بهینه‌سازی انرژی و اکسرژی یک فرآیند کوچک‌مقیاس مایع‌سازی گاز طبیعی از نوع چرخه انبساطی نیتروژن

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد تحقیق و توسعه (مهندس فرآیند)، انستیتو گاز طبیعی مایع (I-LNG)، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دکترای مهندسی شیمی، انستیتو مهندسی نفت (IPE)، استادیار دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 دکترای مهندسی شیمی، انستیتو گاز طبیعی مایع (I-LNG)، استاد دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

فرآیندهای انبساطی نیتروژن، به‌دلیل سادگی و تجهیزات کم، برای واحدهای مایع­‌سازی گاز طبیعی در مقیاس کوچک و بسیار کوچک (مینی) مناسب هستند. با این حال، مصرف بالای انرژی در این فرآیندها، هر تلاشی در زمینه کاهش مصرف انرژی و نیز ارتقاء کیفیت انرژی (ظرفیت کاردهی انرژی) را برای افزایش راندمان و سودآوری فرآیند، مطلوب می‌­نماید. در این تحقیق، یک فرآیند مایع­‌سازی گاز طبیعی از نوع انبساطی نیتروژن با دو توربین با نرم‌­افزار اسپن هایسیس شبیه‌­سازی گردیده و مورد تحلیل قرار گرفت. سپس به منظور بهینه‌­سازی مصرف انرژی در فرآیند، برخی متغیرهای عملیاتی تأثیرگذار، با استفاده از الگوریتم ژنتیک و در محیط نرم‌­افزار متلب تنظیم گردیدند. مصرف ویژه انرژی و مجموع نرخ تخریب اکسرژی که به ترتیب گویای کمیت و کیفیت مصرف انرژی در فرآیند می‌­باشند، توابع هدف بهینه‌سازی هستند که در دو حالت جداگانه (حالت انرژی و حالت اکسرژی) بهینه می‌­شوند. دبی مولی مبرد، دماها و فشارهای پایین و بالای مبرد در چرخه، مهمترین پارامترهای عملیاتی تأثیرگذار می‌­باشند که با تحلیل حساسیت انتخاب شدند. نتایج نشان داد که در هر دو حالت بهینه‌­سازی، مصرف ویژه 1/7 درصد کاهش یافت. اما مجموع نرخ تخریب اکسرژی در حالت اکسرژی، تا 55/9 درصد کاهش پیدا کرد. همچنین راندمان اکسرژی کل فرآیند در حالت اکسرژی تا 4/4 درصد بیشتر از حالت انرژی است که این امر نشان­دهنده برتری انتخاب کیفیت مصرف انرژی به‌عنوان تابع هدف بهینه­‌سازی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

