浮式液化天然氣開(kāi)車方案討論

劉曉剛 張躍征 吳本勇

惠生（南通）重工有限公司 江蘇南通 226007

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

浮式液化天然氣（LNG）項(xiàng)目最早于20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始探索，首個(gè)詳細(xì)設(shè)計(jì)于90 年代完成，并計(jì)劃于2000 年運(yùn)營(yíng)。但當(dāng)時(shí)卡塔爾作為天然氣出口主導(dǎo)者出現(xiàn)，降低了大型陸上LNG 項(xiàng)目的費(fèi)用，從而使浮式天然氣項(xiàng)目擱置。隨著社會(huì)和環(huán)境因素影響下，陸上液化石油氣項(xiàng)目基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用急劇增加，浮式LNG 項(xiàng)目又重回人們的視野。建設(shè)海上LNG 項(xiàng)目所需時(shí)間大約為同等陸上項(xiàng)目所需時(shí)間的三分之二。因?yàn)殛懮享?xiàng)目會(huì)面臨行政審批煩冗、土地獲取成本高昂、勞動(dòng)力成本高企、環(huán)境監(jiān)管嚴(yán)格等問(wèn)題。主流浮式LNG 裝置的結(jié)構(gòu)組成包括：LNG 生產(chǎn)系統(tǒng)、LNG 儲(chǔ)存系統(tǒng)、浮式LNG 裝置系泊系統(tǒng)和LNG 卸載系統(tǒng)。

50 萬(wàn)t/ a 浮式LNG 項(xiàng)目采用單循環(huán)混合冷劑技術(shù)；制冷壓縮機(jī)采用燃?xì)馔钙津?qū)動(dòng)；燃?xì)馔钙胶椭评鋭嚎s機(jī)分別選用GE PGT25+SAC+2BCL 806；發(fā)電機(jī)為瓦錫蘭油氣兩用發(fā)電機(jī)，為全船所有用電設(shè)備供電。進(jìn)氣壓力為76 kg，由海底管線引至駁船上部工藝裝置，分別經(jīng)過(guò)胺（脫酸氣）單元、脫水脫汞單元、脫重?zé)N和液化單元生產(chǎn)LNG，裝置還包括冷劑循環(huán)制冷單元、蒸發(fā)氣（BOG）處理單元、冷劑儲(chǔ)存單元、冷卻水單元、熱油單元等。

2 總體工藝流程介紹

2.1 液化工藝流程

天然氣從海底管道進(jìn)入液化裝置，首先經(jīng)過(guò)胺單元脫除酸性氣，酸性氣主要為二氧化碳，也有可能含有少量硫化氫，胺單元使用專利配方的MDEA 水溶液，將原料氣中的二氧化碳深脫至小于50×10-6。

原料氣離開(kāi)胺單元進(jìn)入脫水單元，脫水單元采用兩床式分子篩干燥技術(shù)，一床進(jìn)行干燥操作，另一床進(jìn)行再生及等待切換操作。氣體從胺單元帶出的飽和水經(jīng)過(guò)分子篩后，水含量降至小于0.1×10-6。因?yàn)樗投趸荚谔烊粴庖夯^(guò)程的低溫下會(huì)凍結(jié)，所以必須在液化單元之前脫除。

離開(kāi)分子篩單元后，原料氣進(jìn)入冷箱液化，從冷箱底部出來(lái)的LNG 流入浮式LNG 駁船儲(chǔ)罐。冷箱的冷量由燃?xì)馔钙綑C(jī)驅(qū)動(dòng)冷劑壓縮機(jī)提供，通過(guò)使高壓冷劑減壓截流循環(huán)提供冷量。制冷劑儲(chǔ)罐采用集裝箱式標(biāo)準(zhǔn)化儲(chǔ)罐，便于運(yùn)輸和更換。

駁船LNG 儲(chǔ)罐采用TGE 公司生產(chǎn)的3 個(gè)IMO（國(guó)際海事組織）“C”型罐，設(shè)計(jì)壓力為3.5kg，總?cè)莘e為16500m3。高壓LNG 經(jīng)過(guò)減壓進(jìn)入LNG 儲(chǔ)罐會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)氣，保冷層的熱泄漏也會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)氣。為保證LNG 儲(chǔ)罐壓力穩(wěn)定，蒸發(fā)氣由低壓蒸發(fā)氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮后的蒸發(fā)氣部分用作發(fā)電機(jī)燃料氣，部分進(jìn)入高壓蒸發(fā)氣壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮，高壓蒸發(fā)氣然后被送至脫水單元作為分子篩再生的再生氣，最后送至燃?xì)馔钙剑鳛轵?qū)動(dòng)燃?xì)馔钙降娜剂蠚狻?/p>

2.2 全船公用工程

全船公用工程系統(tǒng)包括發(fā)電系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、導(dǎo)熱油系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、儀表風(fēng)/ 工廠風(fēng)系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)、火炬系統(tǒng)。

