设计一个简单的人工神经网络识别 matlab源程序

神经网络的是我的毕业论文的一部分

4．人工神经网络

人的思维有逻辑性和直观性两种不同的基本方式。逻辑性的思维是指根据逻辑规则进行推理的过程；它先将信息化成概念，并用符号表示，然后，根据符号运算按串行模式进行逻辑推理。这一过程可以写成串行的指令，让计算机执行。然而，直观性的思维是将分布式存储的信息综合起来，结果是忽然间产生想法或解决问题的办法。这种思维方式的根本之点在于以下两点:1信息是通过神经元上的兴奋模式分布在网络上;2信息处理是通过神经元之间同时相互作用的动态过程来完成的。

人工神经网络就是模拟人思维的第二种方式。这是一个非线性动力学系统，其特色在于信息的分布式存储和并行协同处理。虽然单个神经元的结构极其简单，功能有限，但大量神经元构成的网络系统所能实现的行为却是极其丰富多彩的。

41人工神经网络学习的原理

人工神经网络首先要以一定的学习准则进行学习，然后才能工作。现以人工神经网络对手写“A”、“B”两个字母的识别为例进行说明，规定当“A”输入网络时，应该输出“1”，而当输入为“B”时，输出为“0”。

所以网络学习的准则应该是：如果网络做出错误的判决，则通过网络的学习，应使得网络减少下次犯同样错误的可能性。首先，给网络的各连接权值赋予(0，1)区间内的随机值，将“A”所对应的图像模式输入给网络，网络将输入模式加权求和、与门限比较、再进行非线性运算，得到网络的输出。在此情况下，网络输出为“1”和“0”的概率各为50%，也就是说是完全随机的。这时如果输出为“1”(结果正确)，则使连接权值增大，以便使网络再次遇到“A”模式输入时，仍然能做出正确的判断。

如果输出为“0”(即结果错误)，则把网络连接权值朝着减小综合输入加权值的方向调整，其目的在于使网络下次再遇到“A”模式输入时，减小犯同样错误的可能性。如此 *** 作调整，当给网络轮番输入若干个手写字母“A”、“B”后，经过网络按以上学习方法进行若干次学习后，网络判断的正确率将大大提高。这说明网络对这两个模式的学习已经获得了成功，它已将这两个模式分布地记忆在网络的各个连接权值上。当网络再次遇到其中任何一个模式时，能够做出迅速、准确的判断和识别。一般说来，网络中所含的神经元个数越多，则它能记忆、识别的模式也就越多。

42人工神经网络的优缺点

人工神经网络由于模拟了大脑神经元的组织方式而具有了人脑功能的一些基本特征，为人工智能的研究开辟了新的途径，神经网络具有的优点在于:

（1）并行分布性处理

因为人工神经网络中的神经元排列并不是杂乱无章的，往往是分层或以一种有规律的序列排列，信号可以同时到达一批神经元的输入端，这种结构非常适合并行计算。同时如果将每一个神经元看作是一个小的处理单元，则整个系统可以是一个分布式计算系统，这样就避免了以往的“匹配冲突”，“组合爆炸”和“无穷递归”等题，推理速度快。

（2）可学习性

一个相对很小的人工神经网络可存储大量的专家知识，并且能根据学习算法，或者利用样本指导系统来模拟现实环境(称为有教师学习)，或者对输入进行自适应学习(称为无教师学习)，不断地自动学习，完善知识的存储。

（3）鲁棒性和容错性

由于采用大量的神经元及其相互连接，具有联想记忆与联想映射能力，可以增强专家系统的容错能力，人工神经网络中少量的神经元发生失效或错误，不会对系统整体功能带来严重的影响。而且克服了传统专家系统中存在的“知识窄台阶”问题。

（4）泛化能力

人工神经网络是一类大规模的非线形系统，这就提供了系统自组织和协同的潜力。它能充分逼近复杂的非线形关系。当输入发生较小变化，其输出能够与原输入产生的输出保持相当小的差距。

（5）具有统一的内部知识表示形式，任何知识规则都可以通过对范例的学习存储于同一个神经网络的各连接权值中，便于知识库的组织管理，通用性强。

虽然人工神经网络有很多优点，但基于其固有的内在机理，人工神经网络也不可避免的存在自己的弱点:

（1）最严重的问题是没能力来解释自己的推理过程和推理依据。

（2）神经网络不能向用户提出必要的询问，而且当数据不充分的时候，神经网络就无法进行工作。

（3）神经网络把一切问题的特征都变为数字，把一切推理都变为数值计算，其结果势必是丢失信息。

（4）神经网络的理论和学习算法还有待于进一步完善和提高。

43神经网络的发展趋势及在柴油机故障诊断中的可行性

神经网络为现代复杂大系统的状态监测和故障诊断提供了全新的理论方法和技术实现手段。神经网络专家系统是一类新的知识表达体系，与传统专家系统的高层逻辑模型不同，它是一种低层数值模型，信息处理是通过大量的简单处理元件(结点) 之间的相互作用而进行的。由于它的分布式信息保持方式，为专家系统知识的获取与表达以及推理提供了全新的方式。它将逻辑推理与数值运算相结合，利用神经网络的学习功能、联想记忆功能、分布式并行信息处理功能，解决诊断系统中的不确定性知识表示、获取和并行推理等问题。通过对经验样本的学习，将专家知识以权值和阈值的形式存储在网络中，并且利用网络的信息保持性来完成不精确诊断推理，较好地模拟了专家凭经验、直觉而不是复杂的计算的推理过程。

