工業(yè)職稱論文發(fā)表LNG液化工藝的應用

　　儲氣柜等其他方式相比更具優(yōu)勢，并且具有建設(shè)投資小、建設(shè)周期短、見效快、受外部影響因素小等優(yōu)點。本文簡述了國內(nèi)外 LNG 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況和 LNG 在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)展的必要性以及發(fā)展和應用前景。

　　《河北工業(yè)科技》(雙月刊)曾用刊名：河北機電學院學報，1984年創(chuàng)刊，主要報道有關(guān)化工、輕工、紡織、機械、染整、電子、通訊、儀表及生產(chǎn)過程自動化、機電一體化、計算機科學與技術(shù)、計算機輔助設(shè)計、材料工程、生物工程、環(huán)境工程、工業(yè)分析、企業(yè)管理等領(lǐng)域應用技術(shù)的研究報告、綜述、述評及實用技術(shù)信息。

　　簡要介紹了目前國內(nèi)外已用于工業(yè)生產(chǎn)的比較成熟的液化裝置工藝方案以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。液化天然氣(LNG)運輸靈活、儲存效率高，用作城市輸配氣系統(tǒng)擴容、調(diào)峰等方面，與地下儲氣庫，介紹國內(nèi)泰安已經(jīng)建成的LNG液化場站的液化工藝流程。

　　一、前言

　　能源是國民經(jīng)濟的主要支柱，能源的可持續(xù)發(fā)展也是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必不可少的條件。目前，我國能源結(jié)構(gòu)不理想，對環(huán)境污染較大的煤碳在一次能源結(jié)構(gòu)中占75% ，石油和天然氣只占20%和2%，尤其是做為清潔燃料的天然氣，與在世界能源結(jié)構(gòu)中占21.3%的比例相比，相差10倍還要多[1]。隨著人類綠色意識的覺醒，環(huán)境保護意識不斷加強，天然氣作為清潔能源，重要化工原料，得到了更為廣泛的利用，天然氣在一次能源消費中的比重，作為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑，目前天然氣消費在世界能源消費結(jié)構(gòu)中的比重已達 35%，成為僅次于石油的第二大能源 [2]

　　二、液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)國內(nèi)外發(fā)展情況：

　　2.1國際LNG發(fā)展情況

　　LNG 是天然氣資源應用的一種重要形式， 2002 年世界 LNG 貿(mào)易增長率為 10.1%，達到1369 億 m3(1997年956億m3)，占國際天然氣總貿(mào)易量的 26%，占全球天然氣消費總量的 5.7%[3]。LNG 主要產(chǎn)地分布在印度尼西亞、馬來西亞、澳大利亞、阿爾及利亞、文萊等地，消費國主要是日本、法國、西班牙、美國、韓國和我國臺灣省等[4]。 LNG 自六十年代開始應用以來，年產(chǎn)量平均以 20% 的速度持續(xù)增加，世界天然氣總產(chǎn)量，從1973年的1.226萬億立方米上升到2001年的3.586萬億立方米。其中，OECD所占比重，從1973年的71.5%下降到2001年的43.4%，前蘇聯(lián)所占比重卻從19.7%增加到27.8%，中東從2.1%增加到9.1%，除中國外的亞洲從1%上升到8.3%，拉美從2.0%上升到4.2%，非洲從0.8%上升到5.3%中國天然氣在世界天然氣總產(chǎn)量中所占比重甚小，1973年為0.4%，2001年為1.3%[5]。

　　2.2 國內(nèi) LNG 的應用現(xiàn)狀

　　在我國，液化天然氣在天然氣工業(yè)中的比重幾乎為零，與世界 LNG 的應用相比，我國確實是剛剛起步。第一家應用于工業(yè)生產(chǎn)并商業(yè)化的 LNG 是中原油田的 LNG 工廠。該廠充分利用了油田氣井天然氣的壓力能，故液化成本低。并且用汽車等燃料和居民燃氣[6]。無法滿足我國經(jīng)濟發(fā)展中對液化天然氣的需求，也與世界上液化天然氣的高速度、大規(guī)模發(fā)展的形勢相悖，但值得稱道的是，我國的科研人員和從事天然氣的工程技術(shù)人員為我國液化天然氣工業(yè)做了許多探索性的工作。

