本文是一篇工程硕士论文，笔者认为本项目建成后具有良好的社会效益，可以提高能源利用效率，改善居民生活水平，带动周边产业发展，刺激经济，对社会发展具有极大的推动作用，本项目在整体建设时综合考虑排污标准和噪声标准，建设合理且符合要求的污水处理设备和降噪设备，保护环境。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
作为清洁能源的一种，液化天然气 (Liquefied Natural Gas，LNG)的成分是甲烷，还有少量的乙烷和丙烷，被认为是地球上最干净的化石能源。液化天然气的主要特点是：体积仅仅为相同质量状态下气态天然气体积的 1/625，质量仅约为相同体积状态下水的质量的 45%[1]。天然气液化技术的研究起源于 20 世纪初，随着众多科研人员的不断研究，该技术得以快速发展，20 世纪 40 年代开始已经有研究者将这一技术逐步应用到工业中[2]。天然气液化技术在工业上的使用进一步推进了天然气技术的发展，几十年来，在几代科研人员和众多研究者的不断努力下，天然气液化技术越来越先进。
近年来，随着生物技术和化学技术的不断发展，出现了在天然气中加入化学物质或生物物质以提高天然气性能的技术，比如加入甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸以及氨基酸等物质，其中以天然氨基酸气化技术最为成熟[3]，这种合成液化天然气成本低、污染小、合成原理简单，因此得到了广泛应用，我国天然气液化厂在中小型的设备中，基本都是使用这一技术[4]。虽然该技术起源于国外，但我国科研人员基于国外研发的技术进行研究并不断实践，终于研发出属于我们自己的混合冷剂的液化技术，但该项技术目前更多还处于模仿阶段，设备在使用过程中出现了较多严重问题[5]，此外，早期引进的相关国外先进技术在国内工厂使用时也有一些不足之处，而过程运行中的其他一些问题也是由某些设备的工程安装问题引起的，所以我们还需要对该技术进行更深入地了解与研发。
1.1.1 天然气消费量上升
近年来，天然气之所以能够得到快速发展和应用，主要是由于天然气越来越被大众接受，且应用范围广，消费量逐年增长。就整体消费而言，美国第一、俄罗斯第二、中国第三，与世界天然气的平均消费量 23.8%相比，我国只有 6%的天然气消费量[6]，美国和俄罗斯分别达到 50％和 30％，同时，我国天然气利用率也远远低于世界平均水平。因此，为了提高天然气能源在我国的消费比重，国家在“十三五”会议上提出能源计划，会议上确定了未来我国能源消费市场分配比例，其中天然气能源占 10％的消费目标，以此类推的话，到 2030 年，国内天然气将上升高于两倍的消费量，每年将实现 15%的增长率[7]。
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1.2 研究意义
虽然传统化石能源目前还占有一定的市场份额，但是随着科技水平和生活条件的提高，其已经难以满足现在的生产生活需求；同时，传统化石能源随着大范围的开采和使用，储存量逐年减少，且加工运输成本较高，经济适用性不强；此外，以煤炭为主的传统能源对环境造成的污染严重，尤其是对大气环境的污染，已经是当前环境污染中亟待解决的首要问题。因此，为了可持续发展和环境保护，新型能源应运而生。作为新型能源的一种，液化天然气因其具有清洁、高效、单位热值高、供应可靠、价格低等特点，得到迅速发展和应用。液化天然气体积小，质量轻，为天然气的储存和运输提供了极大的便利[22]。同时，该资源储藏量非常丰富，具有区域性分布、分散范围广等特点。天然气净化、液化天然气的存储与接收、天然气的液化、液化天然气的运输等共同形成整个LNG 的产业链。较少的投资消耗、易于维护、可靠运行是 LNG 在国内液化天然气贸易市场的优势[23-24]。
目前虽然天然气液化技术在中国普遍应用，但受限于国外先进技术的封锁，仍需要进一步的发展和提高。中国的天然气液化工厂更多地使用混合冷剂液化技术，该技术是我国研究人员模仿国外技术进行研发的，但对混合冷剂液化技术的研究和开发还有待进一步提高，设备在使用过程中经常出现问题。因此，本文主要针对液化天然气工厂在实际应用过程中，利用软件模拟液化工艺流程，优化天然气液化过程的工艺和参数，根据实际情况进行比例优化，提高液化装置的效率，满足工业应用的需求[25]，其成果具有重大的经济效益、社会效益以及环境效益，而且对我国天然气液化工艺的发展和应用具有一定的指导和借鉴意义。
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第 2 章 天然气液化工艺流程特点分析及冷剂相平衡计算
2.1 天然气液化工艺流程
