化工装备技术

《化工装备技术》第28卷第3期2007

年57

液化天然气技术与装备

马小明　刘慧华

(华南理工大学工业装备与控制工程学院)

3

　　　摘　要　概括介绍了LNG的关键技术———液化技术,详细介绍了当前主要的液化工

艺,如丙醇预冷却混合制冷剂液化工艺(PPMR)、优化级联液化工艺(OCLP)和双混合制剂液化工艺(DMR)等。同时还介绍了建立LNG工厂时需考虑的其他关键问题,如换热器、压缩机、动力设备及其他设备的选择参考原则。　　　关键词　液化天然气　液化技术　换热器　液化工艺1　LNG工艺过程

　　工序、和常规技术等确定,同时符合供气部分技术装备要求。本文主要介绍了适用于基荷型LNG厂的主要液化流程及其设备。　　图1为典型的LNG工艺流程示意图,工序和设备的技术条件取决于现场条件、气源质

[1]

量及生产技术规范。通常,进入气体处理厂或LNG厂的气体需要分离出重烃,并经仪表计量,其运行压力需控制在工厂设计运行压力范围内。原料线上游天然气要去除影响液化工艺与设备的杂质,包括酸性气体、硫化物、水和汞等。经制冷剂冷却分离出重烃,余下主要成分为甲烷、低于011%/mol的戊烷和重烃气体,最后通过深冷换热器冷却并经闪蒸过冷到-160℃左右液化。　　经冷却、分馏得到重烃、乙烷、丙烷、丁烷。通常乙烷重新注入LNG中,丙烷、

丁烷

图1　LNG工艺流程

可重新注入气源或作为LPG产品输出,剩余产品如戊烷和重组分作为汽油产品输出。其辅助工艺系统:包括燃气(用于发电)、冷却介质(水或空气)、加热介质(蒸汽或热油)系统以及空气和氮气系统等2　液化技术

[2]

。

　　天然气的冷却与液化是LNG工厂的关键工艺。液化技术基于制冷循环,通过压缩机使

3马小明,男,1962年生,硕士研究生导师,副教授。广州市,510640。

5

8液化天然气技术与装备

制冷剂与原料气进行热交换。LNG厂由并行生产线构成,完整的生产线包括冷却、液化及输送等过程,其生产能力取决于液化工艺流程、制冷剂、压缩机/驱动设备的最大功率及

[3]

所采用的换热器。

　　液化过程基本原则是,使源气和制冷剂二者的冷却/加热曲线最大程度地吻合,从而提高液化效率。典型的冷却曲线见图2。

图3　丙烷预冷混合制冷剂液化工艺

进行,经部分液化的制冷剂分成蒸气和液流两

部分,在-35℃～-150℃下对源气进行深冷液化。图2　典型天然气/制冷剂冷却曲线

　　大,制冷剂,使液化效果最优。采用换热表面积较大的、多流道的换热器效果更好,如螺旋缠绕管式或板翅式换热器等。　　下文主要介绍混合制冷剂液化工艺,并强调各工艺的区别。211　丙烷预冷混合制冷剂液化工艺(PPMR)　　自上世纪70年代以来,APCI公司的

[3]

PPMR工艺在世界基荷型LNG厂中占有相当重要的位置,其典型流程见图3。　　图3中,预冷循环用丙烷冷却,液化及深冷循环选用由氮气、甲烷、乙烷及丙烷组成的混合制冷剂。预冷循环在K型釜式换热器中进行,丙烷在三到四个不同压力级别下将源气冷却到-40℃,同时部分液化混合制冷剂。丙烷在壳程沸腾池中蒸发,天然气经管程流出,用带侧管离心压缩机将蒸发的丙烷气流在115～215MPa压力条件下液化并送至丙烷罐中。

混合制冷剂循环在特殊螺旋缠绕管式换热器中

,源气和,自下向上换热,至换热器顶部时源气液化流出。液态混合制冷剂经中间管束加热后再经过焦耳-汤姆逊(J-T)阀或膨胀机在壳程发生闪蒸现象,并流向换热器底部蒸发而使底部管束过冷。混合制冷剂流经顶部低温管束时液化过冷,经焦耳-汤姆逊阀在壳程内闪蒸,然后向下流动,将顶部的管束冷却,与液态冷却剂混合后冷却

[4]