　　在內(nèi)陸，中國建成的LNG衛(wèi)星站已超過40個、調(diào)峰站1座、LNG工廠2座，正在建設(shè)中的LNG工廠有4座，規(guī)劃中的LNG接收站全部建成后總儲存中轉(zhuǎn)能力可達1800萬噸/年。中國的LNG產(chǎn)業(yè)正處在蓬勃發(fā)展的階段[7]。

　　三、LNG液化工藝

　　3.1液化區(qū)現(xiàn)狀

　　目前，LNG場站制冷方式有節(jié)流制冷、膨脹制冷、混合制冷、復疊制冷、帶預冷的混合制冷、雙混合制冷以及單元混合制冷，隨著對天然氣研究的深入，制冷方式也不斷呈現(xiàn)，較常用的制冷方式如下：

　　3.1.1混合制冷

　　混合制冷工藝是目前世界上大型LNG工廠采用最多的技術(shù)路線，優(yōu)點是工藝流程短，液化效率比較高，節(jié)省能耗。缺點是易波動難控制，尤其是開、停車難度大。混合制冷工藝采用氮氣、甲烷、乙烯、丙烷、丁烷和戊烷的混合物作為制冷介質(zhì)。第一、二級增壓后的制冷介質(zhì)經(jīng)冷卻后，進入板翅式換熱器，通過一段冷卻和一級分離，液相進入冷箱冷卻、節(jié)流膨脹提供冷量;氣相則進入第三級壓縮機進一步增壓。增壓后的制冷介質(zhì)經(jīng)水冷后進入板翅式換熱器進一步冷卻，經(jīng)二級分離出氣相和液相，氣、液相制冷介質(zhì)返回冷箱進一步冷卻后，分別進行節(jié)流膨脹，提供冷量，其換熱過程全集中在一個大型的換熱器中(冷箱)。

　　混合制冷采用多組分混合冷劑，利用不同組分的沸點不同、部分冷凝的特點，得到所需不同的溫度級別，將原料氣順序冷卻液化。混合制冷只需一套壓縮機組，工藝流程大為簡化，但由于仍需將冷劑分為不同的溫度級別或壓力級別，導致能耗較高，關(guān)鍵控制點技術(shù)較高，尤其是在制冷劑的配比要求極高。

　　3.1.2復疊制冷

　　典型的復迭式制冷循環(huán)這種工藝選用蒸發(fā)溫度成梯度的多組制冷劑如丙烷、乙烷(或乙烯)、甲烷，通過多個制冷系統(tǒng)分別與天然氣換熱，使天然氣溫度逐漸降低達到液化的工藝，這種方法通常稱為階梯制冷工藝或復迭式制冷工藝。但由于工藝相對來說比較復雜，設(shè)備機組多，給管理維護帶來困難，制冷劑均為易燃易爆的氣體，對工藝要求極高，一旦泄露會產(chǎn)生嚴重的后果，因此對場站的管理和檢維修工作要求甚高。有些采用復迭制冷的大型LNG生產(chǎn)裝置為了提高開工率，每個冷劑系統(tǒng)都配備了雙透平，雖然這樣做可以使裝置即使在某個透平出問題時仍然有可能保持生產(chǎn)，但操作更加復雜，單位造價也大大增加。

　　3.1.3帶預冷的混合制冷

　　這種工藝采用最多的是基于丙烷預冷的混合冷劑制冷工藝。液化所需冷量分兩段提供。高溫段采用丙烷作為冷劑按幾個不同的溫度級別對原料氣和混合冷劑預冷，低溫段先后用不同壓力級別的混合冷劑把原料氣順序液化。這種工藝結(jié)合了復疊制冷與一般的混合制冷的優(yōu)點，工藝流程相對簡單，效率更高，運行費用較低。

