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陳賡良 的個人博客

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對LNG產業技術發展的認識

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 LNG產業技術發展的認識

 

                             陳賡良      

 

   

 

一.發展概況

 

    1. 生產裝置大型化

    裝置大型化是LNG生產工藝技術發展水平最明顯標志。從表數據可以看出,1963年投產的世界第一套LNG生產裝置,其單列產量僅36×104t/a;2008年投產的QATARGAS工廠的單列生產能力則達到了770×104t/a。雖然我國目前建設規模達到(200~300)×104t/a(單列)LNG裝置的條件尚不太成熟,但為適應我國“能源供應多元化”戰略和國際合作的需要,必須充分重視此發展趨勢。

    

                1    大型(基荷型)LNG工廠示例

編號

工廠位置

投產

年份

流程名稱

單列生產能力

 104t/a

技術開發

  公司

1

阿爾及利亞

Arzew工廠

1963

原始級聯式

36

1083列)

 

2

特立尼達-多巴哥

Point Fortin工廠

2005

優化級聯式

OCP工藝)

520

18805列)

Phillips

石油公司

3

利比亞

Marsa le Brega 工廠

1970

單級混合溶劑(MRC

69

APCI公司

4

馬來西亞

MLNG Tiga 工廠

2002

丙烷預冷混合溶

劑(C3/MRC

375

APCI公司

5

卡塔爾

QATARGAS 工廠

2008

C3/MRC+

氮膨脹循環

770

APCI公司

6

挪威

Ekofisk工廠

2007

混合溶劑級聯式

MFCP

410

Linde公司

7

俄羅斯薩哈林島

2號工廠

2009

兩級混合冷劑(DMR

480

Shell公司

 

    2. 中小型裝置迅速發展

10余年來,在生產裝置大型化的同時,國內外中小型LNG裝置技術開發與建設也取得了令人矚目的成就。為適應我國“充分發揮國內資源的基礎性保障作用”戰略的需要[2],中小型LNG裝置在我國的發展極為迅速,目前已建和在建的裝置總數超過30套,其規模則在(3~150)×104t/a(單列)之間(參見表2);從而對我國邊遠分散氣田與海上氣田開發、城鎮供氣、城市調峰、LNG作為車用燃料及非常規天然氣的利用等方面均發揮了關鍵性的作用,成為我國天然氣工業發展的一個重要分支。

 

 

2    國內建設的中小型(基荷型)LNG工廠示例

編號

裝置

名稱

工藝

流程

生產能力

104m3/d

投產

時間

提供技術

公司

1

陜北示范

氣波機+膨脹機

3

1999

國內技術

2

中原綠能

級聯式

15

2001

法國索菲公司

3

新疆廣匯

(單級)混合冷劑

150

2004

德國林德公司

4

四川氣田

(天然氣)膨脹機

4(部分液化)

2005

國內技術

5

海南福山

兩級N2膨脹機

25(全液化)

2008

加拿大Propak

6

浦東調峰

整體結合級聯式(CII

10

1999

法國索菲公司

7

鄂爾多斯

(單級)混合冷劑

100

2008

美國B&V公司

8

寧夏銀川

N2+CH4)膨脹機

30

2009

國產技術

 

    3. 工藝流程開發取得長足進步

目前國內外常用的各種流程都是由3種基本的制冷循環演變而來:即單一冷劑級聯式、混合冷劑(MRC)和透平膨脹機;它們的技術特點如表3所示。

近半個世紀以來,上述3種基本的制冷循環均取得了長足的技術進步,且在發展過程中各種循環相互滲透,取長補短而開發出一系列新型工藝流程。諸如,菲利普公司的優化級聯式流程(OCP),空氣液化與化工產品公司的APCI(丙烷預冷+單級混合冷劑)的C3/MR流程,林德(Linde)公司的由三級不同組成混合冷劑(MR)構成的混合冷劑級聯式流程(MFCP),殼牌(Shell)公司在C3/MR基礎上開發的在預冷階段也使用混合冷劑的雙混合冷劑流程(DMR)。1980年代后期開始,膨脹機工藝發展尤為突出,不僅廣泛應用于中小型裝置建設,并與其它工藝流程相結合,成功地應用于大型裝置的擴容(參見表4[3]。

 

              3   3種基本制冷循環的技術特點

制冷循環名稱

         優點

           缺點

級聯式

Cascade

1)能耗低;(2)以純組分作為工質制冷,不存在配比問題;(3)技術成熟,操作穩定。

1)壓縮機組多,流程復雜;(3)附屬設備多,需配置專門生產與儲存多種冷劑的設備;(3)控制系統復雜。

混合冷劑

MRC

1)機組和設備少,流程簡單,故投資比典型的級聯式流程低15%~20%;(2)冷劑組分大多可由原料天然氣中獲取。

1)能耗較高,比典型級式流程高10%~20%;(2)控制MR的配比較困難;(3)流程模擬需掌握各組分可靠的平衡數據及物性參數,計算較困難。

透平膨脹機

Expender

1)流程簡單,調節靈活,容易啟動和操作,維修方便;(2)利用天然作為工質時,可省去專門生產、運輸及儲存冷劑的費用。

1)進入膨脹機的氣體必須深度脫水;(2)回流壓力低,換熱面積大;(3)裝置處理量受低壓氣用戶限制;(4)液化率低,能耗很大。

 

 

 

                 4   LNG裝置工藝流程示例[4]

編號

技術開發

公司

工藝流程

名稱

工藝技術特點

1

菲利普

石油公司

優化級聯

OCP

運用前端設計技術(FEED)對常規級聯流程的工程標準、設備配置和環境相容性等方面進行全面評估的基礎上提出了“兩列合一”、原料氣脫N2、BOG回收和采用航改型燃氣輪機等優化措施。在適當增加能耗的前提下大幅提高制冷效率。單列生產能力可達500×104t/a。

