天然氣液化工藝發(fā)展的新趨勢(shì)——關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題與案例分析

陳飛，威爾·施密特，楊紹軍

（1空氣化工產(chǎn)品公司，美國(guó) 賓西法尼亞州 阿倫頓18195；2空氣化工產(chǎn)品 （中國(guó)）投資有限公司，上海201203）

引 言

液化天然氣 （LNG）工業(yè)從20世紀(jì)60年代發(fā)展至21世紀(jì)初，一直專注于傳統(tǒng)的大型基荷型LNG項(xiàng)目［1］。這些項(xiàng)目一般建于近海陸地，投資大，單線產(chǎn)能高 （一般＞200萬(wàn)噸／年），通常位于熱帶地區(qū) （如印度尼西亞、馬來(lái)西亞、中東等地）。在過(guò)去的十幾年里，液化天然氣行業(yè)得到了顯著的發(fā)展，世界各地籌建和興建了各種類型的液化天然氣項(xiàng)目。如溫帶地區(qū)或極寒地區(qū)的基荷LNG、中小型液化天然氣 （＜100萬(wàn)噸／年）、浮式液化天然氣項(xiàng)目 （FLNG）等［2］。

在設(shè)計(jì)LNG液化項(xiàng)目時(shí)，許多技術(shù)問(wèn)題必須盡早得到論證和優(yōu)化。不恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)選擇和未得到優(yōu)化的工藝方案會(huì)直接影響到項(xiàng)目的收益。LNG行業(yè)新趨勢(shì)要求人們不可照搬照抄以往傳統(tǒng)LNG項(xiàng)目的結(jié)論，而應(yīng)當(dāng)對(duì)所有的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行重新考量。這是保障一個(gè)項(xiàng)目成功與否的關(guān)鍵。

本文著重于從液化過(guò)程的角度，對(duì)設(shè)計(jì)LNG工廠時(shí)需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，探討如何針對(duì)新型LNG項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)選擇與工藝優(yōu)化。本文并不嘗試提出適合所有項(xiàng)目的 “終極”解決方案，而是通過(guò)一些具體的案例分析闡明不同的技術(shù)選擇對(duì)項(xiàng)目投資和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性的影響以幫助決策過(guò)程。

1 天然氣液化過(guò)程

圖1所示為一個(gè)簡(jiǎn)化的天然氣液化流程。原料氣通過(guò)管線從氣源進(jìn)入工廠，天然氣中的雜質(zhì)首先在預(yù)處理單元得到脫除：酸性氣體 （硫化氫、二氧化碳等）在酸氣脫除單元 （AGRU）脫除；原料氣中的水則通過(guò)分子篩干燥吸附脫除；汞在脫汞吸附床脫除。凈化后的天然氣進(jìn)入天然氣凝析液（NGL）回收裝置，其所含乙烷以上的烷烴得到分離回收以達(dá)到調(diào)整最終LNG產(chǎn)品規(guī)格 （如熱值）的目的。接下來(lái)，除一小部分被用作燃料之外，絕大部分原料氣在預(yù)冷單元用預(yù)冷制冷劑循環(huán)冷卻，然后在液化單元使用主制冷劑循環(huán)液化并過(guò)冷。最后，LNG產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)品閃蒸罐，壓力降低并分相。其中的氣相部分被壓縮并與前述小部分原料氣一同用作燃料，而降壓后的LNG液體則進(jìn)入儲(chǔ)罐，成為最終LNG產(chǎn)品。整個(gè)過(guò)程的循環(huán)工作介質(zhì)，也就是制冷劑，通過(guò)冷劑壓縮機(jī)循環(huán)使用，為預(yù)冷與液化過(guò)程提供所需的冷量。

單位能耗 （specific power，Ws）是衡量液化過(guò)程熱力學(xué)效率的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。其定義為

單位能耗低 （高）表明液化過(guò)程的熱力學(xué)效率高 （低）。原料氣組分、液化設(shè)備的類型和設(shè)計(jì)、制冷劑和制冷循環(huán)的選擇、冷卻介質(zhì)的溫度、換熱器中冷熱介質(zhì)的接近溫度、壓縮機(jī)效率等都會(huì)影響單位能耗。

自損耗 （auto－consumption，A）是另外一個(gè)衡量液化過(guò)程效率的指標(biāo)。其定義為燃料消耗和其他損耗的原料氣占總原料氣的百分比

圖1 簡(jiǎn)化LNG生產(chǎn)流程Fig.1 LNG train

壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng) （如燃?xì)廨啓C(jī)）消耗的燃料、液化過(guò)程的單位能耗、廠區(qū)共用工程消耗等都會(huì)影響到液化過(guò)程的自損耗。