發(fā)電系統(tǒng)采用瓦錫蘭油氣兩用發(fā)電機(jī)，在天然氣上船之前使用柴油發(fā)電滿足船上用電需求，天然氣上船之后以可無(wú)縫切換至天然氣發(fā)電；冷卻水系統(tǒng)由3臺(tái)冷卻水泵、冷卻水膨脹罐、冷卻水給水總管、冷卻水回水總管及相關(guān)儀表組成。

熱油循環(huán)系統(tǒng)的作用是利用廢熱回收單元（WHRU）回收的熱能，為全船其他熱用戶提供熱源。

燃料氣系統(tǒng)分為低壓燃料氣和高壓燃料氣。LNG儲(chǔ)罐產(chǎn)生的蒸發(fā)氣經(jīng)低壓BOG 壓縮機(jī)壓縮至8kg，用作低壓燃料氣，主要作為船用發(fā)電機(jī)燃料氣（最大消耗量為1.5T/ h），其他作為容器保護(hù)氣、火炬總管吹掃氣及開(kāi)車階段熱油加熱器；富余的低壓燃料氣經(jīng)高壓BOG 壓縮機(jī)壓縮至35kg，先做為分子篩單元再生氣，再用做燃?xì)馔钙饺剂蠚?。因BOG 氣量變化較大，如果高低壓燃料氣不足，可以用原料氣減壓作為補(bǔ)充，如果低壓燃料氣富余，則可以返回至冷箱再次液化。

氮?dú)庀到y(tǒng)采用South- Tek PSA 變壓吸附，氮?dú)饧兌葹?9%，耗量為80Nm3/ h，主要作為制冷劑氮?dú)饨M分的補(bǔ)充和冷劑壓縮機(jī)軸密封用的隔離氣。

儀表風(fēng)要求露點(diǎn)低于- 40℃， 消耗量為480Nm3/ h。

根據(jù)API（美國(guó)石油學(xué)會(huì)）521 規(guī)定，液化裝置需要配備緊急泄壓系統(tǒng)。在滿足泄壓條件下，觸發(fā)緊急泄壓系統(tǒng)會(huì)將所有操作中壓力大于17.2kg 的單元在15min 內(nèi)，將壓力降至其設(shè)計(jì)壓力的50%以下，以此降低一次危險(xiǎn)后的次生危險(xiǎn)的破壞度。

3 開(kāi)車前的準(zhǔn)備工作

浮式LNG 駁船在海上近岸操作，一般在氣田附近，地處偏遠(yuǎn)，基礎(chǔ)設(shè)施薄弱。如果在最終運(yùn)營(yíng)地試車，則需要投入大量人員，時(shí)間和設(shè)備，試車成本很高，惠生海工開(kāi)發(fā)了在造船廠對(duì)浮式天然氣駁船進(jìn)行試車的方案，驗(yàn)證裝置液化能力，并在船廠解決過(guò)程中遇到的問(wèn)題，確保駁船在目的地能夠短時(shí)間內(nèi)正常生產(chǎn)。極大的降低試車的費(fèi)用和縮短開(kāi)車時(shí)間。

為確保項(xiàng)目順利開(kāi)車，項(xiàng)目組專門(mén)聘請(qǐng)乙烯工廠熟練操作人員為項(xiàng)目開(kāi)車，開(kāi)車團(tuán)隊(duì)多次前往陸上LNG 工廠進(jìn)行實(shí)地考察和學(xué)習(xí)交流，將以往陸地項(xiàng)目開(kāi)車中遇到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)應(yīng)用到本項(xiàng)目中，確保了開(kāi)車的順利進(jìn)行。駁船發(fā)電系統(tǒng)采用瓦錫蘭雙燃料發(fā)電機(jī)，在天然氣上船之前，使用船用柴油發(fā)電供應(yīng)全船用電。所有設(shè)備、儀表、控制系統(tǒng)、公用工程系統(tǒng)已完成調(diào)試并投用。

3.1 LNG裝載

該項(xiàng)目由惠生（南通）重工有限公司總承包，其工作為在船廠碼頭引入天然氣至浮式LNG 駁船進(jìn)行試車。LNG 裝載最初方案是用LNG 運(yùn)輸船（LNGC）將LNG 直接注入浮式LNG 駁船，考慮到LNG 裝載過(guò)程中的安全和長(zhǎng)江航道占用問(wèn)題，最后選擇用LNG 運(yùn)輸槽車通過(guò)陸地碼頭來(lái)裝載。

3.2 蒸發(fā)氣處理

一旦駁船LNG 儲(chǔ)罐中存在LNG，就會(huì)不可避免的產(chǎn)生蒸發(fā)氣，設(shè)計(jì)中的低溫蒸發(fā)氣先和部分原料氣換熱，使溫度由- 160℃升至- 40℃，再進(jìn)入低溫碳鋼材質(zhì)的低壓蒸發(fā)氣壓縮機(jī)，滿足碳鋼材料對(duì)BOG 溫度的要求。但在駁船上，氣化單元開(kāi)車之前沒(méi)有原料氣，因此項(xiàng)目組采用BOG 壓縮機(jī)部分循環(huán)的方式，使一部分常溫的BOG 壓縮機(jī)出口氣體減壓返回常溫的駁船LNG 儲(chǔ)罐（非裝載LNG 的剩下的兩個(gè)儲(chǔ)罐之一），使這部分氣體與低溫的BOG 混合進(jìn)入低壓常溫BOG 壓縮機(jī)，滿足壓縮機(jī)對(duì)溫度的要求。