　　3.2國產(chǎn)化設(shè)備、國產(chǎn)液化工藝研究

　　根據(jù)已投產(chǎn)的泰安液化場站液化工藝進行研究，所建設(shè)的LNG場站均未采用以上的液化工藝，而是采用單一的氮氣循環(huán)系統(tǒng)，采用氮氣循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點：⑴、制冷劑為氮氣，對工藝的要求比易燃易爆的氣體要求相對底，泄露時不會產(chǎn)生爆炸的危險;⑵、開停車及檢修方便，適用于小型的LNG場站。⑶、氮氣價格低，易于購買;⑷、設(shè)備制造周期短，造價低，適合小型LNG場站建設(shè);⑸、管線中氮氣與空氣置換方便，可靠，對氮氣露點的檢測較方便。⑹、制冷所用的氮氣只需在開車時外購小部分液氮，其余由PSA設(shè)備自產(chǎn)。⑺采用往復壓縮機效率高，容易控制、產(chǎn)量可調(diào)節(jié)范圍比較大。⑻、天然氣處理量調(diào)節(jié)范圍比較大可以在35%-100%之間進行調(diào)節(jié)。⑼、備用膨脹機不需停產(chǎn)可以在線進行切換⑷運行穩(wěn)定性比較強不會因氮氣流量、壓力波動而影響系統(tǒng)運行。⑽、在制冷膨脹過程中，膨脹機出口不會帶液，提高了裝置的安全可靠性。⑾、運行穩(wěn)定性比較強不會因氮氣流量、壓力波動而影響系統(tǒng)運行存在著缺點：⑴、氮氣循環(huán)量大，對于國內(nèi)設(shè)備氮氣壓縮機密封性差，有一定的泄漏率，經(jīng)常補充氮氣量。⑵、對氮氣壓縮機要求較高，氮氣循環(huán)量大，加上國內(nèi)氮氣壓縮機在天然氣液化場站經(jīng)驗不足，時常會出現(xiàn)壓縮機進氣閥的閥座損壞(閥座的材質(zhì)要求高)，影響正常的運行，需材質(zhì)好材料制作閥座確保穩(wěn)定運行。⑶、采用往復活塞式壓縮機的震動大，時間長影響管道的連接及連接附件設(shè)備，造成附件設(shè)備的損壞。⑷往復活塞式壓縮機單臺處理量少，設(shè)備多、加大了動設(shè)備的操作和維護。⑸、天然氣處理量不宜過大。

　　根據(jù)泰安液化場站運行一段時間和在運行中不斷的總結(jié)經(jīng)驗，改進工藝，目前該場站正穩(wěn)定生產(chǎn)。國內(nèi)小型的LNG場站建設(shè)來看，本場站采用氮氣循環(huán)系統(tǒng)和國產(chǎn)設(shè)備，整個場站均采用自主知識產(chǎn)權(quán)工藝，是非常成功的，建設(shè)的周期短，同比同樣的場站縮短一年到一年半的時間，投資少，同比減少近一億元的投資。填補國內(nèi)LNG場站建設(shè)投資、建設(shè)時間、國產(chǎn)化設(shè)備、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化工藝等多項空白，為國內(nèi)LNG場站建設(shè)起著重要的推動作用，同時帶動了國內(nèi)LNG場站國產(chǎn)配套設(shè)備有效的開發(fā)與利用，更重要的是培養(yǎng)了一批LNG領(lǐng)域的科技人員。

　　液化工藝分為：天然氣預冷系統(tǒng)，天然氣液化系統(tǒng)，氮氣循環(huán)系統(tǒng)。

　　3.2.1天然氣預冷

　　天然氣中成分比較復雜，通過凈化工藝，將原料天然氣中的H2O、酸性氣(包含CO2、H2S、COS、有機硫化物)、汞、重烴等雜質(zhì)除去。凈化后天然氣的壓力保持3.0MPa，進入預冷系統(tǒng)，將天然氣的溫度預冷至0±2℃。優(yōu)點：該預冷工藝本機組選用BHDL-系列半封閉螺桿天然氣預冷機組⑴主機采用半封閉螺桿壓縮機;控制采用新穎的PLC可編程控制器。⑵換熱部分蒸發(fā)器和冷凝器全部采用最新研設(shè)的高效換熱器定制加工而成換熱效益高。⑶機組具有體積小，重量輕，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，自動化程度高。⑷機組的控制具有防止不規(guī)范操作的糾錯能力和防誤操作程序，運行可靠性高等特點。缺點:⑴預冷機負荷調(diào)節(jié)范圍較只有0-50%-75%-100%三個調(diào)節(jié)區(qū)，⑵天然氣處理量波動較大時經(jīng)常造預冷機自動停機。⑶如天然氣的熱負荷低于預冷機制冷量的50%時，會影響預冷機的正常連續(xù)平穩(wěn)工作，造成預冷機負荷太低自動停機保護，需人工現(xiàn)場啟動回復，從而使得天然氣在液化區(qū)產(chǎn)生小范圍的波動。