2 天然氣液化的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

一個(gè)LNG項(xiàng)目的各個(gè)單元有各自的工藝目的和設(shè)計(jì)要求。通常來(lái)講，關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)包括：①制冷劑和制冷循環(huán)的選擇；②驅(qū)動(dòng)方式的選擇；③重?zé)N脫除方案；④冷媒的選擇；⑤產(chǎn)能瓶頸與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

本文對(duì)上述這些關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)逐條進(jìn)行論述。由于篇幅有限，一些具體問(wèn)題的詳細(xì)論述可參考作者的其他相關(guān)文章［3－5］。

2.1 主制冷劑循環(huán)的選擇

主制冷劑循環(huán)為原料氣提供最主要的冷量，將原料氣從預(yù)冷溫度 （如－35℃）降低至－145～－165℃之間。主制冷劑及其循環(huán)過(guò)程的選擇直接影響到過(guò)程的單位能耗，并一定程度上決定了使用的設(shè)備類型和尺寸。

2.1.1 混合制冷劑 （MR） 用于主制冷循環(huán)的混合制冷劑通常由氮?dú)?、甲烷、乙?（或乙烯）和丙烷構(gòu)成。根據(jù)流程不同，也可包含丁烷和異戊烷。每種組分的具體含量由單位能耗優(yōu)化的結(jié)果決定。世界上絕大多數(shù)的LNG產(chǎn)能都是用MR作為主制冷劑。其主要特點(diǎn)如下。

①傳熱過(guò)程主要由制冷劑的蒸發(fā)潛熱提供，傳熱系數(shù)高。單位制冷量所需要的MR流量比相同條件下通過(guò)顯熱提供制冷 （如氣體膨脹循環(huán)）所需的制冷劑流量要少很多。因此對(duì)換熱器設(shè)備與附屬管線尺寸和數(shù)量的要求更?。?］。

②過(guò)程單位能耗更低，因而在相同產(chǎn)量下所需的制冷劑壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備更小。

③在工廠運(yùn)行過(guò)程中，原料氣的組分、冷媒的溫度、產(chǎn)量要求等時(shí)常會(huì)變化。通過(guò)改變MR的組成和用量可以達(dá)到較好的操作靈活性。

④MR中的各組分除氮?dú)馔饩梢詮脑蠚庵蟹蛛x得到，或從外部購(gòu)買。氮?dú)庖话銖母綄俚母呒兊獨(dú)獍l(fā)生器得到［7］。

⑤由于MR中所有的組分以混合物的形式一同被壓縮并參與制冷循環(huán)，因而只需要一臺(tái)主制冷劑壓縮機(jī) （如需要另外的預(yù)冷制冷循環(huán)，則需要另外一臺(tái)預(yù)冷冷劑壓縮機(jī)）。

由于MR是以兩相流的形式進(jìn)入主換熱器，因此要保證氣液兩相均勻分布以確保較好的換熱效率和較平穩(wěn)的換熱過(guò)程。大量基荷型LNG工廠的實(shí)踐證明，這一點(diǎn)可以通過(guò)選擇合適的換熱設(shè)備類型和優(yōu)化的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到。在FLNG應(yīng)用中，洋流及船體的運(yùn)動(dòng)對(duì)制冷劑的兩相流行為的影響也應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中充分考慮［8］。

2.1.2 純組分階式制冷劑循環(huán) （PCC） 原料氣通過(guò)3個(gè)不同的純組分冷劑循環(huán)冷卻液化，分別為丙烷 （預(yù)冷段）、乙烯或乙烷 （液化段）、己烷 （過(guò)冷段）。在每個(gè)純組分冷劑循環(huán)中，低壓制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮，冷卻，冷凝，然后恒溫恒壓 （通常為2～3個(gè)遞減的壓力級(jí)別）下蒸發(fā)為原料氣提供制冷［9］。每一個(gè)制冷循環(huán)都比前一個(gè)更冷，而同一循環(huán)內(nèi)每一級(jí)壓力也比前一級(jí)提供更冷的冷量，如同一個(gè)溫度 “臺(tái)階”接著另一個(gè)溫度 “臺(tái)階”。