底部管束。将进入MCHE底部的混合制冷剂蒸气,经压缩机加压至415～418MPa,再经空气或水冷却后送入丙烷制冷剂冷却、液化工段,再循环送入主深冷换热器。　　早期多采用离心式压缩机,不同阶段采用不同压缩机,低压LP阶段采用轴流式压缩机,高压HP阶段采用离心式压缩机。新建厂则多采用汽轮机驱动或MS-6000或MS-7000系列燃机驱动。212　美国博莱克・威奇(BV)公司的PRICO

液化工艺　　该工艺是早期用于阿尔及利亚的基荷型LNG厂的一种单级混合制冷流程,目前生产

能力已达130万吨/年,其工艺流程见图4

。

HE)完成。预冷在釜式换热器中进行,制冷剂

经离心压缩机循环,制冷循环由MS-5000系

列燃机驱动。该工艺成本低,缺点是产能有限。

214　Statoil/Linde混合液级联制冷液化工艺　　Statoil/Linde混合液级联制冷液化工艺(MFCP)采用三种混合制冷剂,以实现冷却和液化。其简要流程见图6。

图4　PRICO液化工艺

　　混合制冷剂由氮气、甲烷、乙烷、丙烷及异戊烷组成,源气与制冷剂二者加热/冷却曲线越吻合,完成。环,、控制及附属设备。213　飞利浦优化级联液化工艺(OCLP)　　飞利浦优化级联液化工艺是由上世纪60年代LNG工艺改进而来,以实现对大范围源气进行液化。其工艺流程见图5

。

图6　混合液级联制冷液化工艺

　　一种混合制冷剂流经板翅式换热器完成预冷,液化和过冷则由另两种制冷剂在螺旋缠绕

[5]

管式换热器中完成。该缠绕管式换热器由林德(Linde)公司特制,也可用于预冷阶段。这三种制冷剂分别由丙烷、乙烷和甲烷及氮气以一定的配比组成。三种制冷剂压缩系统相互独立或采用2级串联的整体压缩机。使用螺旋缠绕管式换热器代替传统的制冷换热器,提高了热效率并改善了操作的灵活性215　AxensLiquefin液化工艺

[4]

图5　飞利浦优化级联液化工艺

。

　　源气的冷却和液化经丙烷、乙烷和甲烷在

2～3个不同压力级别的条件下,通过一系列垂直布置于冷箱的铝钎焊板翅式换热器(PF2

　　该工艺用简单流程和标准压缩机达到最优产能,是许多LNG项目较好的选择

[6]

。Lique2

fin液化流程为双混合制冷剂液化流程,见

经济因素包括投资、运营和寿命成本等

。

图7。整个冷却和液化经由板翅式换热器在冷箱中完成,由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及氮气组成两种不同的制冷剂。第一种混合制冷剂分别在三个不同压力下对源气及第二种混合制冷剂预冷,第二种混合制冷剂用于液化及过冷源气。使用混合制冷剂进行预冷却,可达最低温度取决于其组成,如-60℃。该工艺中板翅式换热器无需特制

。

图8　双混合制剂液化工艺

　　(1)动力装置的选择受工艺特性如制冷剂的组成、流量及压力等因素的影响,需使用

不同工艺加以改进,其排列、。,,,以提高利用

L216　壳牌公司的双混合制剂(DMR)液化工艺

　　壳牌公司的双混合制冷剂液化工艺有两个独立的循环单元:-50℃的预冷却单元,冷却液化单元。其流程系统结构与PPMR流程系统结构相似,不同之一在于DMR预冷单元中使用由乙烷、丙烷组成的混合制冷剂,而非纯丙烷;另一不同点是预冷在螺旋缠绕管式换热器中进行,而非在K型釜式换热器中。预冷及液化中的缠绕管式换热器由林德(Linde)公司提供。制冷压缩机由2台MS-7000系列驱动,同时轴流压缩机也作为液化制冷剂压缩阶段的一部分,见图8。3　液化工艺及其他设备选择

[7]

。

　　(2)某些工艺采用特种设备,如APCI和Statoil/Linde工艺中用的螺旋缠绕管式换热器都属特种设备,而某些工艺中用的板翅式换热器则不属特种设备。设备选择的一些参考因素见表1。

