利用分輸站的壓差液化天然氣研究①

馬國光 高 俊 季夏夏 魏向東

(1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué))

(2.中國石油西氣東輸管道公司贛湘管理處)

1 分輸站壓力能回收的必要性

天然氣分輸站用以分配長輸管線天然氣，采用節(jié)流膨脹實現(xiàn)將高壓天然氣調(diào)壓至中低壓下游用戶標(biāo)準(zhǔn)外輸。因此，分輸站調(diào)壓期間存在較大壓降，如我國川氣東送管線分輸站最大壓差達5 MPa左右，平均壓差約為2.6 MPa，可利用的壓力能全年總和達2 600×108kJ，相當(dāng)于約9 MW的電站一年的發(fā)電量[1]。由此可見，天然氣長輸管線分輸站蘊含的可利用的壓力能相當(dāng)大，應(yīng)采取相應(yīng)措施對其進行回收利用，實現(xiàn)天然氣長輸管線的經(jīng)濟運行。

目前，國內(nèi)外回收利用天然氣壓力能的方式主要為發(fā)電和制冷兩大類。在制冷方面，主要是將膨脹后低溫天然氣的冷量，用于液化天然氣、冷庫、冷水空調(diào)、橡膠深冷粉碎以及輕烴回收等[2]。

針對液化天然氣在我國能源市場的重要地位，提出利用天然氣長輸管線分輸站壓差液化天然氣工藝，實現(xiàn)了分輸站能量的綜合利用。

2 利用分輸站壓差液化天然氣工藝

2.1 天然氣凈化工藝

利用分輸站壓差液化天然氣時，天然氣應(yīng)滿足液化天然氣凈化指標(biāo)，即ρ(H2S)<5.6 mg/m3、y(CO2)<0.005%、y(H2O)<0.000 01%。而長輸管線天然氣僅符合一類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即ρ(H2S)≤6 mg/m3，y(CO2)≤2.0%，且無游離水存在[3]。由此可見，管輸天然氣氣質(zhì)并不滿足液化天然氣要求，液化前需進行深度凈化處理。

2.1.1天然氣脫硫脫碳工藝

天然氣脫硫脫碳有多種工藝。其中，化學(xué)吸收法脫酸性能穩(wěn)定，操作工藝成熟，可以達到天然氣液化裝置中所要求的深度凈化標(biāo)準(zhǔn)，且經(jīng)濟性好[4]。常用的化學(xué)吸收法有3種，即醇胺法、熱鉀堿法及砜胺法。由于醇胺法成本低、反應(yīng)速率快、穩(wěn)定性好且易再生，已被廣泛應(yīng)用于天然氣液化裝置中。表1給出了醇胺法中常用的3種吸收劑的適用條件及優(yōu)缺點。

表1 3種常用吸收劑的比較

管輸天然氣碳硫比較高，如我國西氣東輸天然氣碳硫比達1.27×104；川氣東送氣碳硫比高達1.1×106。同時，管輸天然氣酸氣分壓低，液化前深度凈化時應(yīng)同時脫除CO2、H2S。若采用MDEA脫硫脫碳，由于MDEA與CO2反應(yīng)速率慢，脫除大量CO2時溶液濃度高、循環(huán)量大。因此，在MDEA中加入少量堿性強的DEA來提高反應(yīng)速率，降低胺液濃度和循環(huán)量。通過計算，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為MDEA(35%)+DEA(5%)的混合胺液滿足管輸天然氣深度脫硫脫碳的要求。

2.1.2天然氣脫水工藝

天然氣脫水方法主要為低溫冷凝法、溶液吸收法[6]、固體吸附法及膜分離法脫水。表2對幾種脫水方法進行了比較。

表2 天然氣脫水方法比較

天然氣液化前須進行深度脫水，采用固體吸附脫水比較合適。同時，固體吸附劑采用4A分子篩可完全脫水，滿足深冷要求[7]。

2.2 制冷方法選取

利用氣體壓力能制冷的方法可分為兩類：不對外做功的膨脹和作外功的膨脹。前者主要為節(jié)流閥和熱分離機，后者主要有透平膨脹機。

(1) 節(jié)流閥。利用實際氣體的J-T節(jié)流效應(yīng)制冷是發(fā)展最早的制冷方法。節(jié)流閥結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作維護方便，但制冷量小，制冷效率僅為30%～40%。

