原《天然氣化工—C1化學(xué)與化工》，經(jīng)國家新聞出版署批復(fù)更名為《低碳化學(xué)與化工》。

　　作者簡介

　　孫恒（1976—），男，博士，副教授，主要從事天然氣液化技術(shù)、氫液化工藝及優(yōu)化、冷能回收利用、深冷裝置在線仿真及運(yùn)行優(yōu)化方面的研究。E-mail：。

　　LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

　　孫恒徐嘉明王超耿金亮榮廣新楊大聰高小雨

　　（中國石油大學(xué)（北京） 油氣管道輸送安全國家工程研究中心，城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 ）

　　摘 要 液氫能量密度高、運(yùn)輸效率高，成為了氫規(guī)模化儲運(yùn)的重要方式。為降低氫液化工藝能耗，提高效率，以雙混合制冷劑的氫液化工藝為基礎(chǔ)，提出了一種LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝。該工藝?yán)肔NG冷能預(yù)冷，通過混合制冷劑布雷頓循環(huán)進(jìn)行深冷，深冷段采用了四級壓縮、三級膨脹和三級正仲氫轉(zhuǎn)化。采用Aspen HYSYS軟件對工藝進(jìn)行了模擬，并利用粒子群算法進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后工藝的比能耗可達(dá)5.263 kW·h/kg，效率可達(dá)58.18%，優(yōu)于大部分已知?dú)湟夯に囅到y(tǒng)。該工藝流程相對簡單，能耗低、效率高，可為氫液化工藝的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供新的思路，同時(shí)拓展了沿海LNG接收站LNG冷能回收利用的新途徑。

　　關(guān)鍵詞 LNG冷能；氫液化；粒子群算法；工藝優(yōu)化

　　雙碳目標(biāo)的提出推進(jìn)了我國能源轉(zhuǎn)型的步伐。天然氣以其綠色低碳、安全高效的特點(diǎn)，成為了我國能源轉(zhuǎn)型中過渡能源的**選擇，而液化天然氣（LNG）則是我國天然氣供應(yīng)的主要形式 [ 1-2]。在新能源方面，氫能作為來源廣泛、清潔低碳的二次能源，在**能源轉(zhuǎn)型中起著重要作用，并且擁有廣泛的應(yīng)用前景 [ 3-4]。由于氫氣密度小，實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模儲運(yùn)是目前氫氣發(fā)展面臨的一大主要問題。而液氫（本文簡稱“LH 2”）由于其能量密度高和運(yùn)輸效率高，成為目前解決氫規(guī)模化儲運(yùn)的重要方法，并且液氫在工業(yè)和**領(lǐng)域也擁有著非常廣闊的應(yīng)用前景 [5]。

　　天然氣與氫氣在諸如天然氣制氫等方面也有緊密聯(lián)系，可以借助成熟的天然氣工業(yè)體系促進(jìn)氫能的發(fā)展。例如，LNG接收站結(jié)合碳捕集開展天然氣制氫，并液化外輸，就是天然氣與氫能融合發(fā)展的一個(gè)很有前景的方向 [6]。另外，沿海風(fēng)力資源豐富，將多余的風(fēng)電制氫并就地液化，也是LNG接收站兼顧氫能應(yīng)用的研究方向之一 [1]。以上應(yīng)用場景中，均可研究將LNG的冷能用于氫液化工藝中，以降低傳統(tǒng)氫液化工藝能耗，可促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型過渡時(shí)期LNG和氫能的協(xié)同發(fā)展。氫液化是生產(chǎn)液氫的核心，在多種氫液化流程中，混合制冷劑預(yù)冷循環(huán)流程擁有較低的能耗和較高的?效率。ZHANG等 [7]指出，在制冷流程中使用混合制冷劑可以有效降低能耗，提高工藝效率。而在混合制冷劑用于氫液化流程方面，SADAGHIANI等 [8]提出了一種雙混合制冷劑液化流程，該氫液化工藝的預(yù)冷循環(huán)部分和深冷循環(huán)部分均采用混合制冷劑循環(huán)。王超等 [9]對該流程進(jìn)行了完善，并利用粒子群優(yōu)化算法（Particle swarm optimization，PSO）進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步降低了能耗，驗(yàn)證了這一工藝的優(yōu)勢。