　　(3)此外不同的加热/冷却介质类型将直接影响系统和设备性能,在直接或间接加热/冷却系统中,冷媒通常在空气或水二者中选择;对热媒,可考虑蒸汽或热媒油系统。4　结论

　　中国能源消费结构将逐步实现以煤炭消费为主向油气消费为主的过渡,油气资源体系中天然气的地位日益重要。对天然气利用的研究迫在眉睫,液化工艺的选择是LNG厂设计时的首要问题,要根据不同的实际情况选择相应的工艺,以达到最优的效果。通过对比不同工艺的特点,可得到如下参考结论:

　　(1)丙烷预冷却混合制冷剂液化工艺

　　液化工艺及设备的选择主要基于技术和经济因素:技术因素包括工艺系统和设备经验、可靠性、工艺效率、场地条件和环境等方面;

《化工装备技术》第28卷第3期2007年

　表1

　工艺与设备选型参考表

工艺特点操作灵活

结构特点系特种设备,成本高

61

工艺和设备选择缠绕管式换热器板翅式换热器

(PFHE)

需要严谨设计,确

供应商多,低压、

保在多相流换热器

不同温度下均可用

中两相流分布良好高效

只适于大流量系统可靠性不高,严格的操作循环,复杂的操控,运行速度稳定

本低的特点。级联液化工艺的优点是成本低;缺点是产量有限,且维修保养较为繁琐。　　(2)对其他设备及装置的选择也可综合文中提到的各个方面的因素,以获得最佳的方案。

参　考　文　献

[1]　徐文渊,蒋长安著.天然气利用手册[M].北京:

中国石化出版社,2002.

[2]　朱冬生.液化工艺[M].华南理工大学中澳天然气

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[3]　TariqShukri,FosterWheeler.LNGtechnologiesslection

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[4]　SaeidMokhatab,MichaelJEconomides.Processselec2

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uefactionprocesses[A].[C].Australia:1998.

(收稿日期:2006212226)In:LNGPaperSessions12

轴流式压缩机

大型燃气轮机性价比高

大型马达驱动

未经过有规定速度

高效、灵活,可用

要求的特大型

性更高

LNG厂运行简易的压缩系统。

可调控结构以与其操作复杂他不同流程相衔接

采用并行压缩,应所需设备多,压缩用潜力高系统复杂

过程效率低,操作

成本高

混合制冷流程

单制冷剂级联流程

空气冷却

效率较低

(与海水冷却相比)热媒

无水蒸气、水处理

系统实践

大型线生产能力

(PPMR)是目前最普遍使用的工艺,具有产能

高、适应性好等特点。对于小型的LNG厂则可选PRICO液化工艺,它具有结构简单、成炉内燃烧火焰实时可视化检测技术问世

　　在燃煤火力发电机组的锅炉、汽轮机和发电机三大主机中,锅炉引起的非计划停运时间占非计划停运总时间的2/3,故障率最高,又是污染环境的主要根源。现有的燃烧检测技术,包括压力、温度、火检、看火焰电视等,均无法反映整个炉内的燃烧工况。以激光为手段的燃烧检测技术很难应用到炉内过程。声波法高温检测技术至今未能实现三维瞬态温度分布检测。由于缺乏准确的炉内三维燃烧工况实时在线检测技术,炉内燃烧过程的分析和模拟无法得到详尽的验证;锅炉设计、制造单位难以进一步改进锅炉设计方法;当炉内燃烧过程偏离优化工况时,运行人员很难进行有效的识别和调整,可能发生炉管爆漏甚至炉膛爆炸等故障和事故;发电机组的机炉负荷协调控制、汽温控制和燃烧优化控制系统的品质很难进一步改善。

　　据该项目负责人,华中科技大学周教授介绍,本项目是结合热辐射传递、光电图像处理、热工学、自控理论,建立了炉内火焰辐射能量成像和温度成像模型,并在此基础上实现了锅炉炉内燃烧三维温度场实时可视化检测技术的突破。该项技术可同时给出炉内1000个以上离散单元的三维温度场分布数据及其实时显示,三维温度场刷新周期小于5秒,相对误差在5%以内。经专家鉴定,该项技术达到了国际领先水平。进一步从火焰图像中实时计算出炉内辐射能,将其作为炉内燃烧率检测信号,引入发电机组控制系统,改进负荷控制、燃烧控制及汽温控制,变负荷情况下锅炉主汽温波动幅度可减小50%以上;氧量优化后,烟气含氧量可降低015%～110%,机组出力可增加约1%;氮氧化物的排放量可下降10%

～25%,取得了显著的控制效果,是对传统机组协调控制的发

(刘共华)展。