04-液化天然氣技術(shù)(LNG)-第四章-天然氣液化技術(shù)

液化天然氣技術(shù)第四章天然氣液化技術(shù)LNG的生產(chǎn)分為3個(gè)步驟：原料氣預(yù)處理

液化

儲(chǔ)存。圖4.1典型的LNG生產(chǎn)工藝裝置圖第一節(jié)天然氣液化工藝級(jí)聯(lián)式循環(huán)；混合制冷劑液化流程；膨脹機(jī)制冷液化流程；液氮液化天然氣流程；CII液化流程（整體結(jié)合式級(jí)聯(lián)型液化流程Integral-Incorporated-Cascade）。天然氣液化是一個(gè)低溫過程。天然氣液化工藝有：一般，對(duì)基本負(fù)荷型液化裝置采用級(jí)聯(lián)式液化流程和混合制冷劑液化流程，對(duì)調(diào)峰型液化裝置采用帶膨脹機(jī)的液化流程和混合制冷劑液化流程。一、級(jí)聯(lián)式循環(huán)

經(jīng)典的級(jí)聯(lián)式循環(huán)由三個(gè)單獨(dú)的制冷循環(huán)（丙烷、乙烯、甲烷）串接而成（3個(gè)溫度水平）。為使實(shí)際級(jí)間操作溫度盡可能貼近原料氣的冷卻曲線，減少熵增，提高效率，用9個(gè)溫度水平（丙烷段、乙烯段、甲烷段各3個(gè)）代替3個(gè)溫度水平（丙烷段-38℃、乙烯段-85℃、甲烷段-160℃）。天然氣3溫度水平和9溫度水平的級(jí)聯(lián)式循環(huán)冷卻曲線，如下所示：圖4.2三溫度水平級(jí)聯(lián)式循環(huán)的冷卻曲線圖4.3九溫度水平級(jí)聯(lián)式循環(huán)的天然氣冷卻曲線丙烷（大氣壓下沸點(diǎn)-42.3℃）乙烯（大氣壓下沸點(diǎn)-104℃）甲烷（大氣壓下沸點(diǎn)-162℃）每個(gè)制冷劑循環(huán)中均含有三個(gè)換熱器。

圖4.4級(jí)聯(lián)式液化流程示意圖第一級(jí)丙烷制冷循環(huán)為天然氣、乙烯和甲烷提供冷量；第二級(jí)乙稀制冷循環(huán)為天然氣和甲烷提供冷量；第三級(jí)甲烷制冷循環(huán)為天然氣提供冷量。級(jí)聯(lián)式液化流程⑴能耗低;⑵制冷劑為純物質(zhì)，沒有配比問題，操作穩(wěn)定;⑶技術(shù)成熟，壓縮機(jī)的喘震減少。⑴機(jī)組多，流程復(fù)雜;⑵附屬設(shè)備多;⑶管道與控制系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)不便。

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)二、混合制冷劑液化流程（MRC：Mixed-RefrigerantCycle）

MRC以C1至C5的碳?xì)浠衔锛癗2等五種以上的多組分混合制冷劑為工質(zhì)，進(jìn)行逐級(jí)的冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣的目的。

MRC既達(dá)到類似級(jí)聯(lián)式液化流程的目的，又克服了其系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代以來，對(duì)于基本負(fù)荷型天然氣液化裝置，廣泛采用了各種不同類型的混合制冷劑液化流程。組分氮甲烷乙烯丙烷丁烷戊烷體積，%0～320～3234～4412～208～153～8表4-1混合制冷劑的一般組成與級(jí)聯(lián)式液化流程相比混合制冷劑液化流程優(yōu)點(diǎn)是：⑴機(jī)組設(shè)備少，只需一臺(tái)循環(huán)壓縮機(jī)，流程簡單，投資省，投資費(fèi)用比經(jīng)典級(jí)聯(lián)式液化流程約低15%-20%；⑵管理方便；⑶混合制冷劑組分可以部分或全部從天然氣本身提取與補(bǔ)充。缺點(diǎn)是：⑴能耗較高，比級(jí)聯(lián)式液化流程高10%-20%左右；⑵混合制冷劑的合理配比較為困難。1.無預(yù)冷的混合制冷劑液化流程圖4.5無預(yù)冷的混合制冷劑天然氣液化流程

