【摘要】：為了優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu),同時減輕環(huán)境污染,我國在能源中長期計劃中大力推廣天然氣的利用。我國有較多邊際氣田和油田伴生氣,由于沒有合理且經(jīng)濟的開發(fā)技術(shù),這些能源被浪費或者閑置。小型撬裝式天然氣液化工藝流程及裝置被認為是最適合開發(fā)利用邊際氣田的技術(shù)。然而,目前還缺乏完全針對該種裝置開發(fā)的液化流程。本文根據(jù)小型撬裝式天然氣液化裝置的特點,對其中涉及的幾個關鍵性問題進行研究,旨在開發(fā)出適用于該種裝置的液化流程和冷箱,從而推動小型撬裝式天然氣液化裝置的實際應用。主要內(nèi)容如下:首先,為了克服傳統(tǒng)氮膨脹液化流程能耗較高,換熱溫差較大的缺點,構(gòu)建了小型并聯(lián)式氮膨脹液化流程。以流程單位能耗為目標函數(shù),采用遺傳算法對流程進行了優(yōu)化,獲得了最佳設計參數(shù),并對優(yōu)化后的流程進行了(火用)分析。經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后,單位能耗為0.5113 k Wh/Nm3,相比于優(yōu)化前的單位能耗降低了6.88%,(火用)效率為0.323,相比與優(yōu)化前的(火用)效率提高了7.56%。小型并聯(lián)式氮膨脹液化流程的單位能耗相比與傳統(tǒng)氮膨脹液化流程可以降低17.4%,同時可以克服傳統(tǒng)氮膨脹液化流程換熱溫差較大的缺點。本文選用三種不同條件的氣源,以換熱面積和最小換熱溫差為判斷標準,驗證流程的適應性,結(jié)果表明小型并聯(lián)式氮膨脹液化流程對于流量和壓力變化有較好的適應性,對于組分變化的氣源適應性較差。然后以現(xiàn)有混合制冷劑液化流程為基礎,構(gòu)建了小型單階混合制冷劑液化流程。以流程單位能耗為目標,采用遺傳算法對流程進行優(yōu)化,隨后對流程的適應性進行了研究,最后比較了小型單階混合制冷劑液化流程(SMRC)和小型并聯(lián)式氮膨脹液化流程(PNEC)的優(yōu)缺點。結(jié)果表明:經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化后,單位能耗為0.3724 k Wh/Nm~3,相比于優(yōu)化前的單位能耗降低了9.17%,(火用)效率為0.4417,相比與優(yōu)化前的(火用)效率提高了10%。在流程適應性方面,小型單階混合制冷劑液化流程對于不同氣源有一定的適應性,特別是對于流量變化、壓力變化和組分變化的氣源均有較好的適應性。最后對小型單階混合制冷劑液化流程(SMRC)和小型并聯(lián)式氮膨脹液化流程(PNEC)進行了單位能耗、(火用)效率和流程適應性比較,結(jié)果顯示小型單階混合制冷劑液化流程在單位能耗、(火用)效率和流程適應性方面均優(yōu)于小型并聯(lián)式氮膨脹液化流程,因此選擇了小型單階混合制冷劑液化流程作為小型撬裝式天然氣液化裝置的流程。為了提高流程的能量利用效率和經(jīng)濟性,提出了新型混合制冷劑-NGL回收一體化流程(MRC-NGL),通過天然氣液化流程和NGL回收流程的冷熱量合理匹配和利用,使系統(tǒng)能效提高。脫甲烷塔和脫乙烷塔冷凝器所需的冷量由混合制冷劑制冷循環(huán)在合適的溫度提供;脫甲烷塔和脫乙烷塔再沸器所需的熱量由混合制冷劑壓縮機出口的高溫氣體提供。脫甲烷塔入口溫度對于流程性能影響較大,隨著脫甲烷塔入口溫度升高,單位能耗先降低然后升高。新型混合制冷劑-NGL回收一體化流程可以降低能耗、提高小型撬裝式天然氣液化裝置的經(jīng)濟性和適用性。以小型單階混合制冷劑液化流程優(yōu)化結(jié)果為基礎,建立了小型單階混合制冷劑液化流程的動態(tài)模型并進行了動態(tài)模擬。首先研究了三種控制方案的優(yōu)劣,結(jié)果表明:第三種控制方案,同時控制LNG溫度和NG-3溫度,當外界擾動發(fā)生時,可以使流程獲得較好的穩(wěn)定性,波動較小,需要較短的時間就可以恢復至擾動發(fā)生前的狀態(tài)。然后引入五種外界擾動,研究小型單階混合制冷劑流程的動態(tài)特性。結(jié)果顯示,天然氣壓力降低、甲烷含量降低和天然氣流量增大對流程穩(wěn)定運行造成的影響最大。天然氣溫度的變化對于流程的影響較小,即使擾動發(fā)生,控制系統(tǒng)可以在較短時間內(nèi)消除參數(shù)的波動。環(huán)境溫度的變化對于壓縮機能耗有著顯著的影響,但是對于流程其他參數(shù)的動態(tài)特性沒有特別大的影響。最后,以小型單階混合制冷劑液化流程的優(yōu)化結(jié)果為基礎,設計了采用板式換熱器的天然氣液化冷箱系統(tǒng),該冷箱系統(tǒng)尺寸小,方便撬塊化。隨后設計并搭建了冷箱實驗裝置,對板式換熱器的二氧化碳最大容忍度進行了實驗測試,定量研究甲烷中不同二氧化碳含量在板式換熱器中的凍堵情況。實驗結(jié)果表明:當甲烷壓力為3MPa時,本文選用的板式換熱器對于二氧化碳的最大容忍度大于5000ppm。本文設計的固液分離器可以有效分離固態(tài)二氧化碳和液態(tài)甲烷,但是針對不同二氧化碳含量的氣體需要選擇不同的分離溫度才能在低溫狀態(tài)下有效分離二氧化碳。實驗測試結(jié)果對于新型凈化—液化一體式冷箱的工程設計具有重要參考價值和指導意義。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE646

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本文編號：2801882