天然氣液化工廠(chǎng)產(chǎn)能提升的分析與研究

＊牛建偉

（華新燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司 山西 030032）

天然氣液化工廠(chǎng)通過(guò)技術(shù)改造，進(jìn)行產(chǎn)能提升，生產(chǎn)能力由日處理原料氣50×104m3/d擴(kuò)建為70×104m3/d（0℃，0.101325MPa·A）。產(chǎn)能提升方式是利用已有液化裝置的富余能力，通過(guò)新增原料氣壓縮機(jī)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)、預(yù)冷機(jī)組、冷箱、冷劑壓縮機(jī)級(jí)間和末級(jí)預(yù)冷器、吸收塔頂冷卻器、閉式冷卻塔、循環(huán)水泵等裝置，使裝置生產(chǎn)能力擴(kuò)產(chǎn)至70×104m3/d。

通過(guò)產(chǎn)能提升改造后，天然氣日處理規(guī)?？梢栽黾?0×104m3/d，預(yù)計(jì)每年增加天然氣處理量6660×104m3/a（每年按照333d計(jì)算），合計(jì)增加LNG產(chǎn)量48743.21t。提高產(chǎn)量后，天然氣在液化過(guò)程中只是增加了一小部分電量和物料消耗，而節(jié)省了人工成本和管理費(fèi)用，從而大大降低了生產(chǎn)成本，提高了利潤(rùn)空間，增加了經(jīng)濟(jì)收入。

1.產(chǎn)能提升技術(shù)改造背景

(1)冷劑壓縮機(jī)有富余生產(chǎn)能力

原液化廠(chǎng)的工藝流程是：來(lái)自管網(wǎng)的天然氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾、調(diào)壓計(jì)量、往復(fù)式活塞壓縮機(jī)增壓、脫酸、脫水、脫汞及重?zé)N后進(jìn)入冷箱逐步冷卻至-162.9℃，最后進(jìn)入儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，通過(guò)裝車(chē)站給槽車(chē)加液。其中天然氣在冷箱中液化所需要的冷量來(lái)自離心式冷劑壓縮機(jī)壓縮后的混合冷劑。離心式冷劑壓縮機(jī)是天然氣液化的核心設(shè)備，原廠(chǎng)設(shè)有離心式冷劑壓縮機(jī)1臺(tái)，額定功率7400kW，電機(jī)電壓10kV。冷劑壓縮機(jī)為兩級(jí)壓縮，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑，經(jīng)制冷劑壓縮機(jī)增壓后二級(jí)出口壓力設(shè)計(jì)為3.4MPa，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，冷劑壓縮機(jī)二級(jí)出口壓力約為2.76MPa，還有很多富余生產(chǎn)能力，未能利用。

(2)改造內(nèi)容少，新增設(shè)備有放置空間

根據(jù)設(shè)備原始設(shè)計(jì)參數(shù)，以及實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，充分考慮原料氣管網(wǎng)壓力、壓縮機(jī)性能、涼水塔及冷箱換熱效率、凈化系統(tǒng)及公用工程等的情況下，重新做分析驗(yàn)算，只需要增加原料氣壓縮機(jī)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)、預(yù)冷機(jī)組、冷箱、冷劑壓縮機(jī)級(jí)間和末級(jí)預(yù)冷器、吸收塔頂冷卻器、涼水塔等裝置，就能使裝置生產(chǎn)能力由每天50萬(wàn)方擴(kuò)產(chǎn)至每天70萬(wàn)方，改造的內(nèi)容相對(duì)較少。工藝區(qū)現(xiàn)有設(shè)備、閥門(mén)及管道等的總圖布置合理，各處理單元尚有剩余空間，新增設(shè)備有放置空間。

2.產(chǎn)能提升工藝技術(shù)

(1)液化工藝技術(shù)選擇

在原廠(chǎng)液化工藝采用的是單循環(huán)混合冷劑制冷工藝的前提下，考慮改造項(xiàng)目可利用面積有限，因此選擇在不增加混合冷劑壓縮機(jī)的前提下，對(duì)原有制冷工藝進(jìn)行改造，選擇增加一臺(tái)丙烷預(yù)冷機(jī)組，改造成效率較高、能耗較低的帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑制冷工藝，可以實(shí)現(xiàn)在原有每天50萬(wàn)方天然氣液化裝置的基礎(chǔ)上，擴(kuò)產(chǎn)至每天70萬(wàn)方的液化產(chǎn)量。