(2) 熱分離機。熱分離機通過“節(jié)流-壓縮-膨脹-分離”的循環(huán)過程實現(xiàn)制冷。熱分離機可用于不同的流量和壓力，與透平膨脹機相比，其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜、運行維護容易。熱分離機制冷效率為60%～70%，略低于膨脹機[8]。

(3) 透平膨脹機。透平膨脹機制冷原理：高壓天然氣等熵膨脹時向外輸出機械功，消耗了大量的內(nèi)能，使得氣體溫度降低，實現(xiàn)制冷目的。透平膨脹機具有流量大、體積小、不污染制冷工質(zhì)等優(yōu)點，而且，制冷效率高達85%以上。同時，利用膨脹機制冷可回收膨脹功，實現(xiàn)能量的充分利用。

綜合可得，利用分輸站壓差液化天然氣工藝采用透平膨脹機回收天然氣壓力能實現(xiàn)制冷液化天然氣[9]。

2.3 利用分輸站壓差液化天然氣工藝

利用天然氣長輸管線分輸站壓差液化天然氣工藝見圖1。分輸站來氣經(jīng)分離器1分離除雜后分流為兩股，一股(物流1)為LNG原料氣，另一股(物流2)為制冷冷源。為降低凈化費用，僅物流1進行脫硫脫碳處理。物流1進吸收塔與胺液逆流接觸脫碳脫硫后天然氣中y(CO2)<0.005%、ρ(H2S)<5.6 mg/m3。凈化天然氣經(jīng)分離器2分離后去分子篩1完全脫水，然后經(jīng)換熱器1、2冷卻并在分離器3進行氣液分離，液相去重?zé)N處理裝置，氣相進入換熱器3深冷后通過節(jié)流閥節(jié)流降壓至分輸壓力，最后進入分離器4進行氣液分離，液相為LNG，進入LNG低溫儲罐；氣相回流為天然氣提供冷量后外輸。

分輸站來氣在低溫環(huán)境下易形成天然氣水合物產(chǎn)生冰堵現(xiàn)象，因此物流2膨脹之前需深度脫水。物流2進入分子篩2完全脫水，然后經(jīng)換熱器1預(yù)冷直接進入膨脹端膨脹制冷后為LNG原料氣提供冷量。最后在膨脹機壓縮端的作用下增壓外輸。

該液化流程僅利用天然氣分輸站自身壓差實現(xiàn)制冷液化天然氣，液化單元無外界能量供應(yīng)，實現(xiàn)了流程總能耗最小。

3 液化流程的分析研究

(1) 天然氣液化率

(1)

(2) 膨脹制冷單元

透平膨脹機膨脹功：

(2)

式中,Hin、Hout分別為膨脹機工質(zhì)進口焓和出口焓值，kJ/kg；ρ為工質(zhì)體積流量，m3/h；ηT為透平效率。

透平膨脹機制冷量：

Q0=qR(Hin-Hout)ηt

(3)

膨脹機壓縮端采用離心式壓縮機，其軸功率計算如(4)式：

(4)

(5)

式中,qR為氣體質(zhì)量流量，kg/s；η為壓縮效率。

其中，

We=Wc

(6)

天然氣的實際焓值H為該狀態(tài)下的理想焓Hid與余焓Hres之和，即：H=Hid+Hres[10]。

混合物理想焓的計算方程：

(7)

用PR方程計算余焓的方程為：

(8)

(3) 換熱器單元

總物料平衡：

q1+q2=q重?zé)N+qLNG+q15+q23

(9)

式中, qi為節(jié)點物流的質(zhì)量流量，kg/s。

能量平衡：

q6H6+q17H17+(q12H12-q15H15)+

(q19H19-q22H22)-q重?zé)NH重?zé)N-q10H10-

q18H18=0

(10)

(4) 壓差對液化流程的影響

通過以上計算，天然氣分輸站內(nèi)壓差對天然氣液化率影響見圖2。隨著壓差的增大，液化率呈上升趨勢，但當(dāng)天然氣液化率增大到18.34%時，液化率基本不再受壓差影響。同時，單位壓差液化率隨著天然氣壓差的增大呈拋物線變化：先上升后下降，存在一個單位壓差液化率較大的值。該壓差下天然氣壓力能利用效率最高，即分輸站壓差為4MPa左右時，單位壓差制冷所得天然氣液化率最大。

