混合冷劑制冷工藝在撬裝天然氣液化裝置中的應(yīng)用

龔曉科

【摘要】介紹了混合冷劑制冷工藝在天然氣液化領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)。以銀川天佳能源科技股份有限公司三萬方/天的撬裝天然氣液化裝置為例。

【關(guān)鍵詞】混合冷劑；撬裝；天然氣液化；制冷工藝

1、撬裝天然氣液化裝置概述

近年來，隨著空氣霧霾程度的加劇，環(huán)保理念逐漸深入人心。人們對低燃燒廢物的清潔能源的需求變得日益迫切。天然氣相比其他能源是一種很好的清潔燃料，具有燃燒徹底，低氮氧化物排放，無粉塵排放等優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著人們對這一能源需求量的逐漸加大，常規(guī)天然氣變得日益枯竭【1】。人們開始逐漸重視煤層氣、油田伴生氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣的開采。由于這些非常規(guī)天然氣具有氣源分散且儲量不大等特點(diǎn)，不適合建液化工廠進(jìn)行液化或采用管道輸送方式開采。因此一種占地面積小、裝置緊湊、操作簡便、能實(shí)現(xiàn)井口就地液化的天然氣液化裝置變得越來越受歡迎。撬裝天然氣液化裝置便誕生于這樣的背景下。從上世紀(jì)90年代人們開始研究，到近年來這類裝置的應(yīng)用變得異?；馃帷?】。簡單來說，撬裝液化裝置就是將傳統(tǒng)的液化工廠集成在幾個(gè)體積如同集裝箱大小的撬體上。用平板貨車將各撬體分別運(yùn)送至井口現(xiàn)場，再進(jìn)行撬體間的管道、電氣接線連接，整套裝置由此變成為一座工廠對井口天然氣進(jìn)行液化處理。因此，其具有可移動化、土建工程量小、系統(tǒng)集成化程度高、投資小等優(yōu)點(diǎn)【3】，受到人們的普遍歡迎。從工藝流程的角度看，其流程和液化工廠一樣，主要包含天然氣凈化工段、天然氣液化工段、以及提供系統(tǒng)所需冷量的制冷工段和配套的公用工程和控制系統(tǒng)。一套典型的撬裝天然氣液化裝置如下圖：

典型的撬裝天然氣液化裝置工藝流程如下：

2、制冷工藝介紹

2.1概述

液化的實(shí)質(zhì)是通過不斷換熱取走天然氣的熱量，使天然氣溫度降至所在壓力的飽和溫度以下，使之液化。液化過程通過消耗電能使制冷劑不斷發(fā)生從高壓到低壓的物理變化，從而獲得自身溫度的降低，并在換熱器中以溫差為推動力，對天然氣實(shí)現(xiàn)降溫直至液化。

不同的制冷劑由于特性的差異，其實(shí)現(xiàn)自身溫降的方式不盡相同，可分為膨脹制冷與節(jié)流制冷。前者主要用于氣相的自降溫，而后者主要用于液相的自降溫。目前，依據(jù)所采用的制冷劑及其組合方式的不同，天然氣液化工藝存在不同類型，較為成熟的工藝有：階式制冷循環(huán)工藝、膨脹制冷循環(huán)工藝和混合冷劑制冷循環(huán)工藝【4】。不同工藝在能耗、設(shè)備投入、操作繁瑣程度等方面都有較大差異。

2.2三種工藝對比

3、混合冷劑在撬裝裝置中的應(yīng)用

混合冷劑工藝具有能耗適中，設(shè)備投資小，控制系統(tǒng)簡單，操作維護(hù)方便等優(yōu)勢，使其成為近年來撬裝液化裝置采用的熱門技術(shù)。然而，依據(jù)所選用的冷劑的種類及配比的不同，國內(nèi)各商業(yè)公司的工藝方案及設(shè)備組成都不盡相同。比較大的區(qū)別在于中間過程是否分離出冷劑中已液化部分返回?fù)Q熱器中蒸發(fā)吸熱，由此產(chǎn)生的兩種主要的流程包括中間過程分離出液相冷劑返回前段換熱器吸熱蒸發(fā)的分級制冷流程和不分離出液相直至最后通過節(jié)流降溫再返回?fù)Q熱器吸熱氣化的一通到底流程。