(2)產(chǎn)能提升總工藝流程

原料氣過(guò)濾計(jì)量后，通過(guò)改造后的原料氣壓縮機(jī)增壓，然后經(jīng)過(guò)原廠(chǎng)凈化裝置脫除雜質(zhì)后分為兩路，一路進(jìn)入原廠(chǎng)液化裝置，液化后存儲(chǔ)于LNG儲(chǔ)罐中；另外一路送入新增液化裝置，原料氣在新增冷箱中被冷卻至約-40℃后，進(jìn)入原廠(chǎng)重?zé)N分離器，在重?zé)N分離器脫除重?zé)N后的原料氣返回新增冷箱繼續(xù)冷卻至-162.9℃，節(jié)流至0.015MPa后進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。

①原料氣計(jì)量調(diào)壓?jiǎn)卧?/p>

本擴(kuò)建項(xiàng)目原料氣壓縮機(jī)需要增加兩套余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使每臺(tái)可以在每天35～50萬(wàn)方范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩套壓縮機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)可以滿(mǎn)足每天70萬(wàn)方的產(chǎn)能。余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用ACCV壓縮機(jī)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可自動(dòng)無(wú)級(jí)的控制石油、化學(xué)和氣體工業(yè)設(shè)施用往復(fù)壓縮機(jī)的流量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，系統(tǒng)安全性高，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、多樣，節(jié)能效果好，現(xiàn)場(chǎng)整潔，維修簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)。進(jìn)入工廠(chǎng)的原料天然氣，經(jīng)過(guò)原廠(chǎng)過(guò)濾分離器過(guò)濾掉液體和可能存在的機(jī)械雜質(zhì)以后，再經(jīng)過(guò)計(jì)量后通過(guò)改造后的原料氣壓縮機(jī)增壓至5.5MPa·G，然后進(jìn)入下游脫酸氣單元。

②原料氣凈化單元

在裝置測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)原廠(chǎng)脫酸系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量較大，提產(chǎn)至70萬(wàn)方時(shí)，吸收塔直徑理論上接近極限值，運(yùn)行工況比較穩(wěn)定，暫時(shí)可不更換吸收塔。但脫酸系統(tǒng)可能出現(xiàn)吸收塔頂冷卻器出口溫度偏高的情況，原料氣中的飽和水含量將會(huì)增加，導(dǎo)致脫水塔超負(fù)荷工作，因此增加一臺(tái)吸收塔頂冷卻器，將從吸收塔頂出來(lái)的天然氣經(jīng)過(guò)水冷后再經(jīng)過(guò)丙烷冷卻，使天然氣的溫度降低，從而使天然氣中的飽和水含量降低，因此可以降低后續(xù)脫水塔的負(fù)荷，保證裝置的凈化工區(qū)可以滿(mǎn)足每天70萬(wàn)方的液化產(chǎn)量。

③凈化氣液化

經(jīng)過(guò)凈化的天然氣先進(jìn)入丙烷末級(jí)預(yù)冷器與丙烷進(jìn)行換熱，然后再分為兩路，一路進(jìn)入原廠(chǎng)冷箱與混合冷劑進(jìn)行換熱，液化后存儲(chǔ)于原廠(chǎng)LNG儲(chǔ)罐中；另外一路進(jìn)入新增冷箱與混合冷劑進(jìn)行換熱，新增冷箱內(nèi)部換熱器為板翅式換熱器。冷箱中填充珠光砂以保冷，換熱器垂直安裝，氣體從頂部進(jìn)入，在流向底部的過(guò)程中冷卻。低溫液體只有在冷劑換熱器的底部才會(huì)出現(xiàn)，如果遇到暫時(shí)停產(chǎn)，液體由于重力作用流到冷箱底部，不會(huì)流入制冷工藝設(shè)計(jì)的非低溫區(qū)域。