PCC的特點(diǎn)包括：

① 換熱也是通過(guò)液體蒸發(fā)提供的，傳熱系數(shù)高；

②單位能耗通常較MR稍高，但是比氣體膨脹制冷循環(huán) （見(jiàn)下述）低許多［6］；

③增加壓力級(jí)數(shù)可以降低單位能耗，但會(huì)增加設(shè)備數(shù)目和過(guò)程復(fù)雜度；

④由于每種制冷劑分別被壓縮，各自參與制冷循環(huán)，因而需要3臺(tái)壓縮機(jī)；

⑤ 單一組分制冷劑物化性質(zhì)固定 （與MR相比），使過(guò)程效率受冷媒溫度或原料氣變化的影響較大

2.1.3 氣體膨脹制冷劑循環(huán) （GE） 制冷劑 （如甲烷或氮?dú)猓┙?jīng)過(guò)壓縮，冷卻，膨脹后提供制冷。制冷劑在該過(guò)程中不發(fā)生冷凝，始終保持氣相。氣體膨脹制冷循環(huán)的特點(diǎn)包括：

①過(guò)程較簡(jiǎn)單，不涉及兩相流；

②單位制冷量所需氣體制冷劑的體積流量非常大，因而要求更大的設(shè)備和管道尺寸，單位能耗較高；

③氣相的傳熱系數(shù)比液相蒸發(fā)的傳熱系數(shù)要低許多，因而在相同條件下需要更大的換熱器面積；

④氣相制冷劑需要通過(guò)膨脹機(jī)來(lái)制冷，與前述兩種制冷劑循環(huán)相比，需要額外的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備。

一些優(yōu)化的氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)工藝可以達(dá)到較低的單位能耗［10］，而且由于不涉及兩相流和制冷劑的不可燃性，在某些FLNG項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。

2.2 預(yù)冷制冷劑循環(huán)的選擇

液化裝置的單位能耗常常可以通過(guò)添加預(yù)冷循環(huán)來(lái)提高。預(yù)冷制冷劑循環(huán)將原料氣從常溫降至－25～－45℃。添加預(yù)冷循環(huán)可以有效減小主制冷劑循環(huán)的流量和設(shè)備尺寸，增加單線產(chǎn)能，進(jìn)而減小總單位能耗和運(yùn)營(yíng)成本 （OPEX）。

2.2.1 丙烷預(yù)冷循環(huán) （C3） C3預(yù)冷循環(huán)是現(xiàn)今使用最廣泛的預(yù)冷制冷劑循環(huán)。丙烷很容易從原料氣中獲取，或以液體的形式從外部購(gòu)得。丙烷的物性更適合為原料氣在預(yù)冷溫度段提供制冷。在吸入口壓力不低于大氣壓的條件下，C3預(yù)冷系統(tǒng)可以達(dá)到的最冷溫度約－35℃左右 （考慮到換熱器的設(shè)計(jì)溫差）。C3預(yù)冷循環(huán)的特點(diǎn)包括：

①工藝成熟，操作簡(jiǎn)便；

②運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)豐富，世界上超過(guò)90%的LNG產(chǎn)能都具有C3預(yù)冷循環(huán)；

③預(yù)冷段溫度范圍隨冷媒溫度的減小而減小。預(yù)冷段溫度范圍越小，C3預(yù)冷的成本效益就越??；對(duì)于極寒地區(qū)，季節(jié)性的空氣溫度變化非常巨大［11］，應(yīng)當(dāng)對(duì)使用C3預(yù)冷的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估；

④一些FLNG項(xiàng)目出于安全的考慮避免丙烷的使用，從一定程度上限制了其在FLNG的應(yīng)用［12］。

如需要將預(yù)冷溫度降至更低 （如－40℃左右），也可以考慮使用丙烯作為預(yù)冷制冷劑［13］。丙烯與丙烷性質(zhì)類似，但是不可以從原料氣中分離得到，必須外購(gòu)。

2.2.2 混合制冷劑預(yù)冷循環(huán) 用于預(yù)冷的MR通常是甲烷、丙烷、丁烷和戊烷的混合物。與主混合制冷劑一樣，預(yù)冷的MR的組成也是通過(guò)優(yōu)化單位能耗的結(jié)果來(lái)決定的。其特點(diǎn) （除去與主混合制冷劑相同的特點(diǎn)之外）包括：

① 通過(guò)調(diào)整制冷劑的組成達(dá)到更好的操作靈活性。這對(duì)于冷媒季節(jié)性溫度變化較大的項(xiàng)目具有意義，如極寒地區(qū)LNG項(xiàng)目［14］；

②通過(guò)調(diào)整組分也可調(diào)整預(yù)冷段末端溫度，從而優(yōu)化預(yù)冷循環(huán)和主制冷循環(huán)之間的換熱器與壓縮機(jī)負(fù)荷，方便設(shè)備選型；

