小型橇裝LNG 裝置液化工藝對(duì)比分析

李賀松 董憲瑩 高 楊 朱 琳

天津市振津石油天然氣工程有限公司， 天津 300384

0 前言

小型天然氣液化裝置經(jīng)過(guò)集約橇裝后具有工藝流程簡(jiǎn)單、安裝搬遷方便、原料氣適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)油氣回收、海上油氣回收、散井氣回收以及沼氣回收等領(lǐng)域。將這些零散分布的放空氣液化成液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱LNG)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義［1－3］。

目前運(yùn)行的小型LNG 裝置制冷工藝主要有混合冷劑循環(huán)制冷(Mixed Refrigerant Cycle，簡(jiǎn)稱MRC)工藝、N2膨脹制冷工藝、丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝和高壓引射制冷工藝等［4－7］。

本文以新疆5 ×104m3/d 放空氣回收液化裝置為例。井口天然氣從井口出來(lái)經(jīng)過(guò)調(diào)壓計(jì)量后，經(jīng)過(guò)脫CO2、脫水、脫汞等天然氣凈化處理后進(jìn)入天然氣液化系統(tǒng)，先經(jīng)過(guò)淺冷分離出重?zé)N，防止重?zé)N深冷后凍堵冷箱，再經(jīng)過(guò)深冷把天然氣冷卻成LNG。因此，制冷工藝的選擇對(duì)天然氣回收液化裝置有著至關(guān)重要的作用。本文以裝置集約成橇為前提，從能耗、核心設(shè)備選型、可操作性、可成橇性等方面對(duì)多種制冷工藝進(jìn)行對(duì)比分析，以選擇最適合該條件的小型橇裝天然氣液化工藝。

1 氣源基礎(chǔ)工藝條件

裝置的天然氣來(lái)自井口氣，技術(shù)規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原料天然氣技術(shù)規(guī)格表

2 MRC 工藝

2.1 流程描述

MRC 工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，凈化后的天然氣進(jìn)入中冷冷箱內(nèi)，冷卻到－55 ℃后進(jìn)入重?zé)N分離器，分離出重?zé)N防止冷箱低溫段凍堵。分離后的天然氣進(jìn)入深冷冷箱深冷到－147 ℃后再節(jié)流降溫至－ 160 ℃，然后進(jìn)入LNG 儲(chǔ)罐。

混合冷劑是由CH4、C2H4、C3H8、iC5H12和N2等組分以一定配比組成的混合物。混合冷劑經(jīng)冷劑壓縮機(jī)增壓、降溫、分離后氣液兩相分別進(jìn)入中冷冷箱和深冷冷箱的不同流道，節(jié)流制冷為冷箱提供冷量。

圖1 MRC 工藝流程

2.2 核心工藝設(shè)備選型

液化系統(tǒng)的核心工藝設(shè)備為冷劑壓縮機(jī)和冷箱。本工藝中冷箱選用翅片式換熱器，冷劑壓縮機(jī)選用2 臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)，冷劑壓縮機(jī)的技術(shù)規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 冷劑壓縮機(jī)技術(shù)規(guī)格表

2.3 操作性分析

MRC 工藝成熟、能耗低、流程簡(jiǎn)單、工藝設(shè)備少。但由于冷劑組分多，混配和組分調(diào)整過(guò)程比較復(fù)雜，且需要設(shè)置丙烷、乙烯、異戊烷及冷劑儲(chǔ)存設(shè)施，配套容器較多。

選用2 臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)并聯(lián)操作的方式，一方面可減小單臺(tái)壓縮機(jī)的外形尺寸，使冷劑壓縮機(jī)更易成橇;另一方面2 臺(tái)可互為備用，1 臺(tái)停機(jī)時(shí)可以將處理負(fù)荷減半，既增加了裝置的可靠性又大大增加了裝置的操作彈性。

另外，此種小型橇裝LNG 工廠多位于地點(diǎn)偏遠(yuǎn)地區(qū)，市供電所不及，往往采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電。單臺(tái)冷劑壓縮機(jī)的電機(jī)功率為355 kW，目前國(guó)內(nèi)電機(jī)廠家能提供功率為355 kW 的低壓電機(jī)，因此冷劑壓縮機(jī)電機(jī)可選用380 V 低壓電機(jī)，可避免使用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)1 000 V 的高壓電，降低了操作風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 可成橇性分析

液化系統(tǒng)由2 個(gè)冷劑壓縮機(jī)橇、1 個(gè)制冷輔助設(shè)備橇、1 個(gè)冷劑罐組橇和1 個(gè)冷箱橇等5 個(gè)橇塊組成。冷箱橇塊由于高度較高需要水平運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)立裝。MRC 工藝各橇塊尺寸見(jiàn)表3。