　　近年來，有關(guān)學(xué)者研究了利用LNG冷能的氫液化工藝。2006年，KUENDIG等 [10]**提出在氫液化過程中使用LNG進(jìn)行預(yù)冷，并指出LNG預(yù)冷的加入可以減少系統(tǒng)能耗。2011年，YUN等 [11]研究了采用LNG預(yù)冷的氫氣液化系統(tǒng)，結(jié)果表明，當(dāng)采用LNG冷能預(yù)冷時(shí)，與液氮預(yù)冷相比，所需能量可減少25.7%~75.0%。2019年，YANG等 [12]研究了采用LNG冷能與氮?dú)夤餐A(yù)冷的氫液化工藝，結(jié)果表明，LNG冷能的加入可以減少預(yù)冷過程中氮?dú)獾男枨罅浚岣吖に囆剩饶芎模⊿pecific energy consumption， SEC）可達(dá)11.05 kW·h/kg（即每生產(chǎn)1 kg液氫，系統(tǒng)能耗為11.05 kW·h）。2020年，CHO等 [13]以SADAGHIANI 等 [8]提出的比能耗為4.36 kW·h/kg的雙循環(huán)制冷劑氫液化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，加入了LNG冷能和甲烷蒸汽重整（Steam methane reforming，SMR）模塊，并利用遺傳算法對新工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后該工藝比能耗為4.07 kW·h/kg，對比原工藝降低了6.65%。2021年，BAE等 [14]對與SMR和LNG再氣化系統(tǒng)集成的氫氣液化循環(huán)進(jìn)行了優(yōu)化，選取氫氣和氮?dú)鉃橹评鋭肔NG冷能提高循環(huán)效率，比能耗為10.76~11.13 kW·h/kg。2021年，RIAZ等 [15]在雙混合制冷劑氫液化流程中加入LNG冷能，比能耗和?效率分別為7.64 kW·h/kg和42.25%。2022年，BI等 [16]提出了將SMR過程與LNG冷能利用相結(jié)合的一體化氫氣液化系統(tǒng)，并與僅使用液氮預(yù)冷的方案進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，該工藝的比能耗和性能系數(shù)分別達(dá)到7.948 kW·h/kg和0.1634。上述研究表明，采用LNG冷能預(yù)冷可以有效降低氫液化系統(tǒng)的能耗，提高工藝效率。但是，上述結(jié)合LNG冷能利用的氫液化工藝結(jié)構(gòu)都相對復(fù)雜，效率也無明顯的優(yōu)勢，可能存在對冷能的利用還不夠合理，未能將LNG利用與氫液化工藝進(jìn)行高效結(jié)合等問題。

　　本文在課題組王超等 [9]改進(jìn)的高效雙混合制冷劑氫液化工藝的基礎(chǔ)上，考慮LNG冷能與氫液化工藝耦合，研究高效集成LNG冷能的利用方法，提出一種結(jié)構(gòu)相對簡單的新型LNG預(yù)冷氫液化工藝，并對該工藝進(jìn)行模擬、優(yōu)化和分析。

　　1LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝

　　1.1 流程介紹

　　本文以構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、效率高，LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝為研究目標(biāo)。ZHANG等 [7]研究表明，在制冷流程中使用混合制冷劑可以有效降低能耗，提高工藝效率。因此，本文以文獻(xiàn) [9]的雙混合制冷劑流程為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行改進(jìn)，并提出新流程。該流程為采用LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝，保留雙混合制冷劑液化流程的深冷循環(huán)部分，即深冷部分依然為混合制冷劑循環(huán)，同時(shí)將復(fù)雜的預(yù)冷部分替換為LNG冷能預(yù)冷，得到一個(gè)結(jié)構(gòu)更加簡單的氫液化流程，如圖1所示。流程包括LNG預(yù)冷部分、混合制冷劑深冷部分以及氫膨脹制冷及液化部分。預(yù)冷部分采用的LNG組分見表1。

　　H—?dú)洌籆R—制冷劑；Com—壓縮機(jī)；Cooler—冷卻器；HX—換熱器；Exp—膨脹機(jī)；Con—正仲氫轉(zhuǎn)化器；MIX—混合器；TEE—分流器。

