影響煤層氣壓縮效率的因素研究與優(yōu)化

　　煤層氣俗稱(chēng)瓦斯，是儲存在煤層中的一種煤層氣，是清潔高效的能源，其主要成分是甲烷。煤層氣的存在對我國的煤礦開(kāi)采一直是重大的安全(security)隱患，先抽后采是煤礦安全運行的保證。此外，未經(jīng)處理或回收的煤層氣直接排放到大氣中會(huì )造成溫室效應(effect)，破壞臭氧層(The ozone layer)(Oxygen)?，F在利用深冷技術(shù)，把煤層氣冷卻至- 162！而形成液化煤層氣（LCBM），便于儲存和遠距離運輸。

　　1氮膨脹制冷液化工藝(Technology)氮膨脹液化工藝近年來(lái)在我國應用較多。特別是對小規模液化廠(chǎng)，它具有流程簡(jiǎn)單、結構緊湊、造價(jià)略低、運行靈活、技術(shù)成熟、易于操作和控制等特性。制冷劑采用單組分的氮氣，安全性(security)好，放空不會(huì )引起火災或爆炸(blow up)危險。其缺點(diǎn)是功耗較高，比采用混合制冷劑液化流程高40%左右。
　?。?）煤層氣流程煤層氣原料(raw material)氣經(jīng)壓縮、脫硫（產(chǎn)物:SO2)（化學(xué)符號：S）、脫碳、干燥、脫汞后進(jìn)入本工段先進(jìn)入冷箱，冷箱主要由1 4號換熱器組成，經(jīng)過(guò)1號換熱器預冷后，分離出的重烴由點(diǎn)25排出到重烴儲罐，分離后的氣相經(jīng)2、3、4號換熱器分別液化、深冷，經(jīng)點(diǎn)6節流降壓到點(diǎn)24.點(diǎn)24即為成品液化煤層氣，由管道余壓輸送到儲罐，在常壓或壓力下儲存。
　?。?）制冷劑氮氣流(airflow)程氮氣經(jīng)壓縮機壓縮、水冷后，依次進(jìn)入低壓增壓機、中壓增壓機增壓、冷卻(cooling)器冷卻，然后由點(diǎn)7進(jìn)入冷箱。經(jīng)1號換熱器初步預冷后進(jìn)入中壓膨脹機，膨脹后溫度、壓力均降低，同時(shí)輸出膨脹功帶動(dòng)中壓增壓機。膨脹后的氮氣由點(diǎn)9進(jìn)入3號換熱器繼續冷卻，由點(diǎn)10進(jìn)入低壓膨脹機，膨脹后溫度、壓力進(jìn)一步降低，同時(shí)輸出膨脹功帶動(dòng)低壓增壓機。經(jīng)低壓膨脹機膨脹后的制冷劑由換熱器的最冷端點(diǎn)11逐級進(jìn)入各換熱器，為煤層氣和制冷劑提供冷量。
　　2典型氮膨脹制冷(Refrigeration)液化工藝計算
　　2. 1工藝計算目的工藝計算的目的是確定流程中各點(diǎn)的溫度（temperature)、壓力、制冷劑流量(單位:立方米每秒)，計算壓縮機功率。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 
　　2. 2計算前需確定的已知條件
       （1）冷箱入口煤層氣溫度、壓力、流量及組成。
　　本次計算以山西晉城某地區煤層氣為條件，氣體摩爾分數為：甲烷0. 971，氮氣0. 024，氧氣0. 005；煤層氣日處理量為25 % 10 4 m 3 /d，平均小時(shí)流量為10 417 m 3 /h，煤層氣來(lái)氣壓力為0. 5M Pa（本文壓力均指絕對壓力），溫度為34。昆山空壓機保養冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進(jìn)行冷卻。
　?。?）LCBM儲罐的儲存溫度、壓力，由LCBM儲罐類(lèi)型決定
　?。?）換熱器端面冷、熱流體溫差，取3。
　?。?）機械設備(組成：驅動(dòng)裝置、變速裝置等)的效率，由設備廠(chǎng)家提供。
　?。?）換熱器阻力，本次計算冷箱總阻力取0. 1 M Pa，每個(gè)換熱器平均分配，由此引起的誤差對計算結果的影響在誤差允許范圍內。
　　2. 3工藝計算過(guò)程（1）點(diǎn)1通過(guò)迭代計算原料氣壓縮(compression)機(compressor)功率和制冷劑壓縮機功率之和最小時(shí)，煤層氣壓縮機出口壓力減去吸收塔、脫水、脫汞裝置及管道的阻力，作為進(jìn)冷箱壓力。
　?。?）點(diǎn)7點(diǎn)7是制冷劑進(jìn)冷箱壓力，一般為
　　4. 4 
　　4. 7 M Pa.經(jīng)過(guò)迭代計算尋找壓縮機功耗最小時(shí)對應的p 7.該點(diǎn)溫度T 7 = T 1.
