天然氣液化工廠工藝技術(shù)及設(shè)備國(guó)產(chǎn)化概述

侯君龍

摘 要：結(jié)合泰安LNG工廠的建設(shè)情況，介紹國(guó)內(nèi)外天然氣液化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r。討論混合冷劑制冷工藝，并對(duì)幾種混合冷劑制冷工藝進(jìn)行比較和分析。簡(jiǎn)述國(guó)產(chǎn)化的工藝技術(shù)和設(shè)備突破的關(guān)鍵技術(shù)和取得的成果。

關(guān)鍵詞：天然氣液化；LNG；混合冷劑制冷；工藝；設(shè)備；國(guó)產(chǎn)化

Abstract：Based on the construction of Taian LNG project， the development of natural gas liquefaction industry at home and abroad is introduced.The refrigeration process of mixed refrigerant was discussed， and the comparison and analysis of several cooling processes were made.The key technologies and achievements of localized process technology and equipment breakthrough are briefly described.

Keywords：natural gas liquefaction；LNG；mixed coolant refrigeration；technology；equipment；domesticated

1 國(guó)內(nèi)外天然氣液化產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱LNG），主要成分是甲烷，還有少量的乙烷、丙烷、氮或天然氣中常見(jiàn)的其他組分。被公認(rèn)是地球上最干凈的化石能源。無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒且無(wú)腐蝕性，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625，液化天然氣的質(zhì)量?jī)H為同體積水的45%左右。據(jù)國(guó)際燃?xì)饴?lián)盟預(yù)測(cè)，2030年天然氣在世界一次能源結(jié)構(gòu)中所占比重將上升到28%，最遲將在21世紀(jì)上半葉超過(guò)石油，成為世界第一大能源[1]。國(guó)際能源署認(rèn)為L(zhǎng)NG將成為天然氣需求增長(zhǎng)的主力，預(yù)測(cè)2035年世界液化天然氣貿(mào)易將占天然氣貿(mào)易總額的一半[2]。據(jù)此預(yù)測(cè)，天然氣液化產(chǎn)業(yè)將有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.1 國(guó)外天然氣液化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

19世紀(jì)，邁克爾.法拉第在實(shí)驗(yàn)室首次制備LNG；1873年，卡爾文.林德制造了第一臺(tái)壓縮制冷設(shè)備；1917年，美國(guó)西弗吉尼亞，第一座LNG試驗(yàn)工廠建成；1941年，美國(guó)俄亥俄克利夫蘭，第一座商業(yè)化工廠建成；1959年第一艘LNG運(yùn)輸船“甲烷先鋒號(hào)”投入使用；至今LNG貿(mào)易占據(jù)世界出口天然氣總貿(mào)易量不斷增加?？ㄋ栐谌ツ?月宣布將大幅增產(chǎn)液化天然氣產(chǎn)量，由年產(chǎn)7700萬(wàn)噸提升至2024年的1億噸。國(guó)外天然氣液化產(chǎn)業(yè)將蓬勃發(fā)展，天然氣液化工藝技術(shù)不斷增強(qiáng)。

1.2 國(guó)內(nèi)天然氣液化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

90年代初，四川、吉林石化投建2座LNG裝置，生產(chǎn)能力分別為0.3 m3/h、0.5 m3/h（中科院）；90年代中期，長(zhǎng)慶石油勘探局，示范性LNG工廠，日處理量3萬(wàn)m3，開(kāi)發(fā)陜北氣田邊遠(yuǎn)單井；但以上技術(shù)最終都宣告失敗。90年代末，東海天然氣開(kāi)發(fā)，上海調(diào)峰站引進(jìn)法國(guó)索菲公司技術(shù)和設(shè)備，日處理量10萬(wàn)m3；2001年，中原石油勘探局與法國(guó)索菲公司合作，從國(guó)外進(jìn)口主要設(shè)備，建設(shè)國(guó)內(nèi)第一座生產(chǎn)型LNG裝置，日處理15萬(wàn)m3；2014年，昆侖能源泰安LNG項(xiàng)目建成投產(chǎn)，日處理量260萬(wàn)m3，據(jù)了解，這是國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和單套液化生產(chǎn)能力最大的天然氣液化項(xiàng)目，專家表示，此項(xiàng)目LNG裝置壓縮機(jī)組打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，標(biāo)志著中國(guó)石油在天然氣液化領(lǐng)域取得重大突破。

2 泰安LNG工廠工藝技術(shù)分析

2011年4月，國(guó)家能源局、中石油確定山東泰安LNG工廠建設(shè)為天然氣液化裝置國(guó)產(chǎn)化研發(fā)依托工程。本項(xiàng)目工藝流程采用中國(guó)寰球工程公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙級(jí)（循環(huán)）混合冷劑制冷（DMR）技術(shù)。

2.1 天然氣液化工藝技術(shù)

