天然气的热力学特性

天然气热力学性质是天然气液化流程的设计、研究和操作运行中所不可缺少的基础数据。在天然气液化流程中,混合制冷剂和天然气分别要经历压缩与节流膨胀、加热与冷却过程,体系的温度、压力和相态都发生变化、精确计算天然气和混合制冷剂的热力学参数是流程模拟的基础。

在液化天然气流程中,涉及的物性参数有压力p、温度T、总流量中的摩尔分数z、总摩尔流量q_n、气相摩尔流量q_n,_V、液相摩尔流量q_n,_L、液相摩尔分数x、气相摩尔分数y、摩尔焓H_m、摩尔熵S_m;在计算以上某些参数时,还会涉及压缩因子Z、逸度系数ϕ_i、摩尔理想焓Hⁱ_md、摩尔理想熵S^id_m、摩尔余焓H^res_m、摩尔余熵S^res_m等参数。

p、T、q_n、z这4个参数是计算一个节点其他物性参数的基本数据。程序设计中,这四个参数是计算其他物性参数的已知数。其中p、T、z影响单位流量的焓值和熵值,在已知某一节点的(p,T,q_n,z)后,首先可通过气液相平衡计算求得该节点处的q_n,V、q_n,L、x和y。

在得到p、T、q_n,z、q_n,V、q_n,L、x和y后,可用某一状态方程的焓和熵表达式求得该节点处气相焓和熵、液相焓和熵,再对各相的焓和熵分别进行求和计算。

在计算q_n,V、q_n,L、x、y、H_m和S_m的过程中,表达式中要用到压缩因子Z、逸度系数ϕ_i、摩尔理想焓H_m^id、摩尔理想熵S^id_m、摩尔余焓H^res_m、摩尔余熵S^res_m等参数,这些值可用状态方程或该状态方程推导得到的相应表达式求取。

在计算热物性参数时,必然会用到天然气和混合制冷工质中的各组分的一些基本热力学参数,这些参数值见表1-1。

目前,大、中型液化天然气(简称LNG)装置采用的流程常有以下六种:①丙烷预冷混合制冷剂流程C3MR;②双混合制冷剂流程DMR;③C3MR+N2膨胀流程AP-X^TM;④混合制冷剂级联流程MFC;⑤并联混合制冷剂流程PMR;⑥康菲优化级联流程CPOCP。这六种流程中均会采用混合制冷剂,混合制冷剂会进行冷凝、蒸发和节流等过程。

在LNG流程的热力学模拟过程中,天然气和混合制冷剂的热物性计算是整个流程计算的基础。天然气和混合制冷剂都是多元混合物,在流程中的不同温度和压力范围内,分别呈气态、气液平衡态和液态;同时,随着天然气逐步被冷却,混合物中的轻组分不断冷凝,从而导致气液两相混合物组分不断变化,这是流程计算中物性计算方面的三大难点。

表1-1 天然气和混合制冷工质中的各组分的基本热力学参数(www.xing528.com)

注:M_r—相对分子质量;T_b—正常沸点温度;T_c—临界温度;p_c—临界压力;V_c—纯工质的临界摩尔体积;Z_c—临界压缩因子;ω—偏心因子。

流程模拟的准确性在相当大的程度上取决于物性数据的精度,而且从计算量方面来看,整个流程模拟的有关运算中,调用物性模块进行物性数据估算的次数和占用计算量的比例也十分庞大的。由此可见,进行流程模拟,无论是为了获得高质量的模拟结果,还是为了提高计算效率,都非常需要有一套准确的物性数据的保证。

Zudkevitch^[1]分析了天然气热物性数据对液化流程设备的影响,并按其重要程度分为表1-2所示的A、B、C三等,指出天然气低温液化流程投资高、功耗大,必须精确计算天然气热物性参数以确保设计的可靠。Me_- laaen^[2]采用概率仿真的方法,分析了焓值及气液相平衡计算误差对基本负荷型天然气液化装置设计的影响,指出精确的天然气物性数据是LNG装置设计的基础。

表1-2 天然气物性数据对天然气液化装置 设计影响的重要程度

注:A—影响最大;B—影响中等;C—影响最小。