　?。?）點(diǎn)24點(diǎn)24處于冷箱中LCBM節流后狀態(tài)。其壓力為儲罐的儲存壓力加輸送(delivery)過(guò)程局部阻力(resistance)、沿程阻力和液位高差靜壓，并考慮一定富余量。溫度按儲罐工作溫度計算（考慮從冷箱至儲罐因有壓降而引起的焦耳-湯姆遜效應(effect)將導致一定的溫降，會(huì )抵消一部分因輸送管道受熱而引起的溫升，故計算時(shí)按溫度相等計算，由此所引起的誤差在允許范圍內）。
　?。?）點(diǎn)6點(diǎn)6壓力為煤層氣冷箱入口(rù kǒu)壓力減去各換熱器阻力。根據節流前點(diǎn)6的焓h 6和節流后點(diǎn)24的焓h 24相等，由軟件計算點(diǎn)6溫度T 6.
　?。?）點(diǎn)11點(diǎn)11處于氮氣(Nitrogen)經(jīng)低壓膨脹機膨脹后的狀態(tài)，p 11取0. 4 MPa.點(diǎn)6與點(diǎn)11端面換熱溫差取3！是板翅式換熱器的最小換熱溫差。若溫差取得過(guò)大，換熱器火用損失大，壓縮機功耗高。工程設計(design)時(shí)點(diǎn)10壓力取
　　1. 49M Pa，根據點(diǎn)11參數及p 10可由軟件計算出T 10.
　?。?）點(diǎn)15 T 15 = T 1 - 3（1）p 15 = p 11 - p（2）式中T i――點(diǎn)i溫度，K p i――點(diǎn)i絕對壓力，M Pa p――制冷劑通過(guò)4個(gè)換熱器的總阻力(resistance)，M Pa，取0. 1 M Pa（7）點(diǎn)8和點(diǎn)2 p 8 = p 7 - p 1（3）T 2 = T 8（4）p 2 = p 1 - p 1（5）式中p 1――制冷劑或煤層氣通過(guò)1號換熱器的阻力，M Pa，取0. 025 M Pa T 8是影響制冷劑壓縮機功耗的主要因素之一，需迭代計算以尋找最小功耗對應的T 8，迭代溫度范圍為230 245 K.
　?。?）點(diǎn)9和點(diǎn)4 p 9 = p 10 + p 3（6）T 4 = T 9（7）p 4 = p 1 - p 1 - p 2（8）式中p 3――制冷劑或煤層氣通過(guò)(tōng guò)3號換熱器的阻力，MPa，取0. 025 MPa p 2――制冷劑或煤層氣通過(guò)2號換熱器的阻力，MPa，取0. 025 MPa根據點(diǎn)8溫度（temperature)T 8按等熵膨脹(inflate)由軟件計算出T 9.
　?。?）確定制(custom made)冷劑的循環(huán)（continue)量q m，7列1、2、3、4號換熱器熱平衡方程。
　　1號換熱器熱平衡(balance)方程：q m，1（h 1 - h 2）+ q m，7（h 7 - h 8）= q m，7（h 15 - h 14）（9）2號換熱器熱平衡方程：q m，1（h 3 - h 4）= q m，7（h 14 - h 13）（10）3號換熱器熱平衡方程：q m，1（h 4 - h 5）+ q m，7（h 9 - h 10）= q m，7（h 13 - h 12）（11）4號換熱器熱平衡方程：q m，1（h 5 - h 6）= q m，7（h 12 - h 11）（12）式中q m，i――點(diǎn)i煤層氣或制冷劑質(zhì)量流量，kg /h h i――點(diǎn)i煤層氣或制冷劑的比焓，kJ/（kg？K）由式（9）（12）求出q m，7.
　?。?0）求T 14由式（9）求得h 14，作閃蒸計算由軟件求T 14.
　?。?1）求T 13由式（10）求得h 13，作閃蒸計算由軟件求T 13.
