PRICO?天然氣液化技術(shù)在海上浮式裝置上的應(yīng)用

張躍征 蓋璟權(quán) 江 浩 劉曉剛

博萊克威奇（北京）工程設(shè)計(jì)有限公司

與陸上天然氣液化工廠相比，海上浮式天然氣液化（FLNG）裝置具有建設(shè)周期短、便于遷移、可重復(fù)使用和投資低等特點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注并成為行業(yè)熱點(diǎn)。筆者通過對(duì)博萊克威奇公司（Вlack& Veatch）開發(fā)PRICO?天然氣液化技術(shù)在FLNG裝置上應(yīng)用的介紹，以期為新建的FLNG裝置提供指導(dǎo)。

1 FLNG液化工藝

1.1 PRICO?SMR天然氣液化技術(shù)

天然氣液化設(shè)備是FLNG裝置的核心設(shè)備，其成本占總安裝成本的30%～50%[1-2]，對(duì)整個(gè)FLNG裝置運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性影響都較大。FLNG液化裝置由于處在海上作業(yè)下的特殊環(huán)境，首先要實(shí)現(xiàn)最基本的天然氣液化功能，其次要在占地面積小、工藝流程簡(jiǎn)易、設(shè)備布局緊湊的前體下，達(dá)到在海上生產(chǎn)和船體晃蕩對(duì)安全可靠性能提出的要求。與相同規(guī)模的岸上液化天然氣工廠相比，F(xiàn)LNG的投資將減少20%以上，建設(shè)工期將縮短25%[3-7]。

單循環(huán)混合制冷劑液化流程（SMR）是目前中小型LNG裝置廣泛采用的天然氣液化工藝。PRICO?SMR液化技術(shù)以其成熟可靠、流程簡(jiǎn)單、設(shè)備數(shù)量少、易于操作等特點(diǎn)使得FLNG裝置實(shí)現(xiàn)了工程化。另外，氮膨脹液化工藝也曾被認(rèn)為適用于FLNG裝置，但其相對(duì)較低的效率限制了實(shí)際應(yīng)用[8]。較低的效率不僅體現(xiàn)在對(duì)能耗的影響上，同時(shí)會(huì)明顯增加占地面積進(jìn)而會(huì)增加項(xiàng)目成本。

對(duì)于大型LNG裝置采用的基荷型液化工藝，例如丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝（C3-MR）及雙循環(huán)混合制冷劑（DMR）也已經(jīng)在FLNG裝置上使用。通常，工藝越復(fù)雜、設(shè)備越多，占地面積越大。復(fù)雜的流程和較高的成本限制了這些技術(shù)在中小型FLNG上的應(yīng)用。

PRICO?SMR對(duì)于大型裝置同樣具有優(yōu)勢(shì)。多條生產(chǎn)線的配置可以滿足對(duì)LNG產(chǎn)能的要求。采用PRICO?SMR液化技術(shù)的某一大型LNG液化裝置，目前正處于設(shè)計(jì)階段。此裝置采用2條氣體預(yù)處理生產(chǎn)線，4條液化生產(chǎn)線。每條液化生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力約為150×104t/a，裝置總的生產(chǎn)能力為600×104t/a。采用多條生產(chǎn)線的配置具有很多優(yōu)勢(shì)。當(dāng)其中一條生產(chǎn)線由于生產(chǎn)設(shè)備的原因造成停車后，整個(gè)裝置的生產(chǎn)能力降低25%。但是，如果采用一條生產(chǎn)線，整個(gè)裝置不得不完全停車。另外，多條生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)可采用更小的模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低對(duì)占地面積的需求。

圖1 PRICO?SMR液化工藝流程圖

PRICO?SMR液化工藝不同于上述其他工藝[9-11]，制冷劑為單循環(huán)系統(tǒng)。其主要的工藝流程如圖1所示：低壓混合冷劑通過冷劑壓縮機(jī)被壓縮到中壓，經(jīng)冷卻器冷卻降溫后，氣相冷劑返回冷劑壓縮機(jī)二段被壓縮到高壓，液相冷劑由冷劑泵加壓后與氣相冷劑混合進(jìn)入致冷劑換熱器。高壓混合冷劑經(jīng)致冷劑換熱器預(yù)冷并節(jié)流返回?fù)Q熱器以提供冷量。天然氣在致冷劑換熱器中被冷卻液化，經(jīng)節(jié)流到儲(chǔ)存壓力后進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。