液化系統(tǒng)整體橇裝性較好，設(shè)備布置及配管協(xié)調(diào)性高;橇塊尺寸能夠滿足多數(shù)公路運(yùn)輸條件，搬遷靈活性高。

表3 MRC 工藝各橇塊尺寸

3 N2 膨脹制冷工藝

3.1 流程描述

N2膨脹制冷工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。N2經(jīng)過(guò)N2壓縮機(jī)多級(jí)壓縮、冷卻后進(jìn)入冷箱，經(jīng)第一次冷卻后，進(jìn)入一級(jí)N2膨脹機(jī)膨脹降溫，然后進(jìn)入冷箱進(jìn)行第二次冷卻，冷卻后的低溫N2進(jìn)入二級(jí)N2膨脹機(jī)繼續(xù)膨脹降溫，之后進(jìn)入冷箱提供冷量，復(fù)熱后返回N2壓縮機(jī)入口，再由N2壓縮機(jī)壓縮循環(huán)制冷。

圖2 N2 膨脹制冷工藝流程

3.2 核心工藝設(shè)備選型

液化系統(tǒng)的核心工藝設(shè)備為N2壓縮機(jī)、N2膨脹壓縮機(jī)和冷箱。冷箱選用翅片式換熱器。N2壓縮機(jī)選用往復(fù)式壓縮機(jī)。N2壓縮機(jī)的技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表4。

表4 N2 壓縮機(jī)技術(shù)規(guī)格表

3.3 可操作性分析

N2膨脹制冷工藝?yán)鋭﹩我?、流程?jiǎn)單、設(shè)備少、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠。但能耗相對(duì)較高，比較適用于小型天然氣液化裝置。

由于N2循環(huán)量較大，壓差較大，一般需要三級(jí)壓縮，同時(shí)膨脹機(jī)的操作彈性較小，且一般不設(shè)置成2 臺(tái)并聯(lián)的方式。如果采用2 臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)的方式，1 臺(tái)檢修時(shí)，流量無(wú)法滿足膨脹機(jī)的工作要求。因此N2壓縮機(jī)一般選用往復(fù)式壓縮機(jī)，且需要1 用1 備。

同時(shí)還需要設(shè)置2 臺(tái)膨脹機(jī)及其附屬設(shè)備，因此該工藝動(dòng)設(shè)備較多，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。

同時(shí)，N2壓縮機(jī)的電機(jī)功率為1 000 kW，需要選擇1 000 V 的高壓電機(jī)。對(duì)于采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電的橇裝LNG 工廠來(lái)說(shuō)，需要分別設(shè)置1 000 V 高壓電和380 V的低壓電系統(tǒng)，增加了操作風(fēng)險(xiǎn)和先期投資。

3.4 可成橇性分析

液化系統(tǒng)整體由2 個(gè)N2壓縮機(jī)橇、1 個(gè)膨脹機(jī)及附屬橇和1 個(gè)冷箱橇等4 個(gè)橇塊組成。N2膨脹制冷工藝各橇塊尺寸見(jiàn)表5。

N2壓縮機(jī)選用往復(fù)式壓縮機(jī)尺寸較大，不易成橇，且橇塊寬度超寬，在運(yùn)輸時(shí)需要壓縮機(jī)和壓縮機(jī)電機(jī)拆開(kāi)運(yùn)輸。其余2 橇尺寸較小，運(yùn)輸容易。

表5 N2 膨脹制冷工藝橇塊尺寸

4 丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝

4.1 流程描述

丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝［8－9］流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。本制冷循環(huán)由混合冷劑制冷循環(huán)和丙烷預(yù)冷循環(huán)兩部分組成。在丙烷預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)中，丙烷蒸汽經(jīng)丙烷壓縮機(jī)壓縮后冷卻至液態(tài)，通過(guò)淺冷冷箱分別對(duì)混合冷劑和原料氣進(jìn)行預(yù)冷，蒸發(fā)后的丙烷返回到丙烷壓縮機(jī)進(jìn)行再循環(huán)。在混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)中，混合冷劑經(jīng)冷劑壓縮機(jī)壓縮、冷卻后，再由丙烷預(yù)冷系統(tǒng)冷卻到－35 ℃，混合冷劑冷凝成氣液兩相，進(jìn)入冷劑分液罐分離后氣相、液相分別進(jìn)入天然氣冷箱冷卻，冷卻后復(fù)熱返回到混合冷劑壓縮機(jī)壓縮再循環(huán)。

