天然氣液化工藝流程及冷劑離心壓縮機簡介

趙志玲，隋健，張鵬

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

天然氣液化工藝流程及冷劑離心壓縮機簡介

趙志玲，隋健，張鵬

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

介紹了兩種當前國內(nèi)天然氣液化裝置常用的工藝流程，以及針對不同工藝流程所配置的冷劑離心壓縮機組。

天然氣液化；混合冷劑；冷劑離心壓縮機組；冷箱；烴泵

0 引言

天然氣在常壓下，當冷卻至約-162℃時，由氣態(tài)變成液態(tài)，稱為液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）。天然氣液化是一低溫過程，目前已經(jīng)成熟的天然氣液化工藝流程有：階式液化流程、混合冷劑液化流程、帶膨脹機的液化流程。前兩種液化流程是目前國內(nèi)采用較多的液化工藝流程。

1 階式液化流程

階式液化流程也被稱為級聯(lián)式液化流程、復疊式液化流程。流程中通常由丙烯（或丙烷）、乙烯（或乙烷）、甲烷三級獨立的制冷系統(tǒng)提供冷量［1］。

目前國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的采用階式液化工藝流程的國產(chǎn)化LNG裝置最大規(guī)模為500萬立方/天，采用的原料是管輸氣。該裝置采用的制冷劑為：丙烯、乙烯、甲烷。在三級獨立的制冷循環(huán)中，丙烯制冷循環(huán)中含有四個丙烯蒸發(fā)器，為天然氣、乙烯和甲烷提供冷量；乙烯制冷循環(huán)中含有三個蒸發(fā)器，為天然氣和甲烷提供冷量；甲烷制冷循環(huán)中含有一個板翅式換熱器，為天然氣提供冷量。通過七個蒸發(fā)器，一個換熱器，天然氣的溫度逐漸降低，直至液化。階式制冷流程簡圖見圖1。

圖1　階式循環(huán)流程簡圖

丙烯制冷循環(huán)中，根據(jù)制冷劑丙烯的設計參數(shù)，壓縮機采用單缸四段壓縮。丙烯經(jīng)過壓縮機壓縮到流程所需要的壓力，通過丙烯水凝器冷凝到40℃后，進入丙烯凝液收集罐，一部分液態(tài)丙烯經(jīng)過節(jié)流、降壓、降溫進入高壓丙烯蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收乙烯、甲烷、天然氣的熱量后汽化，進入丙烯壓縮機第四段入口。余下液態(tài)丙烯一部分經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，進入中壓丙烯蒸發(fā)器吸收乙烯、甲烷、天然氣的熱量后汽化，進入丙烯壓縮機第三段入口。余下液態(tài)丙烯的一部分再經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，進入低壓丙烯蒸發(fā)器吸收乙烯、甲烷、天然氣的熱量后汽化，進入丙烯壓縮機第二段入口。余下的液態(tài)丙烯經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，全部進入低低壓丙烯蒸發(fā)器吸收乙烯、甲烷、天然氣的熱量后汽化，進入丙烯壓縮機第一段入口。整個丙烯制冷循環(huán)結束。

在乙烯制冷循環(huán)中，根據(jù)制冷劑乙烯設計參數(shù)，乙烯壓縮機設計成兩缸三段壓縮的型式。乙烯經(jīng)過壓縮機壓縮并通過乙烯水冷器冷卻到40℃后，依次進入丙烯的高壓蒸發(fā)器、中壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器、低低壓蒸發(fā)器進行預冷，最終以液態(tài)形式進入乙烯流程，一部乙烯通過節(jié)流、降壓、降溫，在低壓乙烯蒸發(fā)器吸收甲烷、天然氣的熱量后汽化，進入乙烯壓縮機第三段入口。余下液態(tài)乙烯一部分再經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，進入中壓乙烯蒸發(fā)器吸收甲烷、天然氣的熱量后汽化，進入乙烯壓縮機第二段入口。余下的液態(tài)乙烯再經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，全部進入低壓乙烯蒸發(fā)器吸收甲烷、天然氣的熱量后汽化，回到乙烯壓縮機第一段入口。整個乙烯制冷循環(huán)結束。經(jīng)過丙烯制冷循環(huán)和乙烯制冷循環(huán)的各級蒸發(fā)器后，天然氣被冷凝成液化天然氣即LNG。

甲烷制冷循環(huán)中，根據(jù)制冷劑甲烷設計參數(shù)，甲烷壓縮機設計成兩缸三段壓縮的型式。甲烷經(jīng)過壓縮機壓縮機并通過甲烷水冷器冷卻到40℃后，依次進入丙烯制冷流程中的的高壓蒸發(fā)器、中壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器、低低壓蒸發(fā)器，乙烯制冷流程中的高壓蒸發(fā)器、中壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器進行預冷，通過這七個不同溫位的蒸發(fā)器后，高壓氣態(tài)甲烷被冷卻、冷凝，液態(tài)甲烷進入甲烷換熱器過冷，再進行節(jié)流、降溫、降壓，返回甲烷換熱器，為LNG、甲烷冷劑自身提供冷量，實現(xiàn)甲烷制冷系統(tǒng)的冷劑循環(huán)。

