天然氣工業(yè)中小型天然氣液化裝置的運(yùn)用分析

李昌華

（中石化勝利股份有限公司純梁采油廠集輸大隊(duì)，山東 濱州 256504）

天然氣中含量最高的物質(zhì)是甲烷,也含有一些其他的碳?xì)浠衔?。甲烷無色無味、在燃燒前和燃燒后都幾乎沒有毒性、燃燒后釋放出的熱量高、燃燒產(chǎn)物清潔環(huán)保，正是由于這些特性，甲烷目前被世界各個(gè)國家作為工業(yè)發(fā)展中的主要能源。我國雖然幅員遼闊、地大物博，但我國的天然氣和汽油的儲(chǔ)藏含量卻十分不均衡。所以為了滿足我國工業(yè)發(fā)展的能源需，國家加強(qiáng)了對(duì)天然氣的開采和利用。為了在工業(yè)發(fā)展的同時(shí)盡量降低對(duì)環(huán)境的破壞程度，我們主要以液化天然氣的形式來利用天然氣，而且液化天然氣還具有便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。所以，小型天然氣液化裝置的研究在我國具有良好的發(fā)展前景。

1 國內(nèi)小型天然氣液化裝置的研究現(xiàn)狀

隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，國內(nèi)出現(xiàn)了一批典型的小型天然氣液化裝置?，F(xiàn)在，本文對(duì)這些裝置的原理和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行簡要的分析和總結(jié)。

1.1 四川的小型天然氣液化裝置

四川目前采用的小型天然氣液化裝置極為簡約環(huán)保。該裝置把天然氣本身作為制冷劑機(jī)制，利用氣體軸承對(duì)氣體進(jìn)行制冷，這時(shí)，氣體的進(jìn)出口兩端的氣壓便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的大幅度降溫。四川液化設(shè)備有很多優(yōu)點(diǎn)，第一，它用天然氣本身的壓強(qiáng)差進(jìn)行冷卻，不需要利用儀表對(duì)液化過程中的壓強(qiáng)值進(jìn)行測量，節(jié)省電能。第二，這個(gè)設(shè)備不需要機(jī)器對(duì)天然氣進(jìn)行壓縮，很大程度上縮減了成本。第三，這套實(shí)驗(yàn)裝置占地面積小、重量輕，便于安裝、檢修和拆除。

1.2 吉林油田的小型天然氣液化裝置

由于甲烷在燃燒時(shí)主要產(chǎn)生二氧化碳和氧氣，基于這一思路，吉林油田通過使天然氣脫水和脫二氧化碳的技術(shù)先對(duì)甲烷進(jìn)行分解、之后再對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行合成的技術(shù)實(shí)現(xiàn)天然氣的液化。這種工藝非常新穎，并且在液化過程中采用了氮?dú)庋h(huán)工藝，和四川液化裝置中的軸承冷卻相比成本更低更耐用、并且簡化了操作步驟。

1.3 陜北氣田的小型天然氣液化裝置

陜北氣田的液化裝置主要通過多級(jí)預(yù)冷器的相互配合來實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的制冷液化。其中，通過第二預(yù)冷器冷卻后的氣體，一部分會(huì)重新進(jìn)入第一級(jí)預(yù)冷器中，加強(qiáng)第一級(jí)預(yù)冷器的冷卻效果；其他的氣體是液化天然氣的主要來源，這些氣體會(huì)流入分離器實(shí)現(xiàn)液化，流入液化天然氣的儲(chǔ)存罐。這種小型天然氣液化裝置首次采用了天然氣的直接分離技術(shù)，是我國天然氣液化領(lǐng)域的一大進(jìn)步。陜北的天然氣液化裝置還采用了氣體制冷機(jī)輔助透平膨脹機(jī)進(jìn)行制冷，優(yōu)化了制冷效果；除此之外，這套裝置對(duì)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行了重復(fù)利用，避免了氣體排放到大氣中而對(duì)大氣質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

