天然氣液化工藝技術(shù)比較

1、天然氣液化工藝技術(shù)比較 基本負荷型 LNG 大多采用丙烷 / 混合制冷（ C3/MR） 工藝 （ C3 是工藝代號） ， 該工藝是由空氣產(chǎn)品及化學公司 APCI （ Air Product s and Chemicals Inc.）于 20 世紀 70 年代 發(fā)明的， 全世界大約95%的LN G工藝是在該工藝的基礎(chǔ)上演 變而來的， 該工藝通常采用蒸汽輪機或燃氣輪機驅(qū)動壓縮機， 冷卻方式可采用水冷和空冷等。近年來， 隨著低溫熱交換器制 造技術(shù)的發(fā)展， 丙烷 / 混合制冷工藝得到更加廣泛的運用， 裝 置的生產(chǎn)規(guī)模達到了每年 400X104 t 。 近期LNG工業(yè)快速增長再次刺激了 LN G工藝的技

2、術(shù)發(fā)展， 也使一些傳統(tǒng)的 LNG 生產(chǎn)工藝得到了關(guān)注，尤其是混凝土結(jié)構(gòu) 的、駁船型、浮式 LNG 裝置等小規(guī)模 LNG 項目的應(yīng)用。例如： Phillips 在大西洋 LNG 項目（ the At lant ic LNG project ） 中， 采用復迭式工藝， 使該工藝再次受到關(guān)注。 Pritchard 在 PRICO 工藝的基礎(chǔ)上對單混合制冷工藝的功耗效率進行了很大 改進， 使該工藝能用于陸上或海上 LN G 生產(chǎn)裝置。 一、比較基礎(chǔ) 由于技術(shù)內(nèi)容無法公開獲得， 所以在實踐中對不同工藝的 逐項比較是很困難的。因此， 筆者僅使用相同的條件（ 冷卻介 質(zhì)、原料氣、標準、費用） 對優(yōu)化的丙烷

3、/ 混合制冷工藝與其 他較好的 4 類工藝進行了比較， 它們是： 丙烷/ 混合制冷工 藝（ C3/ MR） 、復迭式制冷工藝（ CCS ） 、改進的雙混合式 制冷工藝（ DMR） 、改進的單混合式制冷工藝（ SMR） 和帶預 冷的氮膨脹制冷工藝（ 工藝代號為 N2） 。為方便比較，假定 LNG 裝置采用相同的預處理單元。研究的限定條件為： 原料氣 溫度為25 C、壓力為60 MPa；原料氣組分體積含量為甲烷 85. 1% 、乙烷 6. 5%、丙烷 3%、丁烷 1. 2% 、戊烷及重組分 0. 5%氮氣1. 5%、二氧化碳2. 2% ;環(huán)境平均溫度27 C； 回 收的 LPG 組分重新注入 LN

4、G； 所有的工藝都采用空氣冷卻系統(tǒng)； LNG 的貯存及裝載設(shè)施， 通用設(shè)施不在研究的范圍內(nèi)。 二、工藝流程簡述 筆者選用最新型的丙烷 / 混合制冷工藝作為比較研究的參 考。丙烷/ 混合制冷工藝以丙烷作為預冷介質(zhì)， 混合制冷劑（ 氮 氣、甲烷、乙烷、丙烷） 作為液化介質(zhì)， 選用一臺燃氣透平驅(qū) 動壓縮機， 對丙烷進行壓縮并經(jīng)空冷后冷凝。氣相和液相制冷 劑依次冷卻及膨脹， 達到預定的最佳制冷曲線。天然氣在熱交 換器中被液化， 丙烷循環(huán)為混合制冷劑及天然氣提供預冷冷量。 復迭工藝流程是一個復合制冷系統(tǒng)。該工藝采用高沸點制冷劑， 為下一級的制冷劑提供冷量， 使用純凈的單組分。丙烷和乙烯 制冷循環(huán)通常采用

5、封閉式的制冷循環(huán)， 甲烷采用開式的循環(huán)， 用釜式熱交換器和板式熱交換器冷卻天然氣。使用這種換熱器， 可以使其傳熱溫差非常大， 當甲烷壓縮機的壓縮比限定后， 在 高于環(huán)境溫度條件下， LNG 和閃蒸氣進入 LN G 罐， 尾氣經(jīng)壓 縮機增壓后返回液化單元原料氣入口， 構(gòu)成甲烷循環(huán)的一部分。 雙重混合制冷工藝（ DMR） 采用甲烷、乙烯、丙烷和丁烷混合 物作為預冷介質(zhì)， 制冷劑壓縮后經(jīng)過空氣冷卻系統(tǒng)冷卻、膨脹 以提供冷量。單重混合制冷工藝（ SMR） 中只有一個制冷循環(huán) 將天然氣在環(huán)境溫度和同一壓力下變?yōu)長NG制冷劑為氮氣、甲 烷、乙烷和丙烷的混合物， 制冷劑在壓縮機組級間經(jīng)空冷器部 分冷凝， 氣