　?。?2）求T 12由式（12）求得h 12，作閃蒸計算由軟件求T 12.
　?。?3）確定低壓增壓機出口壓力p 20確定p 20后，中壓增壓機入口壓力為：p 21 = p 20 - p c（13）式中p c――單臺冷卻器阻力，M Pa，取0. 01 M Pa確定中壓增壓機入口溫度、壓力及出口壓力后可計算出中壓增壓機所需功率P s，2.試算不同的p 20，使中壓膨脹機輸出功率P e，2滿(mǎn)足中壓增壓機功率需要。確定壓縮(compression)機出口壓力p 17確定p 17的方法(method)同上，即低壓膨脹機輸出功率P e，1能夠滿(mǎn)足低壓增壓機功率P s，1.？計算壓縮機功率P c由壓縮機進(jìn)口壓力、溫度及出口壓力可計算出壓縮機功率P c.
　　2. 4結果的約束條件各換熱器端面不能出現負溫差，且冷熱流體的設計溫差不小于3攝氏度。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。
　　在氮膨脹制冷液化工(Chemical industry)藝中，煤層氣壓縮(compression)后壓力約5 MPa的情況(Condition)下，190 K時(shí)已全部液化，由于煤層氣從開(kāi)始液化到全部液化溫度（temperature)區間比較小，但在此溫度區間內由于要釋放出大量的潛熱，故此溫度區間冷負荷(load)占換熱器總負荷的比例較大。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。在氮膨脹制冷液化系統中，煤層氣主要在2號換熱器完成液化。
　　如果液化溫度區間在2號換熱器底部，則此時(shí)2號換熱器煤層氣需要的冷負荷全部集中在底部較低的溫度區間。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。由于制冷劑沒(méi)有相變，提供的冷負荷隨溫度分布比較均勻，并且要求制冷劑溫度比煤層氣溫度低，制冷劑難以在此較小的溫度區間提供足夠的冷負荷。因此工藝計算中需對每個(gè)換熱器從低溫段向高溫段進(jìn)行冷負荷巡查，方法是從換熱器底部每5攝氏度一個(gè)溫度區間進(jìn)行檢查，確保從低溫向高溫溫度區間的累積冷負荷足夠。
　　3優(yōu)化結果(result)及分析
　　3. 1優(yōu)化（optimalize）結果液化單位體積煤層氣耗電量為0. 623 kW？h / m 3.由于本工程煤層氣組分中不含重烴，因此點(diǎn)25無(wú)重烴析出。
　　3. 2壓縮機功耗分析（1）中壓膨脹機入口溫度在固定原料氣壓縮后壓力和制冷劑進(jìn)入冷箱壓力的情況下，原料氣壓縮機和制冷劑壓縮機總功率隨著(zhù)中壓膨脹機入口溫度的變化曲線(xiàn)可見(jiàn)，隨著(zhù)中壓膨脹機入口溫度升高，系統總功耗減小。這是因為隨著(zhù)中壓膨脹機入口溫度升高，1號換熱器熱負荷減小，隨之系統總熱負荷減小，故制冷劑壓縮機功耗降低。但中壓膨脹機入口溫度不能過(guò)高，否則2號換熱器將出現負溫差而不能正常工作。
　?。?）原料氣壓縮后壓力隨著(zhù)煤層氣壓縮后壓力的增大，在滿(mǎn)足換熱器無(wú)負溫差的情況下，制冷劑壓縮機(compressor)功率減小、原料氣壓縮機功率增大，壓縮機總功率增大這是因為隨著(zhù)煤層氣壓縮后壓力增加，煤層氣進(jìn)入冷箱比焓h 1降低（reduce)。由于LCBM儲存溫度（temperature)、壓力不變，故冷箱底端點(diǎn)24比焓不變。此時(shí)煤層氣入口(rù kǒu)和液化后焓差減小，冷箱所需總負荷(load)減小，制冷劑壓縮機功率減小。
　　由于原料氣壓縮機功率（指物體在單位時(shí)間內所做的功的多少）增加速度(speed)大于制冷劑壓縮機功率減小速度，故總功率略增大。此外，隨著(zhù)煤層氣壓縮后壓力增加，可以采用較高的中壓膨脹機入口(rù kǒu)溫度。綜合優(yōu)化計算后，最佳的煤層氣進(jìn)入冷箱壓力為
　　5. 3 MPa，中壓膨脹機入口溫度為238 K.