3.3 循環(huán)水系統(tǒng)

再氣化單元的熱量由循環(huán)水提供。開(kāi)車順序中，是先開(kāi)再氣化單元再開(kāi)液化單元，再氣化單元的作用是把LNG 氣化，所需熱量由循環(huán)水提供，循環(huán)水的復(fù)溫由長(zhǎng)江江水提供。當(dāng)時(shí)南通的江水溫度低于原設(shè)計(jì)中海水的溫度，導(dǎo)致循環(huán)水流出氣化器的溫度過(guò)低，這時(shí)可以利用熱油系統(tǒng)中的平衡換熱器解決。當(dāng)BOG 壓縮機(jī)操作穩(wěn)定后，可供燃料氣給熱油系統(tǒng)，使熱油系統(tǒng)運(yùn)行從而提供循環(huán)水熱量，來(lái)補(bǔ)償南通地區(qū)江水溫度低于原設(shè)計(jì)中海水溫度的情況。

4 開(kāi)車過(guò)程

裝載LNG 后，開(kāi)啟BOG 壓縮機(jī)，將壓縮機(jī)出口部分燃料氣送至低壓燃料氣系統(tǒng)。WHRU 單元可以開(kāi)啟加熱爐模式，利用低壓燃料氣燃燒為廢熱回收提供熱源，使熱油循環(huán)得以開(kāi)車，為全船提供熱量來(lái)源。

當(dāng)廢熱回收單元以加熱爐方式運(yùn)行時(shí)，由低壓燃料氣提供熱源，建立熱油系統(tǒng)循環(huán)后，通過(guò)熱油平衡換熱器為循環(huán)水系統(tǒng)提供熱源，進(jìn)而解決LNG 氣化模塊的熱源問(wèn)題。熱油平衡換熱器設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為7.0GJ/ h, 考慮熱損后約能夠氣化6t/ h 的LNG，這些LNG 足夠調(diào)試下游燃?xì)馔钙郊爸评鋲嚎s機(jī)，而當(dāng)制冷劑壓縮機(jī)運(yùn)行后，需要大量循環(huán)水對(duì)冷劑壓縮機(jī)出口冷劑進(jìn)行降溫，從而使循環(huán)水系統(tǒng)有了額外的熱負(fù)荷來(lái)氣化更多的LNG。

啟動(dòng)再氣化模塊，產(chǎn)生的天然氣引入脫酸單元。在船廠試車，氣化的天然氣并不含有酸性氣，胺單元僅以水為開(kāi)車介質(zhì)，建立循環(huán)，用以測(cè)試胺單元所有設(shè)備是否能正常工作。

氣體從胺單元流出后含該溫度下的飽合水，進(jìn)入分子篩單元脫水，分子篩單元初次開(kāi)車至少需要經(jīng)歷3次以上的再生過(guò)程，才能將天然氣引入下一處理單元。性能考核記錄見(jiàn)表1。

表1 性能考核記錄

由表1 可知，隨著時(shí)間的推移，LNG 的質(zhì)量產(chǎn)量呈逐漸下降趨勢(shì)，但LNG 的熱值和分子量呈上升趨勢(shì)，這個(gè)結(jié)果與在線分析儀表顯示的結(jié)果相吻合。因?yàn)檠b置在測(cè)試過(guò)程中，天然氣經(jīng)歷了氣化、液化、氣化的循環(huán)過(guò)程，其中的燃料氣主要是利用蒸發(fā)氣，LNG 儲(chǔ)罐中的蒸發(fā)氣以輕組分為主，隨著循環(huán)過(guò)程的進(jìn)行，輕組分的C1 比例在LNG 中逐漸減小，C2、C3 等重組分的比例逐漸升高，分子量也在逐漸升高，可液化的天然氣質(zhì)量流量逐漸降低。但單位質(zhì)量的LNG 的熱值逐漸升高，所以使用閉式循環(huán)的方式測(cè)試FLNG 液化能力是可行的，但時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則原料氣組分變化太大，無(wú)法真實(shí)反映裝置的情況。

5 結(jié)語(yǔ)

50 萬(wàn)t/ a 浮式LNG 項(xiàng)目的試車開(kāi)車和性能考核的成功證明，浮式天然氣在造船廠完整調(diào)試的具有可行性。采用這種方式可極大降低浮式天然氣項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，減小了不確定性，船廠擁有齊全的設(shè)備和大量熟練的技術(shù)工人及可靠的供應(yīng)鏈，在船廠進(jìn)行試車開(kāi)車和性能考核可完整檢驗(yàn)全船裝置，遇到問(wèn)題也可以快速解決，同時(shí)船廠一般成本較低，同時(shí)也縮短了工期，使駁船能夠快速的投入最終運(yùn)營(yíng)。