一通到底流程由于沒有中間分離罐，設(shè)備緊湊，控制簡單，相對更適合小型撬裝裝置（處理量10萬方/天以下）。但該流程在冷劑種類的選擇及配比量的計(jì)算上要求較高，需要精確模擬，否則會影響制冷效果，嚴(yán)重時(shí)甚至引起冷箱凍堵【5】。

銀川天佳能源科技股份有限公司結(jié)合上一代氮膨脹制冷撬裝裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在單級混合制冷流程的基礎(chǔ)上開發(fā)了以R22預(yù)冷加混合冷劑主冷的混合制冷工藝。該工藝針對典型的煤層氣組成，創(chuàng)新性的選用氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷四組份冷劑，通過嚴(yán)格模擬計(jì)算，合理搭配各組份的比例。經(jīng)工業(yè)運(yùn)行驗(yàn)證，達(dá)到了較低的運(yùn)行能耗，且裝置體積緊湊，控制高效，操作簡便。下面就該工藝過程做詳盡介紹。

3.1冷劑的選擇

常用的混合制冷劑的成分有C1、C2、C3、C5等烴類，以及氮?dú)狻檫m應(yīng)撬裝裝置要求流程簡單、設(shè)備布置簡捷的特點(diǎn)，決定采用中間過程不設(shè)分離裝置的一通到底流程。考慮到C5類烴類在深冷環(huán)境下可能出現(xiàn)的凝固現(xiàn)象，取消了對C5的使用。為保證其余四類冷劑比例搭配適應(yīng)，不在壓縮、冷卻的中間過程出現(xiàn)液化而影響設(shè)備的正常工作，采用了流程模擬軟件對工藝過程進(jìn)行模擬及調(diào)節(jié)。

3.2工藝過程

以R22為預(yù)冷劑，在預(yù)冷換熱器PEX中將原料氣，混合冷劑預(yù)冷到-5℃。混合冷劑和原料氣進(jìn)入主冷換熱器的淺冷段MEX1和深冷段MEX2被返回來的冷氣降溫。離開MEX1的原料氣溫度-62℃，去重?zé)N分離罐SP01分離重?zé)N后去深冷段MEX2繼續(xù)降溫，離開深冷段溫度降至約-140℃。后經(jīng)節(jié)流閥NJT01節(jié)流后去氣液分離罐分離氣液兩相，氣相返回前段換熱器去回收冷量。液相去往后段過冷換熱器XEX經(jīng)過冷降溫到-155℃，成為最終的LNG產(chǎn)品。整個(gè)系統(tǒng)需要的冷量由混合冷劑通過節(jié)流閥RJT03節(jié)流降溫后提供。

該系統(tǒng)主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如下：

系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際運(yùn)行后，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)值。運(yùn)行穩(wěn)定，操作控制便捷。

4、結(jié)語

從撬裝液化裝置發(fā)展的歷程看，要適應(yīng)邊遠(yuǎn)地區(qū)的交通不便、現(xiàn)場缺水、缺電等不利條件，勢必要求設(shè)備高效、穩(wěn)定，裝配精良。而采用單混合冷劑制冷工藝，可以使壓縮機(jī)系統(tǒng)配置變得簡單。同時(shí)由于整體能耗較低，可以采用380V電壓，配電系統(tǒng)簡單，相應(yīng)的控制系統(tǒng)也得以簡化。從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，在做好精確配置冷劑，輔以在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，做好除油、除水等輔助工作的前提下，系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運(yùn)行。值得未來的小型撬裝液化裝置推廣采用。

參考文獻(xiàn)

[1]曹文勝，魯雪生，顧安忠，等.天然氣液化在我國的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2006，24（12）：26-27.

[2]曹文勝.小型LNG裝置的預(yù)處理與液化流程研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.3.