圖3 丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝流程簡(jiǎn)圖

4.2 核心工藝設(shè)備選型

該工藝核心設(shè)備為丙烷壓縮機(jī)、混合冷劑壓縮機(jī)和冷箱。冷箱選用翅片式換熱器。螺桿式壓縮機(jī)的螺桿油與混合冷劑中的重組分混合后不易分開(kāi)，從而影響了冷劑的配比，并使螺桿油變質(zhì)，影響螺桿壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。通過(guò)增設(shè)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)，混合冷劑中可以不使用重組分iC5H12，因此丙烷壓縮機(jī)和混合冷劑壓縮機(jī)可以選用螺桿式壓縮機(jī)。丙烷壓縮機(jī)、混合冷劑壓縮機(jī)的技術(shù)規(guī)格分別見(jiàn)表6、7。

表6 丙烷壓縮機(jī)技術(shù)規(guī)格

表7 混合冷劑壓縮機(jī)技術(shù)規(guī)格

4.3 可操作性分析

丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝具有流程簡(jiǎn)單、制冷效率高、原料氣適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

丙烷壓縮機(jī)和混合冷劑壓縮機(jī)可選用螺桿式壓縮機(jī)。螺桿壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)相比具有運(yùn)行平穩(wěn)、震動(dòng)小、技術(shù)成熟、可利用滑閥實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的連續(xù)調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。但螺桿壓縮機(jī)比往復(fù)式壓縮機(jī)效率低:螺桿壓縮機(jī)在廠家選擇上有一定困難;為了避免把螺桿機(jī)中油帶入冷箱造成冷箱凍堵，螺桿壓縮機(jī)對(duì)壓縮機(jī)出口過(guò)濾系統(tǒng)精度的要求較高;螺桿壓縮機(jī)排氣壓力一般在2 500 kPa 以內(nèi)，但為了提高制冷效率，本文中將混合冷劑壓縮機(jī)排氣壓力設(shè)為3 600 kPa。

同時(shí)，丙烷壓縮機(jī)和冷劑壓縮機(jī)的電機(jī)功率分別為280 kW 和355 kW，可以選擇380 V 低壓電機(jī)。對(duì)于采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電的橇裝LNG 工廠來(lái)說(shuō)，則可避免必須采用1 000 V 高壓電，降低了操作要求和操作風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 可成橇性分析

液化系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)橇、冷劑罐組橇和冷箱橇等3 個(gè)橇塊組成。丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝橇塊尺寸見(jiàn)表8。

表8 丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝橇塊尺寸

由于核心設(shè)備壓縮機(jī)選用螺桿式壓縮機(jī)，體積較小，故可將壓縮機(jī)及其部分附屬設(shè)備集成在制冷系統(tǒng)橇上。冷劑罐組及其配套管線閥門另集成橇。由于液化系統(tǒng)除冷箱外兩橇尺寸接近，在布局和配管時(shí)協(xié)調(diào)性更好。其中制冷系統(tǒng)橇尺寸略寬，需要考慮超限設(shè)備運(yùn)輸問(wèn)題。冷箱橇塊高度較高，需要水平運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)立裝。

5 高壓引射制冷工藝

5.1 流程描述

高壓引射制冷工藝［10］流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。凈化后的天然氣由原料氣壓縮機(jī)壓縮到20 MPa，并與循環(huán)氣壓縮機(jī)壓縮后的循環(huán)氣混合后進(jìn)入冷箱。在冷箱內(nèi)，高壓天然氣經(jīng)過(guò)預(yù)冷換熱器，預(yù)冷到約－30 ℃，再進(jìn)入主換熱器，利用循環(huán)氣的冷量繼續(xù)冷卻后，一部分天然氣進(jìn)入高壓引射器J-401 降壓后進(jìn)入分離器V-401，另一部分通過(guò)高壓引射器J-402 降壓后進(jìn)入分離器V-402。分離器V-401的氣相大部分作為循環(huán)氣復(fù)熱后由循環(huán)氣壓縮機(jī)壓縮再循環(huán);另一小部分進(jìn)入分離器V-402 的冷凝器，經(jīng)過(guò)冷卻后進(jìn)入分離器V-403。分離器V-401 的液相和引射器J-402 后的物流混合進(jìn)入分離器V-402，分離器V-402 的氣體由J-401 引射進(jìn)入V-401，液相進(jìn)入LNG 儲(chǔ)存系統(tǒng)。LNG 儲(chǔ)存系統(tǒng)的閃蒸氣由高壓引射器J-402 引射進(jìn)入V-402。