流經(jīng)換熱器的天然氣先預(yù)冷到約-40℃，然后出冷箱進(jìn)入原廠(chǎng)重?zé)N分離器分離出天然氣中C5及以上重?zé)N組分（天然氣的預(yù)冷溫度可以由溫度調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)）。來(lái)自分離罐的重?zé)N去重?zé)N儲(chǔ)罐，裝槽車(chē)外運(yùn)。脫除重?zé)N后的天然氣再次進(jìn)入冷箱繼續(xù)冷卻、液化和過(guò)冷到-160℃，再經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥（J-T閥）節(jié)流降壓到15kPa后得到-162.9℃的LNG產(chǎn)品，同時(shí)產(chǎn)生部分閃蒸氣（即BOG，約2.93%），閃蒸出的這部分BOG和LNG儲(chǔ)罐的BOG及裝車(chē)產(chǎn)生的BOG一起進(jìn)入原廠(chǎng)冷箱換熱器與凈化后的天然氣換熱回收冷量，被加熱到約5℃的BOG進(jìn)入BOG壓縮機(jī)。

④丙烷預(yù)冷循環(huán)

丙烷經(jīng)丙烷預(yù)冷壓縮機(jī)加壓、冷卻后，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降溫，分別進(jìn)入吸收塔頂冷卻器、混合冷劑壓縮機(jī)級(jí)間預(yù)冷器、混合冷劑壓縮機(jī)末級(jí)預(yù)冷器，與天然氣或者混合冷氣換熱，然后再返回丙烷預(yù)冷壓縮機(jī)組入口，完成丙烷冷劑的一個(gè)完整循環(huán)。

⑤混合冷劑循環(huán)及壓縮

混合冷劑被壓縮后分為氣液三股分別進(jìn)入冷箱，氣相經(jīng)降溫出板翅換熱器，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥返回?fù)Q熱器為原料天然氣提供液化的冷量；液相在換熱器內(nèi)過(guò)冷，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥后與另一股返回的冷劑相混合，然后經(jīng)復(fù)溫再返回壓縮機(jī)入口進(jìn)行閉式循環(huán)。

混合冷劑壓縮單元的制冷劑由C1～C5及N2等組分組成，為冷卻不同溫區(qū)的原料天然氣及正流制冷劑提供冷源。

混合冷劑壓縮系統(tǒng)由壓縮機(jī)、制冷劑冷卻器、制冷劑分離罐、制冷劑緩沖罐等設(shè)備組成。來(lái)自冷箱換熱器的低壓制冷劑進(jìn)入制冷劑分離罐，分離可能挾帶的液滴和固體顆粒，進(jìn)入制冷劑壓縮機(jī)的制冷劑，經(jīng)制冷劑壓縮機(jī)增壓至3.4MPa。

制冷劑壓縮機(jī)為二級(jí)壓縮，經(jīng)一級(jí)壓縮后先進(jìn)入級(jí)間冷卻器，再進(jìn)入丙烷級(jí)間預(yù)冷器冷卻后，進(jìn)入級(jí)間分離罐進(jìn)行氣液分離，液體直接分為兩路，分別進(jìn)入原廠(chǎng)冷箱和新增冷箱，氣體進(jìn)入二級(jí)壓縮，經(jīng)二級(jí)壓縮后先進(jìn)入末級(jí)冷卻器，再進(jìn)入丙烷末級(jí)預(yù)冷器冷卻后，進(jìn)入末級(jí)分離罐進(jìn)行氣液分離，分離出的氣體和液體分別分為兩路，進(jìn)入原廠(chǎng)和新增冷箱內(nèi)的板翅換熱器通道。

3.控制系統(tǒng)擴(kuò)建方案

本項(xiàng)目控制系統(tǒng)由分散型控制系統(tǒng)（DCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）及火氣系統(tǒng)（FGS）組成。本擴(kuò)建項(xiàng)目控制系統(tǒng)全部利用原有控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)主要用于過(guò)程控制，SIS系統(tǒng)和FGS系統(tǒng)獨(dú)立于過(guò)程控制，完成安全保護(hù)工作。DCS通過(guò)對(duì)外通信接口，可將裝置的運(yùn)行參數(shù)上傳至上級(jí)監(jiān)控中心。