2

空氣液化與化工

產品公司

APIC丙烷預冷/混合冷劑

C3/MR

由兩個主要的冷劑循環構成;預冷用由3~4個壓力等級組成的丙烷循環,液化和過冷用混合冷劑(MR)。預冷階段用PFHE,液化和過冷階段用SWHE。用燃氣輪機替代蒸氣輪機驅動制冷壓縮機。單列生產能力可達400×104t/a,廣泛應用于各種不同規模的LNG生產裝置。

3

林德公司

Linde

多級

混合冷劑

MFCP

在預冷、液化和過冷3個制冷循環中,采用3種不同組成的MR以提高裝置效率,并降低能耗10%~15%。預冷階段用板翅換熱器(PFHE),液化及過冷階段用繞管換熱器(SWHE),并以燃氣輪機替代蒸氣輪機驅動制冷壓縮機。單列生產能力可達400×104t/a以上。

4

殼牌公司

Shell

雙混合

冷劑

DMR

工藝流程的結構類似于C3/MR,區別在于預冷階段用主要由C2H6/C3H8組成的混合冷劑取代單一組分冷劑(丙烷),并在預冷、液化及過冷3個階段都采用林德公司專利的SWHE。采用GE F7燃氣輪機驅動制冷壓縮機。單列生產能力可達480×104t/a。

5

空氣液化與化工

產品公司

AP-X

在卡塔爾QATARGAS公司原建的APICC3/MR)流程上增加一個透平膨脹機制冷循環,從而使裝置的生產能力從600×104t/a增加到770×104t/a。

 

二.制冷循環的效率與能耗

 

    1. 五種制冷循環的比較

綜上所述可以看出,當前國內外已經開發出不下數十種工藝流程以適應在不同現場條件下、建設不同規模LNG生產裝置的需要。但從制冷原理分析,實質上只涉及兩種制冷方式:即冷劑(機械)制冷和膨脹制冷;后者又可以細分為節流閥膨脹、渦流管(包括脈沖管和氣波機等)膨脹和透平膨脹機膨脹等3種主要膨脹制冷循環,它們在從等焓膨脹逐步向等熵膨脹靠攏的過程中,制冷效率或制冷系數(COP,即實際制冷量與其輸入功的比值)逐步提高,而裝置的能耗也相應地增加。另一方面,從工程熱力學的角度分析,當前工業應用的、名目繁多的工藝流程均以表5所示的5種類型的液化制冷循環為基礎開發出來的[5]。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      5     5種基本制冷循環

編號

制冷循環

基本原理

       特點與應用

1

林德循環

Linde

由制冷壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器4個部件組成的閉合式制冷循環;通過壓縮→冷卻→膨脹→氣化(吸熱)等4個步驟制冷

最基本的制冷循環,其制冷效率最差,能耗也最低;在新流程開發過程中,通常作為效率與能耗的評價基準。全球第一套級聯式LNG工業裝置即基于此循環。

2

渦流管循環

Votrex

高壓天然氣從拉法爾噴嘴高速噴出后,在渦流管中旋轉而將壓力能轉化為冷能。制冷效率介于節流閥膨脹與透平膨脹機循環之間。

制冷流程和設備很簡單,無轉動設備,適合用于有壓力能可供利用的場合。在相同條件下,以林德循環為基準,制冷效率可提高約50%。

3

克勞德循環

Claude

將透平膨脹機應用于氣體液化的新型制冷循環;此循環中大部分高壓工質氣體經膨脹機作絕熱膨脹,使氣體內能以功的形式輸出而提高效率。

是目前中小型裝置廣泛應用的一種制冷循環。理論制冷效率比林德循環提高約90%;但單級膨脹機循環比林德循環的能耗高約1倍,兩級膨脹能耗高約70%。

4

混合冷劑

循環

MRC

C1~C5烴類及N25種或更多組分構成的MR作為制冷工質,進行逐級冷凝、蒸發、節流膨脹而得到不同溫度水平的冷量。

適用于各種生產規模及不同現場條件的LNG裝置,是當前應用最廣泛的一種制冷循環。理論制冷效率比林德循環提高約170%,但能耗僅增加約25%。

5

布雷頓循環

Brayton

以氣體為工質的制冷循環,工作過程包括等熵壓縮→等壓冷卻→等熵膨脹→等壓吸熱4個過程;與蒸汽壓縮式制冷的工作過程類似,主要區別在于工質氣體不發生相態變化。

目前廣泛應用于中小型裝置的

N2膨脹液化流程即基于此制冷循環。與MRC制冷循環相比,N2膨脹流程更為簡化、緊湊,投資。制冷效率比MRC高約20%,但能耗要比MRC高約40%。

 

2. 制冷循環的損失功和卡諾因子

根據熱力學原理,以可逆過程獲得一定量LNG所需的功是最少的(即卡諾功,Wm),故可逆過程所需能耗最低。但LNG生產裝置上必須有推動力才能進行不可逆的制冷過程,必然有一定量的功(或能)損失,故裝置的實際功等于卡諾功加上損失功。圖1所示為典型的(9溫階)級聯式流程中被液化天然氣的冷卻/加熱曲線,圖中實線與虛線之間所示的面積即表示損失功,后者將隨著制冷溫度下降而變大。低溫工程中常用卡諾因子(Carnot factor,C)來衡量裝置的制冷效率,其表示如下式所示[6]

           C =  Wm / Q = [1  Ts / T ]         1   

式中    C——卡諾因子;

        Wm——卡諾功;

        Q——達到要求制冷溫度(T)需要從系統移出的熱量;

        Ts——環境溫度。

2所示數據表明,假定以環境溫度300K為基準,在100K~200K的低溫范圍內C值急劇下降,從約2.5降至0.5左右。因而在100K下生產1MJ冷量所需的卡諾功約比在200K下高4倍左右。由此可見,與熱能工程相反,在低溫工程中制冷效率隨著卡諾因子的增大而下降,且制冷溫度愈低則效率下降愈多。

 

三.有效能(exergy,Ex)分析及其應用

 