但是，该技术是一个多学科知识交叉应用的领域，是一个不十分成熟的学科。一方面，装备的故障相当复杂;另一方面，人工神经网络本身尚有诸多不足之处:

（1）受限于脑科学的已有研究成果。由于生理实验的困难性，目前对于人脑思维与记忆机制的认识还很肤浅。

（2）尚未建立起完整成熟的理论体系。目前已提出了众多的人工神经网络模型，归纳起来，这些模型一般都是一个由结点及其互连构成的有向拓扑网，结点间互连强度所构成的矩阵，可通过某种学习策略建立起来。但仅这一共性，不足以构成一个完整的体系。这些学习策略大多是各行其是而无法统一于一个完整的框架之中。

（3）带有浓厚的策略色彩。这是在没有统一的基础理论支持下，为解决某些应用，而诱发出的自然结果。

（4）与传统计算技术的接口不成熟。人工神经网络技术决不能全面替代传统计算技术，而只能在某些方面与之互补，从而需要进一步解决与传统计算技术的接口问题，才能获得自身的发展。

虽然人工神经网络目前存在诸多不足，但是神经网络和传统专家系统相结合的智能故障诊断技术仍将是以后研究与应用的热点。它最大限度地发挥两者的优势。神经网络擅长数值计算，适合进行浅层次的经验推理;专家系统的特点是符号推理，适合进行深层次的逻辑推理。智能系统以并行工作方式运行，既扩大了状态监测和故障诊断的范围，又可满足状态监测和故障诊断的实时性要求。既强调符号推理，又注重数值计算，因此能适应当前故障诊断系统的基本特征和发展趋势。随着人工神经网络的不断发展与完善，它将在智能故障诊断中得到广泛的应用。

根据神经网络上述的各类优缺点，目前有将神经网络与传统的专家系统结合起来的研究倾向，建造所谓的神经网络专家系统。理论分析与使用实践表明，神经网络专家系统较好地结合了两者的优点而得到更广泛的研究和应用。

离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。但它的工作原理与活塞式压缩机有根本的区别，它不是利用汽缸容积减小的方式来提高汽体的压力，而是依靠动能的变化来提高汽体压力。离心式压缩机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，叶片就带动汽体运动或者使汽体得到动能，然后使部分动能转化为压力能从而提高汽体的压力。这种压缩机由于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸入，又不断地沿半径方向被甩出去，所以称这种型式的压缩机为离心式压缩机。其中根据压缩机中安装的工作轮数量的多少，分为单级式和多级式。如果只有一个工作轮，就称为单级离心式压缩机，如果是由几个工作轮串联而组成，就称为多级离心式压缩机。在空调中，由于压力增高较少，所以一般都是采用单级，其它方面所用的离心式制冷压缩机大都是多级的。单级离心式制冷压缩机的构造主要由工作轮、扩压器和蜗壳等所组成。 压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器(或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮3(工作轮也称叶轮，它是离心式制冷压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才能将能量传给汽体)。汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮作高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动，从而使汽体的压力和速度都得到提高。由工作轮出来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器4(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速，扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力)。汽体流过扩压器时速度减小，而压力则进一步提高。经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。

二、离心式制冷压缩机的特点与特性

离心式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比较，具有下列优点：

(1)单机制冷量大，在制冷量相同时它的体积小，占地面积少，重量较活塞式轻5～8倍。

(2)由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构，因而工作可靠、运转平稳、噪音小、 *** 作简单、维护费用低。

(3)工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触，从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能。

(4)能经济方便的调节制冷量且调节的范围较大。

(5)对制冷剂的适应性差，一台结构一定的离心式制冷压缩机只能适应一种制冷剂。

(6)由于适宜采用分子量比较大的制冷剂，故只适用于大制冷量，一般都在25～30万大卡／时以上。如制冷量太少，则要求流量小，流道窄，从而使流动阻力大，效率低。但近年来经过不断改进，用于空调的离心式制冷压缩机，单机制冷量可以小到10万大卡／时左右。

制冷与冷凝温度、蒸发温度的关系。

由物理学可知，回转体的动量矩的变化等于外力矩，则

T=m(C2UR2-C1UR1)

两边都乘以角速度ω，得

Tω=m(C2UωR2-C1UωR1)

也就是说主轴上的外加功率N为：

N=m(U2C2U-U1C1U)