混合制冷劑經(jīng)壓縮至高壓，首先用水冷卻，帶走一部分熱量，預(yù)冷后進(jìn)入氣相分離器S1，分離成氣相和液相。

液相經(jīng)預(yù)冷換熱器E1冷卻后節(jié)流、降溫、降壓，與返流的混合制冷劑混合后，為預(yù)冷換熱器E1提供冷量。

氣相制冷劑經(jīng)預(yù)冷換熱器E1冷卻后，進(jìn)入氣液分離器S2,分離成氣相和液相。1.無預(yù)冷的混合制冷劑液化流程圖4.5無預(yù)冷的混合制冷劑天然氣液化流程

液相經(jīng)主換熱器E2冷卻后節(jié)流、降溫、降壓，與返流的混合制冷劑混合后為主換熱器E2提供冷量。

從主換熱器E2出來的氣相制冷劑，經(jīng)過過冷換熱器E3冷卻后節(jié)流、降溫，進(jìn)入過冷換熱器E3，冷卻天然氣和氣相混合制冷劑。1.無預(yù)冷的混合制冷劑液化流程圖4.5無預(yù)冷的混合制冷劑天然氣液化流程

預(yù)處理后的天然氣依次經(jīng)過預(yù)冷換熱器E1、主換熱器E2和過冷換熱器E3，經(jīng)歷了一個(gè)冷卻、冷凝和過冷的過程，相態(tài)由氣相變?yōu)橐合唷?/p>

過冷換熱器E3出口的高壓液態(tài)天然氣，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓至儲(chǔ)存壓力，溫度相應(yīng)地降低至儲(chǔ)存溫度，液態(tài)天然氣部分汽化進(jìn)入兩相區(qū)，注入LNG儲(chǔ)罐。MRC循環(huán)的主要特點(diǎn)：（1）由于MRC循環(huán)采用單一的多組分制冷劑，因此，只需要一臺(tái)循環(huán)壓縮機(jī)，而不像級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)那樣需要多臺(tái)制冷壓縮機(jī)，僅此一項(xiàng)就使得MRC循環(huán)設(shè)備投資大大降低。（2）MRC循環(huán)的加熱曲線可與天然氣原料的冷卻曲線較好地匹配，因此，可大大減少制冷功率。（3）使用一臺(tái)集成換熱器（即MRC主換熱器），在設(shè)備費(fèi)用和易于制造方面也具有顯著優(yōu)勢。（4）利用節(jié)流閥降壓可以減少LNG產(chǎn)品的蒸發(fā)損失，采用制冷壓縮機(jī)的級(jí)間分離器，可減少壓縮機(jī)的操作功率。2.丙烷預(yù)冷混合冷劑制天然氣液化流程帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑制冷循環(huán)，簡稱C3/MRC工藝，是在MRC工藝基礎(chǔ)上開發(fā)出來的新一代液化工藝，也可視其為對(duì)傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)式循環(huán)的改進(jìn)。C3/MRC循環(huán)采用丙烷預(yù)冷（或者氨制冷預(yù)冷）與混合制冷劑（N2+C1-C4）聯(lián)合作用方式。圖4.6帶丙烷預(yù)冷的MRC循環(huán)（主循環(huán)）

圖4.7丙烷預(yù)冷循環(huán)

高壓丙烷中壓丙烷低壓丙烷

丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程主要由三個(gè)循環(huán)組成：兩個(gè)閉式制冷循環(huán)，即丙烷壓縮制冷循環(huán)和混合制冷劑循環(huán)；一個(gè)開式循環(huán)，即天然氣液化流程。

丙烷預(yù)冷循環(huán)用于預(yù)冷混合制冷劑和天然氣，而混合制冷劑循環(huán)用于深冷和液化天然氣。3.混合制冷劑對(duì)液化流程參數(shù)的影響：組分氮甲烷乙烯丙烷丁烷戊烷體積，%0～320～3234～4412～208～153～8表4-1混合制冷劑的一般組成混合制冷劑的氮含量由天然氣所需要的過冷度確定，也應(yīng)隨著天然氣中氮含量的增加而增加。一般而言，當(dāng)待液化的天然氣平均相對(duì)分子質(zhì)量較高時(shí)，混合制冷劑的相對(duì)分子質(zhì)量也應(yīng)隨之升高，即當(dāng)天然氣中重組分乙烷、丙烷、丁烷等增加時(shí)，混合制冷劑中重組分乙烷和丙烷的含量也要隨之增加?；旌现评鋭┙M成對(duì)液化流程參數(shù)的影響：