　　▲ 圖1 LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝流程

　　▼ 表1 LNG組成

　　在預(yù)冷部分，2.1 MPa的原料氫首先通過Com-1、Cooler-1、Com-2和Cooler-2，經(jīng)兩級壓縮水冷后達(dá)到10 MPa以上的高壓，隨后在換熱器HX-1中被LNG冷卻至-140 °C，并經(jīng)膨脹機(jī)Exp-1，在其自身的膨脹作用下被冷卻至-195 °C左右。之后進(jìn)入一級正仲氫轉(zhuǎn)化器Con-1，使仲氫濃度達(dá)到50%（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）后進(jìn)入深冷系統(tǒng)。深冷循環(huán)采用布雷頓循環(huán)，混合制冷劑CR1在經(jīng)過四級壓縮水冷后，通過分流器TEE-1被分成CR10、CR11和CR12 3股，分別進(jìn)入相應(yīng)的自熱換熱器HX-5、HX-6和HX-7，首先在自冷換熱器中跟自身回流流股CR10.3、CR11.3和CR12.3進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入膨脹機(jī)Exp-2、Exp-3和Exp-4進(jìn)一步獲得低壓低溫，并在深冷換熱器HX-2、HX-3和HX-4中提供冷量給氫流。完成與氫的換熱后，3股制冷劑物流分別返回自冷換熱器HX-5、HX-6和HX-7，為自身來流提供冷量，*后經(jīng)混合器MIX-1匯合，回到壓縮機(jī)入口處，完成閉式循環(huán)。經(jīng)過深冷，液氫（物流H11）溫度達(dá)到-252 °C，仲氫濃度達(dá)到96.48%。液化工藝末端采用膨脹機(jī)Exp-5將液氫壓力降至常壓，*后輸入常壓儲罐儲存。

　　1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

　　Aspen HYSYS含有豐富的物性數(shù)據(jù)，擁有功能強(qiáng)大的物性計(jì)算包，在天然氣處理及氫氣液化等方面應(yīng)用較為廣泛，本文選用Aspen HYSYS軟件進(jìn)行工藝模擬。Peng-Robinson（PR）方程在天然氣、氫氣，以及混合冷劑的氣液相平衡和物性計(jì)算中均具有相對較高的**度，在天然氣及低溫領(lǐng)域的研究中得到了廣泛認(rèn)可 [8]，本文選用PR狀態(tài)方程進(jìn)行熱力學(xué)和相平衡計(jì)算。根據(jù)LNG接收站常規(guī)流程，LNG在進(jìn)入冷能利用單元時(shí)已具有一定壓力；假設(shè)原料氫在進(jìn)入液化系統(tǒng)前，已通過預(yù)處理單元完成純化處理；忽略水冷器、換熱器內(nèi)壓降；參考相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)置模擬參數(shù)如表2所示 [ 8-9,13,16]。

　　▼ 表2 主要模擬參數(shù)設(shè)置

　　正氫與仲氫分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。氫分子有兩種自旋異構(gòu)形式，其中高能態(tài)平行核自旋稱為正氫，低能態(tài)反平行核自旋稱為仲氫。通常情況下氫是正氫和仲氫的混合物，常溫下的氫氣一般含有75%的正氫和25%的仲氫，正氫能級高于仲氫，隨著溫度降低，正氫會(huì)自發(fā)向仲氫轉(zhuǎn)化。正仲氫轉(zhuǎn)化是一個(gè)放熱過程，如果液氫中含有較多正氫，就會(huì)引起液氫明顯的蒸發(fā)。故一般要求液氫產(chǎn)物中仲氫的含量（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）在95%以上。正仲氫自發(fā)轉(zhuǎn)化速率比較緩慢，所以在氫液化流程中需要添加正仲氫轉(zhuǎn)換器加速其轉(zhuǎn)換。同時(shí)，正仲氫轉(zhuǎn)化級數(shù)設(shè)置越多，工藝能耗越小 [17]。因此，本文采用三級轉(zhuǎn)換，在每2個(gè)換熱器中間設(shè)置1個(gè)正仲氫轉(zhuǎn)換器，使進(jìn)料氫在被制冷劑冷卻的同時(shí)不斷被轉(zhuǎn)換，始終保持在正仲氫平衡狀態(tài)。經(jīng)過3個(gè)階段的轉(zhuǎn)化，仲氫的*終含量可達(dá)96.48%。在Aspen HYSYS中，通常使用轉(zhuǎn)換反應(yīng)器來模擬正仲氫轉(zhuǎn)換，并根據(jù)正仲氫平衡比與溫度的關(guān)系曲線進(jìn)行設(shè)置 [18]。

