天然氣液化C3/MRC工藝研究

汪宏偉 龍?jiān)霰?劉家洪 李 龍 張 藝

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川 成都 610041

?

天然氣液化C3/MRC工藝研究

汪宏偉 龍?jiān)霰?劉家洪 李 龍 張 藝

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川 成都 610041

帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑制冷天然氣液化工藝(C3/MRC工藝)結(jié)合了級(jí)聯(lián)式液化流程和混合冷劑液化流程的優(yōu)點(diǎn),即高效、簡(jiǎn)單,但目前我國(guó)尚無(wú)該工藝的技術(shù)應(yīng)用,故開(kāi)展了天然氣液化 C3/MRC 工藝研究。在介紹C3/MRC工藝流程的基礎(chǔ)上,對(duì)冷劑壓縮機(jī)控制方式及壓縮機(jī)出口冷劑冷卻方式進(jìn)行了研究,歸納了C3/MRC工藝的技術(shù)特點(diǎn)。研究表明，C3/MRC工藝適用于水源豐富地區(qū)的大型LNG工廠建設(shè)。通過(guò)開(kāi)展該工藝研究,力圖打破國(guó)外技術(shù)壟斷,推動(dòng)我國(guó)LNG工業(yè)的發(fā)展。

C3/MRC工藝;天然氣液化工藝;基荷型液化裝置;變頻控制;冷卻方式

0 前言

1 C3/MRC工藝流程

C3/MRC工藝流程由三部分組成:天然氣預(yù)冷、脫重?zé)N、液化及過(guò)冷，丙烷制冷循環(huán)，混合冷劑制冷劑循環(huán)。

圖1 C3/MRC工藝流程

1.1 天然氣預(yù)冷、脫重?zé)N、液化及過(guò)冷

1.2 丙烷制冷循環(huán)

丙烷制冷循環(huán)的作用主要有三方面:為天然氣液化裝置40～-35 ℃的凈化天然氣和混合冷劑提供冷量,并大幅降低繞管式換熱器造價(jià);為混合冷劑壓縮機(jī)分擔(dān)設(shè)備電功率,以實(shí)現(xiàn)液化裝置的大型化;顯著降低分子篩脫水裝置負(fù)荷。工藝流程如下:不同壓力及溫度等級(jí)的氣態(tài)丙烷分別進(jìn)入丙烷壓縮機(jī),增壓至1.4 MPa后,經(jīng)丙烷冷卻器冷卻至43 ℃,然后再進(jìn)入丙烷冷凝器冷凝,溫度降至39 ℃后進(jìn)入丙烷凝液罐,從丙烷凝液罐出來(lái)的液態(tài)丙烷經(jīng)丙烷過(guò)冷器過(guò)冷至35 ℃后分兩路分別與混合冷劑和天然氣換熱。

丙烷冷劑按照先后順序串聯(lián)進(jìn)入高壓丙烷蒸發(fā)器A/B、中壓丙烷蒸發(fā)器A/B、低壓丙烷蒸發(fā)器A/B、低低壓丙烷蒸發(fā)器A/B,以上8臺(tái)丙烷蒸發(fā)器在不同操作壓力下分別對(duì)天然氣和混合冷劑實(shí)現(xiàn)20、0、-20、-35 ℃階梯式降溫。蒸發(fā)器中的液態(tài)丙烷吸熱后汽化,然后進(jìn)入丙烷壓縮機(jī)各級(jí)入口分離器過(guò)濾分離液滴,最后進(jìn)入各級(jí)丙烷壓縮機(jī)入口,完成整個(gè)丙烷制冷循環(huán)。

1.3 混合冷劑制冷循環(huán)