    1. 制冷循環流程和設備的有效能(exergy,Ex)分析

    以上分析可見天然氣液化是一種能耗極高的工藝過程,其設備投資在總投資中所占比例甚大。但是,制冷循環的效率可以通過使過程在盡量靠近熱力學平衡的條件下進行而得到改善,從而盡可能地減少損失功。因此,在LNG工程前端設計(FEED)中,運用有效能(Ex)分析以改進各種制冷流程的熱力學效率是降低設備能耗、尺寸和投資的重要技術措施。近年來開發成功的、以透平膨脹機取代簡單的節流閥膨脹即為一個典型的實例。

           1   典型(9溫階)級聯式流程的組分加熱/冷卻曲線

 

 

  2    卡諾因子與制冷溫度的關系(環境溫度Ts=300K

LNG工業最常用的MRC制冷流程中,壓縮機是Ex損失最多的設備,其次為換熱器;可以通過對兩者Ex損失進行分析而找出改進措施。若忽略工質的動能和位能,穩流工質的在工況條件下的焓(H)和Ex之間的關系可以下式表示:

             E H0)— T0 S0     2

式中    H0——環境條件下的焓;

        H ——工況條件下的焓;

        S——環境條件下的熵;

        S ——工況條件下的熵;

        T——環境溫度。

以制冷循環中的壓縮機為例,其有效能Ex平衡方程可以下式表示:

               Ex,1 + Wc = Ex, + ΔEx                          3

式中    Ex,1、Ex,2——單位工質壓縮前、后的Ex值;

        Wc——壓縮機的能耗;

        ΔEx——壓縮機制有效能損失。

    根據式(2)所示,壓縮機的有效能損失(ΔEx)可以表示為下式:

       ΔEx = H2 H1)(1/ηc   1+ T0S2 S1    4

式中    H1、H——單位工質壓縮前、后的焓值;

        η——壓縮機的效率。

    流程中其它設備(如換熱器、節流閥、水冷器和混合器)也同樣可以按其工作原理建立相應的有效能損失(ΔEx)計算式,然后進行全流程的有效能分析。

 

1-冷卻器;2-儲集罐;3-預處理單元;4-氣體干燥單元;5-分餾塔;6-分離器;7-冷箱

P1-高壓丙烷蒸發器;P2-中壓丙烷蒸發器;P3-低壓丙烷蒸發器

3    典型的APCI丙烷預冷/MRC流程

 

    根據圖3所示流程,按表6與表7所示的操作參數及組分摩爾分數,對典型APCI丙烷預冷/MRC流程中主要設備進行有效能分析的計算結果示于表8。表6和表7中混合冷劑各組分的摩爾分數、天然氣溫度、高低壓制冷劑溫度均為第一個換熱器熱端面處的值。各換熱器熱端面和的溫差為3K。天然氣入口溫度為298K。壓縮機效率為0.75。丙烷預冷循環的壓縮機出口壓力為1.3MPa[7]。               

                      6    溫度與壓力參數

 

天然氣

高壓制冷劑

低壓制冷劑

LNG儲存

壓力,MPa

5

2.5

0.26

0.15

溫度,K

238

238

225

117.2

 

                       7    組分的摩爾分數

 

氮氣

甲烷

乙烷

丙烷

異丁烷

正丁烷

天然氣

0.7

82.0

11.2

4.0

1.2

0.9

混合冷劑

5.0

41.0

34.0

20.0

0.0

0.0

 

 

2. 制冷循環級數對效率的影響

制冷循環的結構選擇是優化工藝流程的基礎。以MRC工藝為例,目前有單級、二級、三級和多級混合冷劑制冷循環等多種應用于工業的工藝流程。雖然增加制冷循環級數時工藝過程的效率肯定增加,但制冷能耗、設備投資和流程復雜程度也同時增加。因此,必須結合裝置規模、原料氣組成及現場條件等因素,通過有效能分析才能確定合理的級數。

                      8    有效能分析計算結果

          項  目

有效能損失/kW

所占比例(%)

總有效能損失/kW

 

 

MRC循環

壓縮機

6.873

60.88

 

 

11.291

水冷卻器

0.977

8.65

多股流換熱器

0.933

8.26

節流閥

2.064

18.28

混合器

0.443

3.92

 

 

丙烷預冷循環

壓縮機

6.561

45.14

 

 

14.535

水冷卻器

2.046

14.08

多股流換熱器

2.656

18.27

節流閥

0.680

4.68

混合器

2.593

17.84

總的壓縮機有效能損失

13.434

52.02

 

25.826

總的換熱器有效能損失

6.612

25.60

總的節流閥有效能損失

2.744

10.62

總的混合器有效能損失

3.036

11.76

 

 

 

       PMR—預冷MRC循環;LMR—液化MRC循環;SMR—過冷MRC循環

        4    典型的三級MRC制冷循環流程

 

                 9    原料天然氣組成(摩爾分數)

甲烷

乙烷

丙烷

正丁烷

異丁烷

氮氣

0.820

0.112

0.040

0.012

0.009

0.007

 

 

 

             10    循環級數對MRC制冷循環效率的影響

 

一級MRC

二級MRC

三級MRC

天然氣液化冷量,kW

814.2

814.2

814.2

天然氣液化卡諾功,kW

361.4

361.4

361.4

MR循環量,m3/h

12096

11200

10573

壓縮機軸出功,kW

1134

1041

981

有效能損失(ΔEx),kW

772.6

679.0

619.0

有效能(Ex)利用系數

0.319

0.348

0.369

有效能(Ex)利用系數比

1.000

1.091

1,157

 

按圖4所示的原理流程,將表9所示組分的原料天然氣液化。原料天然氣的壓力為4.5MPa,進入冷箱的溫度為270C,天然氣處理量為10×104m3/d,環境溫度為270C。在過冷過程中,將LNG過冷至-1500C后節流至0.2MPa時的溫度為

-148.30C。采用由甲烷、乙烷、丙烷、異戊烷和氮氣組成的MR,假定壓縮機等熵效率為0.75、忽略換熱器的壓力降及壓縮機出入口之間的壓力差別;并采用PR方程計算天然氣和MR的物性。上述條件下Ex分析計算結果如表10所示[8]。