上式两边同除以m则得叶轮给予单位质量制冷剂蒸汽的功即叶轮的理论能量头。 U2 C2

ω2 C2U R1 R2 ω1 C1 U1 C2r β 离心式制冷压缩机的特性是指理论能量头与流量之间变化关系，也可以表示成制冷

W=U2C2U-U1C1U≈U2C2U

（因为进口C1U≈0）

又C2U=U2-C2rctgβ C2r=Vυ1/(A2υ2)

故有

W= U22(1-

Vυ1

ctgβ)

A2υ2U2

式中：V—叶轮吸入蒸汽的容积流量（m3/s）

υ1υ2 ——分别为叶轮入口和出口处的蒸汽比容（m3/kg）

A2、U2—叶轮外缘出口面积(m2)与圆周速度(m/s)

β—叶片安装角

由上式可见，理论能量头W与压缩机结构、转速、冷凝温度、蒸发温度及叶轮吸入蒸汽容积流量有关。对于结构一定、转速一定的压缩机来说，U2、A2、β皆为常量，则理论能量头W仅与流量V、蒸发温度、冷凝温度有关。

按照离心式制冷压缩机的特性，宜采用分子量比较大的制冷剂，目前离心式制冷机所用的制冷剂有F—11、F—12、F—22、F—113和F—114等。我国目前在空调用离心式压缩机中应用得最广泛的是F—11和F—12，且通常是在蒸发温度不太低和大制冷量的情况下，选用离心式制冷压缩机。此外，在石油化学工业中离心式的制冷压缩机则采用丙烯、乙烯作为制冷剂，只有制冷量特别大的离心式压缩机才用氨作为制冷剂。

三、离心式制冷压缩机的调节

离心式制冷压缩机和其它制冷设备共同构成一个能量供给与消耗的统一系统。制冷机组在运行时，只有当通过压缩机的制冷剂的流量与通过设备的流量相等时，以及压缩机所产生的能量头与制冷设备的阻力相适应时，制冷系统的工况才能保持稳定。但是制冷机的负荷总是随外界条件与用户对冷量的使用情况而变化的，因此为了适应用户对冷负荷变化的需要和安全经济运行，就需要根据外界的变化对制冷机组进行调节，离心式制冷机组制冷量的调节有：1°改变压缩机的转速；2°采用可转动的进口导叶；3°改变冷凝器的进水量；4°进汽节流等几种方式，其中最常用的是转动进口导叶调节和进汽节流两种调节方法。所谓转动进口导叶调节，就是转动压缩机进口处的导流叶片以使进入到叶轮去的汽体产生旋绕，从而使工作轮加给汽体的动能发生变化来调节制冷量。所谓进汽节流调节，就是在压缩机前的进汽管道上安装一个调节阀，如要改变压缩机的工况时，就调节阀门的大小，通过节流使压缩机进口的压力降低，从而实现调节制冷量。离心式压缩机制冷量的调节最经济有效的方法就是改变进口导叶角度，以改变蒸汽进入叶轮的速度方向(C1U)和流量V。但流量V必须控制在稳定工作范围内，以免效率下降。

1Matlab中有自带的DFIG详细值并网建模，你可以在命令窗口输入demo，然后按照如下图

红色的路径找到该模型

2对于电能质量，主要考虑也是并网点即B575的电压电流，当然也可以再考虑风机出口以及

B25的电压电流。

1、检查风机轴承油位正常，手盘能转动。

2、全开风机出口风门。

3、全关风机进口风门。

4、电机测量绝缘合格，各紧固螺栓已紧固，接地线已连接好。

5、启动电机，等全速后根据需要开进口风门。

并联线段短路。根据电力电子技术原理，像MATLAB风机这种升压式斩波器的输出的直流电压应高于输入电源电压，采用的是与负载并联的滤波电容必须足够大，以保证输出电压的恒定，但是一旦内部并联线段短路，就会使其输出的直流电压变得特别小，需要及时检查，以免出现危险。

主换多股流matlab怎么实现

随着低温制冷技术的不断发展，低温工艺及装备设计制造技术日趋完善，在工业、农业、国防及科研等领域内的作用日益突显，尤其在石油化工、煤化工、天然气、空分等大型成套装备技术领域具有重要地位，已广泛应用于大型液化天然气（LNG）、百万吨化肥、百万吨甲醇、大型气体液化分离等重大系统装备技术工艺流程中。