[1] H-M Chang, A thermodynamic review of cryogenic refrigeration cycles for liquefaction of natural gas, Cryogenics 72 (2015) 127-147.
[2] F.M. Fahmy, H.I. Nabih, M. El-Nigeily, Enhancement of the efficiency of the Open Cycle Phillips Optimized Cascade LNG process, Energy Convers. Manage. 122 (2017) 59-70.
[3] Wang, R. Khalilpour, A. Abbas, Thermodynamic and economic optimization of LNG mixed refrigerant processes, Energy Convers. Manage. 88 (2014) 947-961.
[4] S. Khan, I.A.Karimi, M. Lee, Evolution and optimization of the dual mixed refrigerant process of natural gas liquefaction, Appl. Therm. Eng. 96 (2016) 320-329.
[5] A. Çengel, M.A. Boles, Thermodynamics: an engineering approach, eighth ed., McGraw Hill Book Co., New York, 2015.
[6] Venkatarathnam, Cryogenic mixed refrigerant processes, first ed., Springer, New York, 2008.
[7] Vatani, M. Mehrpooya, A. Palizdar, Advanced exergetic analysis of five natural gas liquefaction processes, Energy Convers. Manage. 78 (2014) 720-737.
[8] He, Y. Ju, A novel conceptual design of parallel nitrogen expansion liquefaction process for small-scale LNG (liquefied natural gas) plant in skid-mount packages, Energy 75 (2014) 349-359.
[9] Cipolato, M.C.A. Lirani, T.V. Costa, F.M. Fábrega, J.V.H. d’Angelo, Exergetic optimization of a refrigeration cycle for natural gas liquefaction, in: 11th International Symposium on Process Systems Engineering, 15-19 July 2012, Singapore, pp. 440-444.
[10] M.H. Shirazi, D. Mowla, Energy optimization for liquefaction process of natural gas in peak shaving plant, Energy 35 (2010) 2878-2885.
[11] S. Khan, S. Lee, M. Lee, Optimization of single mixed refrigerant natural gas liquefaction plant with nonlinear programming, Asia-Pac. J. Chem. Eng. 7 (2012) S62-S70.
[12] E. Wahl, S.W. Løvseth, M.J. Mølnvik, Optimization of a simple LNG process using sequential quadratic programming, Comput. Chem. Eng. 56 (2013) 27-36.
[13] He, Y. Ju, Design and optimization of a novel mixed refrigerant cycle integrated with NGL recovery process for small-scale LNG plant, Ind. Eng. Chem. Res. 53 (2014) 5545-5553.
[14] Moein, M. Sarmad, H. Ebrahimi, M. Zare, S. Pakseresht, S.Z. Vakili, APCI-LNG single mixed refrigerant process for natural gas liquefaction cycle: analysis and optimization, J. Nat. Gas Sci. Eng. 26 (2015) 470-479.
[15] Won, J. Kim, Bi-level optimizing operation of natural gas liquefaction process, Comput. Chem. Eng. 96 (2017) 87-102.
[16] Won, K.S. Lee, An energy-efficient operation system for a natural gas liquefaction
process: Development and application to a 100 ton-per-day plant, Comput. Chem. Eng. 97 (2017) 208-219.
[17] N. Pham, N.V.D. Long, S. Lee, M. Lee, Enhancement of single mixed refrigerant natural gas liquefaction process through process knowledge inspired optimization and modification, Appl. Therm. Eng. 110 (2017) 1230-1239.
[18] Alabdulkarem, A. Mortazavi, Y. Hwang, R. Radermacher, P. Rogers, Optimization of propane pre-cooled mixed refrigerant LNG plant, Appl. Therm. Eng. 31 (2011) 1091-1098.
[19] Hatcher, R. Khalilpour, A. Abbas, Optimisation of LNG mixed-refrigerant processes considering operation and design objectives, Comput. Chem. Eng. 41 (2012) 123-133.
[20] A. Perdana, J.A. Indriawan, Optimization of LNG plant operating conditions to Anticipate Leaner feed gas by steady state process simulation, in: 12th International Symposium on Process Systems Engineering and 25th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, 31 May - 4 June 2015, Copenhagen, Denmark, pp. 2585-2590.
[21] Sanavandi, M. Ziabasharhagh, Design and comprehensive optimization of C3MR liquefaction natural gas cycle by considering operational constraints, J. Nat. Gas Sci. Eng. 29 (2016) 176-187.
[22] Ghorbani, M-H. Hamedi, R. Shirmohammadi, M. Hamedi, M. Mehrpooya, Exergoeconomic analysis and multi-objective Pareto optimization of the C3MR liquefaction process, Sustain. Energy. Technol. Assess. 17 (2016) 56-67.
[23] Sun, D.H. Ding, M. He, S.S. Sun, Simulation and optimisation of AP-X process in a large-scale LNG plant, J. Nat. Gas Sci. Eng. 32 (2016) 380-389.
[24] Ding, H. Sun, S. Sun, C. Chen, Analysis and optimization of a mixed fluid cascade (MFC) process, Cryogenics 83 (2017) 35-49.
[25] B. He, Y.A. Ju, A novel process for small-scale pipeline natural gas liquefaction, Appl. Energy 115 (2014) 17-24.
[26] Yuan, M. Cui, Y. Xie, C. Li, Design and analysis of a small-scale natural gas liquefaction process adopting single nitrogen expansion with carbon dioxide pre-cooling, Appl. Therm. Eng. 64 (2014) 139-146.
[27] S. Khan, S. Lee, M. Getu, M. Lee, Knowledge inspired investigation of selected parameters on energy consumption in nitrogen single and dual expander processes of natural gas liquefaction, J. Nat. Gas Sci. Eng. 23 (2015) 324-337.
[28] He, Y. Ju, Optimal synthesis of expansion liquefaction cycle for distributed-scale LNG (liquefied natural gas) plant, Energy 88 (2015) 268-280.