LNG通過甲烷換熱器過冷后，再經(jīng)過閥門節(jié)流、降壓、降溫后送至LNG儲罐作為LNG產(chǎn)品。

2 混合冷劑液化流程

混合冷劑制冷循環(huán)（Mixed-Refrigeramt Cycle，MRC）是采用C1至C5的碳氫化合物和N2等多組分的混合制冷劑為工質(zhì)，通過流程控制，進行逐級冷凝、節(jié)流膨脹、蒸發(fā)，來得到不同溫度水平的制冷量，最終達到液化天然氣的目的?；旌侠鋭┲评淞鞒桃妶D2。

圖2　混合冷劑循環(huán)流程簡圖

目前國內(nèi)采用混合冷劑液化工藝的LNG項目較多，其中用管輸氣為原料的液化裝置規(guī)模已經(jīng)達到200萬立方/天以上，比較有代表性的是山東泰安的260萬立方/天LNG裝置和內(nèi)蒙古新圣的200萬立方/天LNG裝置；用煤制天然氣為原料的液化裝置多為30～100萬立方/天的規(guī)模。裝置規(guī)模雖然不同，但是液化流程的原理基本一致。下面以60萬立方/天的LNG裝置為例，對混合冷劑液化流程及流程中的冷劑離心壓縮機進行簡述。

在該液化流程中，采用的制冷工質(zhì)由甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷和N2按一定的比例混合組成。冷劑壓縮機根據(jù)設計需要采用兩段壓縮，冷劑由壓縮機一段壓縮后，引至段間冷卻器和段間分離器，將冷劑冷卻到40℃左右，并通過分離器將冷卻下來的液態(tài)冷劑分離出來，氣態(tài)冷劑進入壓縮機二段繼續(xù)壓縮，液態(tài)冷劑通過泵打到壓縮機最終出口冷卻器，同壓縮機二段出口的氣態(tài)冷劑混合，一同進入出口冷卻器和出口分離器進行冷卻和分離，分離出來的氣態(tài)冷劑依次進入冷箱的預冷換熱器段、高壓分離器、液化換熱器段，過冷換熱器段，再經(jīng)過節(jié)流、降壓、降溫后依次返回，為天然氣和冷劑本身提供冷量。分離出來的液態(tài)冷劑通過烴泵打到冷箱的預冷換熱器段，然后通過節(jié)流與過冷段返回的冷劑混合再返回到冷箱的預冷段。冷劑完成在冷箱中的制冷循環(huán)后回到冷劑壓縮機的進口分離器，再被吸入到冷劑壓縮機繼續(xù)壓縮，完成混合冷劑的制冷循環(huán)。天然氣在冷箱的預冷段和液化段被冷卻、液化，經(jīng)過過冷段過冷后再節(jié)流、降溫、降壓，最后進入LNG儲罐，成為LNG產(chǎn)品。

3 兩種液化流程的區(qū)別

階式制冷的制冷劑基本為純物質(zhì)，無配比問題，各自的制冷流程封閉，冷劑不混合，技術成熟。混合冷劑的制冷劑由多組分組成，配比控制比較困難，而且冷劑在為天然氣提供冷量的同時也要通過流程控制為冷劑自身提供冷量，流程計算需要提供各組分可靠的平衡數(shù)據(jù)與物性參數(shù)，計算困難。

階式制冷液化流程機組多，附屬設備多，流程復雜，投資費用大?；旌侠鋭┮夯鞒虣C組設備少，流程簡單，投資費用較階式制冷液化流程約少15%～20%左右。

從能耗角度比較，階式制冷循環(huán)的能耗較混合冷劑制冷循環(huán)的能耗低10%～20%左右。

4 結束語

隨著天然氣液化技術的不斷發(fā)展，對液化工藝流程的要求也越來越高，高效、低成本、易操作的液化工藝流程將成為天然氣液化技術發(fā)展趨勢的代表。同時高可靠性、高效的冷劑離心壓縮機也是天然氣液化裝置中投資考核的主要指標。

［1］林文勝，顧安忠，朱剛.天然氣液化裝置的流程選擇［J］.真空與低溫，2001，2.

［2］顧安忠，魯雪生.天然氣技術手冊［M］.機械工業(yè)出版社，2010.

TH45

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.020

1002-6673（2015）02-053-02

2015-01-12

趙志玲（1975-），女，碩士，高級工程師。研究方向：離心壓縮設計。