10數據表明,增加制冷循環級數可以有效地提高Ex效率。二級和三級MRC制冷循環比單級制冷循環的Ex效率分別提高了8.1%15.7%;制冷壓縮機的軸出功率則分別降低了7.4%12.6%。因此,目前大型LNG生產裝置一般均采用多級MR制冷循環以降低操作成本;而小型裝置則采用單級制冷循環。

3. 不同制冷循環的能耗比較[6]

由于LNG生產裝置的能耗不僅取決于其液化流程,也要受裝置規模、環境溫度、原料氣組成、設備選擇及工藝標準要求等一系列因素的影響,因而不太可能進行精確的比較。鑒此,表11所示數據僅反映了一個宏觀的變化趨勢。作為比較基準的是典型的(大型)級聯式裝置,其單耗約為0.33kW·h/kgLNG)。

11    液化流程的能耗比較

液化流程名稱

           能耗比較

經典級聯式

1.00

單級MRC

1.25

丙烷預冷+單級MRC

1.15

多級MRC

1.05

單級膨脹機

2.00

丙烷預冷+單級膨脹機

1.70

兩級膨脹機

1.70

 

四.LNG生產裝置的主要設備選擇

 

    1. 換熱器

LNG生產工廠中,制冷工段是全廠能耗最高的部分,其操作的靈活性與有效性直接影響全廠的效率及能耗[9]。因主(低溫)換熱器(MCHE)是全廠的核心設備,其選擇、設計、制造與運行對全廠的設備投資及操作成本有重要影響。

目前世界上生產規模在300×104t/a以上的大型工廠的MCHE幾乎都采用多股流繞管式換熱器(SWHE),其結構如圖5所示;而中小型裝置則主要采用板翅式換熱器(PFHE),但大型裝置(在丙烷)預冷階段也有采用PFHE(如挪威Ekofisk裝置),其結構如圖6所示。這兩類換熱器的技術特點所示表12。

               12    SWHEPFHE的技術特點

 

結構

優點

缺點

 

繞管式換熱器

SWHE

從芯軸或內管開始,將鋁管繞制成螺旋形;每層的繞制方向與前一層相反。高壓氣體在管內流動,制冷劑則在殼體內流動。

承壓高,結構緊湊,操作靈活,維修方便。單個設備的換熱面積可達28000m2。

發球專利技術,價格昂貴,供貨周期較長。

 

板翅式換熱器

PFHE

將波紋狀翅片和板焊接在一起,制成矩形的多通道核心部件;在液體的進出口處采用流量分配器確保各通道的流量均勻。

非專利技術,價格較便宜。結構緊湊,壓差和溫差均較小。大型設備的換熱面積率可達1300m2/m3。

承壓較低;換熱器內存在多股流體,且每股液體可能存在氣液兩相,故計算和設計均較困難。

 

                                                                    

                       5   繞管式換熱器的核心結構

 

                           6    板翅式換熱器的結構

 

應用于大型LNG生產工廠的SWHE是一項專利產品,當前世界上只有美國空氣液化與化工產品公司(APIC)和德國林德公司能生產。在中小型裝置上廣泛應用的鋁制釬焊PFHE則因其結構、材料、設計與制造等方面均比較復雜,國內尚未解決其國產化的問題[9]。

 

2. 壓縮機及其驅動器

LNG生產裝置上,壓縮機主要應用于原料天然氣增壓及輸送,以及不同溫度下的冷劑制冷循環過程,是生產LNG的另一項關鍵設備。同時,壓縮機通常是生產裝置上能耗最大、也是有效能損失最大的設備,因而其類型與結構、絕熱效率、吸入溫度和壓縮系數等的選擇,對設備投資及操作成本有很大影響。

目前應用于LNG生產的壓縮機形式主要有往復式、離心式和軸流式3大類。往復式壓縮機一般應用于處理量不超過15×104m3/d的小型液化裝置。離心式壓縮機廣泛應用于大、中型LNG生產裝置,大型壓縮機的功率可達40000kW以上。1980年代軸流式壓縮機開始應用于LNG生產,在操作壓力較低的工況下其處理量比離心式壓縮機更大(參見圖7),主要用于混合冷劑制冷循環。近年來在我國迅速發展的撬裝式小型天然氣液化裝置經常采用螺桿式壓縮機,其核心結構如圖8所示。螺桿式壓縮機可以用燃氣發動機為原動機,使用非常方便。LNG生產裝置上常用的各類壓縮機的工作原理及其應用情況參見表13。

    對大型裝置而言,同樣應根據生產規模、制冷循環特點和現場條件,選擇與壓縮機相匹配的驅動器。工業經驗表明,雖然驅動器功率愈大,壓縮機效率就愈高;但某些大功率驅動器往往受設計及制造條件的限制而可靠性存在問題。在此情況下,采用可靠性甚高的較小型設備的平行雙系列裝置是合理的解決途徑。英國Foster Wheeler公司的一項研究表明,大型裝置的驅動器也不一定局限于蒸汽輪機與  燃氣輪機,在某些場合選擇電動機作為原動機也是可行的(參見表14)。

 

                  7   種類壓縮機操作壓力與其處理的關系

 

                     

                    8   螺桿式壓縮機的核心結構示意圖

 

                13    LNG生產裝置常用的各類壓縮機

 

原理與應用

優點

缺點

往復式

壓縮機

屬容積式壓縮機。利用曲柄連桿機構將原動機的回轉運動轉變為活塞在汽缸中的往復運動;從而周期性地改變工作腔容積,將吸入的低壓氣體壓縮至高壓后排出。

效率超過95%,可靠性很高,且容易安裝及維修。新型往復式壓縮機可改變活塞行程,既可滿足滿負荷要求,也可滿足部分負荷要求。

轉速較慢,一般在中、低轉速下運行;不適合應用于處理量超過15×104m3/d的大、中型天然氣液化裝置。

離心式

壓縮機

屬速度式壓縮機,依靠葉片對被壓縮氣體做功而使之速度大大提高,然后將此動能轉化為壓力能。在壓縮機中,氣體是沿垂直于壓縮機軸方向運動。適用于大、中型裝置的原料天然輸送與壓縮。