　　▲ 圖2 正氫與仲氫的分子結(jié)構(gòu)

　　2氫液化工藝優(yōu)化算法及模型

　　2.1 優(yōu)化算法

　　氫氣液化過程可以用多種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，而物流復(fù)雜的熱力學(xué)性質(zhì)，以及各優(yōu)化變量之間的非線性關(guān)系使得優(yōu)化問題非凸，使其具有更多的局部*優(yōu)解，因此需要選擇合適的全局優(yōu)化算法。粒子群算法具有簡單易行、收斂速度快、需要設(shè)置的參數(shù)少的特點(diǎn)，本文利用MATLAB編寫了粒子群算法程序?qū)錃庖夯^程進(jìn)行優(yōu)化。總體算法流程如圖3所示。粒子群算法的調(diào)優(yōu)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

　　▲ 圖3 粒子群算法優(yōu)化流程

　　▼ 表3 粒子群算法尋優(yōu)參數(shù)設(shè)置

　　2.2 目標(biāo)函數(shù)

　　本文選取流程生產(chǎn)單位質(zhì)量液氫所需能耗，即比能耗為目標(biāo)函數(shù)，其計(jì)算公式見式(1)：

　　式中， X為包含決策變量的矩陣； SEC為比能耗，kW·h/kg； W Com- i為壓縮機(jī)輸入功，kW； W Exp- j為膨脹機(jī)輸出功，kW； 為液氫質(zhì)量流量，kg/h。

　　選取LNG流量、壓縮機(jī)出口壓力、膨脹機(jī)出口壓力、制冷劑組分比例、制冷劑在自冷換熱器出口溫度及分離器流率等18個(gè)參數(shù)為決策變量。

　　2.3 約束條件與懲罰函數(shù)

　　為確保每次迭代中工藝流程的收斂性和優(yōu)化進(jìn)程的平穩(wěn)性，設(shè)置如下約束條件。

　　（1）預(yù)冷段和深冷段的多流換熱器HX-1~HX-7*小換熱溫差（ MITA）介于1~3 °C。

　　（2）壓縮機(jī)入口處不能有液體，即入口流體的氣相物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1。

　　（3）各級壓縮機(jī)壓比應(yīng)小于5。

　　（4）制冷劑組分含量之和等于1。

　　(5)

　　（5）分流器中流率之和等于1。

　　(6)

　　對以上約束設(shè)置懲罰函數(shù)：

　　(7)

　　式中， MITA為換熱器*小換熱溫差，°C； Vaper為流體氣相分率；in代表入口； r為壓縮機(jī)壓比； p為壓力，kPa；out代表出口； χ為組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)； R為分流器中各分流流股的分流率； α為懲罰因子，當(dāng)不滿足約束條件時(shí)，可根據(jù)液化流程適當(dāng)調(diào)整取值； max代表*大值； gi( X)為與約束相關(guān)的函數(shù)，本工藝中的 gi( X)如表4所示。

　　▼ 表4 LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝約束函數(shù)

　　3氫液化工藝優(yōu)化結(jié)果分析

　　3.1 決策變量優(yōu)化結(jié)果與系統(tǒng)能量分析

　　以圖1所示工藝流程為基礎(chǔ)，工藝參數(shù)按表5“基礎(chǔ)模型”一列選取，利用Aspen HYSYS搭建基礎(chǔ)模型。在基礎(chǔ)模型上，利用前述優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，得到氫液化工藝的優(yōu)化模型，如表5“優(yōu)化模型”一列所示。優(yōu)化后工藝比能耗為5.263 kW·h/kg。相較于基礎(chǔ)模型，優(yōu)化后LNG流量需求稍有增加，為氫氣提供了更多的冷量，使得換熱器HX-1出口處氫氣溫度降低，減少了深冷段的冷量需求。此外，優(yōu)化模型中壓縮機(jī)出口壓力普遍降低，膨脹機(jī)出口壓力均有少許提高，這些變化直接導(dǎo)致了系統(tǒng)能耗的減少。同時(shí)，通過多參數(shù)全局優(yōu)化，制冷劑在自冷換熱器出口處溫度的變化，與其流量、壓力等參數(shù)協(xié)同作用，進(jìn)一步提高了換熱器性能。