③預(yù)冷MR組分可通過(guò)優(yōu)化避免使用丙烷，因而在一些FLNG項(xiàng)目上得到了考慮；

④操作上要比丙烷預(yù)冷相對(duì)復(fù)雜?？晒I(yè)界參考的經(jīng)驗(yàn)有限；

⑤制冷劑以兩相流的形式進(jìn)入預(yù)冷換熱器，在設(shè)計(jì)時(shí)需注意換熱器內(nèi)制冷劑的分布情況 （尤其是對(duì)于FLNG應(yīng)用）。

2.2.3 氫氟碳化合物預(yù)冷循環(huán) （HFC） R－410A

是一種較優(yōu)的氫氟碳化合物 （HFC）預(yù)冷制冷劑。HFC預(yù)冷循環(huán)的特點(diǎn)包括［15］：

①HFC預(yù)冷循環(huán)與C3預(yù)冷循環(huán)流程十分類似，操作簡(jiǎn)便；

② 安全等級(jí)高，R－410A不易燃易爆，在400×10－6以下不顯示毒性，且對(duì)臭氧層無(wú)破壞作用；

③ 獲取方便，其作為傳統(tǒng)R－22氟里昂的替代品在制冷與空調(diào)行業(yè)廣泛使用；

④在FLNG應(yīng)用中，如以HFC作預(yù)冷、以氮?dú)馀蛎浹h(huán)作主制冷循環(huán)的流程，可以提高效率并避免使用可燃烷烴類制冷劑；

⑤HFC可以提供比C3預(yù)冷更冷的預(yù)冷溫度，使得其在冷媒溫度較低或變化范圍較大的情況下比C3預(yù)冷循環(huán)的制冷效率更高。

迄今為止HFC作為預(yù)冷制冷劑在LNG生產(chǎn)中還處于前期研究與設(shè)計(jì)階段，因而應(yīng)對(duì)其潛在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合理評(píng)估。其次，HFC是一種合成化合物，不可從原料氣中獲取，需要從外部購(gòu)買。

表1列出了不同的主制冷劑循環(huán)和預(yù)冷制冷劑循環(huán)組合下的液化單位能耗。

表1 液化過(guò)程單位能耗［5］①Table 1 Liquefaction specific power［5］

2.3 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇

制冷劑壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要包括工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī) （IGT）、航空衍生型燃?xì)廨啓C(jī) （ADGT）、電機(jī)驅(qū)動(dòng) （EM）以及蒸汽輪機(jī) （ST）［16］。

2.3.1 工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī) （IGT） IGT是迄今為止在基荷型LNG工廠中應(yīng)用最廣泛的。IGT在30～130MW之間有有限的幾個(gè)輸出功率可供選擇，這使得LNG液化生產(chǎn)工藝需配合燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。IGT的熱效率較好，通常介于29%～34%之間，且隨外界溫度的增加略有降低（每攝氏度降低約0.7%）。IGT可以設(shè)計(jì)為單軸或雙軸。使用單軸燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)通常需要加配一臺(tái)輔助電機(jī)以幫助燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)。

2.3.2 航空衍生型燃?xì)廨啓C(jī) （ADGT） 與傳統(tǒng)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)相比，ADGT質(zhì)量輕，維護(hù)維修方便，熱效率高 （?？蛇_(dá)到41%～43%），在越來(lái)越多的LNG新項(xiàng)目得到應(yīng)用［17］。ADGT通常為雙軸或三軸設(shè)計(jì)，因而不需要輔助電機(jī)。ADGT的可操作轉(zhuǎn)速范圍更大 （設(shè)計(jì)速度的40%～105%之間）。其缺點(diǎn)是需要定期進(jìn)行維護(hù)和內(nèi)部檢查。ADGT的熱效率受外界溫度的影響 （通常為每攝氏度降低約1.2%）比IGT大。ADGT單機(jī)輸出功率比傳統(tǒng)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)低許多，在大型基荷LNG上應(yīng)用時(shí)往往需要采用兩套并行。

2.3.3 電機(jī) （EM） EM驅(qū)動(dòng)方式需要工廠直接從電網(wǎng)中獲取電力或建造附屬的發(fā)電設(shè)施，在中小型LNG項(xiàng)目中得到較廣泛應(yīng)用。對(duì)于基荷型LNG工廠來(lái)說(shuō)，所需EM尺寸和輸出功率很大，且需要較為昂貴和復(fù)雜的變頻傳動(dòng)系統(tǒng) （VFD）以方便啟動(dòng)運(yùn)行。由于EM制造商可根據(jù)項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)出幾乎任何輸出功率 （已成功運(yùn)行于LNG工廠的最大EM輸出功率約為65MW），因而在工藝優(yōu)化時(shí)不需要考慮功率的固定限制。此外，EM的效率不受外界溫度的影響，且所需的維修維護(hù)也較小，使得LNG工廠的可生產(chǎn)時(shí)間大大增加 （比燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)高2%）［18］。