1.2 主要設(shè)備

冷箱（制冷劑換熱器）是制冷劑系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備[12-13]。PRICO?SMR技術(shù)采用的冷箱不同于其他技術(shù)的冷箱，不含任何其他閥門、設(shè)備或非焊接的接口，減小了冷箱內(nèi)部泄漏的幾率。板翅式冷劑換熱器已經(jīng)在廣泛的使用過程中證明其在日常使用過程中不需要特別維護(hù)，且其在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（FPSO）中有十分成熟的應(yīng)用。

冷劑壓縮機(jī)是天然氣液化裝置中另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，為兩段離心式單體壓縮機(jī)。與雙體壓縮機(jī)相比，其具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。當(dāng)需要進(jìn)行維修時(shí)，不需要將連接壓縮機(jī)的管線斷開就可將機(jī)芯抽出。同時(shí)，在PRICO?SMR工藝中，設(shè)有密封氣回收系統(tǒng)以回收冷劑壓縮機(jī)密封氣，減少冷劑損失。同時(shí)，在FLNG裝置上，壓縮機(jī)采用了輕便的航改型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其比工業(yè)輪機(jī)效率提高了25%，并在海上有廣泛的應(yīng)用[14]。

1.3 原料氣的靈活性

復(fù)雜多樣的原料氣組成是天然氣液化裝置所面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)[15]。原料氣來(lái)源有時(shí)由多個(gè)管網(wǎng)供給并且變化很大，C5＋重組分需脫除以免凍堵冷箱。同時(shí)，惰性氣體如二氧化碳（CO2）和氮?dú)猓∟2）的脫除也應(yīng)在設(shè)計(jì)中加以考慮。

相對(duì)于岸上天然氣液化裝置，F(xiàn)LNG裝置具有便于遷移的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)被開采氣田枯竭或者不再具備開采的價(jià)值后，可遷移至下一個(gè)氣田以提高天然氣液化裝置建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，但這同時(shí)也對(duì)液化工藝對(duì)原料氣的適應(yīng)性提出了要求。PRICO?SMR液化工藝對(duì)原料氣有較大的適應(yīng)性，可以根據(jù)不同的原料氣組成情況，在其基礎(chǔ)工藝上加以改進(jìn)和輔以其他流程，來(lái)處理不同的原料氣工況[16]。表1列出了幾個(gè)典型的LNG工廠根據(jù)其原料氣的特點(diǎn)采用PRICO?技術(shù)并進(jìn)行優(yōu)化以得到解決方案。

1.4 易于操作

PRICO?SMR液化工藝流程簡(jiǎn)短、裝置設(shè)備數(shù)量少、操作簡(jiǎn)單。通過分散控制系統(tǒng)（DCS）控制液相冷劑閥門，改變液相冷劑進(jìn)入冷箱的流量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷劑組分的調(diào)節(jié)。

海上天氣變化要求FLNG裝置具有較短的開停車時(shí)間。當(dāng)天氣影響到海上生產(chǎn)時(shí)，要求液化裝置能夠快速停車，反之則要求液化裝置能夠快速開車。采用PRICO?SMR液化工藝的裝置，當(dāng)液化裝置停車時(shí)，低溫介質(zhì)能夠滯留在冷箱底部?jī)?nèi)保冷，縮短再次開車的時(shí)間。

2 FLNG裝置設(shè)備布置

由于FLNG液化裝置甲板空間有限，建在甲板上的天然氣液化裝置對(duì)設(shè)備數(shù)量、重量和占地面積要求嚴(yán)格。相對(duì)于陸上天然氣液化裝置，F(xiàn)LNG裝置要求設(shè)備數(shù)量盡量少，重量盡量輕，占地面積盡量小[17]。各種天然氣液化工藝的設(shè)備數(shù)量對(duì)比如表2所示。