1.4 中原油田的小型天然氣液化裝置

中原油田的天然氣液化冷卻裝置在制冷機(jī)方面擁有獨(dú)特的技術(shù)，該設(shè)備采用采用丙烷和乙烯作為制冷劑，并且也采用了多級(jí)循環(huán)的模式。首先，先將天然氣通過進(jìn)氣口輸入裝置中，其次氣體流入分液罐從而實(shí)現(xiàn)氣體和液體的分離，然后氣體再進(jìn)入過濾器中過濾掉其中的大顆粒雜質(zhì)、實(shí)現(xiàn)初步凈化。在實(shí)現(xiàn)初步凈化后便可以對(duì)天然氣進(jìn)行脫水和脫二氧化碳處理，這時(shí)要有兩臺(tái)干燥機(jī)互相配合、完成液化，其中有一臺(tái)要對(duì)脫水和脫二氧化碳后的氣體進(jìn)行干燥，另一臺(tái)對(duì)過濾后的氣體再合成，完成這些工藝后還要通過丙烷制冷的工藝對(duì)天然氣進(jìn)行冷卻液化。通過以上對(duì)生產(chǎn)流程的描述，我們可以看出該裝置是利用大氣壓來運(yùn)行的，大大節(jié)省了能源也提高了經(jīng)濟(jì)效益，而且這項(xiàng)工藝在運(yùn)行中不易發(fā)生故障、穩(wěn)定性好。

1.5 哈爾濱的小型天然氣液化裝置

哈爾濱的小型天然氣液化裝置也是通過使甲烷脫水和脫二氧化碳的技術(shù)來初步分解天然氣，但在生產(chǎn)過程中，該設(shè)備采用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)液化設(shè)備進(jìn)行供能。當(dāng)天然氣被脫水和脫二氧化碳分解后，要進(jìn)入燃燒器進(jìn)行加熱，使其氣化，之后將氣體引入氣體運(yùn)輸系統(tǒng)。這種系統(tǒng)生產(chǎn)的液化天然氣純度更高、更清潔，但是也存在一定的弊端：因?yàn)槿紵鲀?nèi)部和外部的空氣存在溫度差，所以會(huì)發(fā)生熱量的傳遞，這對(duì)氣體的液化會(huì)產(chǎn)生一定的影響，所以我們?cè)谏a(chǎn)時(shí)要時(shí)刻關(guān)注燃燒器內(nèi)部的溫度，比較耗費(fèi)人力。

2 小型天然氣液化裝置的技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化

為了優(yōu)化我國的小型天然氣液化裝置，我們要緊緊圍繞便于操作、安全生產(chǎn)和熱值大的核心思想，對(duì)天然氣液化技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。要通過改變生產(chǎn)過程中的一些參數(shù)，例如液化所加的壓力、燃燒溫度、投入物料的比例、化學(xué)平衡的負(fù)反饋等，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的平衡進(jìn)行重新計(jì)算，從而優(yōu)化天然氣的液化工藝。除此之外，我們還可以通過升級(jí)設(shè)備來改變?cè)O(shè)備內(nèi)的氣溫穩(wěn)定程度和受熱面積等來改善液化效果。再次，我們還要對(duì)液化的過程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本的預(yù)算，控制各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以獲得更大的經(jīng)濟(jì)收益。以下三種方法是對(duì)小型天然氣液化裝置的技術(shù)創(chuàng)新的一些分析和思考。

2.1 對(duì)小型天然氣液化裝置采取級(jí)聯(lián)式液化

級(jí)聯(lián)式液化流程也叫做階梯式液化，這種液化方法在帶負(fù)載的天然氣液化裝置中比較適用。這種液化裝置由許多獨(dú)立的液化制冷裝置組成,他們之間相互聯(lián)系、構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。在各級(jí)系統(tǒng)之間，會(huì)發(fā)生熱量的傳遞，這也就保證了液化設(shè)備恒溫運(yùn)行。級(jí)聯(lián)式液化的優(yōu)點(diǎn)是消耗的能量少、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，而且制冷機(jī)易于制備，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。但這項(xiàng)技術(shù)也存在一定的缺點(diǎn)，比如：許多冷卻設(shè)備進(jìn)行級(jí)聯(lián)、相互干擾、增多了操作步驟，而且這種設(shè)備體積大、占用空間大，不便于運(yùn)輸、安裝和維修。如果其中一臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障，容易對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生不良影響。其次，若要對(duì)這個(gè)龐大的體系進(jìn)行管控，需要犧牲大量的人力物力財(cái)力，不利于節(jié)省成本。因此，這項(xiàng)技術(shù)如果想要投入生產(chǎn)的話，我們還要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的改良。