2.3.4 蒸汽輪機(jī) （ST） ST在早期的一些基荷型LNG工廠獲得廣泛應(yīng)用。但是由于燃?xì)廨啓C(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式漸漸被業(yè)界接受，ST在過(guò)去的20年里在LNG工廠中的應(yīng)用越來(lái)越少。ST的熱效率與其他驅(qū)動(dòng)方式相比最低 （僅約24%）。ST的可操作速度范圍較廣，可定制輸出功率，但是附屬的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，要求較大的占地面積和較高的建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本。

從液化工藝的角度來(lái)講，評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)方式最重要的指標(biāo)包括熱效率、設(shè)備尺寸和可用性以及受外界溫度的影響。表2簡(jiǎn)要總結(jié)了以上各種類型的驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.4 重?zé)N脫除

表2 不同驅(qū)動(dòng)方式的比較［5］Table 2 Comparison of refrigeration compressor drivers［5］

通常情況下，原料氣中除含有甲烷 （C1），少量NGL（C2～C5）之外，也含有一定含量的重?zé)N組分。這些重?zé)N組分包括長(zhǎng)鏈烷烴的己烷 （C6）、庚烷 （C7）、辛烷 （C8）、壬烷 （C9）和其支鏈的同分異構(gòu)體，以及芳香烴中的苯 （BZ）、甲苯（TL）、二甲苯 （Xylenes）和乙苯 （ETBZ）等。重?zé)N在進(jìn)入低溫液化單元之前必須除至可允許的濃度之下。如不進(jìn)行脫除，高于其相應(yīng)固相溶解度的部分會(huì)在液化溫度 （－162℃）下結(jié)冰，造成 “冰堵”，影響到工廠正常運(yùn)行。常規(guī)的脫重?zé)N工藝包括前置的NGL提取裝置、集成的重?zé)N洗滌塔、預(yù)冷后部分冷凝以及變溫分子吸附工藝［3］。

2.4.1 前置的NGL提取裝置 前置的NGL提取裝置獨(dú)立于液化單元，使用透平膨脹機(jī)制冷，在提取NGL副產(chǎn)物的同時(shí)非常有效地脫除重?zé)N組分。處理后的原料氣進(jìn)一步壓縮進(jìn)入液化單元。前置的NGL提取裝置被應(yīng)用于一些基荷型LNG廠。其設(shè)備投資較高，過(guò)程較復(fù)雜，但運(yùn)行操作較為靈活，可適應(yīng)氣源組分的變化。

2.4.2 集成重?zé)N洗滌塔 重?zé)N洗滌塔利用預(yù)冷循環(huán)的制冷脫除重?zé)N，并回收NGL并提取制冷劑組分。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是只需要一個(gè)精餾塔和一個(gè)分凝罐，減少了前置NGL脫除裝置中所需的設(shè)備數(shù)目和投資，因而在許多基荷型LNG項(xiàng)目得到了廣泛的應(yīng)用。但是，洗滌塔的操作壓力必須維持在臨界壓力之下并保證足夠的設(shè)計(jì)余量，在一定程度上增加了液化過(guò)程的單位能耗。此外，重?zé)N洗滌塔的穩(wěn)定運(yùn)行要求保持塔內(nèi)合適的汽液比，因此原料氣中NGL的最低含量有一定要求。當(dāng)原料氣中成分發(fā)生變化時(shí)，尤其是NGL組分的含量降低時(shí)，洗滌塔的操作穩(wěn)定性與重?zé)N脫除的效率都會(huì)大大降低。

2.4.3 部分冷凝工藝 部分冷凝工藝過(guò)程更為簡(jiǎn)單，只需要在預(yù)冷末端加入一個(gè)分凝罐。原料氣首先經(jīng)過(guò)預(yù)冷使一部分重?zé)N組分凝結(jié)為液相，所產(chǎn)生的汽液混合物通過(guò)分凝罐進(jìn)行分離，罐頂?shù)玫捷^為干凈的原料氣，而重?zé)N和NGL組分則富集于罐底的液相中。部分冷凝工藝十分簡(jiǎn)單有效，而且對(duì)原料氣中的NGL組分沒(méi)有類似于洗滌塔的要求，因而在調(diào)峰型LNG工廠中得到了廣泛應(yīng)用。但是，與洗滌塔工藝相似，分凝罐的操作壓力也必須維持在臨界點(diǎn)之下并保證足夠的設(shè)計(jì)余量，因而對(duì)液化過(guò)程的效率和甲烷的回收率有較大的影響。

