袁楊,楊碩,曲增民

(1.上海液化天然氣有限責(zé)任公司,上海 200000;2.中石油天然氣銷(xiāo)售山東分公司,山東 濟(jì)南 250000;3.東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局,山東 東營(yíng) 257100)

天然氣通過(guò)冷卻到-162 ℃轉(zhuǎn)化為液化天然氣,在這個(gè)溫度下天然氣變成液體,使天然氣體積減小了600多倍[1]。LNG作為一種常壓下的透明、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性的低溫液體,比傳統(tǒng)石油、煤炭的碳排放量少, LNG作為一種清潔能源成為響應(yīng)雙碳戰(zhàn)略重要選擇,將逐漸取代煤炭成為最具發(fā)展前景的能源和化工原料[2]?，F(xiàn)有的低溫氣體工業(yè)可以在LNG領(lǐng)域適當(dāng)?shù)囟鄻踊?因?yàn)樗鼈冊(cè)诘蜏匾后w處理和儲(chǔ)存方面的歷史知識(shí)深度和專(zhuān)業(yè)知識(shí)廣度。此外,新的安全措施的實(shí)施、液化天然氣需求的增加和液化天然氣技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)液化天然氣成為一種全球有前景的燃料替代品。

LNG調(diào)峰設(shè)施作為調(diào)峰負(fù)荷或補(bǔ)充冬季燃料供應(yīng)的天然氣液化裝置[3-4],在匹配峰荷和增加供氣的可靠性方面發(fā)揮著重要的作用,不僅可以提高輸氣管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性,而且對(duì)城市供氣系統(tǒng)有可靠的保障性。

1 天然氣液化工藝流程

近期LNG工業(yè)快速增長(zhǎng)再次刺激了LNG工藝的技術(shù)發(fā)展,使得一些傳統(tǒng)的LNG生產(chǎn)工藝得到了關(guān)注[5]。天然氣液化廠液化主要包括丙烷/混合制冷工藝、復(fù)迭式制冷工藝、雙混合制冷工藝、單混合制冷工藝和帶預(yù)冷的氮?dú)馀蛎浌に嚒?/p>

1.1 各種液化工藝流程的比較分析

級(jí)聯(lián)式液化流程在所有液化工藝流程中能耗最低,因此以級(jí)聯(lián)式液化流程為基礎(chǔ),各種液化工藝和級(jí)聯(lián)式液化流程的能耗比值見(jiàn)表1所示。

可以看出,單級(jí)膨脹機(jī)液化流程的能耗最高,是級(jí)聯(lián)式液化流程能耗的2倍。各種液化方案綜合性能比較如表2所示。

表2 各種液化方案綜合性能比較

不同的天然氣液化流程具有不同工藝特點(diǎn)及工藝適應(yīng)性,調(diào)峰型天然氣液化廠液化工藝的選擇將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。本設(shè)計(jì)中天然氣設(shè)計(jì)處理量100萬(wàn)m3/d,處理規(guī)模較小,考慮液化廠占地面積小、液化流程簡(jiǎn)單、設(shè)備數(shù)量少會(huì)相對(duì)節(jié)約成本,故選用二級(jí)氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)作為調(diào)峰型液化廠的制冷工藝。

1.2 二級(jí)氮膨脹液化流程

Aspen hysys靜態(tài)模擬基礎(chǔ)條件:

1)預(yù)處理后的天然氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù):CH487.04%、C2H62.10%、C3H83.37%、C4H104.16%、CO22.08%、N21.25%,壓力為5 000 kPa,溫度為30 ℃,流量100萬(wàn)m3/d;

2)液化天然氣的儲(chǔ)存壓力為120 kPa;

3)狀態(tài)方程使用PR方程;

4)壓縮機(jī)等熵效率為0.7;

5)水冷器的壓降為10 kPa;

6)忽略系統(tǒng)熱損失。

二級(jí)氮膨脹液化流程又名雙級(jí)氮膨脹液化流程,如圖1所示,包括天然氣液化循環(huán)和N2膨脹液化循環(huán)兩部分。

天然氣液化循環(huán)[6],預(yù)處理后的天然氣,經(jīng)過(guò)三個(gè)LNG換熱器逐級(jí)冷卻后,溫度降到-156 ℃,再經(jīng)節(jié)流降溫后,溫度降到-160.2 ℃后進(jìn)入LNG閃蒸罐。

在N2膨脹液化循環(huán)中,經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后的高壓氮?dú)饨?jīng)水冷后,進(jìn)入LNG換熱器1冷卻降溫后分流,一部分氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)馀蛎洐C(jī)1膨脹降溫后為L(zhǎng)NG換熱器2提供冷量,另一股氮?dú)饫^續(xù)經(jīng)LNG換熱器2冷卻降溫后,進(jìn)入氮?dú)馀蛎洐C(jī)2膨脹降溫后為L(zhǎng)NG換熱器1、2、3提供冷量。經(jīng)過(guò)換熱器換完熱的低壓氮?dú)饨又M(jìn)入氮?dú)鈮嚎s機(jī)壓縮增壓,繼續(xù)下一輪的氮膨脹循環(huán)。

圖1 二級(jí)氮膨脹液化流程

2 基于遺傳算法對(duì)液化流程的優(yōu)化

2.1 遺傳算法介紹

遺傳算法實(shí)質(zhì)是通過(guò)種群搜索技術(shù),根據(jù)適者生存的原則逐代進(jìn)化最終得到最優(yōu)解或準(zhǔn)最優(yōu)解。遺傳算法易于同其他技術(shù)混合的特點(diǎn),而天然氣液化工藝參數(shù)優(yōu)化過(guò)程是一個(gè)具有許多局部最優(yōu)的高度非線(xiàn)性問(wèn)題。結(jié)合遺傳算法的特點(diǎn)及天然氣液化工藝參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的分析,遺傳算法對(duì)于天然氣液化流程的優(yōu)化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性及優(yōu)勢(shì)。