　　采用R407制冷劑預冷工藝流程優(yōu)點：⑴R407C制冷劑是一款由HFC類物質(zhì)組成混配制冷劑，不含任何破壞臭氧層的物質(zhì)，R407制冷劑ODP值為零。⑵R407C化學穩(wěn)定性強、無毒、無可燃性十分安全。⑶制冷劑價格便宜。⑷預冷流程能使冷熱流體換熱溫差減小，使系統(tǒng)換熱效益提高降能耗。缺點⑴預冷深度不夠。

　　3.2.2天然氣液化系統(tǒng)

　　凈化后的天然氣首先在天然氣預冷器中冷卻至0℃進入可切換式板翅式換熱器A或B，流程圖圖一：

　　預冷后的天然氣壓力3.0Mpa、溫度0℃，進入冷箱在板翅式換熱器中與N2制冷劑逆向流動換冷被冷卻至-48℃、壓力降至為2.98Mpa，天然氣進入重烴分離器中，天然氣中C3+ 的烴類物質(zhì)以液態(tài)分離出來(LPG)，送出冷箱，進入LPG儲罐中，天然氣進入到主換熱器中。氮氣由兩股不同溫度氮氣流組成，一部分是從主冷箱中部，溫度為-52℃左右，另一部分氮氣來自高溫透平膨脹機膨脹端，溫度為-95℃左右。根據(jù)換熱器的換熱效果及天然氣處理量調(diào)節(jié)兩股不同溫度氮氣的流量，把板翅式換熱器氮氣進口溫度調(diào)節(jié)至設(shè)計值-52℃、出口溫度調(diào)節(jié)至-9℃。在換熱器中天然氣被冷卻，溫度降至-48℃左右。

　　天然氣在輔冷箱中關(guān)鍵點：⑴、天然氣與氮氣流道的進出口壓差：如天然氣流道進出口壓差增大即原料氣凈化效果不佳：二氧化碳、水含量超標或有固體雜質(zhì)，需調(diào)整凈化系統(tǒng)參數(shù)或更換過濾器。⑵、天然氣出輔冷箱的溫度控制：應根據(jù)原料氣組份進行調(diào)節(jié)保證重烴的分離效果即重烴含量應小于70PPM，如果重烴分離不徹底會造成主冷箱天然氣低溫流道凍堵。⑶、重烴分離器液面應保持一定的高度，應從DCS控制中增加液位高報警與低報警等防護措施，液位低于一定數(shù)值時易引起竄壓，高壓天然氣進入中壓重烴系統(tǒng)中，使容器及管道產(chǎn)生超壓危險。液位過高會使重烴帶入到主冷箱中，造成主冷箱冰堵、憋壓引起冷箱爆裂。

　　天然氣進入主冷箱，與氮氣進一步熱交換，完成天然氣液化轉(zhuǎn)變，工藝流程如圖二：

　　主冷箱采用4只鋁制板翅式分體串聯(lián)換熱器：⑴多只換熱器板束可以并、串聯(lián)焊接在一起形成一只復合板束。在這種情況下，換熱器的高度可以超過制造廠釬接爐所限制的尺寸。⑵每只板翅式換熱器設(shè)計的長度遠遠長于標準的5.8-6.0米增強其換熱能力減小換熱溫差提高換熱效益，

　　進入冷箱液化工段，原料氣經(jīng)R501冷卻至-48后進入主冷箱換熱器EX2、EX3，溫度進一步被冷即至-130℃。再經(jīng)節(jié)流閥(VLV-100)減壓節(jié)流后feed6后，溫度在-142℃左右，壓力0.45MPa進入氣LNG閃蒸罐(S502)進行閃蒸氣液分離，LNG由分離罐底部流出進入LNG儲罐，閃蒸罐(S502)閃蒸出的BOG通過壓力控制閥控制其閃蒸壓力并依次返回主冷箱為EX3、EX2、EX1板塊提供冷量，自身被復溫至常溫32℃至凈化單元做再生氣用。產(chǎn)生的BOG：⑴、部分潔凈的氣體用來作為干燥器再生加熱和冷吹后再經(jīng)BOG經(jīng)增壓機增壓后進入城市管網(wǎng)中。⑵、一部分被復熱后送至導熱油路作為燃料。