天然氣液化裝置液化換熱循環(huán)主要有級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)、混合冷劑制冷循環(huán)和膨脹機(jī)制冷循環(huán)。國(guó)外天然氣液化工藝技術(shù)研究起步早，有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)期主導(dǎo)著天然氣液化技術(shù)市場(chǎng)，其主要工藝及專利商[3]見(jiàn)表1。本文以泰安LNG項(xiàng)目為例，主要分析混合冷劑制冷循環(huán)。

混合冷劑制冷循環(huán)主要分為單級(jí)混合制冷工藝（SMR）、雙級(jí)混合制冷工藝（DMR）、丙烷預(yù)冷混合制冷工藝（C3/MRC）。

2.2 三種混合冷劑制冷循環(huán)工藝參數(shù)比較

其工藝流程參數(shù)比較[4]如表2。

分析表2可知，單級(jí)混合制冷工藝（SMR）能耗最大，要比雙級(jí)混合制冷工藝（DMR）高出13.4%。雙級(jí)混合制冷工藝（DMR）與丙烷預(yù)冷混合制冷工藝（C3/MRC）能耗相差很小，只有0.3%。

2.3 DMR跟C3/MRC制冷工藝造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用分析

天然氣預(yù)處理和壓縮單元均采用相同的工藝方法，造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用相同，在此不做討論。天然氣液化單元的費(fèi)用主要為壓縮機(jī)和換熱器的費(fèi)用，假設(shè)丙烷壓縮機(jī)采用三級(jí)壓縮，其每一級(jí)的壓縮天然氣量不相等，進(jìn)氣溫度為低溫氣體，壓縮機(jī)機(jī)體必須選擇低溫材質(zhì)；雙級(jí)混合冷劑壓縮機(jī)采用兩級(jí)壓縮，常溫進(jìn)氣，這就使丙烷預(yù)冷混合冷劑壓縮機(jī)的造價(jià)高于混合冷劑壓縮機(jī)。丙烷預(yù)冷的換熱器需要三臺(tái)蒸發(fā)器，采用繞管式換熱器，造成其體積大，占地面積大、重量大（如圖3）；而雙級(jí)混合冷劑制冷采用真空釬焊鋁制板翅式換熱器，集中布置在冷箱內(nèi)部，體積小，占地面積小，造價(jià)低（如圖4）。雙級(jí)混合制冷工藝跟丙烷預(yù)冷混合制冷工藝都采用了預(yù)冷和深冷兩套制冷循環(huán)系統(tǒng)，但后者采用了三級(jí)的丙烷預(yù)冷，造成其壓縮機(jī)和換熱器之間管路復(fù)雜，控制系統(tǒng)也會(huì)更加繁瑣，導(dǎo)致造價(jià)增多。通過(guò)以上各方面的分析，對(duì)中小型液化裝置來(lái)說(shuō)，雙級(jí)混合冷劑制冷工藝更有優(yōu)勢(shì)。

3 泰安LNG工廠工藝技術(shù)攻克的難題

本項(xiàng)目從天然氣深度凈化、液化、BOG處理等，整個(gè)裝置全部采用自主技術(shù)，需要根據(jù)項(xiàng)目具體原料及環(huán)境氣候條件進(jìn)行具體的工藝流程模擬計(jì)算，分析多種工況的結(jié)果，合理確定工藝流程，采用自主開(kāi)發(fā)的優(yōu)化方法獲得最優(yōu)工藝及設(shè)備參數(shù)，確定工藝控制方案，做到安全可靠，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)可行。

3.1 創(chuàng)新形成雙循環(huán)混合冷劑專用配方

通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了由氮?dú)夂虲1～C5烴類介質(zhì)組合形成的混合冷劑在不同配比及壓力等條件下對(duì)液化能耗的影響規(guī)律，創(chuàng)新形成自適應(yīng)原料氣和環(huán)境變化的雙循環(huán)混合冷劑專用配方，解決了原料氣組分和運(yùn)行負(fù)荷變化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行能耗的適應(yīng)性難題。

3.2 解決了重?zé)N凍堵、氮?dú)夥蛛x、能量?jī)?yōu)化的技術(shù)難題

集成天然氣液化、烴分離、重?zé)N及氮?dú)饷摮裙に囘^(guò)程，共用冷源和換熱設(shè)備、溫位合理匹配，替代傳統(tǒng)的分別采用制冷和換熱設(shè)備的工藝，用冷劑替代外加熱源實(shí)現(xiàn)能量高效利用，解決了重?zé)N凍堵、氮?dú)夥蛛x、能量?jī)?yōu)化的技術(shù)難題。

3.3 解決了流程和設(shè)備工藝參數(shù)的優(yōu)化難題

創(chuàng)新應(yīng)用基于遺傳算法的優(yōu)化方法，采用全局搜索、多參數(shù)同步優(yōu)化替代單點(diǎn)搜索、單參數(shù)優(yōu)化，降低工藝能耗10 %以上，解決了流程和設(shè)備工藝參數(shù)的優(yōu)化難題。