（1）CH4液化率（2）N2比功耗（3）C2H4比功耗（4）C3H8比功耗存在極值點(diǎn)混合制冷劑壓力對(duì)液化流程參數(shù)的影響天然氣液化率與功耗都隨著高壓混合制冷劑壓力的升高而降低。天然氣液化率與功耗都隨著低壓混合制冷劑壓力的升高而降低。三、膨脹機(jī)制冷液化流程

（1）天然氣膨脹液化流程——采用天然氣膨脹制冷的循環(huán)，又稱開式膨脹機(jī)循環(huán)；

利用原料氣管道中的高壓天然氣，在制冷循環(huán)膨脹機(jī)中等熵膨脹，獲得的低溫用于液化另一股天然氣。（2）氮膨脹液化流程——采用N2（或N2—CH4混合物）膨脹制冷工藝流程，又稱閉式膨脹機(jī)循環(huán)。（1）原料氣壓力為4.0MPa。（2）液化溫度約為180K。（3）原料氣脫水后分為兩股，約80%進(jìn)入制冷支路。（4）膨脹到約1.3MPa。（5）20%作為待液化氣體經(jīng)進(jìn)一步純化后進(jìn)入冷箱。

1—脫水器2—脫CO2塔3—水冷卻箱4—返回氣壓縮機(jī)5、6、7—換熱器8—過冷器9—儲(chǔ)槽

10—膨脹機(jī)11—壓縮機(jī)12—分離器圖4.8天然氣膨脹機(jī)液化流程圖

1.天然氣膨脹液化流程液化率低，適用于天然氣高壓80%用于制冷20%待液化氣天然氣膨脹液化流程優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：⑴流程簡單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、易啟動(dòng)、易操作、維護(hù)方便；⑵用天然氣本身為工質(zhì)時(shí)，省去專門生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存冷凍劑的費(fèi)用。缺點(diǎn)：⑴送入裝置的氣流需全部深度干燥；⑵回流壓力低，傳熱面積大，設(shè)備金屬投入量大；⑶受低壓用戶多少的限制；⑷液化率低，如再循環(huán)，則在增加循環(huán)壓縮機(jī)后，功耗大大增加。2.氮?dú)馀蛎洐C(jī)制冷液化流程

氮膨脹液化流程是利用透平膨脹機(jī)制冷原理，以N2（或N2—CH4混合物）為介質(zhì)，進(jìn)行密閉循環(huán)制冷。氮?dú)馀蛎洐C(jī)制冷液化流程

2—預(yù)處理裝置1、4、5—換熱器3—C+2以上重?zé)N分離器6—氮?dú)馓崴?—氮?dú)馀蛎洐C(jī)8—N2-CH4分離塔9—循環(huán)壓縮機(jī)氮膨脹液化流程優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)啟動(dòng)快，熱態(tài)啟動(dòng)1~2小時(shí)即可獲得滿負(fù)荷產(chǎn)品；(2)制冷劑采用單組分氣體，為不同組分的原料氣操作提供了靈活性；(3)操作安全，放空不會(huì)引起火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)：(4)氮膨脹循環(huán)流程簡化、設(shè)備緊湊、造價(jià)低。缺點(diǎn)：但能耗比混合制冷劑高40%左右。

二級(jí)氮膨脹液化流程是經(jīng)典氮膨脹液化流程的一種變形，其后為了降低膨脹機(jī)的功耗，采用N2-CH4混合氣體代替純N2，發(fā)展了N2-CH4膨脹液化流程。3.其它膨脹液化流程

帶膨脹機(jī)的液化流程中，由于換熱器的傳熱溫差太大，從而使流程的?損很大，為了降低流程的?損，可采取以下措施：（1）采用預(yù)冷方法，對(duì)制冷劑進(jìn)行預(yù)冷。（2）提高進(jìn)入透平膨脹機(jī)氣流的壓力，并降低其溫度。（3）將帶膨脹機(jī)液化流程與其它液化流程（例如混合制冷劑液化流程）結(jié)合起來使用。注：當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)可逆的變化到與給定環(huán)境相平衡的狀態(tài)時(shí)，理論上可以全部轉(zhuǎn)換為任何其他能量形式的那部分能量，稱為??？煞Q為可用能、有效能。帶丙烷預(yù)冷的天然氣膨脹液化流程

l、3、5、6、7一換熱器2、4一丙烷換熱器8一水冷卻器9一壓縮機(jī)10一制動(dòng)壓縮機(jī)11一膨脹機(jī)12、13、14一分離器原料氣用兩級(jí)丙烷壓縮制冷循環(huán)對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)冷后，進(jìn)入膨脹機(jī)11進(jìn)行膨脹。