在LNG工业领域，大力发展LNG产业，提高天然气能源在消费中的比例是调整我国能源结构的重要途径。LNG既是天然气远洋运输的唯一方法，又是天然气调峰的重要手段。随着国内众多LNG工厂的相继投产及沿海LNG接收终端的建设，我国LNG工业进入了高速发展时期，与之相关联的LNG低温制冷装备技术也得到快速发展。LNG液化工艺主要包括天然气预处理、液化、储存、运输、接收、再气化等工艺单元，其中，液化工艺为核心工艺流程，主要应用低温制冷工艺技术制取-162℃低温环境并将天然气液化。根据不同的LNG液化工艺，可设计并加工制造不同的制冷装备，主要包括天然气压缩机、制冷剂压缩机、天然气冷箱、BOG压缩机、气液分离器、大型空冷器、LNG膨胀机、四级节流阀及各种过程控制装备等。储运工艺技术中还包括大型LNG储罐、LNG立式储罐、LNG气化器、LNG潜液泵等。近年来，30万立方米以上LNG系统多采用混合制冷剂板翅式主换热装备及液化工艺技术，60万立方米以上大型LNG系统多采用混合制冷剂缠绕管式主换热装备及液化工艺技术，这两种混合制冷剂LNG液化工艺技术具有集约化程度高、制冷效率高、占地面积小及非常便于自动化管理等优势，已成为大型LNG液化工艺装备领域内的标准性主流选择，在世界范围内已广泛应用。目前，国内的大型LNG装备一般随着成套工艺技术整体进口，包括工艺技术包及主设备专利技术使用费等，造价非常昂贵，后期维护及更换设备的费用同样巨大。由于大型LNG系统装备及主设备大多仍未国产化，即还没有成型的设计标准，因此给LNG制冷装备的设计计算带来了难题。

《液化天然气装备设计技术：液化换热卷》主要围绕LNG混合制冷剂液化工艺及换热工艺中所涉及的主要低温装备，研究开发LNG液化工艺流程中核心主液化装备的设计计算技术，主要包括LNG低温液化混合制冷剂多股流缠绕管式主换热装备、LNG低温液化混合制冷剂多股流板翅式主换热装备、天然气进气压缩机及混合制冷剂压缩机用表面蒸发空冷器、LNG开架式气化器等装备的设计计算技术，为LNG液化、LNG储运、LNG接收及LNG气化等关键环节中所涉及主要设备的设计计算提供可参考样例，并推进LNG系列装备及LNG系统工艺技术的标准化及国产化研究开发进程。此外，近年来由于低温液氮洗、低温甲醇洗等系统工艺技术在低温气体液化分离领域内占比越来越大，应用越来越广泛，而这两套工艺系统内最具特色的装备为大型多股流缠绕管式主换热装备，是目前世界上设计计算难度最大的系列主设备之一，尤其低温液氮用多股流缠绕管式换热器，内含扩散制冷工艺技术且有10股以上低温流体同时进行低温多股流、多相流换热过程，设计计算难度极大，在换热领域内，同LNG低温液化混合制冷剂多股流缠绕管式主换热装备并列为设计计算难度最大的换热装备，本书作者通过多年研究开发，已系统掌握这两种主换热装备的设计计算技术，并通过本书一并呈送相关领域同行借鉴参考。

（1）LNG缠绕管式主换热装备

以目前最流行的MCHE型混合制冷剂LNG液化工艺为例，MCHE主换热器为多股流缠绕管式换热器，主要用于100×104m3/d以上大型LNG液化系统，是整个LNG液化工艺流程中的核心设备，可一次性将36℃天然气冷却至-162℃，并液化。由于MCHE主换热器为工艺型换热器，内含液化工艺，有5种以上混合制冷剂分凝预冷并同时制冷，是一种多股流回热型换热器，也是目前换热器中体积最大、缠绕过程最复杂、设计计算难度最大的换热器。MCHE型缠绕管式换热器管内介质以螺旋方式流动，壳程介质逆流横向交叉通过绕管，换热器层与层之间换热管反向缠绕，管、壳程介质以纯逆流方式进行传热，即使在较低的雷诺数下其流动形态也为湍流，换热系数较高，其结构相对紧凑、耐高压且密封可靠、热膨胀可自行补偿，易实现大型LNG液化作业。美国APCI是LNG领域MCHE最大的供货商，在1977～2013年间，生产了120套LNG装置，其液化能力累计达到43×108t/a。此外，德国Linde公司在近5年内一共生产了累计金属重量达到3120t的多股流缠绕管式换热器应用于LNG工厂。自2010年以来，由兰州交通大学张周卫等主持研究开发LNG缠绕管式换热器等项目，目前，已出版《缠绕管式换热器》专著一部，开发MCHE专用软件一套，申报发明专利12项，发表论文14篇，涉及12类不同温区的缠绕管式换热器，并系统开发了缠绕管式换热器设计计算方法，可用于设计计算LNG专用系统缠绕管式换热器、低温甲醇洗系列缠绕管式换热器、低温液氮洗系列缠绕管式换热器等各种类型缠绕管式换热器。本书给出了专用于计算MCHE型LNG混合制冷剂用缠绕管式换热器的一个计算事例，供相关行业的同行参考。

（2）LNG板翅式换热器

LNG板翅式换热器主要用于30×104m3/d以上大型LNG液化系统，是该系统中的核心设备，一般达到60×104m3/d以上时，采用并联两套的模块化办法，实现LNG系统的大型化。基于板翅式换热器的LNG液化工艺也是目前非常流行的中小型LNG液化系统的主液化工艺。从2013年开始，由兰州交通大学张周卫等开始研究开发大型LNG混合制冷剂用多股流板翅式换热器，并前后开发了LNG混合制冷剂板翅式换热器、LNG一级三股流板翅式换热器、LNG二级四股流板翅式换热器、LNG三级五股流板翅式换热器等系列LNG板翅式换热器，申报发明专利4项。本文根据项目开发情况，给出了LNG混合制冷剂多股流板翅式换热器设计计算模型，供相关行业的同行参考。