　　▼ 表5 LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝決策變量優(yōu)化結(jié)果

　　優(yōu)化后制冷劑組分含量發(fā)生了變化，如表6所示。氦氣組分明顯下降，氫氣組分明顯上升，氖氣組分有少許降低。制冷劑組分含量的調(diào)整降低了其流量需求，減少了系統(tǒng)的壓縮能耗；同時(shí)氦氣組分的降低減少了冷量浪費(fèi)，提高了?效率；氫氣組分的提高使換熱器內(nèi)冷熱負(fù)荷曲線更加吻合，使換熱器性能得到改善。

　　▼ 表6 制冷劑組分優(yōu)化結(jié)果

　　圖4展示了基礎(chǔ)模型和優(yōu)化模型的系統(tǒng)用能情況。可以看到，深冷能耗占系統(tǒng)總能耗的85%以上，故深冷循環(huán)的優(yōu)化是改善系統(tǒng)總體用能的關(guān)鍵。相比于基礎(chǔ)模型，采用PSO算法優(yōu)化后，預(yù)冷能耗降低了5.4%、深冷能耗降低了12.4%，總能耗由.08 kW降低為.51 kW，比能耗由5.955 kW·h/kg減少為5.263 kW·h/kg，降低了11.6%，性能系數(shù)由0.2212提高到0.2503，系統(tǒng)的冷能利用率和運(yùn)行效率明顯提高。以上為未考慮水冷器水泵能耗的情況下計(jì)算的性能參數(shù)。而在取水泵能耗為壓縮機(jī)能耗2%的情況下 [19]，優(yōu)化后系統(tǒng)總能耗為.60 kW，氫液化系統(tǒng)的比能耗為5.382 kW·h/kg，性能系數(shù)為0.2448。目前國內(nèi)外文獻(xiàn)在計(jì)算和比較氫液化工藝性能時(shí)，通常不考慮水泵能耗，為了在相同條件下比較氫液化工藝的性能，在以下的計(jì)算和分析中，也不計(jì)入水泵耗功。

　　▲ 圖4 LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝能量分析

　　3.2 系統(tǒng)?效率與?損分析

　　?效率是判斷系統(tǒng)不可逆性的重要指標(biāo)，通過觀察?損失和?損率等參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能不合理之處。各設(shè)備和物流的?損失可通過?平衡方程計(jì)算 [7]。效率越大，表明系統(tǒng)不可逆程度越小，能量利用越高效。所以設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能提高?效率，從而減少能量損失，提高經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)?效率的計(jì)算公式見式(8)：

　　× 100% (8)

　　式中， η ex為系統(tǒng)?效率，%； 、 分別為液氫、原料氫對應(yīng)的質(zhì)量焓，kJ/kg； 為液氫質(zhì)量流量，kg/h； 、 分別為液氫、原料氫對應(yīng)的質(zhì)量熵，kJ/(kg·K)； W com為壓縮機(jī)輸入功，kW； W pump為泵輸入功，kW； W exp為膨脹機(jī)輸出功，kW； T 0為環(huán)境溫度，298.15 K。

　　由式(8)計(jì)算可得，優(yōu)化后系統(tǒng)?效率為58.18%，相比基礎(chǔ)模型，提高了13.1%。這表明系統(tǒng)不可逆性減小，設(shè)備的能量損失降低，系統(tǒng)的能量利用率得到了提升，系統(tǒng)運(yùn)行更加高效。LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝?損失及?效率如圖5所示。優(yōu)化前系統(tǒng)總?損失為 kW，優(yōu)化后系統(tǒng)總?損失為 kW，減少了14.13%。其中，膨脹機(jī)、冷卻器和換熱器的?損失下降較為明顯，壓縮機(jī)下降幅度較小，轉(zhuǎn)化器的?損失幾乎不變。轉(zhuǎn)化器內(nèi)的?損失源于正仲氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的不可逆性，與轉(zhuǎn)化前后的氫物性直接相關(guān)。優(yōu)化過程中氫液化回路參數(shù)保持不變，因此優(yōu)化過程對轉(zhuǎn)化器?損失影響不明顯。