從繞管式換熱器底部出來(lái)的-38 ℃、0.2 MPa低壓氣態(tài)混合冷劑首先進(jìn)入混合冷劑壓縮機(jī)入口吸入罐進(jìn)行氣液分離,以防混合冷劑液滴進(jìn)入壓縮機(jī)。經(jīng)分液后的低壓氣態(tài)冷劑進(jìn)入混合冷劑壓縮機(jī)的一級(jí)入口壓縮到約1.5 MPa,經(jīng)壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器冷卻至40 ℃,然后進(jìn)入混合冷劑壓縮機(jī)二級(jí)壓縮至4.5 MPa,經(jīng)二級(jí)冷器冷卻至40 ℃,進(jìn)入丙烷制冷系統(tǒng),依次經(jīng)高壓丙烷蒸發(fā)器、中壓丙烷蒸發(fā)器、低壓丙烷蒸發(fā)器、低低壓丙烷蒸發(fā)器冷卻冷凝至-35 ℃后進(jìn)入MR高壓分離罐。分離后的液相混合冷劑進(jìn)入繞管式換熱器底部,經(jīng)繞管式換熱器冷卻至-120 ℃,然后經(jīng)J-T閥節(jié)流至380 kPa·a、-123 ℃,最后返回低壓氣相混合冷劑,經(jīng)繞管式換熱器,為天然氣液化和氣相混合冷劑及液相冷劑自身提供冷量。分離出的高壓氣相混合冷劑冷卻至-160 ℃左右,然后經(jīng)J-T閥節(jié)流至400 kPa.a、-163 ℃,最后返回液相混合冷劑,經(jīng)繞管式換熱器,為L(zhǎng)NG的過(guò)冷及高壓氣相冷劑自身的冷凝提供冷量,實(shí)現(xiàn)混合冷劑制冷循環(huán)[8-11]。

2 冷劑壓縮機(jī)控制方式

2.1 丙烷壓縮機(jī)控制方式

丙烷壓縮機(jī)的控制方式可分為帶變頻調(diào)速方式與軟啟動(dòng)且不帶變頻調(diào)速方式,采用何種控制方式應(yīng)結(jié)合壓縮機(jī)組的工藝介質(zhì)特性、運(yùn)行能耗、投資以及啟動(dòng)方式等綜合考慮。

從運(yùn)行能耗方面考慮,因丙烷壓縮機(jī)的出口壓力取決于丙烷的冷凝溫度,因而可充分利用項(xiàng)目所在地不同季節(jié)氣溫差異大的氣候特點(diǎn),根據(jù)各季循環(huán)水溫度的變化,采用變頻器調(diào)節(jié)丙烷壓縮機(jī)出口壓力,從而節(jié)省壓縮機(jī)電耗,同時(shí),也有利于調(diào)節(jié)負(fù)荷及降低壓縮機(jī)的啟動(dòng)電流。表1為丙烷壓縮機(jī)在我國(guó)北方地區(qū)某項(xiàng)目原料氣滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí),不同月份循環(huán)水溫度變化對(duì)丙烷壓縮機(jī)月平均軸功率的模擬計(jì)算數(shù)據(jù)。

表1 丙烷壓縮機(jī)各月運(yùn)行數(shù)據(jù)

月份循環(huán)水溫度/℃丙烷冷凝溫度/℃丙烷壓縮機(jī)出口壓力/MPa丙烷壓縮機(jī)月平均軸功率/kW年平均軸功率/kW115250.95304215250.95304315250.95304418301.06208522341.146359626381.236804728401.327200826381.236804922341.1463591018301.062081115250.953041215250.953046038 注:表1數(shù)據(jù)為50×104t/a天然氣液化廠丙烷制冷負(fù)荷數(shù)據(jù)。

從投資方面考慮,本文對(duì)丙烷壓縮機(jī)組兩種控制方式進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 丙烷壓縮機(jī)組控制方式比較

控制方式啟動(dòng)電流投資/萬(wàn)元機(jī)組年平均軸功率/kW壓縮機(jī)運(yùn)行年電費(fèi)/萬(wàn)元壓縮機(jī)組可比工程投資+15年運(yùn)行費(fèi)用折現(xiàn)/萬(wàn)元帶變頻調(diào)速1倍額定電流160060382656.7219692.26軟啟動(dòng)且不帶變頻調(diào)速3倍額定電流1007200316821674.08 注:表2中數(shù)據(jù)為50×104t/a天然氣液化廠丙烷制冷負(fù)荷數(shù)據(jù),年運(yùn)行按8000h計(jì)算。

由表1～2可見(jiàn),在工廠原料氣滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí),通過(guò)采用變頻調(diào)速,丙烷壓縮機(jī)功率可由7 200 kW降低至6 038 kW,壓縮機(jī)年運(yùn)行電費(fèi)減少511萬(wàn)元,3.5年即可收回變頻器成本;壓縮機(jī)組可比工程投資+15年運(yùn)行費(fèi)用折現(xiàn)少1 981.82萬(wàn)元。故丙烷壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速的控制方式具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 混合冷劑壓縮機(jī)控制方式

3 壓縮機(jī)出口冷劑冷卻方式

C3/MRC液化工藝共有兩臺(tái)制冷壓縮機(jī):丙烷壓縮機(jī)和混合冷劑壓縮機(jī)。工藝過(guò)程中需要對(duì)壓縮后的丙烷和混合冷劑進(jìn)行冷卻,冷卻方式有三種:空冷冷卻;水冷卻;空冷+水冷卻。