（3）表面蒸发空冷器

表面蒸发空冷器常用于天然气压缩机、混合制冷剂压缩机等出口高温气体的冷却过程，其利用管外水膜的蒸发过程进一步强化管外传热过程，从而达到空冷的效果。基本工作原理是用泵将设备下部水池中的循环冷却水输送到位于水平放置的光管管束上方的喷淋水分配器，由分配器将冷却水向下喷淋到传热管表面，使管外表面形成连续均匀的薄水膜；同时用风机将空气从设备下部空气入口吸入，使空气自下而上流动，横掠水平放置的光管管束。此时传热管的管外换热除依靠水膜与空气流间的显热传递外，管外表面水膜的迅速蒸发吸收了大量的热量，强化了管外传热。由于水具有较高的汽化潜热（1atm时为2386kJ/kg），因此管外表面水膜的蒸发大大强化了管外传热，使设备总体传热效率明显提高。本书根据表面蒸发空冷器强化换热原理，给出了一种表面蒸发空冷器的设计计算方法，仅供参考。

（4）LNG开架式气化器

LNG开架式气化器是用海水作为热媒将液态LNG气化为气体。开架式气化器结构简单，外部接口有LNG入口、气化后的LNG出口以及海水进出口、换热管安装在框架结构内。气化器的基本单元是传热管，由若干传热管组成板状排列，两端与集气管或集液管焊接形成一个管束板，再由若干个管束板组成气化器。LNG从下部总管进入，然后分配到每个小的换热管内，在换热管束内由下向上流动。气化器顶部装有海水分布装置，海水由顶部进入，经分布器分配成薄膜状均匀沿管束外壁下降，同时将热量传递给管内液化天然气，使其加热并气化。本书根据LNG开架式气化器工作原理，给出了一种LNG开架式气化器的设计计算方法，仅供参考。

（5）低温液氮洗用多股流缠绕管式换热器

与LNG缠绕管式换热器设计相关联的低温液氮洗用多股流缠绕管式换热器主要应用于液氮洗工艺，主换热工艺流程主要包括三个阶段，由三个不同换热温区的换热器组成，其中，第一个阶段是将压缩后的高压氮气进行预冷，将42℃高压氮气预冷至-636℃；第二个阶段是将高压氮气及低温甲醇工艺来的净化气从-636℃冷却至-1272℃，为低温液化做准备；第三个阶段是将-1272℃高压氮气冷却至-188℃并液化及将-1272℃净化气冷却至-1882℃，三个过程连续运行并连接成为一个整体式低温液氮回热换热装备。本书给出了低温液氮洗用多股流缠绕管式换热器设计计算模型，供相关行业的同行参考。

本书共分6章，第1章、第2章、第3章由张周卫、郭舜之负责撰写并编辑整理，第4章、第5章、第6章由汪雅红、赵丽负责撰写并编辑整理；全书最后由张周卫统稿。

本书受国家自然科学基金（编号：51666008）、甘肃省财政厅基本科研业务费（编号：214137）、甘肃省自然科学基金（编号：1208RJZA234）等支持，在此表示感谢！

本书按照目前所列装备设计计算开发进度，重点针对5项装备进行研究开发，总结设计计算方法，并与相关行业内的研究人员共同分享。由于水平有限、时间有限及其他原因，本书难免存在不足之处，希望同行及广大读者批评指正。

兰州交通大学

张周卫 郭舜之 汪雅红 赵丽

2017年12月1日

第1章 绪论

液化天然气（LNG）是将天然气冷却至-162℃并液化后得到的液态天然气，常压下储存，经远洋运输至LNG接收站，再气化打入天然气管网，或在LNG陆基工厂将陆地开采的天然气直接液化，经LNG槽车运输至接收站，再气化后打入天然气管网，供城镇居民或工业燃气使用。LNG作为继石油、煤炭、天然气之后的第四类新能源，来源于天然气并成为当今世界能源消耗中的重要部分，是天然气经脱水、脱硫、脱CO2之后的无色透明低温液体，其体积约为气态天然气体积的1/630，重量仅为同体积水的45％左右，通常储存在-162℃、01MPa左右的低温储存罐内。天然气由甲烷、乙烷、丙烷及其他杂质气体等主要成分构成，不同产地的天然气所含气体成分不同，所用的LNG液化工艺及装备依据产量及成分不同而有较大差别。

11 LNG应用领域

LNG是天然气脱除杂质并液化后的产物，作为燃料主要应用于城镇燃气、工业燃料、燃气发电及LNG汽车等领域。由于LNG为低温液体，具有自增压功效，在常温常压下直接将LNG打入自增压容器，并将自增压容器连入管网后，在天然气应用高峰期起到管网增压调峰的作用。