　　3.2.3氮氣循環(huán)系統(tǒng)

　　LNG所需要的冷量是由氮氣循環(huán)系統(tǒng)提供。制冷系統(tǒng)主要由三臺氮氣壓縮機、兩組冷卻器、兩并聯(lián)雙溫區(qū)式透平膨脹機組和主冷箱構(gòu)成。

　　透平膨脹機組是利用高壓氮氣膨脹時產(chǎn)生高速氮氣氣流，沖擊透平膨脹機的工作葉輪，使得該葉輪在高速氮氣流的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生一定的動力，通過中心軸帶動增壓端葉輪，使得增壓段氮氣增壓，對其做功。產(chǎn)生動力的氮氣流由于對外做功，膨脹后氣體溫度和壓力下降，從而產(chǎn)生低溫冷量，同時對增壓端產(chǎn)生動力。

　　循環(huán)運行中的氮從主冷箱EX1板塊出來進入低壓氮氣平衡罐，穩(wěn)壓后去往氮氣壓縮機(四臺氮氣往復式壓縮機為三用一備)壓縮至1.8Mpa并由水冷卻器冷卻至常溫，壓縮后的氮氣匯總并分配去高、低溫段膨脹機壓縮機壓縮端進一步增壓至2.3Mpa再匯總經(jīng)水冷器冷即至常溫進入主冷箱EX1板塊進行換熱，其中有一股被冷即至-36℃出EX1板塊后進高溫區(qū)膨脹壓縮機膨脹端進行膨脹降溫、降壓至：-93℃、0.64Mpa后進入主冷箱EX2、EX1板塊分別為天然氣流道、氮氣流道提供冷量自身被復溫至常溫繼續(xù)返回循環(huán)制冷。另一股氮氣出EX1后再進入EX2板塊進一步冷卻降溫至-93℃，再進入低溫膨脹壓縮機膨脹端膨脹降壓至0.64Mpa、制冷降溫至-136℃后進入主冷箱EX3、EX2、EX1、輔冷箱分別為天然氣流道、氮氣流道提供冷量自身被復溫至常溫繼續(xù)返回循環(huán)制冷。

　　氮氣循環(huán)系統(tǒng)應注意的問題：⑴氮氣壓縮機啟動前需對電機進行盤車，確定正常運轉(zhuǎn)。⑵氮氣循環(huán)系統(tǒng)的氮氣壓力不低于0.55MPa，同時確保氮氣露點低于-63℃。⑶冷卻器水流量不得低于90M3/m。⑷避免氮氣壓縮機帶壓啟動，放空缸體氮氣。⑸氮氣壓力超過0.64MPa時，緩慢開啟透平膨脹機進氣閥，緩慢提速，當轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定時，快速打開氮氣進氣閥，防止透平膨脹機速度過快產(chǎn)生飛車事故。⑹確保透平膨脹機的油壓和油溫正常。⑺觀察現(xiàn)場一次壓力儀表氮氣壓力變化，通知中控室現(xiàn)場變化，更好的控制氮氣的補充量。

　　隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，能源化結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，天然氣已作為我國乃至世界主要能源，液化天然氣是天然氣資源應用的一種重要形式，我國將迅速成為 LNG 進口國，并將已極快的速度占領(lǐng)市場。加快對適合我國特點的天然氣液化裝置的工藝技術(shù)研究，加大對相關(guān)應用技術(shù)研究的力度和投入，已成為天然氣應用開發(fā)領(lǐng)域的重要課題之一。因此，發(fā)展 LNG 是目前世界發(fā)展的潮流，而我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展必須以 LNG 的可持續(xù)開發(fā)利用為前提，按照可持續(xù)發(fā)展的要求進行 LNG 的合理開發(fā)利用，具有廣闊的市場前景

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