膨脹后的天然氣進(jìn)入分離器12，產(chǎn)生的氣相天然氣返流，為換熱器1、3、5、6提供冷量；

產(chǎn)生的液相經(jīng)節(jié)流后，與原料天然氣混合進(jìn)入分離器13；

產(chǎn)生的氣相流體為換熱器1、3、5、6、7提供冷量，產(chǎn)生的液體經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)入分離器14，產(chǎn)生的LNG進(jìn)入儲(chǔ)槽。

我們可以在氮?dú)庥脩舾浇O(shè)置天然氣液化站，利用液氮的低溫冷能來液化天然氣。高壓天然氣管道內(nèi)天然氣經(jīng)預(yù)冷器被來自液化器的氮?dú)饫鋮s到-122℃后，再進(jìn)入液化器被來自液氮儲(chǔ)罐的液氮冷卻到-162℃，液氮經(jīng)液化器、預(yù)冷器后，再經(jīng)空溫?fù)Q熱器復(fù)熱至常溫，進(jìn)入氮?dú)夤艿馈D4.11液氮液化天然氣的流程四、液氮液化天然氣的流程

建于上海的LNG事故調(diào)峰站是我國第一座調(diào)峰型LNG裝置。調(diào)峰LNG裝置的工作過程：由市區(qū)1.5MPa天然氣管網(wǎng)送至LNG調(diào)峰站的天然氣，首先進(jìn)行過濾、計(jì)量并加壓至5MPa，然后進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)，用MEA法脫CO2

、H2S，用分子篩脫水，再經(jīng)液化流程液化，液化后的天然氣儲(chǔ)存在20,000m3LNG儲(chǔ)槽內(nèi)。該LNG裝置的主要性能指標(biāo)如下：①儲(chǔ)槽容積20,000m3

；

②儲(chǔ)槽日蒸發(fā)率0.08%；③液化能力

165m3LNG/d；

④氣化能力120m3LNG/h。五、CII液化流程（整體結(jié)合式級(jí)聯(lián)型液化流程）該LNG事故調(diào)峰站的流程由法國燃?xì)夤驹O(shè)計(jì)開發(fā)的整體結(jié)合式級(jí)聯(lián)型液化流程（IntegralIncorporatedCascade），簡稱為CII液化流程。該流程主要設(shè)備包括混合制冷劑壓縮機(jī)、混合制冷劑分餾設(shè)備和整體式冷箱三部分。

整個(gè)液化流程可分為天然氣液化系統(tǒng)和混合制冷劑循環(huán)兩部分。

1—分餾塔2—冷箱3—低壓壓縮機(jī)4—高壓壓縮機(jī)5、6、7、8—?dú)庖悍蛛x器9、10、11—節(jié)流閥

12、13—冷卻器五、CII液化流程CII循環(huán)具有如下特點(diǎn)：（1）流程精簡，設(shè)備少。CII液化流程出于降低設(shè)備投資和建設(shè)費(fèi)用的考慮，簡化了預(yù)冷制冷劑組的設(shè)計(jì)。在流程中增加了分餾塔，將混合制冷劑分餾為重組分（以丁烷和戊烷為主）和輕組分（以氮、甲烷、乙烷為主）兩部分。重組分冷卻、節(jié)流降溫后返流，作為冷源進(jìn)入冷箱上部預(yù)冷天然氣和混合制冷劑；輕組分氣液分離后進(jìn)入冷箱下部，用于冷凝、過冷天然氣。（2）冷箱采用高效釬焊鋁板翅式換熱器，體積小，便于安裝。（3）壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)的形式簡單、可靠、降低了投資與維護(hù)費(fèi)用。六、各種流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

