LNG液化流程及管道輸送工藝綜述

施林圓,馬劍林

(1.中國(guó)石油西南油氣田分公司輸氣管理處,四川成都, 610213; 2.中國(guó)石油管道秦皇島輸油氣分公司,河北秦皇島, 066000)

LNG液化流程及管道輸送工藝綜述

施林圓1,馬劍林2

(1.中國(guó)石油西南油氣田分公司輸氣管理處,四川成都, 610213; 2.中國(guó)石油管道秦皇島輸油氣分公司,河北秦皇島, 066000)

液化天然氣作為一種清潔能源,越來(lái)越受到人們的歡迎,而液化天然氣技術(shù)也已成為天然氣工業(yè)中一個(gè)極其重要的部分?？偨Y(jié)了幾種LNG液化流程,包括級(jí)聯(lián)式液化流程、混合制冷劑液化流程和帶膨脹機(jī)的液化流程等,對(duì)比分析了不同液化流程的能耗情況以及LNG管道液相輸送工藝和注意事項(xiàng)。

液化天然氣(LNG) ;液化流程;輸送工藝;比較分析

1 概述

作為天然氣的一種利用形式,液化天然氣(LNG)近年來(lái)在全球能源市場(chǎng)正受到越來(lái)越多的歡迎。今后10年內(nèi)全球用于開(kāi)發(fā)LNG的資金將達(dá)1 000億美元,對(duì)LNG的投資將成為全球最大的投資趨勢(shì)之一。自1995年以來(lái),全球LNG市場(chǎng)一直保持平均每年7.5%的增幅,而這些增長(zhǎng)主要集中在世界LNG進(jìn)口總量達(dá)三分之二的亞太地區(qū)[1～2 ]。

液化天然氣(LNG)的密度是氣態(tài)天然氣的600倍,與氣相輸送相比,輸送相同體積的天然氣時(shí), LNG輸送管直徑要小得多,LNG泵站的能耗要比壓縮機(jī)站的能耗低若干倍。因此,采用液化天然氣管道輸送越來(lái)越受到重視。

LNG輸送管道的不足之處是:必須采用低溫條件下性能良好的材料,如價(jià)格較貴的鎳鋼。此外,還需要采用性能良好的低溫隔熱材料。遠(yuǎn)距離時(shí),需增建中間制冷站,因此, LNG輸送管道的初期投資費(fèi)用較高,實(shí)現(xiàn)也較困難。

2 天然氣液化流程

天然氣的液化流程有不同的形式,按制冷方式不同,可分為以下三種形式: a.級(jí)聯(lián)式液化流程; b.混合制冷劑液化流程; c.帶膨脹機(jī)的液化流程。

天然氣液化裝置有基本負(fù)荷型液化裝置和調(diào)峰型液化裝置?；矩?fù)荷型液化裝置是指生產(chǎn)供當(dāng)?shù)厥褂没蛲膺\(yùn)的大型液化裝置。這種天然氣液化裝置,其液化單元常采用級(jí)聯(lián)式液化流程和混合制冷劑液化流程。調(diào)峰型液化裝置是指為調(diào)峰負(fù)荷或補(bǔ)充冬季燃料供應(yīng)的天然氣液化裝置,在匹配峰荷和增加供氣的可靠性方面發(fā)揮著重要作用,可以極大地提高輸送管道的經(jīng)濟(jì)性[3 ]。

2.1 級(jí)聯(lián)式液化流程

級(jí)聯(lián)式液化流程也被稱(chēng)為階式液化流程、復(fù)疊式液化流程或串聯(lián)蒸發(fā)冷凝液化流程,主要應(yīng)用于基本負(fù)荷型天然氣液化裝置。

級(jí)聯(lián)式液化流程中較低溫度級(jí)的循環(huán),將熱量轉(zhuǎn)移給相鄰的較高溫度級(jí)的循環(huán)。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)乙烯制冷循環(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。圖1為級(jí)聯(lián)式液化流程的示意圖。

