【摘要】：為滿足世界天然氣市場日益增長的需求和環(huán)境保護(hù)的需要,一些曾經(jīng)被擱置的氣田目前得到開發(fā),包括海上或陸上分散的邊遠(yuǎn)氣田、油田伴生氣、煤層氣等,邊際天然氣的回收利用可有效降低氣體放空量,減少環(huán)境污染,增加天然氣生產(chǎn)能力。由于遠(yuǎn)離已建天然氣管道或管道建設(shè)并不經(jīng)濟(jì),邊際天然氣的有效集輸是制約其快速發(fā)展的瓶頸。小型天然氣液化裝置是邊際天然氣的回收方式之一,液化流程及其關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高我國天然氣液化產(chǎn)業(yè)的市場競爭能力具有重要的實(shí)際意義。本文基于流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)和最優(yōu)化理論,采用實(shí)驗(yàn)、理論及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,圍繞小型天然氣液化流程的參數(shù)優(yōu)化及板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題,開展了天然氣物性參數(shù)模型評(píng)價(jià)、小型天然氣液化流程設(shè)計(jì)及優(yōu)化、鋸齒形翅片數(shù)值模擬方法、翅片流動(dòng)傳熱關(guān)系式、板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等研究,為邊際小氣田、伴生氣田的經(jīng)濟(jì)液化回收提供理論支持和技術(shù)支撐。具體的研究內(nèi)容和取得的主要成果如下：(1)針對(duì)目前天然氣液化過程基礎(chǔ)物性參數(shù)模型的對(duì)比研究僅局限于某些參數(shù)或某種相態(tài)的不足,通過對(duì)富C1氣、富N2氣、富C02氣等不同組分的天然氣在低溫至常溫、低壓至高壓區(qū)間內(nèi)物性參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析,開展了SRK物性包、PENG-ROB物性包、LK-PLOCK物性包和GERG-2008物性包的綜合對(duì)比評(píng)價(jià)研究。研究表明,SRK物性包對(duì)焓差、定壓比熱的預(yù)測精度不高；PENG-ROB物性包對(duì)氣相密度和露點(diǎn)的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差較大；LK-PLOCK物性包在混合物臨界點(diǎn)附近區(qū)域的計(jì)算并不準(zhǔn)確,在平衡閃蒸過程和飽和液密度的計(jì)算上偏差明顯；GERG-2008物性包在不同工況條件和氣質(zhì)組分下,對(duì)氣體密度、飽和液密度、焓、定壓比熱等熱力學(xué)參數(shù)和相平衡性質(zhì)均表現(xiàn)出較高的預(yù)測精度,確定采用該物性包作為天然氣液化裝置優(yōu)化研究的基礎(chǔ)物性參數(shù)計(jì)算模型。(2)結(jié)合天然氣液化流程的特點(diǎn)開展了陸上撬裝和海上使用的適應(yīng)性研究,針對(duì)膨脹式液化流程和混合冷劑液化流程存在的不足,提出并設(shè)計(jì)了CO2預(yù)冷單級(jí)N2膨脹流程。基于ActiveX控件搭建了Aspen HYSYS軟件與Matlab軟件的混合仿真平臺(tái),以HYSYS作為服務(wù)器,Matlab作為客戶,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的讀取和傳輸。采用GERG-2008物性包計(jì)算流體物性參數(shù),通過懲罰函數(shù)實(shí)現(xiàn)了約束條件的轉(zhuǎn)化,構(gòu)建了比功耗最低的單目標(biāo)函數(shù)和比功耗最低、液化率最高的多目標(biāo)函數(shù),研究了采用遺傳算法進(jìn)行流程參數(shù)優(yōu)化的方法。優(yōu)化結(jié)果表明該方法彌補(bǔ)了數(shù)學(xué)規(guī)劃法難以收斂的缺陷,使預(yù)冷換熱器復(fù)合曲線有較高的匹配度,通用性強(qiáng),可用于其他過程系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。(3)以C02預(yù)冷單級(jí)N2膨脹流程的優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ),采用貼現(xiàn)現(xiàn)金流法對(duì)流程經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。分析表明,以主要目標(biāo)法及帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法得到的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果經(jīng)濟(jì)性差異不大,多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的經(jīng)濟(jì)效益顯著高于單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果。天然氣液化工廠的經(jīng)濟(jì)效益受市場影響較大,項(xiàng)目的初期投資是制約裝置經(jīng)濟(jì)性的主要因素。從流程比功耗、緊湊性、制冷劑配比復(fù)雜程度等方面,開展了N2-CH4流程、丙烷預(yù)冷混合冷劑流程、節(jié)能新型混合冷劑液化流程、C02預(yù)冷單級(jí)N2膨脹流程的對(duì)比分析研究。研究表明,C02預(yù)冷單級(jí)N2膨脹流程以非碳?xì)浠衔镒鳛橹评鋭?