2.2 對(duì)小型天然氣液化裝置采取混合制冷劑液化工藝

既然級(jí)聯(lián)式液化工藝的設(shè)備運(yùn)行極其繁瑣，我們就可以將各個(gè)步驟中的制冷劑進(jìn)行混合，從而簡化生產(chǎn)步驟。通過研究，我們可以將碳?xì)浠衔锖偷獨(dú)膺M(jìn)行混合作為天然氣液化過程中的制冷劑。擁有了混合制冷劑以后，我們就不再需要逐級(jí)對(duì)天然氣進(jìn)行液化，而是可以直接得到天然氣液化后的產(chǎn)物。與級(jí)聯(lián)式的液化工藝相比，混合制冷卻劑液化工藝設(shè)備少、操作簡單、流程得到大大簡化而且便于設(shè)備故障時(shí)的維修、減少了監(jiān)控設(shè)備的人力投入。 但是混合制冷卻劑液化工藝中的化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜、會(huì)消耗大量的能量 ，而且在制冷劑的制備中要投入大量的時(shí)間與資金，最重要的是，各個(gè)化學(xué)反應(yīng)相混合，不利于在制備中對(duì)某一特定參數(shù)進(jìn)行控制與檢測。但是混合制冷劑液化工藝仍然是目前的工業(yè)生產(chǎn)中最具有創(chuàng)新性的生產(chǎn)工藝，它可以實(shí)現(xiàn)在液化過程中的連續(xù)溫度變化，避免出現(xiàn)溫度斷層，可以保證制冷劑與天然氣的混合更均勻，基于以上的優(yōu)點(diǎn)，這項(xiàng)混合制冷卻劑液化技術(shù)是未來我國天然氣液化工業(yè)的最佳發(fā)展趨勢(shì)，具有很好的發(fā)展前景。

2.3 利用膨脹機(jī)對(duì)小型天然氣液化裝置進(jìn)行改善

膨脹機(jī)液化這一技術(shù)利用制冷劑在膨脹機(jī)中的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)天然氣的液化。當(dāng)天然氣被通入膨脹機(jī)后，天然氣會(huì)在膨脹機(jī)的作用下發(fā)生膨脹，通過膨脹對(duì)外做功、輸出能量，因此這一個(gè)步驟，可以為冷卻裝置的運(yùn)行提供能量。更為方便的是，如果氣體輸入與輸出口處的氣體的壓強(qiáng)存在差值，那么整個(gè)的液化過程就不需要其他能源再對(duì)設(shè)備進(jìn)行供能。顯而易見，膨脹機(jī)液化工藝是對(duì)現(xiàn)有的液化工藝的一個(gè)整合，在最大程度上規(guī)避了現(xiàn)有液化工藝的缺點(diǎn)。首先，膨脹機(jī)液化工藝操作簡單、可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)、便于維修與拆裝;其次，和四川的小型天然氣液化裝置一樣，利用天然氣自身的壓強(qiáng)差進(jìn)行制冷，節(jié)省了大量的成本和能源。但這種工藝也存在一定的弊端，比如進(jìn)入制冷裝置中的氣體不能含有水分，此外，利用天然氣自身的壓強(qiáng)差進(jìn)行制冷時(shí)，回流動(dòng)力容易不足，造成產(chǎn)出率較低，一定程度上減少了經(jīng)濟(jì)效益。但是由于膨脹機(jī)制冷工藝的種種優(yōu)點(diǎn)，這項(xiàng)工藝還是受到了很多企業(yè)的關(guān)注。

3 結(jié)語

雖然我國在工業(yè)化和環(huán)境保護(hù)的進(jìn)程中已經(jīng)取得了不小的成就，但我國在工業(yè)化進(jìn)程和能源利用上仍然任重道遠(yuǎn)，因?yàn)槲覀兊南到y(tǒng)還有待升級(jí)、技術(shù)還有待創(chuàng)新、理論成果還有待開創(chuàng)。同時(shí)我們也要意識(shí)到液化天然氣對(duì)我國工業(yè)發(fā)展的重大意義，它不僅可以減少工業(yè)發(fā)展中的環(huán)境污染，還比同樣質(zhì)量的其他燃料熱值高。同時(shí)是根據(jù)我國資源的一個(gè)合理應(yīng)用。所以我們一定要對(duì)天然氣進(jìn)行科學(xué)開采和合理利用，不斷推進(jìn)我國的社會(huì)主義工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程。