轉速高,排量大,結構簡單,摩擦部件少,操作平穩且靈活,易實現自動控制,維修工作量大大低于往復式壓縮機。

效率較低,一般只能達到80%左右,且偏離設計工況愈遠則效率愈低;但目前開發的采用高精度流線型葉輪的壓縮機,效率可達90%左右。

軸流式

壓縮機

屬速度式壓縮機,工作原理與離心式壓縮相同,區別僅在于氣體是沿平行于壓縮機軸的方向運動。應用于MR制冷循環效率甚高,但僅適用于高流量的工況。

(與離心式壓縮機類似)

不適宜應用于高壓。

螺桿式

壓縮機

屬回轉式壓縮機。其核心部分由一對嚙合的陰陽螺桿組成(參見圖8)。在中、小型LNG裝置上應用較多。

可靠性高,另部件少,使用壽命長。操作與維修方便;機器運轉平穩,體積流量幾乎不受排氣壓力的影響。

造價高,操作壓力一般不超過3MPa,且體積流量不宜太小。

 

                   14    壓縮機驅動器的選擇

 

原理與應用

優點

缺點

電動機

驅動器

以電力為能源的原動機,是中、小型LNG生產裝置最常用的驅動器,用以驅動往復式或離心式壓縮機。

結構緊湊,體積小,投資低,運轉平穩,易于實現自動控制。在電力供應充分且電價便宜的地區是首選的驅動器。

調速困難,同步電機本身不能調速,需由變速裝置來實現,實現無級變速非常困難。在遠離供電系統或電力供應不足的情況下,需建專用電站。

燃氣發動機

驅動器

以天然或其它燃氣為燃料的、火花點燃的活塞式內燃機,工作原理與汽油機相同。適合用于有天然氣供應的現場。

熱效率高,一般可達35%以上;若進行余熱回收則可達40%。與往復式壓縮機可直接連接,不需變速裝置,調節比較方便。。

機器笨重,結構復雜,易損件多,安裝與維修費用高。單機效率比燃氣輪機低,不易與壓縮機相匹配;只宜用于壓比要求高的中小型裝置上驅動往復式壓縮機。

蒸汽輪機

驅動器

是在蒸汽機基礎上發展的、以高溫高壓水蒸汽為工質以驅動葉輪的一種原動機;在大型LNG生產裝置上應用較多。

與燃氣輪機相比,其菱溫度與壓力要低得多,材料選擇及設備制作比較容易,故造價較低。

設備笨重,占地面積大,能量密度低,且需要配套的蒸汽發生裝置。屬往復式機械,慣性和工作過程不連續限制了轉速及效率的提高。

燃氣輪機

驅動器

以連續流動氣體為工質帶動葉輪高速旋轉,從而將燃料的能量轉化為內燃式動力機械的有用功;其實質是一種旋轉葉輪式熱力發電機。

結構簡單而緊湊,體積及重量小于其它原動機。安裝與維修方便,啟動快,轉速高,可直接與離心壓縮機連接,運行可靠,便于實現自動控制。

熱效率較低,無余熱回收的小型機效率低于26%;有余熱回收的大型設備效率也僅30%左右。雖然增設余熱回收設備后有可能將其效率提高至50%左右,但機組造價急劇上升。

 

3. 透平膨脹機

透平膨脹機也是LNG生產工廠中獲取冷量的關鍵設備之一。此設備是一種高速旋轉的熱力機械,當天然氣(工質)在其中作絕熱膨脹時,對外作功而使系統能量下降,從而產生一定的焓降并導致工質氣體的溫度降低。

由于回收功和制備冷量是應用透平膨脹機的主要目的,故轉速的設置應使膨脹機的效率達到最優化,但同時又會使壓縮機效率降低。徑向式單元膨脹機的效率要求通常為75%85%,壓縮機則一般為65%80%。

透平膨脹機按氣體在工作輪中的流向分為軸流式、向心徑流式(徑流式)和向心徑-軸流式(徑-軸流式)三類,如圖9所示。另一方面,按工質氣體在工作輪中是否繼續膨脹可分為反作用式(反擊式)和沖動式(沖擊式)兩類。

 

                   9   透平膨脹機通流部分的基本形式

10所示為目前廣泛應用的帶有半開式工作輪的單級向心徑-軸流、反作用式透平膨脹機結構的局部剖視圖。透平膨脹機主體部分有通流部分、制動器及機體。通流部分是獲得低溫的主要部件,由蝸殼、噴嘴環(導流器)、工作輪(葉輪)及擴壓器組成;氣流進入蝸殼后均勻分配給噴嘴環,在噴嘴中的第一次膨脹使一部分焓降轉化為氣體的動能推動工作輪,氣流進一步膨脹將另一部分焓降轉換成外功輸出。膨脹后的低溫氣體通過擴壓器排出。

1930年德國工程師首次應用透平膨脹機制冷獲得成功后,美、德和前蘇聯等國相繼開發成功了小型高速、高膨脹比及高壓大功率等應用于多種用途的新型透平膨脹機。1970年代的兩次石油危機,更進一步促進了透平膨脹機制造技術的迅速發展。1980年代后,透平膨脹機已經廣泛應用于天然氣的冷凝分離過程,逐漸形成了除級聯式、混合冷劑外的第三種工業常用的天然氣液化制冷工藝流程——帶膨脹機的液化流程。近年來,我國的透平膨脹機制造技術也取得了長足進步,但總體而言尚與國外有相當差距,尤其在葉片應力及頻率分析、CFD計算與流體力學分析,以及相應的軟件開發方面還有待提高,從而全面解決設備穩定性、可靠性和大型化問題。

 

              10   向心徑-軸流反作用式透平膨脹機典型結構

    美國Rotoflow公司是制造輕烴回收和天然氣液化用(帶液)透平膨脹機的國際著名公司,其生產的徑流式透平膨脹機最高進氣壓力可達20MPa,最大流量為5×104kg/h,最高轉速為12×104 r/min;制動器包括壓縮機、發電機等。

