混合制冷劑循環(huán)優(yōu)化設(shè)計和動態(tài)特性研究.pdf

1、天然氣液化后，可以解決氣體運(yùn)輸問題，實(shí)現(xiàn)天然氣的跨國貿(mào)易和分散的小氣田開發(fā)。本文在現(xiàn)有天然氣液化流程分析比較的基礎(chǔ)上，針對小型天然氣液化裝置設(shè)計了單級混合制冷劑循環(huán)，針對大型天然氣液化裝置設(shè)計了雙混合制冷劑循環(huán)，系統(tǒng)地對混合制冷劑循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)分析、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化、動態(tài)模擬和優(yōu)化操作，探索混合制冷劑循環(huán)的天然氣液化流程的設(shè)計和操作方法，為國內(nèi)開發(fā)和應(yīng)用混合制冷劑循環(huán)的天然氣液化裝置提供理論支持，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價值。
　　本文對

2、不同規(guī)模的天然氣液化裝置的流程選擇原則，設(shè)計出了適合小型液化裝置的單級混合制冷劑循環(huán)，適合大型液化裝置的新型雙混合制冷劑循環(huán)。對天然氣和混合制冷劑的物性計算方法進(jìn)行評價和選擇，建立混合制冷劑循環(huán)中壓縮機(jī)、冷卻器、換熱器、節(jié)流閥、混合器和氣液分離器等設(shè)備的熱力學(xué)模型，并給出混合制冷循環(huán)的評價標(biāo)準(zhǔn)：能耗、制冷系數(shù)和火用效率。在此基礎(chǔ)上針對單級混合制冷劑循環(huán)、丙烷預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán)和雙混合制冷劑循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)分析，得到這三種液化流程的火用損

3、、壓縮機(jī)功率、制冷系數(shù)和火用效率，并針對不同設(shè)備的火用損失分布，給出混合制冷循環(huán)提高效率的措施，最后比較了雙混合制冷劑循環(huán)和丙烷預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán)的熱力學(xué)性能，推薦在大型天然氣液化系統(tǒng)中優(yōu)先采用雙混合制冷劑循環(huán)。
　　采用數(shù)值法對單級混合制冷劑循環(huán)和雙混合制冷劑循環(huán)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化，進(jìn)行純制冷劑的選取，在合理的約束條件下，進(jìn)行制冷循環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上以最小能耗為目標(biāo)函數(shù)，采用模式搜索法的優(yōu)化算法對設(shè)計變量進(jìn)行優(yōu)化計算，

4、得到兩種制冷循環(huán)的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。
　　建立混合制冷循環(huán)中壓縮機(jī)、換熱器和節(jié)流閥等主要設(shè)備的動態(tài)模型，設(shè)計了雙混合制冷劑循環(huán)中主要流程參數(shù)的控制回路，分析天然氣液化流程中實(shí)際可能的擾動，分別以天然氣壓力、天然氣溫度、天然氣流量、天然氣的成分、制冷劑冷卻溫度、深冷制冷劑的組成和預(yù)冷制冷劑的組成等為擾動，對制冷循環(huán)進(jìn)行動態(tài)模擬，得到流程參數(shù)的變化趨勢和響應(yīng)時間。動態(tài)模擬的結(jié)果顯示，雙混合制冷劑循環(huán)在擾動發(fā)生時，系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)和適應(yīng)，在

5、較短的時間內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。動態(tài)模擬也驗證了控制方案的合理。雙混合制冷劑循環(huán)的動態(tài)模擬，有利于促進(jìn)流程的優(yōu)化設(shè)計，同時對其實(shí)際應(yīng)用有重要意義。
　　在雙混合制冷劑循環(huán)的穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際設(shè)備參數(shù)，對其進(jìn)行優(yōu)化操作的研究。討論了混合制冷劑循環(huán)的操作自由度，針對操作變量進(jìn)行分析，選擇合適的控制變量和控制結(jié)構(gòu)，建立實(shí)際操作中可能的兩種優(yōu)化操作模式：單位產(chǎn)品能耗最低和在設(shè)備約束下的最大產(chǎn)量，分別進(jìn)行無擾動下的優(yōu)化操作和

6、擾動下的優(yōu)化操作。天然氣壓力、天然氣流量和冷卻溫度變化后，通過調(diào)整制冷劑的組成和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，制冷循環(huán)仍然能夠維持高效運(yùn)行；深冷制冷劑和預(yù)冷制冷劑的組成偏離最優(yōu)的配比后，調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，維持液化天然氣的產(chǎn)量不變。優(yōu)化操作研究表明雙混合制冷劑循環(huán)具有良好的適應(yīng)性和操作性，優(yōu)化操作研究為采用該制冷循環(huán)的天然氣液化裝置的實(shí)際調(diào)試和操作提供理論指導(dǎo)。
　　根據(jù)本文的理論研究，設(shè)計完成了一些實(shí)際的天然氣液化裝置，其中，每天液化5000Nm3