降低了流程作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜度,結(jié)構(gòu)簡單、流程緊湊,彌補(bǔ)了膨脹式流程能耗較高的缺陷,對(duì)邊際天然氣的液化回收有較強(qiáng)的適應(yīng)性。(4)針對(duì)高效能翅片數(shù)值模擬研究并不充分的現(xiàn)狀,以ANSYS Workbench軟件建立了翅片的幾何模型,研究了控制壁面網(wǎng)格質(zhì)量的方法,采用Fluent軟件開展了流體在鋸齒形翅片流動(dòng)傳熱的數(shù)值模擬研究。以經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ),綜合考慮模型的計(jì)算時(shí)間及預(yù)測精度,確定了不同雷諾數(shù)下的數(shù)值模擬方法：在300≤Re1000時(shí)采用層流模型,在1000≤Re≤10000時(shí)采用考慮低雷諾效應(yīng)的SST κ-ω模型研究流體在鋸齒形翅片的流動(dòng)傳熱特性。該方法對(duì)j因子的數(shù)值模擬結(jié)果與ManglikBergles關(guān)聯(lián)式的平均相對(duì)偏差在13%以內(nèi),f因子的數(shù)值模擬結(jié)果與ManglikB ergles關(guān)聯(lián)式的平均相對(duì)偏差在8%以內(nèi),表現(xiàn)出較高的預(yù)測精度,驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性和可靠性。(5)針對(duì)傳統(tǒng)翅片經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式無法涵蓋國產(chǎn)翅片常用規(guī)格的缺陷,以鋸齒形翅片的數(shù)值模擬研究為基礎(chǔ),結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋁制板翅式熱交換器(NB/T 47006-2009)》,開展了翅片流動(dòng)傳熱關(guān)系式的改進(jìn)研究。將ManglikBergles關(guān)聯(lián)式和ALEX關(guān)聯(lián)式結(jié)合起來,提出了覆蓋國產(chǎn)鋸齒形翅片全范圍的性能關(guān)系式�；贕ERG-2008方程和REFPROP模型,得到了天然氣和氮?dú)獾臒崃W(xué)參數(shù)及遷移性質(zhì),開展了不同介質(zhì)在鋸齒形翅片流動(dòng)傳熱的數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明,本文提出的鋸齒形翅片關(guān)系式準(zhǔn)確描述了無相變天然氣冷卻過程和氮?dú)饧訜徇^程的性能表現(xiàn)。(6)基于本文提出的國產(chǎn)鋸齒形翅片性能關(guān)系式,以懲罰函數(shù)實(shí)現(xiàn)了約束條件的轉(zhuǎn)化,研究了基于遺傳算法的板翅式換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。與傳統(tǒng)試湊法相比,該方法避免了重復(fù)計(jì)算帶來的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān),提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量,縮短了設(shè)計(jì)周期。單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化的對(duì)比分析表明,以有效度為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果相當(dāng)于傳熱熵產(chǎn)的單目標(biāo)考量,年總成本指標(biāo)熱力學(xué)性能表現(xiàn)較差的本質(zhì)在于運(yùn)行成本占據(jù)了總成本的較大比重,使優(yōu)化過程側(cè)重于阻力熵產(chǎn)的減小,改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)提高了換熱器在熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)性能的綜合表現(xiàn),NSGA-Ⅱ協(xié)調(diào)了目標(biāo)函數(shù)的非占優(yōu)性,使多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了單目標(biāo)指標(biāo)的有效折中,優(yōu)化結(jié)果提供多個(gè)方案以供生產(chǎn)實(shí)際的選擇,具有較強(qiáng)的靈活性。
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TE646;TE965
【圖文】：

邐０邐５邐１０邐１５邐２０邐２５逡逑圖２－１邋ＧＵＩ氣體密度實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值對(duì)比邐圖２－２邋ＧＵ２氣體密度實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值對(duì)比逡逑注：Ｅｘｐ代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)表示每一個(gè)實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值的巧比點(diǎn)逡逑化邋ｊ￣￣ｉ邐０邋Ｅｘｐ邐Ｉ邐＂ｉ￣￣°邐口邋Ｅｘｐ逡逑０邐０邋ＳＲＫ邐０邋ＳＲＫ逡逑－Ａ邋１２－邋Ｑ邋口邐Ａ邋ＰＲ邐＾邋１２－邐么邋ＰＲ逡逑Ｉ邐０邐%劍蹋耍繡危懾

本文編號(hào)：2750066