遺傳算法的主要步驟:

1)產(chǎn)生初代群體;

2)給出個(gè)體的適應(yīng)度;

3)選擇優(yōu)良個(gè)體;

4)優(yōu)良個(gè)體兩兩配對(duì),隨即交叉并變異后產(chǎn)生下一代群體;

5)逐代進(jìn)化直到滿(mǎn)足最優(yōu)解或終止條件。

遺傳算法的實(shí)現(xiàn)方法:

1)根據(jù)具體問(wèn)題確定可行解域(即優(yōu)化變量的上下限);

2)給出適應(yīng)度函數(shù),求解出適應(yīng)度函數(shù)最優(yōu)值;

3)給出懲罰函數(shù),淘汰不良個(gè)體;

4)確定進(jìn)化參數(shù),種群規(guī)模、交叉概率、變異概率、進(jìn)化終止條件。

基于MATLAB工具箱中的遺傳算法和Aspen hysys對(duì)天然氣液化流程進(jìn)行優(yōu)化的程序框圖如圖2所示[7-8]。

圖2 基于遺傳算法和Aspen hysys天然氣液化流程優(yōu)化程序框圖

2.2 流程的優(yōu)化

二級(jí)氮膨脹液化流程中以最小比功耗為適應(yīng)度函數(shù),并考慮天然氣液化率的變化情況,優(yōu)化模型的適應(yīng)度函數(shù)表達(dá)式如下式所示:

式中:W1——氮?dú)鈮嚎s機(jī)1的功耗,kW;

W2——氮?dú)鈮嚎s機(jī)2的功耗,kW;

W3——氮?dú)馀蛎洐C(jī)1的膨脹功,kW;

W4——氮?dú)馀蛎洐C(jī)2的膨脹功,kW;

QLNG——液化天然氣在標(biāo)況下的流量,Nm3/h。

約束條件:

1)換熱器1的最小換熱溫差ΔTmin,1≥3 ℃;

2)換熱器2的最小換熱溫差ΔTmin,2≥3 ℃;

3)換熱器3的最小換熱溫差ΔTmin,3≥3 ℃。

優(yōu)化變量:

X1:氮?dú)鈮嚎s機(jī)2的出口壓力Pn16,kPa;

X2:氮?dú)鈮嚎s機(jī)1的進(jìn)口壓力Pn13,kPa;

X3:制冷劑氮?dú)獾哪柫髁縌n1,kmol/s;

X4:比例分流器的比例Ft-1;

X5:節(jié)點(diǎn)n3的溫度Tn3,℃;

X6:節(jié)點(diǎn)n6的溫度Tn6,℃;

X7:節(jié)點(diǎn)3的溫度T3,℃;

X8:節(jié)點(diǎn)4的溫度T4,℃;

X9:節(jié)點(diǎn)5的溫度T5,℃。

懲罰函數(shù):

P(x)=f(x)×(1-eq(x))

q(x)=max[(3-ΔTmin,1),(3-ΔTmin,2),(3-ΔTmin,3)]

進(jìn)化參數(shù):

1)種群規(guī)模:200;

2)交叉概率:0.8;

3)變異概率:0.1;

4)遷移比例:0.2;

5)終止條件:繁衍200代或適應(yīng)度函數(shù)值收斂。

優(yōu)化變量的上下限:

下限:[230.1300.2.0.-60.-130,-60,-130,-160];

上限:[800.3500.6.1.15.-70.15,-70,-150]。

通過(guò)將MATLAB與Aspen hysys連接,使用MATLAB工具箱中的遺傳算法對(duì)Aspen hysys中的二級(jí)氮膨脹液化流程進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)遺傳算法計(jì)算130代后,得到的最優(yōu)值及對(duì)應(yīng)的流程參數(shù)見(jiàn)表3。比功耗遺傳優(yōu)化過(guò)程如圖3所示。該流程優(yōu)化前比功耗0.704 1,液化率為0.951 5,優(yōu)化后比功耗0.540 3,液化率為0.951 5,優(yōu)化前后比功耗降低28.37%。流程中換熱器最小換熱溫差參數(shù)見(jiàn)表4。

圖3 二級(jí)氮膨脹液化流程比功耗優(yōu)化圖表3 比功耗最優(yōu)值及對(duì)應(yīng)的流程參數(shù)值

比功耗最優(yōu)值/(kWh·m)Pn16/kPaPn13/kPaQn1/(kmol·s-1)Ft-1Tn3/℃Tn6/℃T3/℃T4/℃T5/℃0.540 33 3756804.6300.625-18-102.3-3.78-102.3-151.90.704 14 9601804.70.5-10.6-96.0-29-122.6-156

表4 換熱器最小換熱溫差參數(shù)表

3 結(jié)論

針對(duì)100萬(wàn)m3/d調(diào)峰型天然氣液化廠,采用二級(jí)氮膨脹液化工藝對(duì)天然氣進(jìn)行液化,以壓縮機(jī)的功耗作為目標(biāo)函數(shù),選取壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力、制冷劑的流量和換熱器的出口溫度作為優(yōu)化變量,采用遺傳算法對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化,經(jīng)過(guò)130次迭代,模擬計(jì)算出優(yōu)化變量最優(yōu)值,流程優(yōu)化前比功耗0.704 1,液化率為0.951 5,優(yōu)化后比功耗0.540 3,液化率為0.951 5,優(yōu)化前后比功耗降低28.37%,對(duì)天然氣液化廠制冷工藝參數(shù)的選擇具有借鑒意義。