2.4.4 變溫吸附工藝 （TSA） 用于重?zé)N脫除的變溫吸附工藝 （TSA）與傳統(tǒng)LNG工藝中的脫水吸附非常相似，不同之處在于所使用的吸附劑。與前述的傳統(tǒng)重?zé)N脫除工藝不同，TSA的最大優(yōu)點(diǎn)在于其可在不降低原料氣操作壓力的情況下進(jìn)行（從而將液化的單位能耗維持在較低水平），且原料氣中的NGL成分含量對(duì)TSA的脫重?zé)N效果幾乎沒(méi)有影響。TSA工藝也廣泛應(yīng)用于許多調(diào)峰型LNG廠。對(duì)于僅含有微量重?zé)N （＜500×106）的貧氣而言，TSA是脫除重?zé)N行之有效的方法。但是隨著重?zé)N尤其是C6和C7含量的增加，所需的TSA設(shè)備尺寸和吸附劑用量大大增加，因此其對(duì)總重?zé)N含量有一定要求。

2.4.5 其他創(chuàng)新工藝 除上述的一些工藝之外，近年來(lái)也出現(xiàn)了一些新工藝。如將TSA與部分冷凝工藝的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，首先通過(guò)TSA將原料氣中的低固相溶解度的組分 （C8、C9、BZ等）全部脫除，然后經(jīng)過(guò)部分冷凝過(guò)程將原料氣中剩余重?zé)N組分 （C6、C7等）降至容許濃度之下［19］。這種新工藝的優(yōu)勢(shì)在于其所需的TSA設(shè)備尺寸和吸附劑的用量大大減小，且分凝罐的操作壓力可維持較高的水平，因而提高了重?zé)N脫除的效率，降低了液化單元的單位能耗。

從技術(shù)的角度來(lái)講，重?zé)N脫除的工藝選擇取決于原料氣中重?zé)N的濃度及其他組分，尤其是NGL組分的影響。對(duì)于常規(guī)天然氣氣源來(lái)說(shuō)，有多種傳統(tǒng)的脫重?zé)N工藝可供選擇，每種工藝都有其優(yōu)缺點(diǎn)。而對(duì)于使用貧氣 （如管道氣）作為氣源的LNG項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，重?zé)N含量、較低的NGL含量以及多變的組分都會(huì)影響到重?zé)N脫除工藝的選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.5 選擇適當(dāng)?shù)睦涿?/h3>

LNG制冷循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量一般在壓縮機(jī)的后冷卻器中通過(guò)冷媒排放到外界。在LNG工藝中使用的冷媒通常包括空氣、海水以及循環(huán)冷卻水。使用海水作為冷媒比使用空氣作為冷媒可使過(guò)程溫度降得更低 （相差5～10℃）。此外海水的季節(jié)性和晝夜間溫差更小，因而對(duì)液化過(guò)程操作的影響也更小。使用空氣作為冷媒在操作上更簡(jiǎn)單，且不需要很多日常維護(hù)，缺點(diǎn)是占地面積較大，冷卻效果較差。而循環(huán)冷卻水在一些內(nèi)陸地區(qū)的中小型LNG工廠得到廣泛應(yīng)用，與空冷相比，其優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，冷卻效果更好 （與海水類似）；缺點(diǎn)是用水量較大，不適合缺水地區(qū)應(yīng)用。

冷媒的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體項(xiàng)目的要求來(lái)確定。從工藝的角度來(lái)講，冷媒的選擇決定了制冷劑 （如混合制冷劑或丙烷）的冷凝溫度，因而很大程度上影響制冷循環(huán)的單位能耗和制冷劑的選擇。

2.6 產(chǎn)能瓶頸與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

在設(shè)計(jì)LNG工藝時(shí)需要考慮的一個(gè)非常重要的問(wèn)題是，圖1中各個(gè)單元是如何影響和制約LNG產(chǎn)量的。根據(jù)設(shè)計(jì)方案的不同，任何一個(gè)單元都有可能成為限制LNG產(chǎn)能的瓶頸。消除產(chǎn)能的瓶頸通常意味著在 “瓶頸”單元增加設(shè)計(jì)余量與設(shè)備投資。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)說(shuō)，則需要考慮這么做所帶來(lái)的項(xiàng)目預(yù)期的效益增加是否超過(guò)所增加的投資。

