损失中 , 压缩机的 损失最大 , 约占总 损失的 50% ;其次为换热过程的 损失 , 约占流程总 损失的25% ; 其余为节流阀和换热器的 损失 . 在天然气参数和制冷剂运行参数变化时 , 换热器、节流阀和混合器的 损失变化不大 , 所以总的系统的 损失的变化趋势与压缩机的 损失变化趋势一致 .4 结 论(1) 随着天然气压力升高、预冷后天然气温度降低、混合制冷剂压缩机进气温
20、度升高、高低压制冷剂压力升高 , 流程总的 损失降低 , 有利于整个流程性能的改善 .(2) 在流程各设备的 损失中 , 压缩机的 损失最大 , 约占总 损失的 50% ; 其次为换热过程的损失 , 约占流程总 损失的 25% ; 其余为节流阀和换热器的 损失 .(3) 通过合理选择压缩机吸气温度和压缩系数及改进压缩机结构 , 提高压缩机的绝热效率可有效地降低压缩机的 损失 , 从而提高流程性能 .参考文献 : 1 朱明善 . 能量系统的 分析 M . 北京 : 清华大学出版社 , 1988. 2 朱 刚 . 天然气迁移性质与调峰型液化流程的优化研究 D . 上海 : 上海交通大学动力与能源工程学院 ,2000. 3 石玉美 . 混合制冷循环液化天然气流程的热力研究D . 上海 : 上海交通大学动力与能源工程学院 ,1998.6071 上 海 交 通 大 学 学 报 第 38 卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