取級(jí)聯(lián)式循環(huán)的典型能耗為0.33kWh/kg，并將其設(shè)定為1。循環(huán)模式與級(jí)聯(lián)式循環(huán)的相對(duì)能耗級(jí)聯(lián)式循環(huán)1.00單級(jí)混合制冷循環(huán)1.25丙烷預(yù)冷混合制冷循環(huán)1.15多級(jí)混合制冷循環(huán)1.05單膨脹機(jī)循環(huán)2.00丙烷預(yù)冷單級(jí)膨脹機(jī)循環(huán)1.70雙膨脹機(jī)循環(huán)1.70表4-2各種液化循環(huán)效率比較指標(biāo)級(jí)聯(lián)式MRC膨脹機(jī)效率高中/高低復(fù)雜程度高中低換熱器類型板翹式板翹式或繞管式板翹式換熱器面積小大小適應(yīng)性高中高開停方便中低高表4-3各種液化循環(huán)特性比較第二節(jié)液化天然氣流程實(shí)例20世紀(jì)70年代，APCI（美國空氣液化公司）發(fā)展了丙烷制冷混合制冷劑液化流程。并在大型的LNG工廠得到了廣泛應(yīng)用。用丙烷將天然氣從40℃預(yù)冷至-30℃；混合制冷劑循環(huán)再把天然氣從-30℃過冷到-160℃。一、丙烷預(yù)冷-混合制冷劑制冷的基本負(fù)荷型液化裝置下圖是首次采用這種液化流程的天然氣液化裝置的流程簡圖，于1973年建于文萊，該廠共有五套這樣的裝置，每套液化能力為424.5

104m3/d。1—再生塔2—吸收塔3、18—高壓丙烷換熱器4—水分離器5、6—干燥器7、17—中壓丙烷換熱器8、10—低壓丙烷換熱器9—重?zé)N回收器10—C1分離器11—C2分離器12—C3分離器13—C4分離器14—低溫?fù)Q熱器15—?dú)庖悍蛛x器19、21—水冷卻器20、22—制冷劑壓縮機(jī)

文萊天然氣液化裝置流程一、丙烷預(yù)冷-混合制冷劑制冷的基本負(fù)荷型液化裝置

基本流程：

原料氣經(jīng)脫除水分和重?zé)N后，通過兩條直徑為710mm的輸氣管道送入廠內(nèi)。采用環(huán)丁砜法吸收脫除原料氣中的CO2及H2S；然后，先將原料氣冷卻至21℃左右，使約70%的水分被冷凝分離出來，再用分子篩深度脫水。

此后，天然氣經(jīng)重?zé)N回收塔分離重?zé)N，并用丙烷預(yù)冷到-34℃，在4MPa壓力下進(jìn)入混合制冷劑循環(huán)的低溫?fù)Q熱器，在其中被冷卻、液化和過冷。過冷后的液化天然氣送入儲(chǔ)槽。二、級(jí)聯(lián)式液化天然氣裝置

2001年，我國第一座小型的基本負(fù)荷型天然氣液化裝置在中原油田試運(yùn)行成功，生產(chǎn)的液化天然氣通過槽車運(yùn)輸?shù)姆绞?，供?yīng)給燃?xì)夤?yīng)商。

該液化裝置生產(chǎn)LNG的能力為15×104m3/d，原料氣壓力為12MPa，溫度為30℃，甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)在93.35%~95.83%之間。1—分離器2—過濾器3—脫CO2塔4—干燥器5—中壓丙烷換熱器6—低壓丙烷換熱器7、11、14—節(jié)流閥8—高壓天然氣分離器9—乙烯換熱器10—中壓LNG換熱器12—中壓天然氣分離器13—低壓LNG換熱器15—低壓天然氣分離器16—LNG儲(chǔ)槽圖4.14中原油田天然氣液化裝置示意圖

原料氣先后進(jìn)入原料分離器1（除液）、過濾器2（除塵）、脫CO2塔3（MEA法）、分子篩干燥器4（脫水）。1—分離器2—過濾器3—脫CO2塔4—干燥器5—中壓丙烷換熱器6—低壓丙烷換熱器7、11、14—節(jié)流閥8—高壓天然氣分離器9—乙烯換熱器10—中壓LNG換熱器12—中壓天然氣分離器13—低壓LNG換熱器15—低壓天然氣分離器16—LNG儲(chǔ)槽凈化后的天然氣，首先利用丙烷制冷循環(huán)經(jīng)換熱器5、6冷卻，節(jié)流降溫進(jìn)入分離器8進(jìn)行氣液分離。

液相返流冷量回收，氣相利用乙烯制冷循環(huán)經(jīng)換熱器9、10冷卻，節(jié)流降溫進(jìn)入分離器12進(jìn)行氣液分離。1—分離器2—過濾器3—脫CO2塔4—干燥器5—中壓丙烷換熱器6—低壓丙烷換