　　▲ 圖5 LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝?損失及?效率

　　?損率為各設(shè)備?損失與全部?損失的比值。各設(shè)備在優(yōu)化前后的?損率如圖6所示。可以看出，優(yōu)化前后轉(zhuǎn)化器?損率始終*大，歸因于優(yōu)化后轉(zhuǎn)化器?損失不變，而總?損失減小，導(dǎo)致其?損率上升。換熱器和水冷器作為熱量交換設(shè)備，損失比優(yōu)化前分別減少39.7%和24.3%，相應(yīng)的?損率下降至11.96%和15.03%。各主要設(shè)備的?損率由大到小排列順序?yàn)椋恨D(zhuǎn)化器（37.42%）、膨脹機(jī)（22.79%）、水冷器（15.03%）、壓縮機(jī)（12.81%）和換熱器（11.96%）。

　　▲ 圖6 優(yōu)化前(a)和優(yōu)化后(b)設(shè)備的?損率

　　優(yōu)化后系統(tǒng)各設(shè)備的?損失情況如圖7所示。在換熱器中，由于換熱器HX-1負(fù)責(zé)氫氣與LNG的冷量交換，溫區(qū)跨度較大，熱量損失較多，所以?損失*大。在壓縮機(jī)中，深冷段壓縮機(jī)的物流處理量和壓縮能耗遠(yuǎn)大于預(yù)冷壓縮機(jī)，深冷段壓縮機(jī)?損失遠(yuǎn)大于預(yù)冷段。并且，同在深冷段的各級壓縮機(jī)由于壓比近乎一致，所以其間?損失相差不大。同樣，在膨脹機(jī)方面，以制冷劑為工質(zhì)的膨脹機(jī)?損失也遠(yuǎn)大于在氫回路中的膨脹機(jī)。轉(zhuǎn)化反應(yīng)器方面，設(shè)置于預(yù)冷與深冷連接處的一級轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化率較高，因其進(jìn)出口處氫物性相差較大，質(zhì)量焓和質(zhì)量?產(chǎn)生了較大變化，損失*高。水冷器的?損失和與外界交換的熱量有關(guān)，深冷段壓縮機(jī)出口溫度較高，與外界環(huán)境溫度相差較大，因此放熱量與預(yù)冷部分相比較大，導(dǎo)致水冷器在深冷段?損失也相應(yīng)較高。

　　▲ 圖7 優(yōu)化后設(shè)備的?損失

　　3.3 換熱器換熱性能分析

　　換熱器性能是影響整個(gè)系統(tǒng)冷量利用率的關(guān)鍵，換熱器性能表現(xiàn)**的系統(tǒng)可以減少能量浪費(fèi)。基礎(chǔ)模型和優(yōu)化后換熱器的性能參數(shù)如圖8所示。優(yōu)化后換熱器的*小換熱溫差均接近于1 °C，除了LNG預(yù)冷換熱器，其余的對數(shù)平均溫差（ LMTD）均在2 °C以下。和基礎(chǔ)模型相比，優(yōu)化后換熱器內(nèi)溫差下降明顯，表明優(yōu)化后換熱性能得到了很大改善。而優(yōu)化后換熱器的 UA值（傳熱系數(shù) U與換熱面積 A的乘積，MW/°C）普遍增大，尤其是制冷劑自冷換熱器。這意味換熱器傳熱系數(shù)增大，需要更大的尺寸來滿足換熱要求，這也對換熱器的制造帶來挑戰(zhàn)。

　　▲ 圖8 優(yōu)化前后換熱器性能

　　優(yōu)化模型中換熱器冷熱復(fù)合曲線如圖9所示。優(yōu)化后換熱器內(nèi)冷熱流體復(fù)合曲線整體吻合良好，說明本工藝系統(tǒng)換熱性能良好。但是，HX-1中仍存在較大間隔，尤其是-105~25 °C之間，甚至存在夾點(diǎn)溫度高于50 °C，說明該換熱器內(nèi)熱損失較為嚴(yán)重。這是由于HX-1冷量交換溫區(qū)跨度較大，也表明HX-1存在進(jìn)一步的優(yōu)化空間。