圖4 高壓引射制冷工藝流程簡(jiǎn)圖

5.2 核心工藝設(shè)備選型

該工藝核心設(shè)備包括原料氣壓縮機(jī)、循環(huán)氣壓縮機(jī)、丙烷預(yù)冷壓縮機(jī)和液化冷箱。高壓引射制冷工藝為俄羅斯深冷機(jī)械制造股份公司的專利技術(shù)，其核心設(shè)備冷箱需選用該公司的專利冷箱設(shè)備，因此供貨周期較長(zhǎng)。原料氣壓縮機(jī)和循環(huán)氣壓縮機(jī)選用往復(fù)式壓縮機(jī)，預(yù)冷系統(tǒng)采用丙烷預(yù)冷系統(tǒng)，丙烷壓縮機(jī)選用螺桿式壓縮機(jī)。原料氣壓縮機(jī)、循環(huán)氣壓縮機(jī)以及丙烷壓縮機(jī)的技術(shù)規(guī)格參數(shù)分別見(jiàn)表9、10、11。

表9 原料氣壓縮機(jī)技術(shù)規(guī)格

表10 循環(huán)氣壓縮機(jī)技術(shù)規(guī)格

表11 丙烷壓縮機(jī)技術(shù)規(guī)格

5.3 可操作性分析

高壓引射制冷工藝具有流程簡(jiǎn)單、操作彈性大、原料氣適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。冷箱采用俄羅斯深冷機(jī)械制造股份公司的專利冷箱設(shè)備，主要換熱器采用管殼式結(jié)構(gòu)，較板翅式換熱器抗凍堵能力強(qiáng)，對(duì)原料氣的適應(yīng)能力強(qiáng)。

由于原料氣壓縮機(jī)和循環(huán)氣壓縮機(jī)壓差較大，循環(huán)氣壓縮機(jī)的流量也比較大，且引射器的操作彈性較小，不宜采用2 臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)的方式，因此原料氣壓縮機(jī)和循環(huán)氣壓縮機(jī)宜選用往復(fù)式壓縮機(jī)，且需要設(shè)置備機(jī)。因此動(dòng)設(shè)備較多，操作維護(hù)較復(fù)雜。

另外，循環(huán)氣壓縮機(jī)的電機(jī)功率較大，為700 kW，若采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電則需要輸出1 000 V 的高壓電，同時(shí)還有低壓用電設(shè)備，因此需要配置1 000 V 高壓電和380 V 的低壓電系統(tǒng)，增加了操作風(fēng)險(xiǎn)和先期投資。

5.4 可成橇性分析

液化系統(tǒng)整體可分為4 部分共6 個(gè)橇，各個(gè)橇的尺寸見(jiàn)表12。由于采用了俄羅斯深冷機(jī)械制造股份公司的專利冷箱，冷箱設(shè)備的尺寸較小，高度也滿足運(yùn)輸尺寸要求，冷箱的橇裝性較好。天然氣壓縮機(jī)和循環(huán)壓縮機(jī)設(shè)備尺寸較大，需要各自獨(dú)立成橇。由于壓縮機(jī)采用1用1 備設(shè)置，故需要4 臺(tái)壓縮機(jī)橇。由于循環(huán)壓縮機(jī)橇寬度過(guò)大，在運(yùn)輸時(shí)需要把壓縮機(jī)和電機(jī)拆開(kāi)運(yùn)輸。

表12 高壓引射制冷工藝橇塊尺寸

6 性能對(duì)比

5 ×104m3/d 天然氣液化裝置性能對(duì)比見(jiàn)表13。通過(guò)對(duì)比分析可知:

1)MRC 工藝的能耗較低，操作費(fèi)用較省。

2)MRC 系統(tǒng)中，動(dòng)設(shè)備只需要2 臺(tái)冷劑壓縮機(jī)，既可并聯(lián)使用又可互為備用，1 臺(tái)壓縮機(jī)維修時(shí)，裝置可以50負(fù)荷運(yùn)行，操作穩(wěn)定性高，彈性大。

3)采用2 臺(tái)冷劑壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的方式，可使單臺(tái)冷劑壓縮機(jī)的尺寸減小，易于成橇及搬遷。

4)采用2 臺(tái)冷劑壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的方式，使單臺(tái)壓縮機(jī)的功率降低，從而可以使用低壓電機(jī)。對(duì)于無(wú)外電接入，采用發(fā)電機(jī)發(fā)電作為工廠電源的裝置，全廠只需配置一種低壓電源，裝置運(yùn)行比較安全，投資較省。

