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天然气液化系统混合制冷剂组成确定及优化

论文作者郑文科1、2 ， 张婧煜1、2 ， 关司航1、2 ， 杨已颢3 ， 姜益强1、2 ， 孙 澄1、2杂志期数2025年10月刊
关键词天然气液化系统； 单循环混合制冷剂液化工艺； 混合制冷剂组成； 混料设计
作者单位1.哈尔滨工业大学 建筑与设计学院， 黑龙江 哈尔滨 150001； 2.寒地城乡人居环境科学 与技术工业和信息化部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150090； 3.上海能源建设工程设计研究有限公司， 上海 200000
基于Design Expert软件中的D-最优混料设计方法优化混合制冷剂组成，通过化工模拟软件Aspen HYSYS建立SMR工艺流程，对优化结果进行验证。通过分析制冷剂的敏感区间，结 合其热力学性质，选择混合制冷剂的组分为：N2、CH4、C2H4、C3H8、i-C5H12。通过 Design Expert 软件中的 D-最优混料设计方法确定混合制冷剂最佳组成，当混合制冷剂组分 N2、CH4、C2H4、C3H8、iC5H12的摩尔分数分别为13.5%、33.0%、36.0%、11.5%、6.0%时，优化后天然气液化系统比功耗下降12.19%，系统总功耗下降34.46%。由于混合制冷剂各组分之间存在交互作用，因此采用二次回归多项式对混合制冷剂中各组分的摩尔分数与天然气液化系统比功耗进行拟合。研究混合制冷剂组分交互作用对天然气液化系统比功耗的影响，发现CH4与混合制冷剂中其他组分均存在不同程度的交互作用，其中CH4和i-C5H12的交互作用最强，对天然气液化系统比功耗影响最大。当CH4摩尔分数在 26.0%~34.0% 的范围内，且 N2摩尔分数、C2H4摩尔分数、C3H8摩尔分数分别为 11.6%、33.3%、14.0%时，随着CH4摩尔分数升高，i-C5H12摩尔分数降低，天然气液化系统比功耗显著下降。将优化后的最优混合制冷剂组成导入Aspen HYSYS软件中，得到优化前后设备功耗以及系统比功耗。压缩机总功耗下降幅度为 12.12%，冷却器总功耗，下降幅度为 42.63%。优化后，天然气液化系统比功耗下降了12.19%，系统总功耗下降幅度为34.46%。因此，运用Design Expert软件中的D-最优混料设计法对混合制冷剂组成优化的方法可行。通过优化，达到了节能降耗目的。
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