为解决我国部分油气田中气源含氮量过高,严重影响销售的问题,本文提出采用深冷脱氮的方式使原料气液化的同时脱除氮气,而混合冷剂制冷的天然气液化工艺因其特有的优势将作为本文主要优化研究的液化工艺。基于此,本文以含氮量20%的气源为研究对象,采用最优化理论和改良的(火用)分析方法相结合的方式,利用HYSYS软件对高含氮天然气的液化工艺进行详细的优化与研究,其主要研究成果有:1)天然气液化工艺流程模拟的热力学计算选取了 PR方程作为物性计算的状态方程,通过建立工艺中关键物流的热力学模型,完成了天然气液化过程的相平衡分析、天然气焓、熵值的计算;同时搭建了三个液化流程的HYSYS模型,为下文液化流程的优化计算奠定基础。2)高含氮天然气液化工艺的对比分析基于第二章建立的三种液化流程,分别研究了原料气含氮量对液化流程液化率、比功耗、甲烷回收率、LNG含氮量的影响;同时对天然气液化流程中的主要参数(原料气压力、温度、天然气预冷温度、深冷温度、混合冷剂高压压力、低压压力、低压温度)进行了一系列单一变量的参数研究,并对结果进行了详细分析。3)基于传统(火用)分析方法的天然气液化工艺优化本章以比功耗最小为优化目标,调用HYSYS软件自带的优化器对液化流程中的主要参数进行初步优化,得到的各参数见表3-10～表3-12。其中SMR液化工艺优化后的比功耗降低了 13.8%、C3/MRC液化工艺优化后的比功耗降低了 27.5%、DMR液化工艺优化后的比功耗降低了约15.5%;对优化前后的换热器进行了性能分析,得到:虽然流程优化后,换热器冷热负荷的匹配度更高,但是大多数换热器冷热负荷的匹配度都没有达到最理想状态,说明工艺仍有很大的优化空间;基于传统(火用)分析方法,绘制了三种液化工艺的(火用)流框图,并建立了主要设备的(火用)分析模型,计算了优化前后各设备的(火用)损,得到:SMR液化工艺优化后的(火用)损下降了 5.7%、C3/MRC液化工艺优化后的(火用)损下降了 25.33%、DMR液化工艺优化后的(火用)损下降了 22.98%。4)基于改良(火用)分析方法的天然气液化工艺优化基于改良的(火用)分析方法,建立了液化流程中主要耗能设备(水冷器、压缩机、换热器)的可避免/不可避免(火用)分析计算模型,采用线性方程划分了设备内源性、外源性(火用)损,并基于两种(火用)损的划分形式,建立了设备各部分(火用)损的计算模型。结合传统(火用)分析的结果,将液化工艺中主要设备的(火用)损分为了可避免内源性、可避免外源性、不可避免内源性和不可避免外源性四个部分,并分析了各部分(火用)损的占比情况,找到了引起设备(火用)损的主要原因,由此确定了优化方向,最终提出了优化方案。5)方案优选基于熵权多目标评价法,针对三种液化工艺提出了比功耗、甲烷回收率、经济投资、财务净现值、产品含氮量、动态投资回收期6个评价指标,将各评价指标的影响转化为了综合判断,并采用MATLAB软件编制了熵权多目标评价体系的计算程序及输入界面,大大简化计算过程,最后通过对比评价值Z1(w)=0.2355,Z2(w)=0.1266,Z3(w)=0.6379,确定了优化后的DMR液化工艺为最终的优选方案。方案的比功耗为86450kJ/kmol、(火用)效率为76.36%,产品含氮量为8.41%、甲烷回收率为88.45%。6)LNG质量控制及案例分析对比了节流闪蒸脱氮、精馏塔脱氮两种脱氮工艺,在综合考虑LNG产品质量、液化率后选择了精馏塔脱氮工艺;引入了塔河油田的实际案例,结果表明:在案例中引入了优化后的工艺后,其比功耗、液化率、产品含氮量、甲烷回收率等评价指标具有明显优势,其中比功耗降低了约16.96%、LNG含氮量达到了脱氮标准。最后对案例进行了初步的经济性评价,得到:税后内部收益率为15.6%,净现值842.1万元,均大于行业标准,说明改良后的工艺有较好的盈利能力,可行性较高。