某些項(xiàng)目受所選驅(qū)動(dòng)方式限制 （如IGT或ADGT），可用的制冷劑壓縮機(jī)輸出功率有限，在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)可以優(yōu)先考慮降低過(guò)程的單位能耗，提高單線的產(chǎn)能。某些項(xiàng)目受原料氣系統(tǒng)的限制（如原料氣壓縮機(jī)，預(yù)處理單元設(shè)計(jì)流量限制），可使用的原料氣流量有限。在這種情況下，片面降低液化的單位能耗并不能有效地增加產(chǎn)能，因此應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮消除原料氣系統(tǒng)的瓶頸，如增加原料氣壓縮機(jī)的選型尺寸及增加預(yù)處理系統(tǒng)的處理能力。

在決定整個(gè)液化工藝的設(shè)計(jì)方案時(shí)，需要仔細(xì)分析每個(gè)單元對(duì)液化產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)性的影響。當(dāng)需要解決設(shè)計(jì)瓶頸時(shí)，應(yīng)當(dāng)把投資優(yōu)先使用在那些最能夠改善整個(gè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的單元上。

3 案例分析

LNG產(chǎn)業(yè)在過(guò)去20年里在很多方面取得了令人矚目的進(jìn)步。單線產(chǎn)能的大幅提高［20］，海上浮式液化天然氣 （FLNG）技術(shù)的進(jìn)步［21］，LNG作為車船燃料以及中小型LNG項(xiàng)目的普及等一些新的發(fā)展要求人們重新審視LNG項(xiàng)目中應(yīng)當(dāng)注意到的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，因?yàn)榛卮疬@些問(wèn)題的答案與傳統(tǒng)的LNG項(xiàng)目可能完全不同。本文嘗試用兩個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)闡述如何正確地選擇液化工藝來(lái)應(yīng)對(duì)這些新的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 案例分析1

某公司希望建造一個(gè)FLNG項(xiàng)目，由于船體上空間有限，決定采用重量輕、維護(hù)維修方便的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因而決定采用兩臺(tái)通用電氣的LM6000航空衍生型燃?xì)廨啓C(jī) （單臺(tái)輸出功率是43MW）提供動(dòng)力。

方案A中選取了不帶預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)的氮?dú)馀蛎浿评涔に?，其液化過(guò)程單位能耗為370kW·h·t－1。按照所選的燃?xì)廨啓C(jī)的總輸出功率計(jì)算，方案A可以實(shí)現(xiàn)約154萬(wàn)噸／年的單線產(chǎn)能。

方案B中的制冷工藝為雙混合制冷循環(huán)工藝。該工藝的單位能耗較低，約為280kW·h·t－1。按照所選的燃?xì)廨啓C(jī)的總輸出功率計(jì)算，方案B可以實(shí)現(xiàn)約203萬(wàn)噸／年的單線產(chǎn)能。

表3 案例分析1中方案A和方案B比較Table 3 Comparison of Option A and Option B in Case study 1

在對(duì)兩種方案做比較之前，一個(gè)最基本的假設(shè)是該FLNG項(xiàng)目最大的投資在于海底管線和FLNG船體的建造上，因此對(duì)液化單元的設(shè)備成本無(wú)太大要求。從表3可以看出，這兩種方案最顯著的區(qū)別在于單位能耗。由于總可用功率對(duì)兩種方案是一樣的，因此單位能耗較低的方案B可實(shí)現(xiàn)更多的單線產(chǎn)能。由于自損耗更小，方案B中的總原料氣用量相對(duì)更少，預(yù)處理單元所需的設(shè)備尺寸也比方案A的要求小。此外，方案B中MR的傳熱效率更高，因而對(duì)換熱器的換熱面積和體積要求都更小，能為船體表面節(jié)省更多的空間［4］。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)講，假設(shè)LNG的單位銷售利潤(rùn)為200USD·t－1，方案B每年可以比方案A多實(shí)現(xiàn)9900萬(wàn)美元的利潤(rùn)。