 

五.級聯式與混合冷劑制冷循環的應用

 

綜上所述可以看出,由級聯式、混合冷劑(MRC)和膨脹機等3種制冷循環發展而來多種工藝流程,以及與之配套的關鍵設備目前在LNG生產工廠中均有廣泛應用,其合理的選擇一般取決于裝置規模、現場條件、原料氣組成和設備配套等諸多因素的綜合比較??傮w而言,以上討論過的優化級聯式、經改進的

C3/MRC、DMRMFCP等各種新型流程,基本上均適用于大規模的LNG工廠,而適用于我國正在大力發展的中、小型工廠主要是各種類型的膨脹機流程,以及單級混合冷劑流程(如B&V公司的Prico工藝。),但后者的設計及關鍵設備制造(如PFHE),目前國內尚缺乏經驗,必須依靠進口技術。

    1. 中原綠能裝置(級聯式流程)

該裝置建于河南濮陽,200111月投產,是我國第一套投入商業運行的(基荷型)小型LNG生產裝置,天然氣處理量為15×104m3/d,采用法國索菲公司設計的、以丙烷和乙烯為冷劑的級聯式致冷液化流程(參見圖11,生產的LNG通過槽車運輸的方式供應給山東、江蘇等省的一些城市。該裝置的主要工藝參數如表15所示。

           

                    11    中原綠能天然氣液化裝置工藝流程

                

 

               15    中原綠能裝置的主要工藝參數

原料氣壓力

12MPa

原料氣溫度

30

甲烷摩爾分數

93.35%~95.83%

液化能力

15.0×104m3/d

LNG儲罐總容量

1200 m3(共2個儲罐,單罐容量600 m3

 

如圖11所示,經凈化處理后的高壓原料氣由丙烷預冷至-30左右,再節流至5.3MPa/-60左右;中壓天然氣分離重烴并脫除微量苯后,經乙烯換熱器冷卻,再節流至1.0MPa/-123℃,分離出中壓尾氣和中壓LNG。中壓LNG再經節流到0.3MPa/-145左右,得到低壓LNG貯存于產品儲罐。低壓尾氣同中壓尾氣一起經回收冷量后,分別進入低壓和中壓管網。

    級聯式制冷流程在國外一般應用于大型LNG生產裝置。但因中原綠能是國內首座基荷型裝置,故選擇了技術成熟、能耗較低的級聯式流程;它也是國內迄今唯一的一套級聯式流程LNG生產裝置。在流程設計方面,該裝置利用原料氣較高的壓力,在流程上采用三級J-T節流降溫,并回收閃蒸氣冷量等措施以降低能耗,為級聯式流程應用于中小型裝置取得了成功的經驗。

    2. 新疆廣匯裝置(單級混合冷劑流程)

新疆廣匯天然氣液化裝置建于新疆鄯善吐哈油田,于2004年9月投產。該裝置引進德國林德公司技術,采用單級混合冷劑制冷流程,天然氣液化能力達到150×104m3/d,產年LNG43×10t,是目前我國最大的LNG生產裝置。

如圖12所示,天然氣經預處理后導入冷箱,冷箱中集成了三個繞管式換熱器(參見圖13),即預冷段(E1)、液化段(E2)和過冷段(E3)。天然氣經過預冷段分離掉重烴,然后在液化段冷凝,在過冷段過冷,最后節流并送入LNG儲罐。儲罐為容量30000m3單容罐,在連續生產時注入量為111m3/h。

新疆廣匯裝置采用的混合冷劑(MR)由氮-甲烷-乙烯-丙烷-戊烷等5個組分組成。在閉式MR制冷循環中通過JT膨脹,以三個不同的溫度級為冷箱提供冷量,從冷箱返流的MR蒸氣經三級壓縮機壓縮、風冷器冷卻和氣液分離器分離后,氣液相分別進入預冷段。液體在預冷段過冷,再經過節流閥節流降溫,與后續流程的返流氣混合后共同為預冷段提供冷量。氣態MR經預冷段冷卻后進入氣液分離器,氣相和液相分別流入液化段,液體經過冷和節流降壓降溫后,與返流氣混合,為液化段提供冷量,天然氣進一步降溫,氣相流體將部分冷凝。過冷段中的換熱過程與預冷段和液化段相同。MR在液化段中被冷卻后,在過冷段中進行過冷,然后節流降壓、降溫后返回該段以冷卻天然氣和MR。

制冷循環壓縮機(C1)以燃氣透平(CT1)為驅動機。來自儲罐的閃蒸氣(BOG)和置換氣經壓縮后先作為原料氣脫碳裝置的再生(氣提)氣,然后作為燃氣透平的燃料。全廠采用導熱油系統供應兩個不同溫度等級的熱量,高溫等級的溫度約2600C,作為脫碳裝置重沸器的熱源。

在新疆廣匯裝置取得成功的基礎上,國內又于200810月和12月投產了廣東珠海裝置與鄂爾多斯裝置,處理規模分別為60×104m3/d100×104m3/d。這兩套裝置均單級混合冷劑制冷流程,由美國B&V提供技術。

 

                   

 

六.膨脹機制冷循環及其應用

 

    1. 工藝原理

膨脹機制冷循環液化工藝是利用高壓工質(致冷劑)通過透平膨脹機絕熱膨脹循環制冷而實現天然氣液化的工藝。工質氣體在膨脹機中膨脹降溫的同時向外界輸出功,后者可用于驅動流程中的壓縮機。當進入裝置的原料氣與離開裝置的商品氣之間有一定的壓差時,液化過程有可能不需從外界輸入能量,而靠原料天然氣的壓差通過膨脹機制冷,并使進入裝置的天然氣液化。

天然氣液化應用的膨脹機制冷循環分為閉式和開式兩種(參見圖14)。閉式循環中的工質氣體不是被液化的介質,如氮氣膨脹制冷液化流程以氮氣為工質氣體,它僅為天然氣提供液化所需的冷量,在制冷過程不涉及工質的相態變化,屬制冷效率比Claude循環更高的Brayton循環。