級(jí)聯(lián)式液化流程的優(yōu)點(diǎn)是:能耗低;制冷劑為純物質(zhì),無(wú)配比問(wèn)題;技術(shù)成熟,操作穩(wěn)定。缺點(diǎn)是:機(jī)組多、流程復(fù)雜;附屬設(shè)備多,要有專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)和儲(chǔ)存多種制冷劑的設(shè)備,初投資大;管道與控制系統(tǒng)復(fù)雜,維護(hù)不方便。

圖1 級(jí)聯(lián)式液化流程示意圖

2.2 混合制冷劑液化流程

混合制冷劑液化流程(mixed-refrigerant cycle, MRC)是以C1～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)到對(duì)天然氣逐步冷卻和液化的目的。MRC既能達(dá)到類(lèi)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(lái),基本負(fù)荷型天然氣液化裝置廣泛采用了各種不同類(lèi)型的混合制冷劑液化流程。

混合制冷劑液化流程如圖2所示。

與級(jí)聯(lián)式液化流程相比,MRC的優(yōu)點(diǎn)是:機(jī)組設(shè)備少,流程簡(jiǎn)單,投資費(fèi)用比經(jīng)典級(jí)聯(lián)式液化流程低15%～20%;管理方便;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:能耗較高,比級(jí)聯(lián)式液化流程高10%～20%;混合制冷劑的合理配比較為困難;流程計(jì)算需提供各組分可靠的平衡數(shù)據(jù)與物性參數(shù),計(jì)算困難。

2.3 帶膨脹機(jī)的液化流程

帶膨脹機(jī)的液化流程(expander-cycle) ,是指利用高壓制冷劑通過(guò)透平膨脹機(jī)絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷實(shí)現(xiàn)天然氣液化的流程。氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時(shí),能輸出功,可用于驅(qū)動(dòng)流程中的壓縮機(jī)。當(dāng)管路輸來(lái)的進(jìn)入裝置的原料氣與離開(kāi)液化裝置的商品氣有自由壓差時(shí),液化過(guò)程就可能不從外界加入能量,而是靠自由壓差通過(guò)膨脹機(jī)制冷,使進(jìn)入裝置的天然氣液化。流程的關(guān)鍵設(shè)備是透平膨脹機(jī)。

圖2 混合制冷劑液化流程圖

根據(jù)制冷劑的不同,可分為天然氣膨脹液化流程/氮?dú)馀蛎浺夯鞒碳暗淄榕蛎浺夯鞒痰?。這類(lèi)流程的優(yōu)點(diǎn)是:流程簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、易啟動(dòng)、易操作、維護(hù)方便;用天然氣本身為工質(zhì)時(shí),省去專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存冷凍劑的費(fèi)用,投資適中,特別適用于液化能力較小的調(diào)峰型天然氣液化裝置。缺點(diǎn)是:送入裝置的氣流需全部深度干燥;回流壓力低,換熱面積大,設(shè)備金屬投入量大;受低壓用戶(hù)多少的限制;液化率低。

2.3.1 天然氣膨脹液化流程

天然氣膨脹液化流程,是指直接利用高壓天然氣在膨脹機(jī)中絕熱膨脹到輸出管道壓力而使天然氣液化的流程。

天然氣膨脹液化流程見(jiàn)圖3。原料氣經(jīng)脫水器1脫水后,部分進(jìn)入脫CO2塔2進(jìn)行脫除CO2。這部分天然氣脫除CO2后,經(jīng)換熱器5～7及過(guò)冷器8后液化,部分節(jié)流后進(jìn)入儲(chǔ)槽9儲(chǔ)存,另一部分節(jié)流后為換熱器5～7和過(guò)冷器8提供冷量。儲(chǔ)槽9中自蒸發(fā)的氣體,首先為換熱器5提供冷量,再進(jìn)入返回氣壓縮機(jī)4,壓縮并冷卻后與未進(jìn)脫CO2塔的原料氣混合,進(jìn)換熱器5冷卻后,進(jìn)入膨脹機(jī)10膨脹降溫后,為換熱器5～7提供冷量。

圖3 天然氣膨脹液化流程圖

對(duì)于這類(lèi)流程,為了能得到較大的液化量,在流程中增加了1臺(tái)壓縮機(jī),這種流程稱(chēng)為帶循環(huán)壓縮機(jī)的天然氣膨脹液化流程,其缺點(diǎn)是流程功耗大。