6、相被壓縮冷卻并與液相混合后進入板翅式換熱器冷 卻和膨脹。 天然氣在同一熱交換器中預冷和液化。 氮氣膨脹制冷 工藝使用丙烷作為預冷介質(zhì)， 氮氣為液化制冷劑。氮氣由丙烷 預冷， 冷卻后的氮氣在三臺膨脹機中膨脹。從工藝流程可以看 出， 單混合制冷工藝流程、 氮氣膨脹制冷循環(huán)流程工藝簡單， 設(shè) 備數(shù)量少， 裝置占地面積??； 丙烷 / 混合制冷工藝流程、雙復 迭式制冷工藝流程、雙重混合制冷工藝流程工藝較復雜， 設(shè)備 數(shù)量多， 裝置占地面積較大； 氮氣膨脹制冷循環(huán)流程因其制冷 劑單一， 易獲得， 更適合于邊遠地區(qū)或海上平臺。 三、主要工藝設(shè)施 驅(qū)動制冷壓縮機的燃氣輪機常用的有GE？ 5C（ 雙軸、可 變速

7、） 和 GE？ 7EA（ 單軸、不可變速） 兩種機型， 都是由 GE（ General Electric） 公司制造的。這些燃氣透平機組在 LNG 領(lǐng)域的應(yīng)用較為成功， 并且自身能耗相對較低。作為預冷 及復迭式制冷中的多級壓縮機通常采用離心式壓縮機， 它們的 流量最大， 高效率的軸流式壓縮機可用于第一級的混合制冷劑 和氮氣的壓縮。 壓縮機的選用是以設(shè)計工程公司經(jīng)驗及用戶對機 器的使用反饋信息決定的， 電動機常用作啟動 / 輔助及尾氣壓 縮動力。筆者所研究的 5 種工藝采用的運轉(zhuǎn)設(shè)備見表 1。 熱交換器 低溫熱交換器形式為繞管式( SpoolWo und ) 、板翅式或 者釜式( Co rein

8、ket t le ) 。選擇哪一種可根據(jù)經(jīng)驗、介質(zhì) 的冷卻特性及用戶而決定( 包括尺寸及費用) 。通常條件下低 溫換熱器設(shè)備如表 2。 四、工藝比較 1. LNG 產(chǎn)量 工藝流程的計算， 其目的是計算在給定條件下如可用燃氣 輪機、空冷器空冷溫度、最大熱交換面積下的最大 LNG 產(chǎn)量。 從表 3 可以看出， 除了氮氣膨脹工藝之外， 各流程 LNG 產(chǎn)量 都較高。氮氣膨脹工藝中的 LN G 產(chǎn)量低的原因是由于氮氣膨脹 提供的潛在冷量較少， 主要以顯熱而非潛熱的形式提供冷量。 2. 功耗 對費用及效率進行的粗略比較基準是工藝系統(tǒng)的單位比功 耗， 即產(chǎn)量以 t/ d 為單位時 LNG 壓縮機的軸功率，

9、 計算包括 所有制冷壓縮機及尾氣壓縮機功耗， 不包括液體、氣體的膨脹 功。其結(jié)果如表 4。 從表4可以看出，C3I MR及DMR流程的比功耗相對較低； N2 膨脹制冷循環(huán)比功耗相對較高。 當環(huán)境溫度較高時， 復迭式 制冷工藝存在一定的缺陷， 丙烷壓縮機驅(qū)動必須裝備大功率的 輔助電機， 燃機必須高負荷運行。 3. 生產(chǎn)線液化裝置效率 每套 LNG 生產(chǎn)線自身以及部分公用工程所需的燃料主要來 自尾氣。 裝置的液化率可以定義為有效產(chǎn)品（ LNG 及凝結(jié)物） 量除以進氣量。液化裝置的效率見表 5。 從表5中可以看出DMR C3I MR及SMR工藝的效率較高， N2 工藝效率較低。 五、結(jié)論 上述的比較研究表明， 對于在熱帶地區(qū)建