LNG 的液化流程分类较多，根据制冷方法进行分类，可分为级联的液化流、膨胀机构的冷液化流、混合冷剂的液化流等[51]，其中级联的液化流和混合冷剂的液化流是当前 LNG 冷能常用的工艺流程。尤其是后者，已经被广泛使用，且为当前主流。丙烷预冷、单级与双级的混合冷剂制冷等是混合制剂循环的组成部分，在液化天然气的领域里，天然气的膨胀、氮气甲烷的膨胀、氮气膨胀等也被普遍使用[52]，但受限于制造成本，还有待改进和进一步优化。
2.1.1 级联式液化流程
级联液化过程也称为单一制冷剂液化过程。一般过程如下：在进料口，先加入丙烷（单一的进料气成分），以完成冷剂液体的循环冷却工作，负 30℃为此阶段最后达到的温度；然后通入乙烷，-90℃为此阶段达到的温度；此时冷剂主要成分需要由单组分的甲烷来代替，当它的温度下降至- 150℃后，气体通过节流减压，就出现了分离的 LNG气液[53]。级联液化过程的优缺点如下[54]：
a) 优点：
（1）级联液化过程普遍用于原料气为高压天然气源；（2）液化过程中，换热温差小，减小了能量消耗。（3）三类冷剂全部为单一成分，因此无需考虑混合比。（4）拥有完善技术的制冷系统，运行稳定。
b) 缺点：
（1）由于制冷过意复杂，所以需要制冷设备也较多，液化过程更复杂；（2）制冷工艺的设备很多，在此过程中应设置专用的冷剂存储装置；（3）要求氮纯度要很低。
总的来说，就天然气的液化系统而言，如果含有很高的氮，则三类冷剂无法在这一系统中应用，因为此系统要求氮纯度很低，这在一定程度上限制了这种工艺流程的使用程度，但是该液化工艺仍具有一定的优势，使用这种工艺的 LNG 工厂正在不断增加。
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2.2 工艺流程建模及仿真模拟软件
通常，为了使天然气液化制冷工艺流程更加完善和规范，可以先通过模拟仿真软件进行建模仿真，检验工艺流程的可行性和合理性。目前，常用的化学模拟软件主要包括Aspen Plus 和 HYSYS。受限于国外，Aspen Plus 的使用量并不是很多，而 HYSYS 则是我国大多数油田企业在工艺设计时首选的软件，此软件已被广泛用于天然气处理和液化过程模拟中[57]。
除了这两款软件外，在天然气脱酸工艺仿真中，AMSIM、ProTreat、TSWEET 是天然气脱酸的领域中主要的仿真软件。相应地处理方法有 NRTL 与 Li-Mather 的电解质模型、KE 平衡的溶解度模型，0IL2 Phase-DBR 里有一个模块是 AMSIM—HYSYS 软件中的胺包装模型的基础，由 Schlumberger 提供。使用脱碳剂（氨溶液）将天然气里存在的二氧化碳脱除的过程也可用软件进行模拟。Peng-Robinson 状态方程、非平衡阶段的模型被 AMSIM 所运用。混合胺溶剂中，DI-PA、MEA，DEA，MDEA，TEA， DGA 是最主要的几种胺，可以组合在一起变成脱碳剂。
LNG 液化过程模拟的关键是 LNG 热交换器。普通的换热器难以适应多相流，仅有冷侧流与热侧流各一个；多相流在 LNG 的换热器中是允许的。这种换热器的模型在软件 HYSYS 里能完成热量的求解，并对物质换热网络与多相流的换热器的平衡进行求解。很多未知、已知的变量都能运用这种方法进行处理，用户能得到换热器中热泄露、UA、温度、热损失等多个参数；在能量平衡时，这种算法可以获得单个未知量[58]。
终上所述，本文选择 HYSYS 软件作为天然气液化过程仿真软件，然后选用 AminesPackage 软件中的模型来建模天然气脱酸的工艺流程，最后 LNG 制冷液化的工艺流程的状态表达式则用 Peng-Robinson 状态方程来表示[59]。
图 3-1 工艺流程框图
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第 3 章 某 LNG 液化厂设计方案及工艺流程................................. 12
3.1 某 LNG 液化厂设计方案..................................... 12
3.1.1 规模参数确定...............................12
3.1.2 产品性能确定........................................12
第 4 章 天然气液化流程的热力学研究.......................17
4.1 天然气液化流程的热力学参数........................................17
4.1.1 液化天然气密度........................................17
4.1.2 液化天然气临界参数..............................17
第 5 章 液化流程的稳态模拟与优化.................................26
5.1 冷剂的选择........................................26
5.1.1 冷剂种类的选择.....