2.3.2 氮?dú)馀蛎浺夯鞒?/p>

在氮?dú)馀蛎浺夯h(huán)中,如圖4所示,氮?dú)饨?jīng)循環(huán)壓縮機(jī)9壓縮和換熱器2冷卻后,進(jìn)入氮透平膨脹機(jī)7膨脹降溫后,為換熱器4提供冷量,再進(jìn)入氮透平膨脹機(jī)7膨脹降溫后,為換熱器5、4、2提供冷量。離開(kāi)換熱器2的低壓氮?dú)膺M(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)9壓縮,開(kāi)始下一輪的循環(huán)。

圖4 氮?dú)馀蛎浺夯鞒虉D

2.3.3 氮—甲烷膨脹液化流程

為了降低膨脹機(jī)的功耗,采用氮—甲烷混合氣體代替純氮?dú)?發(fā)展了氮—甲烷膨脹液化流程(N2/ CH4cycle)。

圖5為氮—甲烷膨脹液化流程示意圖。氮—甲烷膨脹機(jī)液化流程由天然氣液化系統(tǒng)與氮—甲烷制冷系統(tǒng)兩個(gè)各自獨(dú)立的部分組成。

天然氣液化系統(tǒng)中,經(jīng)過(guò)預(yù)處理裝置1脫酸、脫水后的天然氣,經(jīng)換熱器2冷卻后,在重?zé)N分離器3中進(jìn)行氣液分離,氣相部分進(jìn)入換熱器4冷卻液化,在換熱器5中過(guò)冷,節(jié)流降壓后進(jìn)入儲(chǔ)槽11。制冷劑氮—甲烷經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)10和制動(dòng)壓縮機(jī)7壓縮到工作壓力,經(jīng)水冷卻器8冷卻后,進(jìn)入換熱器2被冷卻到透平膨脹機(jī)的入口溫度。一部分制冷劑進(jìn)入透平膨脹機(jī)6膨脹到循環(huán)壓縮機(jī)10的入口壓力,與返流制冷劑混合后,作為換熱器4的冷源,回收的膨脹功用于驅(qū)動(dòng)制動(dòng)壓縮機(jī)7;另外一部分制冷劑經(jīng)換熱器4和5冷凝和過(guò)冷后,經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫返流,為過(guò)冷換熱器提供冷量。

圖5 氮—甲烷膨脹液化流程圖

與混合制冷劑液化流程相比較,氮—甲烷膨脹液化流程具有啟動(dòng)時(shí)間短、流程簡(jiǎn)單、控制容易、混合制冷劑測(cè)定及計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)。由于縮小了冷端換熱溫差,它比純氮膨脹液化流程節(jié)省10%～20%的動(dòng)力消耗。

2.4 幾種液化流程與級(jí)聯(lián)式液化流程比功耗的比較

表1列出了幾種液化流程的比功耗與級(jí)聯(lián)式液化流程比功耗的比較。典型級(jí)聯(lián)式液化流程的比功耗為0.33 kW·h/kg。在表1中以級(jí)聯(lián)式液化流程的比功耗為比較標(biāo)準(zhǔn),取為1。

表1 集中液化流程的比功耗與級(jí)聯(lián)式液化流程比功耗的比較

3 LNG管道輸送工藝

世界上,目前只有在LNG調(diào)峰裝置和油輪裝卸設(shè)施上設(shè)有LNG低溫管線(xiàn),還沒(méi)有長(zhǎng)距離LNG管線(xiàn)的實(shí)例,但國(guó)外專(zhuān)家的理論研究表明,隨著低溫材料和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展,建設(shè)長(zhǎng)距離管線(xiàn)在技術(shù)上是可行的,在經(jīng)濟(jì)上是合理的[4]。