空冷與水冷相比,空冷的運(yùn)行能耗低,且無(wú)水消耗,但空冷器本身投資較高,且占地面積大,另外空冷器存在噪音較大、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備較多、故障率高等問(wèn)題。

通過(guò)模擬計(jì)算可知,若兩臺(tái)制冷壓縮機(jī)出口均采用水冷方式進(jìn)行冷卻,丙烷壓縮機(jī)出口工藝氣冷卻所需循環(huán)水量約為2 280 m3/h(年平均數(shù)據(jù)),混合冷劑壓縮機(jī)出口工藝氣所需循環(huán)水用量為1 050 m3/h(年平均數(shù)據(jù))。

對(duì)于丙烷制冷循環(huán)系統(tǒng),由表1可知,丙烷的冷凝溫度與丙烷壓縮機(jī)出口壓力緊密相關(guān),根據(jù)項(xiàng)目所在地氣候條件,若采用空冷方式冷凝冷卻丙烷介質(zhì),丙烷冷凝的溫度需要達(dá)到50 ℃,需增大丙烷壓縮機(jī)出口壓力至1.7 MPa,相比水冷方式,壓縮機(jī)能耗將增加1 200 kW,年增電費(fèi)528萬(wàn)元。同時(shí),因丙烷循環(huán)量大,空冷器投資大,這樣將無(wú)法體現(xiàn)C3/MRC工藝的優(yōu)越性,故丙烷制冷循環(huán)系統(tǒng)采用循環(huán)水冷卻方式。

綜上所述,為節(jié)省投資、降低裝置能耗、提高裝置的操作負(fù)荷,并結(jié)合工程項(xiàng)目所在地循環(huán)水的依托條件,丙烷制冷循環(huán)系統(tǒng)推薦采用水冷卻方式,以保證丙烷在夏季高溫時(shí)段能冷凝;混合冷劑制冷循環(huán)系統(tǒng)推薦采用空冷+水冷卻方式,混合冷劑經(jīng)水冷卻器降溫后,再由丙烷預(yù)冷系統(tǒng)降溫。

4 C3/MRC工藝特點(diǎn)

1)受制于冷劑壓縮機(jī)的制造能力不足和低壓混合冷劑管道尺寸變大(DN 1 200以上)等因素的制約,單循環(huán)MRC工藝天然氣液化能力通常在60×104t/a以?xún)?nèi)較為經(jīng)濟(jì),而C3/MRC工藝采用了丙烷制冷循環(huán)和混合冷劑制冷循環(huán),巨型燃驅(qū)壓縮機(jī)及繞管式換熱器可使LNG單線(xiàn)產(chǎn)能提升至350×104t/a,單位LNG生產(chǎn)成本顯著下降。故該工藝成為全球大型LNG裝置最受推薦的天然氣液化工藝方案之一。

3)高效蒸發(fā)器和繞管式換熱器均為壓力容器,較板翅式換熱器堅(jiān)固耐用,承壓能力強(qiáng),裝置運(yùn)行壽命大幅延長(zhǎng)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)C3/MRC工藝流程的介紹及對(duì)冷劑壓縮機(jī)控制方式、壓縮機(jī)出口冷劑冷卻方式的研究,得出如下結(jié)論:

2)丙烷壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速的控制方式,可提高裝置對(duì)不同季節(jié)氣溫波動(dòng)巨大的適應(yīng)性,避免環(huán)境溫度對(duì)混合冷劑制冷循環(huán)的影響,使得裝置運(yùn)行更平穩(wěn)。

[1] 蒙 蕓,路 偉,楊 栩,等.C3/MRC混合制冷劑組成對(duì)液化天然氣流程的影響[J].遼寧化工,2015,44(8):949-952.

Meng Yun,Lu Wei,Yang Xu,et al.Effect of C3/MRC Mixed Refrigerant Composition on Liquefied Natural Gas(LNG) Process [J].Liaoning Chemical Industry,2015,44(8):949-952.

[2] 司云航,杜德奔,王智杰.基于HYSYS的C3/MRC液化天然氣流程分析[J].石油化工應(yīng)用,2015,34(2):41-44.

Si Yunhang,Du Deben,Wang Zhijie.Analysis of C3/MRC Process of Liquefied Natural Gas(LNG) Based on HYSYS [J].Petrochemical Industry Application,2015,34(2):41-44.

[3] 潘紅宇,李順麗,李玉星,等.C3/MRC液化工藝中丙烷壓縮機(jī)控制方式優(yōu)選[J].海洋工程裝備與技術(shù),2015,3(2):157-162.

