中小型天然氣液化流程的模擬優(yōu)化和動態(tài)擾動研究

【摘要】：未來30年世界能源需求將增加75%，天然氣需求增長將近65%，到2025年天然氣將占據(jù)世界能源供給的25%，超越煤炭成為世界第二大能源。我國能源消耗中煤炭占據(jù)68.2%，天然氣占據(jù)3.9%。煤炭資源的逐漸枯竭，燃煤產(chǎn)生的高排放和極端霧霾天氣等問題，未來中國的能源將發(fā)生巨大改變，其中天然氣的開發(fā)和應用將迎來快速發(fā)展時期。除常規(guī)天然氣資源外，煤層氣，頁巖氣和海上小氣田等資源的開發(fā)利用是當前天然氣行業(yè)研究的重點。 本文根據(jù)中小型天然氣液化裝置特點，提出四種液化流程設計方案。針對流程的詳細工藝過程和參數(shù)，天然氣進口參數(shù)變化對流程性能影響展開研究。研究手段采用穩(wěn)態(tài)模擬，流程優(yōu)化和動態(tài)模擬相結合的方式，所得出的結論和規(guī)律為中小型天然氣液化設備的開發(fā)和應用提供理論支持。 首先參考相關專利文獻，確定流程模擬各節(jié)點的關鍵工藝參數(shù)，假設進口參數(shù)，天然氣組成和混合制冷劑組成為穩(wěn)態(tài)模擬提供準備，通過HYSYS軟件的穩(wěn)態(tài)模擬模塊對四個液化流程建立模型，對流程的工藝過程進行深入的研究，使用損計算模型和穩(wěn)態(tài)模擬計算結果分析流程的效率。通過API接口在MATLAB環(huán)境下更改天然氣進口參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳入HYSYS模型，觀察液化流程中耗功和混合制冷劑流量的變化規(guī)律。 其次以穩(wěn)態(tài)模型和流程性能變化規(guī)律為基礎，以CII液化流程為例進行液化流程的整體優(yōu)化研究。首先確定優(yōu)化目標函數(shù)，通過流程自由度分析和假設簡化，確定三臺壓縮機出口參數(shù)和制冷劑流量為優(yōu)化控制參數(shù)，使用遺傳算法通過MATLAB和HYSYS模型之間的相互調用實現(xiàn)對流程的整體優(yōu)化，最終編寫優(yōu)化計算和流程控制程序，確定流程運行的最優(yōu)化參數(shù)。 穩(wěn)態(tài)模擬和整體流程優(yōu)化為中小型天然氣液化設備的設計提供工藝基礎和運行參考。液化設備的設計也要考慮進口擾動下的動態(tài)響應特性。以較簡單的PRICO-SMR循環(huán)為例，通過對多股流換熱器，壓縮機，節(jié)流閥等設備建立動態(tài)模型，根據(jù)模型假設對穩(wěn)態(tài)模型進行修改，同時增加PID控制單元，實現(xiàn)模型的動態(tài)環(huán)境下的模擬。以進口壓力溫度和流程擾動源，觀察流程耗功和制冷劑流量變化的動態(tài)過程。 研究所得出的穩(wěn)態(tài)模型的工藝過程、流程性能變化規(guī)律，流程整體優(yōu)化的優(yōu)化程序和得出的最優(yōu)操作參數(shù)以及流程性能對擾動的響應規(guī)律都對中小型天然氣液化裝置的設計提供理論支持。 限于個人知識水平，關于動態(tài)的研究僅是初探，對于環(huán)境參數(shù)變化、管路擾動、冷凝器負荷、設備之間的配合等擾動規(guī)律沒能涉及到。這將是后續(xù)研究的重點。 【關鍵詞】：液化流程 液化天然氣 穩(wěn)態(tài)模擬 遺傳優(yōu)化 動態(tài)響應
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TE646
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目錄10-12
• 第一章 緒論12-25
• 1.1 課題背景及研究目的和意義12-17
• 1.1.1 研究背景12-15
• 1.1.2 課題研究目的和意義15-17
• 1.2 天然氣液化技術17-22
• 1.2.1 大型化天然氣技術發(fā)展17-18
• 1.2.2 中小型化天然氣液化技術18-19
• 1.2.3 天然氣液化技術的分類19-22
• 1.3 中小型天然氣液化流程的開發(fā)和研究現(xiàn)狀22-23
• 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀22-23
• 1.3.2 國內研究現(xiàn)狀23
• 1.4 本文主要內容23-25
• 第二章 天然氣液化流程計算基礎25-35
• 2.1 小型天然氣液化流程設計25-30
• 2.1.1 調峰型天然氣液化裝置26-28
• 2.1.2 撬裝式小型液化流程28-30
• 2.2 混合制冷劑和天然氣物性計算30-32
• 2.3 液化設備的熱力學評價模型32-34
• 2.4 本章小結34-35
• 第三章 液化流程的穩(wěn)態(tài)模擬和參數(shù)影響分析35-65
• 3.1 穩(wěn)態(tài)模擬及基礎條件假設35-38
• 3.1.1 天然氣進口參數(shù)假設36-37
• 3.1.2 參數(shù)影響分析方法37-38
• 3.2 液化流程的穩(wěn)態(tài)模擬38-47
• 3.2.1 CII 流程的模擬38-41
• 3.2.2 DMR 流程的穩(wěn)態(tài)模擬41-43
• 3.2.3 PRICO-SMR 流程的穩(wěn)態(tài)模擬43-45
• 3.2.4 兩級氮膨脹液化循環(huán)的穩(wěn)態(tài)模擬45-47
• 3.3 天然氣進口參數(shù)對流程的影響分析47-63
• 3.3.1 天然氣進口參數(shù)對 CII 液化系統(tǒng)耗功的影響48-52
• 3.3.2 天然氣進口參數(shù)對 DMR 液化系統(tǒng)耗功的影響52-56
• 3.3.3 天然氣進口參數(shù)對 PRICO-SMR 循環(huán)的影響56-59
• 3.3.4 天然氣進口參數(shù)對兩級氮膨脹循環(huán)的影響59-63
• 3.4 流程模擬結果驗證63-64
• 3.5 本章小結64-65
• 第四章 液化流程的優(yōu)化和動態(tài)特性65-79
• 4.1 最優(yōu)化理論和動態(tài)基礎65-68
• 4.1.1 優(yōu)化目標函數(shù)65-66
• 4.1.2 流程自由度分析66-67
• 4.1.3 動態(tài)擾動假設和 PID 模型67-68
• 4.2 基于遺傳算法的 CII 流程優(yōu)化實現(xiàn)68-72
• 4.2.1 遺傳算法與 HYSYS 模型68-70
• 4.2.2 遺傳算法優(yōu)化程序70-72
• 4.3 動態(tài)過程響應72-78
• 4.3.1 主要單元模塊的動態(tài)模型72-74
• 4.3.2 PRICO-SMR 循環(huán)控制結構的設置74-75
• 4.3.3 動態(tài)模型的啟動75-78
• 4.4 本章小結78-79
• 第五章 結論與展望79-82
• 5.1 本文總結79-80
• 5.2 研究展望80-82
• 參考文獻82-85
• 致謝85-86
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文86

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