（1）城镇燃气

LNG是一种非常理想的清洁燃料，燃烧后的产物几乎没有环境污染。近年来，随着国家能源结构的不断调整，LNG作为替代煤炭、石油等的主要能源，已广泛应用于城镇燃气等领域。LNG燃烧后产生的二氧化碳和氮氧化合物仅为煤的50％和20％，污染为液化石油气的1/4，煤的1/800。LNG作为管道天然气的调峰气源，可对城市燃气系统进行调峰，保证城市天然气管网安全平稳供气。LNG自增压调峰装置已广泛用于天然气输配系统中，并对民用和工业用气的波动性进行调峰，尤其针对冬季采暖用气调峰具有非常重要的作用。

（2）LNG发电

LNG具有燃烧清洁的特性，已经成为全球新建电厂的主要能源。与煤电相比，LNG发电具有污染少、运行灵活、占地小、消耗低、投资省等优势。日本一直是世界上LNG进口最多的国家，其LNG进口量的75％以上用于发电，用作城市燃气的占20％～23％。韩国也是LNG进口大国，其电力工业是韩国天然气公司的最大客户，所消费的LNG占该国LNG进口总量的50％以上。

（3）工业燃料

应用以LNG作为工业燃料燃气系统，可有效替代燃煤、燃油锅炉等供热设备，节约除尘、脱硫、脱氮等工艺成本，有利于环境保护，提高产品质量、减轻劳动强度，为企业带来良好的经济、社会和环境效益。LNG可应用于造纸、冶金、陶瓷、玻璃等能源消耗较大的行业，上述行业企业往往距离城市或天然气管线较远，或者根本无法连接管道天然气时，使用LNG的优势更加明显。

（4）化工原料

LNG也是一种优质的化工原料。以LNG为原料的一次加工产品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近20种，经二次或三次加工后的重要化工产品则包括甲醛、乙酸、碳酸二甲酯等50种以上。与用其他原料相比，以LNG为原料的化工产品装置投资省、能耗低、占地少、人员少、环保性好、运营成本低。

（5）LNG汽车

LNG汽车燃烧排出的一氧化碳、氮氧化物与烃类化合物水平都大大低于汽油、柴油发动机汽车，排放过程不积炭、不磨损，而且具有续驶里程长、燃烧效率高等特点，运营费用很低，是一种环保型汽车，目前国内外都在大力发展LNG汽车。

（6）LNG冷能利用

-162℃低温LNG在1atm（1atm=101325Pa）时转变为常温气态的过程中可提供大量的冷能。LNG在常温下约有836J/kg的冷能，将这些冷能回收，还可以用于多种低温用途上，如使空气分离而制造液态氧、液态氮；液化二氧化碳并制取干冰；制造冷冻食品或为冷冻仓库提供冷量等。

12 LNG工厂国内外发展现状

LNG液化装置具有投资费用大、配套要求严格、 *** 作条件特殊（如 *** 作压力从高压到低压， *** 作温度由环境温度到-162℃等）的特点。LNG液化装置按其生产性质一般分为基本负荷型、调峰型、终站型和卫星站型四种。基本负荷型是指所生产的LNG主要供远离气源的用户使用或出口外运的大型液化装置；调峰型主要建在远离天然气气源的地区，用于液化管输来的天然气；终站型接收站用于接收油轮从基地型LNG生产厂运来的LNG，在站内加以储存和气化后分配给用户；LNG卫星站是一种小型的LNG接收和气化站，用于接收从LNG终端接收站或液化装置用专用汽车槽车来的LNG。

121 国外发展及现状

世界上第一个基本负荷型LNG生产厂于1964年建于阿尔及利亚，之后一批新的基本负荷型LNG生产厂在亚洲、非洲、大洋洲、北美洲等地相继建成。世界上LNG调峰型生产装置约有70多个，美国和加拿大有50多个，欧洲和澳大利亚10多个，这些调峰型装置可储存17×106t的LNG，能液化132×106m3/d的天然气，能气化132×106m3/d的天然气。经过40多年的发展，LNG接收站已遍及日本各地和英国、法国、意大利、西班牙、韩国等国家，世界现有40多个LNG接收站，日本拥有最多，多达30个，美国包括在建的终端站有17个。欧美各国和俄罗斯是通过建全国天然气管网而实现全国城镇燃气化的，而日本基本上是用LNG接收站加LNG卫星站实现全国城镇燃气天然气化的。采用LNG卫星站供应天然气的城镇比例在日本已达20％左右，美国在20世纪80年代初约有22个卫星调峰装置。