4 泰安LNG工廠國(guó)產(chǎn)化設(shè)備突破的關(guān)鍵技術(shù)和取得成果

本項(xiàng)目主要承擔(dān)冷劑壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、BOG壓縮機(jī)、冷箱、DCS、低溫閥門六大關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研發(fā)任務(wù)。

4.1 冷劑壓縮機(jī)

突破的關(guān)鍵技術(shù)：國(guó)內(nèi)首臺(tái)套大型筒型、最大軸功率達(dá)16465kW，機(jī)組效率達(dá)85%以上的壓縮機(jī)。以完全三維粘性分析和氣動(dòng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)過(guò)流部件定常、非定常、可壓縮紊流流動(dòng)進(jìn)行高精度數(shù)值分析，研制出高馬赫數(shù)、大流量系數(shù)、高能頭系數(shù)的線元素三元葉輪與流變形排氣蝸室，提高了系列模型級(jí)的效率，減少了葉輪級(jí)數(shù)、增大了操作范圍，效率提高5個(gè)百分點(diǎn)，解決了國(guó)產(chǎn)冷劑壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和制造難題。成果：較國(guó)外同類產(chǎn)品節(jié)約投資20%，縮短制造周期4個(gè)月以上。

運(yùn)行情況：該設(shè)備自2014年8月投入正常生產(chǎn)，8月22日裝置產(chǎn)出合格產(chǎn)品，總體運(yùn)行良好。

4.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

突破的關(guān)鍵技術(shù)：采取變頻器的方式控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了冷劑壓縮機(jī)電機(jī)最大輸出功率20000kW。

成果：突破了傳統(tǒng)意義上采用國(guó)產(chǎn)液力耦合器啟動(dòng)電機(jī)的最大功率僅為2000kW的技術(shù)瓶頸。

4.3 BOG壓縮機(jī)

突破的關(guān)鍵技術(shù)：采用-196度的超低溫球墨鑄鐵材料和密封結(jié)構(gòu)，為國(guó)內(nèi)首臺(tái)套超低溫迷宮壓縮機(jī)制造工藝。發(fā)現(xiàn)了多曲面相貫復(fù)雜空間的低溫集中區(qū)及其溫度場(chǎng)分布規(guī)律，研制了低溫隔冷結(jié)構(gòu)，用中間冷媒將冷量引導(dǎo)至壓縮機(jī)潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)，避免了低溫部件冷量通過(guò)中體傳遞到常溫部件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了冷能循環(huán)利用，提高了整機(jī)效率，降低綜合能耗5.4%，解決了立式迷宮低溫蒸發(fā)氣壓縮機(jī)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造難題。

成果：較國(guó)外同類產(chǎn)品節(jié)約投資40%，縮短制造周期3個(gè)月以上。

4.4冷箱

突破的關(guān)鍵技術(shù)：在大尺寸、介質(zhì)均布、多股流傳熱和高壓板翅式換熱器真空釬焊等方面取得突破。以“先分配后混合”的注液封條兩相流均布分配結(jié)構(gòu)，替代傳統(tǒng)的折流式、孔板式、噴管式“先混合后分配”的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)氣、液分層注入，避免了氣液兩相不規(guī)則竄動(dòng)，解決了板翅式換熱器兩相流偏流的難題。國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)雙循環(huán)混合冷劑液化工藝集成高效率板翅式換熱器的工業(yè)應(yīng)用。

成果：較國(guó)外同類產(chǎn)品節(jié)約投資20%，縮短制造周期3個(gè)月以上。

運(yùn)行情況：結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積傳熱面積大、冷損失小、設(shè)備制造一次成型、設(shè)備質(zhì)量可靠。

4.5 低溫閥門

突破的關(guān)鍵技術(shù)：成功研制-196度低溫2寸及以下低溫球閥、6寸及以下低溫閘閥和截止閥。

成果：實(shí)現(xiàn)低溫球閥、閘閥和截止閥的國(guó)產(chǎn)化，打破西方技術(shù)壟斷。

4.6 分布式控制系統(tǒng)（DCS）

突破的關(guān)鍵技術(shù)：260MHz主頻設(shè)計(jì)功率小于5W，掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間突破3個(gè)月，工藝狀態(tài)和連鎖與實(shí)際狀態(tài)基本實(shí)現(xiàn)零偏差。

成果：為國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)應(yīng)用于大型LNG液化裝備夯實(shí)了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)天然氣液化工藝技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，打破了西方技術(shù)壟斷，工藝技術(shù)得到較大發(fā)展，設(shè)備性能大幅提高，從而使整體天然氣液化項(xiàng)目投資減少，建設(shè)周期縮短，促進(jìn)了LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。盼望泰安LNG工廠的建設(shè)和發(fā)展能給其它LNG工廠帶來(lái)借鑒。

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