Pan Hongyu,Li Shunli,Li Yuxing,et al.Optimization in the Control Modes for Propane Compressor in C3/MRC Liquefaction Process [J].Ocean Engineering Equipment and Technology,2015,3(2):157-162.

[4] 潘紅宇.李玉星,朱建魯.丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝原料氣敏感性分析[J].化工學(xué)報(bào),2015,66(增刊2):186-191.

Pan Hongyu,Li Yuxing,Zhu Jianlu.Sensibility Analysis of Feed Gas in Propane Pre-Cool Mixed Refrigerant Liquefaction Process [J].CIESC Journal,2015,66(S2):186-191.

[5] 林 暢,白改玲,王 紅.大型天然氣液化技術(shù)與裝置建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].化工進(jìn)展,2014,33(11):2916-2922.

Lin Chang,Bai Gailing,Wang Hong.Development and Trend of Liquefaction Technology and Construction of Large-Scale Natural Gas Liquefaction Plant [J].Chemical Industry and Engineering Process,2014,33(11):2916-2922.

[6] 蒲黎明.湖北500萬(wàn)方/天LNG工廠國(guó)產(chǎn)化示范工程主要技術(shù)方案選擇[J].廣東化工,2014,41(14):191-193.

Pu Liming.Selection of Main Technical Scheme in Hubei 5×106m3/d LNG Plant Domestic Demonstration Project [J].Guangdong Chemical Industry,2014,41(14):191-193.

[7] 石玉美,汪榮順,顧安忠.流程參數(shù)對(duì)C3/MRC天然氣液化流程性能的影響(上)[J].天然氣工業(yè),2004,24(2):88-90.

Shi Yumei,Wang Rongshun,Gu Anzhong.Influence of Flow Parameters on C3/MRC Process Performance of Natural Gas Liquefaction(1)[J].Natural Gas Industry,2004,24(2):88-90.

[8] 石玉美,汪榮順,顧安忠.流程參數(shù)對(duì)C3/MRC天然氣液化流程性能的影響(下)[J].天然氣工業(yè),2004,24(3):111-114.

Shi Yumei,Wang Rongshun,Gu Anzhong.Influence of Flow Parameters on C3/MRC Process Performance of Natural Gas Liquefaction(2)[J].Natural Gas Industry,2004,24(3):111-114.

[9] 鐘志良,汪宏偉,孫 林.LNG工廠冷箱堵塞問(wèn)題解決方案研究[J].天然氣與石油,2013,31(5):26-29.

Zhong Zhiliang,Wang Hongwei,Sun Lin.Research on Solution for Cold Box Blockage in LNG Plant [J].Natural Gas and Oil,2013,31(5):26-29.

[10] 趙啟龍,蒲黎明,王 科.煤基天然氣C3/MRC液化工藝優(yōu)化研究[J].天然氣與石油,2014,32(6):38-41.

Zhao Qilong,Pu Liming,Wang Ke.Study on Coal-based Gas C3/MRC Liquefaction Process Optimization[J].Natural Gas and Oil,2014,32(6):38-41.

[11] 浦 暉,陳 杰.繞管式換熱器在大型天然氣液化裝置中的應(yīng)用及國(guó)產(chǎn)化技術(shù)分析[J].制冷技術(shù),2011,31(3):26-29.

Pu Hui,Chen Jie.Application and Technical Analysis on Localization of Spiral-Wound Heat Exchanger in Large-Scale Natural Gas Liquefaction Plant [J].Refrigeration Technology,2011,31(3):26-29.

[12] 王華琛.天然氣三段混合制冷液化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2014,28(2):191-198.

Wang Huachen.The Industrialized Application of the Three-Cascade Mixed-Refrigeration Liquefaction Technology about Natural Gas [J].Refrigeration and Air Conditioning,2014,28(2):191-198.

[13] 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.

[14] 孟毅明,王東軍,陳 博.天然氣液化混合冷劑配方優(yōu)化研究[J].石油與天然氣化工,2015,44(3):65-69.

Meng Yiming,Wang Dongjun,Chen Bo.Study on Mixed Refrigerant Formulation Optimization for Natural Gas Liquefaction [J].Chemical Engineering of Oil & Gas,2015,44(3):65-69.

2016-03-19

中國(guó)石油吉林吉港50×104t/a天然氣液化廠工程項(xiàng)目(S 2012-2 C)

汪宏偉(1982-),男,四川成都人,工程師,碩士,從事天然氣預(yù)處理、凈化、液化等工程設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.007