PPRICO?SMR液化工藝可采用單條或多條生產(chǎn)線配置來(lái)滿足對(duì)產(chǎn)能的變化要求。同時(shí)，設(shè)備布置還會(huì)根據(jù)氣源位置、電力配置、冷卻水使用是否有限制、LNG裝卸/出口方案等要求的不同而變化（表3）。FLNG裝置可自建輔助系統(tǒng)或者依靠建在碼頭上的設(shè)施提供。PRICO?液化工藝在FLNG裝置的設(shè)計(jì)上采用了模塊化設(shè)計(jì)，各工藝模塊根據(jù)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的原則在全球范圍內(nèi)選擇供應(yīng)商進(jìn)行建造以縮短項(xiàng)目整體建造安裝周期[19]。

LNG儲(chǔ)存也是FLNG裝置需要考慮的問題。LNG儲(chǔ)罐可以布置在FLNG裝置甲板下，然后定期通過LNG運(yùn)輸船轉(zhuǎn)運(yùn)出去。也可以在FLNG裝置附近停泊LNG運(yùn)輸船以接受FLNG裝置生產(chǎn)的LNG產(chǎn)品。LNG儲(chǔ)存設(shè)施的容量取決于LNG的產(chǎn)量、海況條件、運(yùn)輸船的數(shù)量及大小，其設(shè)計(jì)原則是在保證穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，盡可能提高LNG運(yùn)輸船的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。

表1 典型PRICO?LNG工廠特點(diǎn)及解決方案表

表2 各天然氣液化工藝的設(shè)備數(shù)量對(duì)比表[18]

表3 FLNG裝置設(shè)備布局表

3 FLNG裝置——Exmar FLNG

Exmar FLNG裝置為非自航駁船，集合了天然氣處理、天然氣液化、LNG儲(chǔ)存和裝卸功能。由博萊克威奇公司（Вlack & Veatch）提供PRICO?SMR液化工藝專利、上述液化核心裝置的設(shè)計(jì)和設(shè)備采購(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和開車服務(wù)。該裝置可將200×104m3/d天然氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)天然氣（約500 000 t/a），并已于2016年9月完成72 h性能考核。Exmar FLNG工藝流程如圖2所示。

Exmar FLNG裝置甲板上部工藝裝置包含了可將原料氣中二氧化碳及水脫除的預(yù)處理單元。Exmar FLNG裝置所生產(chǎn)的LNG將會(huì)被臨時(shí)儲(chǔ)存在甲板下總?cè)莘e為16 000 m3的3個(gè)儲(chǔ)罐中。LNG最終將會(huì)被LNG運(yùn)輸船轉(zhuǎn)運(yùn)至用戶處。LNG儲(chǔ)存及裝卸過程中產(chǎn)生的閃蒸氣（ВOG）會(huì)被用作燃料氣或者根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況再液化為L(zhǎng)NG。同時(shí)，Exmar FLNG裝置設(shè)計(jì)有公用工程及冷劑補(bǔ)充系統(tǒng)。整個(gè)Exmar FLNG裝置的設(shè)計(jì)與建造完全符合船級(jí)社的相關(guān)規(guī)范和規(guī)定。

冷劑壓縮機(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，所需燃料由Exmar FLNG裝置自身的燃料氣系統(tǒng)提供。燃料氣系統(tǒng)同時(shí)也為裝置內(nèi)發(fā)電機(jī)提供燃料以滿足裝置電力需求。Exmar FLNG裝置配備了3臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)為裝置提供穩(wěn)定可靠的電力。

Exmar FLNG裝置根據(jù)自身工藝特點(diǎn)，根據(jù)脫酸氣單元及脫水單元的功能采用了模塊化設(shè)計(jì)，縮短了裝置的建設(shè)周期，減少了設(shè)計(jì)及施工中的接口，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。此外，基于FLNG裝置的特點(diǎn)所做的設(shè)計(jì)也在本裝置中得到應(yīng)用。例如，為了減少液體在分離設(shè)備中劇烈晃蕩而增加的擋板，酸氣脫除單元中采用填料塔代替板式塔以避免板式塔在海上工況中由于晃動(dòng)而可能產(chǎn)生的氣液分布不均現(xiàn)象。