3.1 液化天然氣密相輸送工藝

LNG進(jìn)入管道的是飽和液化天然氣液體,由于管道沿線(xiàn)溫度的影響,液化天然氣易受熱,其中一部分會(huì)被汽化,使管道內(nèi)形成兩相流動(dòng),這不僅增大了沿線(xiàn)阻力,而且還會(huì)產(chǎn)生氣體段塞流動(dòng)現(xiàn)象,嚴(yán)重影響管道的輸送能力和安全運(yùn)行。因此,對(duì)于低溫液體輸送管道,特別是長(zhǎng)距離管道,要防止液體汽化,就必須實(shí)現(xiàn)液體單相流動(dòng)。而防止液化天然氣汽化的方法需要采用密相輸送工藝,即將管道的操作壓力控制在臨界冷凝壓力之上,管道內(nèi)流體溫度控制在臨界冷凝溫度之下,使得管道運(yùn)行工況位于液相密相區(qū),見(jiàn)圖6。

圖6 典型的天然氣相包線(xiàn)圖

此外,為降低因流動(dòng)摩擦和過(guò)泵剪切引起的液化天然氣溫度升高,長(zhǎng)距離液化天然氣輸送管道除建設(shè)加壓站之外,還需要每隔一定距離設(shè)冷卻站,并且使加壓站和冷卻站建在一起,即所謂的冷泵站,以便于施工和管理。

3.2 LNG管道輸送的注意事項(xiàng)

目前,國(guó)內(nèi)液化天然氣管道輸送技術(shù)尚處于起步階段,因此,需要加強(qiáng)對(duì)液化天然氣管道輸送技術(shù)的研究,特別是在管材、低溫輸送技術(shù)、低溫管道施工、自動(dòng)控制和檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備方面的研究工作。

對(duì)于輸送LNG這樣的低溫產(chǎn)品來(lái)說(shuō),當(dāng)今的管道技術(shù)既可采用柔性的軟管,也可采用剛性的管道。前者由于花費(fèi)高和絕緣的局限性,僅限于應(yīng)用短距離的裝載和卸載,而剛性管道則可用于較長(zhǎng)的距離。隨著現(xiàn)代海底低溫管道設(shè)計(jì)的出現(xiàn),LNG的有效運(yùn)輸距離可達(dá)32 km。

低溫液體的輸送管道可分為非絕熱管,普通絕熱管和真空絕熱管。

非絕熱管特點(diǎn)是造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱容量小,但在使用時(shí)跑冷損失大。非絕熱管道通常用于間斷性的短距離輸送。普通絕熱管這種管道是在管外敷設(shè)普通絕熱結(jié)構(gòu),它的絕熱性能較差,而熱容量又較大,故適用于液氧、液氮及LNG的輸送。真空絕熱管這種管道按其絕熱的方法又可以分為高真空絕熱管、真空粉末絕熱管及真空多層絕熱管。一般來(lái)說(shuō),高真空絕熱管的絕熱性能不如其它兩種好,但其絕熱容量小,故預(yù)冷耗熱量小。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,天然氣在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的需求量越來(lái)越大,而液化天然氣的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯,天然氣的開(kāi)發(fā)和LNG輸送管道的建設(shè)也成為天然氣工業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)。然而,就目前國(guó)內(nèi)外LNG管道輸送的技術(shù)發(fā)展來(lái)看,由于存在選線(xiàn)困難,設(shè)備技術(shù)要求高,投資大等問(wèn)題,需要廣大油氣儲(chǔ)運(yùn)工作者和相關(guān)部門(mén)的共同努力,解決這些難題,從而更高效地實(shí)現(xiàn)LNG的長(zhǎng)距離管道輸送。

[1] 郭揆常.液化天然氣(LNG)應(yīng)用與安全[M ].北京:中國(guó)石化出版社, 2008.

[2] 錢(qián)伯章,朱建芳.世界液化天然氣的現(xiàn)狀及展望[J ].天然氣與石油, 2008, 26(4) : 34-38.

[3] 羅媛媛,袁宗明,謝 英,等.LNG液化工藝[J ].石油化工應(yīng)用, 2007, 26(1) : 12-15.

[4] 中國(guó)石油唐山液化天然氣項(xiàng)目經(jīng)理部.液化天然氣接收站重要設(shè)備材料手冊(cè)[M ].北京:石油工業(yè)出版社, 2007.

1006-5539 (2010) 05-0037-04

A

2010-07-29

施林圓(1976-) ,女,福建福清人,工程師,大學(xué)本科,主要從事天然氣管道規(guī)劃、項(xiàng)目前期工作及后評(píng)價(jià)管理工作。