在開式循環中,高壓天然氣的一部分進入膨脹機膨脹,然后在換熱器內為高壓天然氣提供冷量,低溫高壓天然氣經節流膨脹后進一步降低溫度而被液化,故在開式循環中原料天然氣僅是部分被液化。開式循環制冷流程的最大優點是能耗小,預處理的氣量大大減少;但不能達到閉式循環那樣低的溫度,故原料氣液化率甚低,通常僅為原料氣總量的10%~30%(由原料氣可能提供的壓力能而定)。

                 

                   13   E1、E2·和E3集成的冷箱    

 

2. 四川犍為裝置(開式循環部分液化)

2005年11月投產的四川犍為裝置是國內第一套利用輸氣管網壓力差而建設的開式循環天然氣(部分)液化裝置,該裝置的功能為基荷型。在其取得成功的基礎上,目前在四川瀘州、江蘇蘇州、青海西寧和河南安陽等地又成了多套類似的裝置,但其功能大多為調峰型。從發展的角度看,此類裝置可以完全立足于國內技術,故發展速度頗快,今后將成為城市供氣的主要調峰手段。

             

                   14    閉式循環與開式循環示意圖

                  

原料氣井口壓力高達20MPa,但考慮到氣田的壓力遞減及國產設備的加工制造水平,確定原料氣進裝置的壓力為5.8MPa;而配氣站向管網供氣的壓力僅

1.8MPa,利用液化裝置與輸氣管網之間約4.0MPa的壓差,犍為裝置采用透平膨脹機開式循環制冷工藝。通過對占總氣量約90%天然氣進行透平膨脹機制冷獲得的冷量來液化占總氣量約10%的天然氣。被液化的天然氣量為4×104m3/d,LNG產量為29t/d,單位能耗小于0.08kW·h/m3(天然氣)。該裝置工藝流程如圖15所示;主要設計參數如表16所示。

如圖15所示,經預處理的膨脹氣流和被液化氣流分別進入冷箱內的預冷換熱器(PFHE),在此將膨脹氣流和被液化氣流從30℃冷卻到約-43℃。膨脹氣流進入透平膨脹機從5.8MPa膨脹到1.5MPa(溫度約-107℃)后,依次通過液化換熱器(PTHE)、預冷換熱器換熱,復熱到常溫后進入膨脹機的增壓端增壓至1.9MPa,并經后冷器冷卻至40℃,進入中壓天然氣管網返回配氣站。

從預冷換熱器出來的LNG氣流(-43℃)依次通過液化換熱器(出口溫度

-103)、過冷器(板翅式換熱器)過冷,逐步冷卻到-110℃后,通過節流閥由5.5MPa節流至0.35MPa(-140℃)進入冷箱內的低溫分離器分離成氣液兩相,氣相與LNG貯槽返回來的低壓天然氣匯合后依次通過過冷器、液化換熱器、預冷換熱器換熱,復熱到常溫后作為冷吹和再生氣源。出低溫分離器中的液相進入LNG貯罐(4臺100 m3壓力儲罐),儲存壓力為0.35MPa(-140℃)。

   

               15    四川犍為天然氣液化流程示意圖

 

                16    四川犍為裝置的主要設計參數

原料天然氣組分

甲烷含量94%、CO20.14%、汞含量 790ng/m3、N2含量 5%,不含H2S。

處理氣量

40×104m3/d

液化氣量

4×104m3/d

LNG 產品

66.7 m3/d

商品氣

35.8×104m3/d

氣井井口壓力設計

20MPa

進氣壓力

5.8MPa

進氣溫度

30℃左右

 

    3. 海南福山裝置(氮氣循環兩級膨脹)

    20053月投產的海南福山裝置天然氣處理量為25×104m3/d,液化率為100%。該裝置采用氮氣兩級膨脹流程,由加拿大Propak公司提供技術,其工藝流程如圖16所示。原料氣溫度為350C,壓力為1.3MPa,組成如表17所示。

                  16    海南福山裝置工藝流程示意圖

 

 

    N2膨脹制冷循環中,N2首先通過N2壓縮機(1)一級壓縮并冷卻,再通過壓縮機(2)二級壓縮并冷卻,又通過兩個膨脹/壓縮機進一步壓縮并冷卻,然后N2流經冷箱的C股物流通道被冷卻,進入一級膨脹機膨脹后,流經冷箱的D股物流通道被冷卻,再進入二級膨脹機進一步膨脹而得到低溫N2,后者作為冷源進入箱為天然氣液化提供冷量。出冷箱的N2返回N2壓縮機進行循環[10]。

                 17    原料氣組成(水飽和),%v

組分

含量

組分

含量

甲烷

73.880

正丁烷

0.002

乙烷

18.670

異戊烷

0.001

丙烷

0.430

二氧化碳

5.860

異丁烷

0.040

氮氣

1.150

 

    該裝置在被液化天然氣量為25×104m3/d時(液化率100%),制冷工質N2循環量為2018kmol/h,壓縮機功率(兩臺)3567kW,水冷換熱器帶走熱量為18290MJ/h,多股流換熱器得到的冷量分別為1860MJ/h 4606MJ/h。

    4. N2+CH4)膨脹機流程

    此流程與N2循環制冷膨脹機流程基本相同,只是為了降低膨脹機的能耗,以(N2+CH4)混合氣體取代純N2作為工質氣體。由于縮小了冷端溫差,此流程比使用純N2工質的流程節省10%~20%的能耗。

 

七.NGE/MRC制冷流程的有效能分析

 

近期文獻中提出一種新型的NGE/MRC制冷流程,其特點是將部分城市輸氣管網中的高壓天然氣作為透平膨脹機的膨脹氣,將高壓天然氣的壓力能轉化為冷能與機械功,兩者分別應用于原料氣的預冷和驅動混合冷劑壓縮機[12]。NGE/MRC制冷流程包括3個部分:膨脹機預冷系統、MRC制冷系統和天然氣液化系統。在膨脹預冷系統中,一部分來自高壓管網的原料天然氣作為膨脹氣進入透平膨脹機(EPX)膨脹端膨脹降溫后,進入預冷換熱器(E1)提供天然氣預冷及混合冷劑(MR)所需的冷量。MRC制冷系統及天然氣液化系統的流程則與常規的MRC流程類似(參見圖5)。