當(dāng)然，以上分析并不能說(shuō)明方案B一定優(yōu)于方案A。如方案A的產(chǎn)能完全可以通過(guò)使用更大的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和壓縮機(jī)來(lái)得到提高。對(duì)于FLNG應(yīng)用來(lái)說(shuō)，除能耗和產(chǎn)能之外還需要對(duì)其他一些方面進(jìn)行比較。一些FLNG項(xiàng)目出于安全的考慮盡可能地避免使用碳?xì)浠衔镒鳛橹评鋭?。如前面所述，氮?dú)獬撰@取和不可燃的特點(diǎn)之外，其制冷過(guò)程始終處于氣相，因而完全不受船體運(yùn)動(dòng)的影響。這個(gè)案例分析說(shuō)明，液化工藝的單位能耗對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性影響很大，低能耗常常意味著更高的產(chǎn)能和更低的建設(shè)成本；但是同時(shí)也要注意到項(xiàng)目對(duì)安全設(shè)計(jì)和可操作性等方面的具體要求也可能會(huì)影響到技術(shù)的選擇。

3.2 案例分析2

AP公司為某客戶的一套年產(chǎn)50萬(wàn)噸 （0.5 Mt·a－1，以8000h年生產(chǎn)時(shí)間計(jì)）的中型陸上LNG項(xiàng)目提供工藝設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目的原料氣是從鄰近的天然氣管線獲取，氣源組分較貧 （NGL含量較低但含有一定的重?zé)N組分）且多變。壓縮機(jī)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用電從附近工業(yè)電網(wǎng)取得。由于不需要燃料氣，液化后的LNG深度過(guò)冷，以減少閃蒸氣和BOG。此外，由于設(shè)計(jì)產(chǎn)能較小，業(yè)主非常希望在投資成本和單位能耗之間進(jìn)行合理的優(yōu)化。

基于以上設(shè)計(jì)要求，AP公司在預(yù)處理單元提出了前端重?zé)N吸附與部分冷凝相結(jié)合的新工藝以確保重?zé)N在進(jìn)入液化單元之前完全脫除。在液化單元?jiǎng)t詳細(xì)比較了兩種工藝方案：A方案使用單一混合制冷劑循環(huán) （SMR），成本較低，但單位能耗較高；方案B使用丙烷預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán) （C3－MR），成本較高，而單位能耗較低。通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)分析找出能為項(xiàng)目帶來(lái)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益的方案。

表4對(duì)兩種方案進(jìn)行了比較?？梢钥闯龇桨窤需要一臺(tái)較大的混合制冷劑壓縮機(jī)，而方案B需要兩臺(tái)較小的冷劑壓縮機(jī)。方案B的總能耗比方案A低3.2MW，每年用電成本可節(jié)省120萬(wàn)美元 （假設(shè)電價(jià)為0.05USD·kW－1·h－1，然而由于方案B中的丙烷預(yù)冷循環(huán)的設(shè)備成本可達(dá)700萬(wàn)～800萬(wàn)美元，使得所節(jié)省的電費(fèi) （按4～5年投資回收期計(jì)算）并不足以支持方案B中預(yù)冷部分的額外投資。因而客戶最終選擇了SMR工藝。從這個(gè)案例也可以看出，電價(jià)是決定運(yùn)營(yíng)成本的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，而不同地區(qū)的電價(jià)也會(huì)有所不同。如電價(jià)為0.07USD·kW－1·h－1時(shí)，則方案B會(huì)比方案A帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 案例分析2中方案A和方案B比較Table 4 Comparison of Option A and Option B in Case study 2

4 結(jié) 論

本文綜述了在選擇合適的LNG液化工藝時(shí)需要注意的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。對(duì)于每一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題列出了可供考慮的選項(xiàng)并探討了各選項(xiàng)的優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響。主要結(jié)論如下。

（1）需要根據(jù)LNG項(xiàng)目的具體要求綜合考慮各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，分析比較各選項(xiàng)，以求得到最優(yōu)化的解決方案。

（2）應(yīng)當(dāng)仔細(xì)分析各單元對(duì)液化過(guò)程的影響，并將投資優(yōu)先用在最能提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)型的 “瓶頸”單元上。

（3）單位能耗是影響整個(gè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的最重要的指標(biāo)，較低的單位能耗常常意味著更高的產(chǎn)出，更少的燃料消耗，以及更小的設(shè)備投資，尤其是當(dāng)制冷循環(huán)系統(tǒng)成為制約產(chǎn)能的瓶頸時(shí)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——自損耗，%

HF——預(yù)處理之后的原料氣總熱值，MW

HL——生產(chǎn)的LNG （進(jìn)入儲(chǔ)罐）總熱值，MW

HN——副產(chǎn)品 （NGL等）的總熱值，MW

P——凈LNG產(chǎn)量 （進(jìn)入儲(chǔ)罐），t·h－1

Ws——液化單元的單位能耗，kW·h·t－1

Wtot——制冷劑壓縮機(jī)的總氣體功率 （gas horse power），kW

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