122 国内发展及现状

为了推动能源结构变革，改善生态环境、发展经济，近十年来，中国LNG产业开始迅速发展。目前中国已建成运营的LNG工厂有50多座，总液化能力2300×104m3/d，正在建设或调试的有60多座，全部建成后年产能可达208×108m3/d。2001年，我国第一座10×104m3/d小型天然气液化装置—中原LNG工厂在中原油田试运行成功，虽然规模不大，但标志着我国在生产LNG方面迈开了关键的一步。之后，2004年新疆广汇50×106m3/d LNG工厂建成投产，以及2008年宁夏哈纳斯200×104m3/d LNG工厂的建设等项目，标志着我国大规模工业生产LNG的开始，并对国家“西气东输”主干管网以外的广阔市场进行供气。国内LNG工厂大多建在西北及华北地区，其中，西北地区目前已建成LNG工厂13座，产能1110×104m3/d；华北地区目前已建成LNG工厂22座，产能745×104m3/d；华东地区目前已建成LNG工厂3座，产能29×104m3/d；西南地区目前已建成LNG工厂8座，产能272×104m3/d；华南地区目前已建成LNG工厂3座，产能100×104m3/d；东北地区目前已建成LNG工厂3座，产能52×104m3/d。

2000年始建于上海的LNG事故调峰站是我国第一座调峰型天然气液化装置，生产能力为30×104m3/d，储存能力为2×104m3/d，再气化能力为120m3/d，主要用于东海天然气中上游工程因不可抗拒的因素造成停产、冬季调峰时向管网提供可靠的天然气供应等。上海调峰站的建成，开启了我国LNG城镇燃气调峰之路。近些年来，国内陆续建成30×104m3/d LNG调峰站30多座。我国西北部天然气储量丰富，人口稀少；东南沿海天然气储量较少，人口密集，经济发达，因而较西部有更大的LNG需求，仅依靠“西气东输”显然不能满足东南部发展的需要，还需要大量进口海洋LNG。目前，国内沿东南沿海各个省份已建成投运大型LNG接收站6座，总接收能力242 ´107t/a，其中深圳大鹏600万吨/a LNG站是中国第一座投入商业运行的LNG接收站。地处福建、上海、江苏、大连、浙江的5座LNG接收站也相继投产。此外，我国已在青岛等地建有LNG卫星站，我国LNG卫星站设计、建造及陆上运输技术已基本成熟，相关装备可国产化，且价格便宜，具有一定的竞争力。

13 LNG产业链

LNG产业链是一条贯穿天然气产业全过程的投资巨大且技术密集的完整产业链条，主要由天然气勘探开采、天然气预处理、LNG液化、LNG储运、LNG接收、LNG再气化等工艺流程链条组成。除了LNG生产链条外，还包括LNG装备制造业产业链，主要包括LNG系列换热器、天然气压缩机、混合制冷剂压缩机、LNG系列储罐、LNG系列低温阀门等。由陆地或海洋开采的天然气在LNG工厂经过预处理后再进行液化，生产的LNG按照国际贸易流程，通过船运或槽车运输到LNG接收站储存，再气化后经天然气管网送至不同用户。从LNG生产流程来讲，整个LNG产业链主要包括上、中、下游三个环节（图1-1）。

（1）LNG上游产业链

上游产业链主要包括天然气勘探、开发、净化、分离、液化等几个环节。其中，天然气液化是LNG产业链上游中的关键环节。液化的主要作用是持续不断地把原料气液化成为LNG，其主要步骤包括：①预处理工艺，即从天然气原料气中脱水、脱碳、脱硫、脱杂质等；②脱重烃工艺，即脱除天然气中的冷凝温度较高的重烃馏分；③LNG液化工艺，即用深冷剂将原料气冷却并冷凝到-162℃，使其成为液态LNG产品。

（2）LNG中游产业链

中游主要包括LNG储存、装卸、运输、接收等环节，包括LNG储罐和再气化设施及供气主干管网的建设等环节。LNG储存是指LNG被储存在接近1atm的LNG储罐中，最常见的大型LNG储罐有单包容储罐、双包容储罐、全包容储罐等，LNG储罐是LNG液化末端或接收终端的关键设备；LNG运输是指通过LNG槽车或LNG运输船将LNG运送到终端站；LNG接收站是连接终端市场及用户的关键环节。在LNG接收站，LNG通过码头从运输船卸载、储存LNG，然后再气化后变成普通管道气输送至LNG发电厂或通过当地分销网络作为燃料气输送至LNG终端用户。

（3）LNG下游产业链

LNG下游产业链即LNG终端市场用户，主要包括LNG联合循环电站、城市燃气公司、工业锅炉用户、分布式能源站、天然气加气站，以及其他工业燃料或化工原料用户等。另外，可向下延伸至LNG卫星站、LNG加注站及冷能利用等与LNG相关的所有产业。

图1-1 LNG产业链示意

14 LNG产业链各环节主要工艺概述

141 LNG净化工艺

预处理前的天然气在进入长输管线时，其中含有有害杂质及深冷过程中可能凝固的物质，如CO2、H2S、H2O、重烃、汞等，这些杂质气体应在天然气液化之前进行工艺分离，以免在冷却过程中冷凝并堵塞管道及产生严重管路腐蚀。一般工艺流程中，首先，应脱除重烃，然后用醇胺法除去CO2和H2S；其次，用分子筛吸附天然气中的H2O；接着，用脱氧工艺脱除天然气中的O2；最后，在需要的情况下脱汞。

