Optimization of Mixed Fluid Cascade natural gas liquefaction plant feed stream pressure

Abstract

This paper presents the results of a study on optimising the feed stream pressure of the Mixed Fluid Cascade natural gas liquefaction cycle. The objective is to optimise the pressure of the feed stream to distribute heat effectively over the cooling stages and reduce the energy cost of the cycle. To achieve the goal, the following tasks have been done: constructing the mathematical model of the cycle, performing the calculation experiment for different values of the feed stream pressure to determine energy characteristic values, and determining the optimal values of feed stream pressure. The flow characteristics of the working substances in the cycle are determined based on the Peng–Robinson–Stryjek–Vera equations of state and Benedict–Webb–Rubin. The mass flow of the working substance is calculated for each cycle's stage heat load, at both constant and different values of the working point temperatures. The distribution of heat load for liquefying 1 kg of natural gas by stages is displayed, and achievable working point temperatures of the feed flow are determined. The energy consumed by the compressor units and the amount of compression heat dissipated are calculated. The study's main finding is that the optimal feed pressure in the Mixed Fluid Cascade cycle is higher than the standard pressure. The significance of the obtained results lies in the significant reduction of energy costs of the Mixed Fluid Cascade cycle at a feed stream pressure of 13 MPa.

Această lucrare prezintă rezultatele unui studiu privind optimizarea presiunii fluxului de alimentare a ciclului de lichefiere a gazelor naturale în cascadă de fluide mixte. Obiectivul este de a optimiza presiunea fluxului de alimentare pentru a distribui eficient căldura pe etapele de răcire și pentru a reduce costul energiei ciclului. Pentru atingerea scopului, au fost realizate următoarele sarcini: construirea modelului matematic al ciclului, efectuarea experimentului de calcul pentru diferite valori ale presiunii fluxului de alimentare pentru a determina valorile caracteristice energetice și determinarea valorile optime ale presiunii curentului de alimentare. Caracteristicile de curgere ale substanțelor de lucru în ciclu sunt determinate pe baza ecuațiilor de stare PengRobinson–Stryjek–Vera și Benedict–Webb–Rubin. Debitul masic al substanței de lucru este calculat pentru sarcina termică a fiecărei etape a ciclului, atât la valori constante, cât și la valori diferite ale temperaturilor punctului de lucru. Este afișată distribuția încărcăturii termice pentru lichefierea a 1 kg de gaz natural pe trepte și se determină temperaturile de lucru realizabile ale fluxului de alimentare. Se calculează energia consumată de unitățile compresoare și cantitatea de căldură de compresie disipată. Principala constatare a studiului este că presiunea optimă de alimentare în ciclul Mixed Fluid Cascade este mai mare decât presiunea standard. Semnificația rezultatelor obținute constă în reducerea semnificativă a costurilor energetice ale ciclului Mixed Fluid Cascade la o presiune a fluxului de alimentare de 13 MPa.

В работе представлены результаты исследования по оптимизации давления сырьевого потока цикла ожижения природного газа Mixed Fluid Cascasde. Целью данной работы является оптимизация давления сырьевого потока ожижаемого газа в цикле Mixed Fluid Cascade, обеспечивающая эффективное распределение тепловой нагрузки по ступеням охлаждения и снижение общих энергетических затрат цикла. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: построение математической модели цикла, проведение вычислительного эксперимента для различных значений давления потока сырья с определением значениях энергетических характеристик цикла, определение оптимальных значений давлений сырьевого потока. В рамках исследования смоделирован цикл Mixed Fluid Cascade. Свойства потоков рабочих веществ цикла определены на основании уравнений состояния Пенга–Робинсона в модификации Стрижека–Веры и Бенедикта–Вебба–Рубина. Для каждой ступени цикла рассчитаны тепловая нагрузка, массовый расход рабочего вещества при значениях давления сырьевого потока от 5 МПа до 25 МПа при постоянных значениях температур рабочих точек. Показано распределение общей тепловой нагрузки на ожижение 1 кг природного газа по ступеням. Рассчитаны достижимые температуры рабочих точек потока природного газа при постоянстве расходов рабочих веществ, соответствующих стандартному варианту цикла. Полученные значения использованы для определения энергетических затрат цикла. Определено количество энергии, потребляемое компрессорными установками ступеней и количество отводимой теплоты сжатия. В результате выявлено наличие оптимальных значений давления сырьевого потока, соответствующих минимальным энергетическим затратам на ожижение природного газа. Наиболее важным результатом исследования является определение оптимального значения давления сырьевого потока цикла Mixed Fluid Cascade, превышающее стандартное. Значимость полученных результатов состоит в значительном снижении энергетических затрат цикла Mixed Fluid Cascade при давлении сырьевого потока 13 МПа. Обоснована целесообразность применения дополнительного дожатия сырьевого пока газа в цикле Mixed Fluid Cascade. Предложены решения по оптимизации работы цикла.