(5) 分輸量對液化流程的影響

通過計算，天然氣分輸量對液化天然氣和LNG產(chǎn)量的影響見圖3。由圖3可得，天然氣分輸量越大，液化所得LNG產(chǎn)量越大，但并不影響天然氣液化率。

綜合上述可知，利用壓差液化天然氣流程應(yīng)用于天然氣長輸管線分輸站時，影響天然氣液化率的因素為天然氣壓差。同時，該工藝應(yīng)用于壓差約4 MPa的分輸站時，壓力能利用效率最高。而且，天然氣分輸量越大，液化天然氣產(chǎn)量越高。

4 實例計算

以川氣東送為例[1]，該長輸管道沿線設(shè)有上黨、梁平、恩施、宜昌、枝江、荊州、仙桃、武漢、黃石、黃梅、安慶、池州、宣城、十字鎮(zhèn)、湖州、嘉興等分輸站。各分輸站采用如圖1所示的壓差式液化工藝對壓力能回收利用，川氣東送管線主要分輸站的液化天然氣產(chǎn)量見表3。

表3 川氣東送利用分輸站壓差液化天然氣產(chǎn)量

從表3可得，川氣東送外輸商品氣量75×108m3/a，各分輸站可回收利用的壓力能達2 600×108kJ/a，利用圖1的壓差式液化流程對壓力能回收，可生產(chǎn)液化天然氣量約272×103t/a。其中，達化、九江、上黨、嘉興分輸站天然氣分輸量大，可利用的壓力能大，液化天然氣產(chǎn)量高，LNG總產(chǎn)量為241.6×103t/a，具有很高的回收利用價值。

5 結(jié) 論

利用分輸站壓差液化天然氣工藝中，根據(jù)管輸天然氣的氣質(zhì)特點，液化前深度凈化宜采用MDEA(35%)+DEA(5%)的混合胺液脫碳脫硫，4A分子篩脫水。該液化流程的天然氣液化率僅隨壓差的增大而升高。同時，分輸站分輸量越大，液化天然氣產(chǎn)量越高。因此，該工藝適用于長輸管線壓降大、分輸規(guī)模較大的分輸站。此壓差式液化工藝，天然氣液化率最大為18%左右，如進一步提高液化率則建議在此基礎(chǔ)上增加外制冷方法來實現(xiàn)液化。

利用透平膨脹機回收天然氣分輸站壓力能生產(chǎn)高經(jīng)濟附加值的液化天然氣，不僅實現(xiàn)了能量的綜合利用，而且提高了天然氣長輸管線的經(jīng)濟效益，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 徐孝軒,黃業(yè)千, 亢澤濤，等.川氣東送分輸站壓力能回收利用潛力分析[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟,2103:7(2):48-51.

[2] 顧安忠,魯雪生,汪榮順，等.液化天然氣技術(shù)[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2003:284-286.

[3] 馬國光.天然氣集輸[M].北京:石油工業(yè)出版社,2014:132.

[4] 歐銀軍.天然氣預(yù)處理過程中的脫酸與脫水工藝研究[J].科技視界,2012(12):227-228.

[5] 中國石油天然氣總公司. SY/T 11—1996 氣田天然氣凈化廠設(shè)計規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)出版，1997.

[6] 羅國民.三甘醇脫水在高酸性氣田集輸站中的應(yīng)用分析[J].石油與天然氣化工，2013，42(6)：571-577.

[7] 郭洲,曾樹兵, 陳文峰.分子篩脫水裝置在珠海天然氣液化項目中的應(yīng)用[J].石油與天然氣化工，2008，37(2)：138-140.

[8] 李學(xué)來,黃齊飛.熱分離技術(shù)與壓力能的回收利用[J].福建能源開發(fā)與節(jié)約,2001(3): 57-60.

[9] He T B, Ju Y L. Design and optimization of natural gas liquefaction process by utilizing gas pipeline pressure energy [J]. Applied Thermal Engineering, 2013,57(1/2):1-6.

[10] 石玉美,顧安忠, 汪榮順，等.天然氣和混合制冷劑的焓熵[J].流體機械,2000,28(6):62-64.