 

                 E1~E3—換熱器;S1~S4—氣液分離器;V1~V3—節流閥;

                      EXP—帶增壓端的透平膨脹機;WC—冷卻器;C—壓縮機

                   5    NGE/MRC制冷流程示意圖

 

    設定原料天然氣壓力為3.5MPa,溫度為293.15K;膨脹氣終端壓力為1.0MPa;LNG產量為30000m3/d,儲存壓力為120kPa。低壓壓縮機入口處MR的壓力為0.33MPa,高壓壓縮品牌壓力為2.0MPa。多股流換熱器換熱端面的溫差約為30C。壓縮機與膨脹機的效率取軟件默認值;換熱器及冷卻水的壓降取10kPa,不考慮其它功損失。

    使用Aspen Plus軟件進行流程模擬時,原料原料天然氣和MR的組成如表15所示;模擬得到的各節點熱力學參數與設備的操作參數如表16所示。根據流程模擬得到的數據進行NGE/MRC制冷流程的有效能分析計算結果如表17所示。

             15    原料天然氣與MR的組成(mol%

序號

1

2

3

4

5

6

組分

N2

CH4

C2H6

C3H8

n-C4H10

i-C4H10

原料天然氣

1.974

97.359

0.565

0.082

0.010

0.010

MR

6.60

43.9

34.5

15.0

 

 

 

            16    各節點的熱力學參數和設備的操作參數

參數

數值

參數

數值

MR流量,mol·s-1

32.097

MR提供的冷量,kW

 

膨脹氣流量,mol·s-1

111.616

    E1

83.90

壓縮機功率,kW

205.1

    E2

304.7

膨脹機輸出功,kW

195.1

    E3

195.1

膨脹氣溫度,K

231.5

節流閥的溫度降,K

 

天然氣預冷能耗,kW

36

    V1

4.4

MR制冷循環能耗,kW

168

    V2

3.0

膨脹機提供總冷量,kW

235.4

    V3

5.5

LNG流量,mol·s-1

14.468

天然氣液化率,%

95

             17    NGE/MRC制冷流程的有效能分析計算結果

項目

有效能損失(ΔEx),kW

占總損失量的比例,%

壓縮機

110.28

34.64

膨脹機

156.46

49.14

多股換熱器

39.1

12.28

節流閥

10.7

3.36

混合器

0.80

0.25

冷卻器

1.06

0.33

合計

318.8

100.00

 

八.結論與建議

 

    1裝置大型化是LNG生產工藝技術發展水平最明顯標志。1963年投產的阿爾及利亞Arzew工廠的單列生產能力僅36×104t/a;而2008年投產的卡塔爾QATARGAS工廠的單列生產能力則達到了770×104t/a。雖然我國目前建設規模達到(200~300)×104t/a(單列)LNG裝置的條件尚不太成熟,但為適應我國“能源供應多元化”戰略和國際合作的需要,必須充分重視此發展趨勢。

2)近10余年來,在生產裝置大型化的同時,國內外中小型LNG裝置技術開發與建設也取得了令人矚目的成就。為適應我國“充分發揮國內資源的基礎性保障作用”戰略的需要,中小型LNG裝置在我國的發展極為迅速,目前已建和在建的裝置總數超過30套,其規模則在(2~150)×104t/a(單列)之間。中型裝置大多為基荷型;小型裝置則既有基荷型,也有調峰型。

3)根據我國的具體國情,中小型LNG生產裝置的建設對邊遠分散氣田與海上氣田開發、城鎮供氣及調峰、LNG作為車用燃料及非常規天然氣的利用等方面均發揮了關鍵性的作用,必將成為我國天然氣工業發展的一個重要分支。鑒此,建議有關部門充分重視此發展動向。

4)目前大型LNG生產裝置常用的各種流程都是由單一冷劑級聯式、混合冷劑和透平膨脹機等3種基本的制冷循環演變而來。近年來,這3種基本制冷循環在發展過程中相互滲透,取長補短而開發出一系列新型工藝流程。諸如,菲利普公司的優化級聯式流程(OCP),APCI公司的C3/MR流程,林德公司的由三級不同組成混合冷劑構成的MFCP流程和殼牌(Shell)公司開發的在預冷階段也使用混合冷劑的雙混合冷劑流程(DMR)。

5)使用單級MR的新疆廣匯裝置和廣東珠海裝置的成功投產,為我國在中型LNG生產裝置上使用單級混合冷劑制冷流程奠定了基礎。但此類流程的工程設計我國目前尚缺乏經驗;且該流程中的關鍵設備——多股流繞管式換熱器(SWHE)也需依靠進口。

61980年代后期開始,透平膨脹機流程的發展尤為突出,目前廣泛應用于我國中小型LNG生產裝置的建設。四川犍為裝置是國內第一套利用輸氣管網壓力差而建設的開式循環天然氣(部分)液化裝置,在其取得成功的基礎上,目前在四川瀘州、江蘇蘇州、青海西寧和河南安陽等地又成了多套類似的裝置。從發展的角度看,此類裝置可以完全立足于國內技術,故發展速度頗快,今后將成為城市供氣的主要調峰手段。

(7)天然氣液化是一種能耗極高的工藝過程,其設備投資在總投資中所占比例甚大,且有效能在總能耗中所占比例不超過40%。因此,在LNG工程可行性研究和/或前端設計(FEED)中,運用有效能(Ex)分析以改進各種制冷流程的熱力學效率是降低設備能耗、尺寸和投資的重要技術措施。同時,此技術也是我國開發具有自主知識產權新工藝的必由之路,應引起有關部門充分重視。

 

 

 

                           參考文獻

 

[1]       磊,國際LNG貿易的發展趨勢分析,商業時代,

20114):41

[2] 李長波    杰等,全球油氣資源形勢,天然氣工業,2010,301):1   

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