表13 5 ×104 m3/d 天然氣液化裝置性能對(duì)比

7 結(jié)論

1)MRC 工藝的能耗較低，液化系統(tǒng)的動(dòng)設(shè)備也相對(duì)較少，冷劑壓縮機(jī)選用2 臺(tái)往復(fù)式并聯(lián)時(shí)操作性和成橇性都較好，比較適合于自發(fā)電、單套規(guī)模在5 ×104m3/d及以下的橇裝天然氣液化項(xiàng)目。

2)N2膨脹制冷工藝的能耗較高，液化系統(tǒng)的動(dòng)設(shè)備較多，N2壓縮機(jī)成橇性較差，工藝操作靈活性較差。但是冷劑單一，附屬設(shè)備少，冷劑調(diào)整操作簡(jiǎn)單。比較適合于冷劑獲取困難、有外電供應(yīng)、單套規(guī)模在2 ×104m3/d及以下的橇裝天然氣液化項(xiàng)目。

3)丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝的能耗最低，液化系統(tǒng)的動(dòng)設(shè)備也相對(duì)較少，可操作性強(qiáng)，丙烷壓縮機(jī)和混合冷劑壓縮機(jī)可選用螺桿式壓縮機(jī)，可成橇性較好，更適合于有外電供應(yīng)、氣源組分穩(wěn)定、單套規(guī)模在15 ×104m3/d及以下的橇裝天然氣液化項(xiàng)目。

4)高壓引射制冷工藝的能耗最高，但該工藝可以避免冷箱尺寸太大而無(wú)法橇裝的問(wèn)題，對(duì)原料氣組分的適應(yīng)性強(qiáng)。該工藝中循環(huán)氣壓縮機(jī)尺寸較大，橇裝相對(duì)困難，動(dòng)設(shè)備較多，可操作性較差。比較適合于有外電供應(yīng)、氣源組分波動(dòng)較大、單套規(guī)模在3 ×104m3/d 及以下的橇裝天然氣液化項(xiàng)目。由于冷箱需要俄羅斯進(jìn)口，供貨周期較長(zhǎng)。

［1］顧安忠，魯雪生，金國(guó)強(qiáng)，等.液化天然氣技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.Gu Anzhong，Lu Xuesheng，Jin Guoqiang，et al.LNG Technical Manuals［M］.Beijing:China Machine Press，2010.

［2］顧安忠，魯雪生，汪榮順，等. 液化天然氣技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.Gu Anzhong，Lu Xuesheng，Wang Rongshun，et al.LNG Technology［M］.Beijing:China Machine Press，2003.

［3］Gas Processors Suppliers Association Engineering Data Book［M］.12th ed. Oklahoma:Gas Processors Suppliers Association，1981.

［4.］譚建宇，李紅艷，王 莉，等.小型天然氣液化裝置工藝流程數(shù)值模擬和優(yōu)化［J］.天然氣工業(yè)，2005，25(5):112－114 Tan Jianyu，Li Hongyan，Wang Li，et al. Numerical Simulation and Optimization of Process Flows for Small Gas Liquefaction Plants［J］. Natural Gas Industry，2005，25(5):112－114.

［5］王保慶.天然氣液化工藝技術(shù)比較分析［J］，天然氣工業(yè)，2009，29(1):111－113.Wang Baoqing.LNG Processing Technologies and Comparison Analysis［J］.Natural Gas Industry，2009，29(1):111－113.

［6］閻光燦，王曉霞. 天然氣液化技術(shù)［J］. 天然氣與石油，2005，23(2):10－16 Yan Guangcan，Wang Xiaoxia.Natural Gas Liquefaction Technology［J］.Natural Gas and Oil，2005，23(2):10－16.

［7］Saeid M，Mak J Y，Valappil J V，et al.Handbook of Liquefied Natural Gas［M］.1st ed.Amsterdam:Elsevier Press，2014.

［8］Hudson H M，Wilkinson J D，Cuellar K T，et al. Integrated Liquids Recovery Technology Improves LNG Production Efficiency［C］//Paper Presented at the 82nd Annual Convention of the Gas Processors Association，11 Mar 2003，San Antonio，Texas，USA.Midland:Ortloff Engineers，Ltd.，2003.

［9］Chiu C H，LPG-Recovery Processes For Baseload LNG Plants Examined［J］.Oil ＆ Gas Journal，1997，59－63.

［10］商麗娟，郭方飛，曲順利，等.國(guó)內(nèi)外兩種高含氮天然氣液化工藝的對(duì)比分析［J］.天然氣工業(yè)，2011，31(1):93－95.Shang Lijuan，Guo Fangfei，Qu Shunli，et al. Comparative Analysis of Two Typical Liquefaction Processes of High-N2 Natural Gas at Home and Abroad［J］.Natural Gas Industry，2011，31(1):93－95.