天然气脱水工艺方法主要有变压吸附法，一般采用两个分子筛干燥塔切换吸附与再生流程，交替吸附及脱吸过程，从而达到连续脱除的目的。固体干燥剂种类很多，还可采用氯化钙、硅胶、活性炭、分子筛等。吸附法脱水工艺流程如图1-2所示。

图1-2 吸附法天然气脱水典型工艺流程示意

在天然气预处理过程中，脱除酸性气体CO2、H2S、COS等过程常称为脱硫脱碳过程。常用的脱硫方法有醇胺法、热钾碱法、砜胺法等，其中，醇胺法是利用以胺为溶剂的水溶液，以乙醇胺、二乙醇胺为溶剂，与原料天然气中的酸性气体发生化学反应来脱除酸性气体，其工艺流程见图1-3。

图1-3 醇胺法脱硫装置的典型工艺流程

当汞存在于铝制设备时，铝会与水反应生成白色粉末状的腐蚀产物，严重破坏铝制设备，而且汞还会造成环境污染等危害，所以汞的含量应受到严格的限制，脱除汞的方法是汞与硫在催化反应器中反应。重烃是指C5以上的烃类，在烃类中，分子量由小到大时，其沸点是由低到高变化的，所以在冷凝天然气的循环中，重烃总是先被冷凝，如果未把重烃先分离掉，或在冷凝后分离掉，则重烃将可能冻结从而堵塞设备。重烃在脱水时被分子筛等吸附剂部分脱除，其余的采用深冷分离。天然气是氦的最主要来源，应加以分离利用。采用膜分离和深冷分离相结合的方式脱除，有很高的利用价值。氮气的含量增加会使天然气液化更困难，一般采用最终闪蒸法从LNG中选择性脱除。

142 LNG液化工艺

由于天然气临界温度较低，在常温下不能用压缩的方法使其液化，只有在低温深冷下才能使其变为液体，即原料天然气经净化预处理后，进入换热器进行低温冷冻循环，并冷却至-162℃液化。液化是LNG生产的核心，目前成熟的天然气液化工艺有级联式液化工艺、混合制冷剂液化工艺、带膨胀机的液化工艺等。近年来，大型LNG系统大多采用以混合制冷剂多股流缠绕管式主换热装备作为主液化装备的MCHE型液化流程，主要应用于60×104m3/d以上大型液化系统。30×104m3/d以上大型液化系统一般采用混合制冷剂多股流板翅式主换热装备作为主液化设备。

（1）级联式液化流程

级联式天然气液化工艺（图1-4）是利用低温制冷剂常压下沸点不同，逐级降低制冷温度达到天然气液化目的，一般采用三级制冷，液化流程中各级所用制冷剂分别为丙烷（大气压下沸点-423℃）、乙烯（大气压下沸点-104℃）、甲烷（大气压下沸点-162℃），每个制冷循环设置三个换热器。该液化流程由三级独立的制冷循环组成，第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量。

图1-4 级联式天然气液化工艺流程

（2）混合制冷剂液化流程

混合制冷剂制冷循环（MRC）是以C1～C5的烃类化合物及氮气等组分的混合制冷剂为工质，进行逐级冷凝、蒸发、节流制冷，从而得到不同温区的制冷量，使天然气逐步冷却直至液化。混合制冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及氮气等组成。

混合制冷剂液化流程主要分为闭式混合制冷剂液化流程（图1-5）、开式混合制冷剂液化流程（图1-6）、丙烷预冷混合制冷剂液化流程（图1-7）、MCHE型混合制冷剂液化流程（图1-8）等多种流程。在闭式液化流程中，制冷循环与天然气液化过程分开并形成独立封闭的制冷循环；在开式液化流程中，天然气既是制冷剂又是需要液化的对象；丙烷预冷液化流程由混合制冷剂循环、丙烷预冷循环、天然气液化回路三部分组成，其中丙烷预冷循环用于混合制冷剂和天然气，混合制冷循环用于深冷和液化天然气；MCHE型混合制冷剂液化流程中，混合制冷剂制冷循环为封闭循环，主液化设备只有一台多股流缠绕管式主换热器（MCHE），天然气从主液化设备MCHE底部进入，从顶部出来时已液化为LNG。MCHE型混合制冷剂液化天然气流程是目前世界范围内最流行的大型LNG液化工艺流程，具有经济节能、能效比高、便于管理、占地面积小等优点。

图1-5 闭式混合制冷剂液化流程

图1-6 开式混合制冷剂液化流程

图1-7 丙烷预冷混合制冷剂液化流程

图1-8 MCHE型混合制冷剂液化工艺流程

（3）带膨胀机的液化工艺

带膨胀机液化是利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳特循环制冷并实现天然气液化的目的。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能够输出功，可用于驱动流程中的压缩机。带膨胀机的液化流程分为氮气膨胀液化流程（图1-9）、天然气膨胀液化流程（图1-10）、氮-甲烷膨胀液化流程等。

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