圖2 Exmar FLNG工藝流程簡(jiǎn)圖

FLNG裝置便于遷移及重復(fù)使用的優(yōu)勢(shì)，決定了其適用于原料氣組成變化大的處理要求。在Exmar FLNG裝置的性能測(cè)試中，原料氣中甲烷含量大約為89%，C2及以上組分含量超過了15%，與設(shè)計(jì)值甲烷含量為94%有較大偏差。通過集中控制系統(tǒng)（DCS）根據(jù)原料氣組成及壓力變化調(diào)節(jié)冷劑組成配比，而不需要向系統(tǒng)中添加額外冷劑。通過調(diào)整裝置的運(yùn)行參數(shù)，提高LNG產(chǎn)品中乙烷、丙烷及丁烷的含量，避免了由于重?zé)N系統(tǒng)的超負(fù)荷而導(dǎo)致的火炬泄放。PRICO?SMR天然氣液化工藝的這種靈活處理能力，不需對(duì)管道及設(shè)備做任何修改。

4 結(jié)束語(yǔ)

工藝簡(jiǎn)單、靈活高效的天然氣液化技術(shù)使得FLNG從概念設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)了工程化。隨著工程化技術(shù)的逐漸成熟和岸上LNG項(xiàng)目的減少，F(xiàn)LNG獲得了更多的發(fā)展空間。PRICO?SMR天然氣液化技術(shù)憑借其工藝流程簡(jiǎn)短、裝置設(shè)備數(shù)量少、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)走在了FLNG的前端，為海洋石油伴生氣處理、邊際氣田和深海氣田開發(fā)利用提供了一種新的既安全又經(jīng)濟(jì)的解決方案。

[ 1 ] 謝彬, 王世圣, 喻西崇, 黃霞. FLNG/FLPG工程模式及其經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[J]. 天然氣工業(yè), 2012, 32(10): 99-102.Xie Вin, Wang Shisheng, Yu Xichong & Huang Xia. FLNG/FLPG engineering modes and their economy evaluation[J]. Natural Gas Industry, 2012, 32(10): 99-102.

[ 2 ] 夏丹, 鄭云萍, 李劍鋒, 肖杰. 浮式液化天然氣技術(shù)綜述[J].天然氣與石油, 2013, 31(3): 9-13.Xia Dan, Zheng Yunping, Li Jianfeng & Xiao Jie. Review on fl oating LNG production facility technology[J]. Natural Gas and Oil, 2013, 31(3): 9-13.

[ 3 ] 王春節(jié), 魏林瑞, 張磊. 浮式液化天然氣液化工藝綜述[J]. 化學(xué)工業(yè), 2010, 28(2/3): 27-29.Wang Chunjie, Wei Linrui & Zhang Lei. Process technology of fl oating LNG[J]. Chemical Industry, 2010, 28(2/3): 27-29.

[ 4 ] 朱剛, 顧安忠. 用于邊際氣田開發(fā)的浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置[J]. 天然氣工業(yè), 2000, 20(4): 83-85.Zhu Gang & Gu Anzhong. Floating production, storage and oあloading of liquefied natural gas for marginal gas field development[J]. Natural Gas Industry, 2000, 20(4): 83-85.

[ 5 ] 薄玉寶. 浮式液化天然氣(FLNG)技術(shù)在中國(guó)海上開發(fā)應(yīng)用探討[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái), 2013, 28(3): 1-5.Вo Yubao. Floating liquef i ed natural gas (FLNG) technology in China oあshore development application to discussion[J]. China Oあshore Platform, 2013, 28(3): 1-5.

[ 6 ] 巨永林, 顧妍, 李秋英. 浮式LNG生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)比分析[J]. 化工學(xué)報(bào), 2009, 60(增刊1): 27-34.Ju Yonglin, Gu Yan & Li Qiuying. Comparison analysis on key technologies of LNG-FPSO[J]. CIESC Journal, 2009, 60(S1): 27-34.

[ 7 ] 張春, 唐劍鋒, 李玉星, 林日億, 王盛吉. 海上浮式LNG預(yù)處理工藝系統(tǒng)適應(yīng)性分析[J]. 煤氣與熱力, 2011, 31(2): 5-10.Zhang Chun, Tang Jianfeng, Li Yuxing, Lin Riyi & Wang Shengji. Adaptability analysis of offshore floating LNG pretreatment process system[J]. Gas & Heat, 2011, 31(2): 5-10.

[ 8 ] Pribe D, Huebel RR & Foglietta JH. LNG floating production,storage, and oラoading scheme: US6889552В2[P]. 2005-05-10.