　　▲ 圖9 優(yōu)化后換熱器冷熱復(fù)合曲線

　　4系統(tǒng)性能比較

　　4.1 典型氫液化系統(tǒng)性能對比

　　根據(jù)本文的模擬優(yōu)化結(jié)果，將本文提出的氫液化工藝與目前運(yùn)行的典型氫液化系統(tǒng)進(jìn)行對比，如表7所示。相比于目前運(yùn)行的典型氫液化系統(tǒng)，本文工藝相對簡單，且具有較低的比能耗和較高的?效率。

　　▼ 表7 典型氫液化系統(tǒng)性能

　　4.2 概念性氫液化系統(tǒng)性能對比

　　為進(jìn)一步比較本文工藝的性能，選取了各類概念性氫液化工藝中，現(xiàn)有性能較好的工藝系統(tǒng)，如表8所示。將本文工藝與之進(jìn)行對比，除SADAGHIANI等 [8]及以該文獻(xiàn)為基礎(chǔ)的文獻(xiàn) [13]中的工藝，本文工藝具有較低的能耗和較高的效率。雖然SADAGHIANI等 [8]和CHO [13]中工藝的比能耗略小于本文工藝，但在上述工藝中沒有考慮正仲氫轉(zhuǎn)換熱對工藝比能耗的影響。本文研究中，正仲氫轉(zhuǎn)換器采用絕熱轉(zhuǎn)換，考慮了正仲氫轉(zhuǎn)換熱對工藝比能耗的影響，所以兩者不能直接比較。正仲氫轉(zhuǎn)換在極低溫度下進(jìn)行，正仲氫轉(zhuǎn)換過程釋放的轉(zhuǎn)化熱必須進(jìn)行處理，對比能耗影響較大。因此，本文提出的LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝更為合理和高效。此外，本工藝流程結(jié)構(gòu)也相對更為簡單。

　　▼ 表8 概念性氫液化系統(tǒng)性能

　　5結(jié)論

　　本文在已有的雙混合制冷劑氫液化工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、效率高，LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝。利用Aspen HYSYS對工藝進(jìn)行了模擬，并采用PSO算法對工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對工藝系統(tǒng)進(jìn)行了能效分析、分析和換熱器換熱性能分析，同時(shí)與其他氫液化工藝進(jìn)行了性能對比，得到以下主要結(jié)論。

　　（1）LNG冷能的合理利用、混合制冷劑布雷頓深冷循環(huán)、合理的混合冷劑配比、深冷段四級壓縮和三級膨脹以及三級正仲氫轉(zhuǎn)化的應(yīng)用，是本文所提氫液化工藝能耗較低的關(guān)鍵因素。

　　（2）本文工藝采用PSO算法進(jìn)行優(yōu)化后，比能耗可以達(dá)到5.263 kW·h/kg，效率為58.18%，性能系數(shù)為0.2503，優(yōu)于多數(shù)現(xiàn)有氫液化流程。

　　（3）本文工藝流程中，7臺換熱器的*小換熱溫差均接近于1 °C，且換熱器冷熱復(fù)合曲線匹配較好，表明系統(tǒng)換熱性能良好，能量損失少。

　　（4）正仲氫轉(zhuǎn)化器和膨脹機(jī)是系統(tǒng)總?損失中占比較大的部分。在換熱器中，換熱器HX-1由于冷量交換溫區(qū)跨度較大，損失較大；而壓縮機(jī)、膨脹機(jī)和水冷器在深冷段的?損失大于預(yù)冷段，這與其處理的物流物性、物流量及其運(yùn)行工況有關(guān)。

　　本文工藝流程相對簡單，能耗低、效率高，適用于沿海各地的LNG接收站，不僅可以有效利用LNG冷能，而且可以為氫液化工藝的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供新的思路。

　　引用本文：孫恒, 徐嘉明, 王超, 等. LNG預(yù)冷的新型氫液化工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 低碳化學(xué)與化工, 2023, 48(6): 134-141+149. DOI：10./j.issn.2097-2547.

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