[ 9 ] 計(jì)維安, 溫冬云. LNG液化工藝在邊遠(yuǎn)分散井中的應(yīng)用分析[J]. 石油與天然氣化工, 2014, 43(1): 39-43.Ji Wei'an & Wen Dongyun. Application analysis of LNG liquefaction technology in outlying dispersed well[J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2014, 43(1): 39-43.

[10] 田士章, 陳帥, 楊波. 液化天然氣及天然氣物性計(jì)算軟件設(shè)計(jì)[J]. 石油與天然氣化工, 2014, 43(3): 254-261.Tian Shizhang, Chen Shuai & Yang Вo. Design of liquef i ed natu-ral gas and natural gas properties calculation software[J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2014, 43(3): 254-261.

[11] 王元春, 程小姣, 高俊, 王思茜, 曹連進(jìn). 階式雙混合冷劑液化天然氣流程的混合制冷劑研究[J]. 石油與天然氣化工,2015, 44(3): 50-53.Wang Yuanchun, Cheng Xiaojiao, Gao Jun, Wang Siqian & Cao Lianjin. Mixed refrigerant research of LNG process with cascade double mixed refrigerant cycle[J]. Chemical Engineering of Oil& Gas, 2015, 44(3): 50-53.

[12] 秦燕, 梁維好, 曲濤. LNG裝置用板翅式換熱器的設(shè)計(jì)[J]. 深冷技術(shù), 2013(2): 1-5.Qin Yan, Liang Weihao & Qu Tao. Design of LNG unit-purpose plate-f i n type heat exchanger[J]. Cryogenic Technology, 2013(2):1-5.

[13] 陳永東, 周兵, 程沛. LNG工廠換熱技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 天然氣工業(yè), 2012, 32(10): 80-85.Chen Yongdong, Zhou Вing & Cheng Pei. Research progress in heat transfer technology in LNG plants[J]. Natural Gas Industry,2012, 32(10): 80-85.

[14] 李恩道, 劉淼兒, 尹全森. FLNG驅(qū)動(dòng)方式及熱介質(zhì)選型技術(shù)研究[J]. 海洋工程裝備與技術(shù), 2015, 2(4): 225-229.Li Endao, Liu Miao'er & Yin Quansen. Study on driver and heat medium selection for FLNG[J]. Ocean Engineering Equipment and Technology, 2015, 2(4): 225-229.

[15] 李均方, 張瑞春, 夏功科, 劉盛鵬, 干卓凡, 謝仲海. 原料天然氣組分變化對(duì)LNG裝置的影響及對(duì)策[J]. 石油與天然氣化工, 2014, 43(3): 262-265.Li Junfang, Zhang Ruichun, Xia Gongke, Liu Shengpeng, Gan Zhuofan & Xie Zhonghai. Influence of feed gas components change on LNG plant and countermeasures[J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2014, 43(3): 262-265.

[16] 羅樹林, 蓋璟權(quán), 江浩, 張躍征. PRICO?天然氣液化技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐[J]. 石油與天然氣化工, 2015, 44(1): 50-58.Luo Shulin, Gai Jingquan, Jiang Hao & Zhang Yuezheng. PRICO?natural gas liquefaction technology and practical application[J].Chemical Engineering of Oil & Gas, 2015, 44(1): 50-58.

[17] Вarcelay M & Denton N. Selecting oあshore LNG processes[J].LNG Journal, 2005(10): 34-36.

[18] 浦暉, 陳杰. LNG-FPSO液化工藝方案比選研究[J]. 制冷技術(shù),2015, 31(4): 31-34.Pu Hui & Chen Jie. Study on comparative selection of LNG-FPSO liquefaction process schemes[J]. Refrigeration Technology,2015, 31(4): 31-34.

[19] 柏鎖柱, 趙剛, 薛立林, 許濤. LNG項(xiàng)目模塊化應(yīng)用實(shí)踐及對(duì)中國(guó)模塊廠的挑戰(zhàn)[J]. 國(guó)際石油經(jīng)濟(jì), 2016, 24(8): 96-100.Вo Suozhu, Zhao Gang, Xue Lilin & Xu Tao. Practice of modular applications in LNG project and its inf l uences to domestic modular workshops[J]. International Petroleum Economics, 2016, 24(8): 96-100.