(1)分散型控制系統(tǒng)(DCS)

本項(xiàng)目過(guò)程控制系統(tǒng)利用原有DCS系統(tǒng)，新增儀表信號(hào)接至原有DCS系統(tǒng)預(yù)留回路。如預(yù)留回路不夠，則需增加相應(yīng)卡件。

DCS完成對(duì)裝置及輔助生產(chǎn)設(shè)施的所有工藝過(guò)程參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控。在中控室及機(jī)柜室內(nèi)配置操作員站、工程師站、系統(tǒng)機(jī)柜、輔助機(jī)柜、系統(tǒng)服務(wù)器和通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)和相應(yīng)的輔助設(shè)施。

(2)安全儀表系統(tǒng)(SIS)

本項(xiàng)目利用原有SIS系統(tǒng)，新增工藝安全聯(lián)鎖及信號(hào)接至原有SIS系統(tǒng)預(yù)留回路。如預(yù)留回路不夠，則需增加相應(yīng)卡件。

SIS系統(tǒng)在發(fā)生事故的情況下確保人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全，防止環(huán)境污染，將事故造成的影響限制到最小。將SIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)成生產(chǎn)過(guò)程中最關(guān)鍵、最穩(wěn)固的最后一道安全防線(xiàn)。SIS通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)（壓力、溫度、液位、流量的高高和低低開(kāi)關(guān)及火/氣探測(cè)設(shè)備）過(guò)程工作狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，檢測(cè)其相對(duì)于預(yù)定安全操作條件的變化。當(dāng)所檢測(cè)的過(guò)程變量超過(guò)其安全限定值時(shí)，SIS系統(tǒng)立即對(duì)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)施自動(dòng)關(guān)斷，盡可能使生產(chǎn)過(guò)程處于安全狀態(tài)，把發(fā)生惡性事故的可能性降到最低的程度，保護(hù)人員，生產(chǎn)設(shè)備和周邊環(huán)境的安全。

(3)火氣系統(tǒng)(FGS)

本擴(kuò)建項(xiàng)目FGS系統(tǒng)利用原有系統(tǒng)，新增加的可燃?xì)怏w探測(cè)器、火焰探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕、聲光報(bào)警器信號(hào)接入原有系統(tǒng)預(yù)留回路。如預(yù)留回路不夠，則需增加相應(yīng)卡件。

本擴(kuò)建項(xiàng)目在擴(kuò)建工藝裝置區(qū)可能泄漏和積聚可燃?xì)怏w的部位設(shè)置固定點(diǎn)式可燃?xì)怏w探測(cè)器，對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)、指示和報(bào)警；在擴(kuò)建工藝裝置區(qū)設(shè)置火焰探測(cè)器、手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕及聲光報(bào)警器。當(dāng)擴(kuò)建工藝裝置區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火焰探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)，或者有人看到火災(zāi)發(fā)生同時(shí)按下現(xiàn)場(chǎng)的防爆手動(dòng)按鈕，探測(cè)設(shè)備同時(shí)向中控室FGS系統(tǒng)發(fā)送火災(zāi)信號(hào)，警示相關(guān)人員進(jìn)行火災(zāi)處理。

4.產(chǎn)能提升前、后能耗對(duì)比與分析

本產(chǎn)能提升項(xiàng)目采用《綜合能耗計(jì)算通則》GB/T 2589-2008，進(jìn)行提產(chǎn)前后的能耗對(duì)比。產(chǎn)能提升前后，對(duì)于液化工廠(chǎng)來(lái)講，主要是電耗是其主要的能耗指標(biāo)。

(1)生產(chǎn)裝置電耗指標(biāo)對(duì)比

原日處理50萬(wàn)方裝置LNG產(chǎn)量：47.5×104Nm3/d，生產(chǎn)裝置電耗：0.3852kWh/Nm3LNG，單位產(chǎn)品綜合能耗：0.6160kWh/Nm3LNG；產(chǎn)能提升至日處理70萬(wàn)方裝置LNG產(chǎn)量：66.5×104Nm3/d，生產(chǎn)裝置電耗：0.3444kWh/Nm3LNG，單位產(chǎn)品綜合能耗：0.5097kWh/Nm3LNG。根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》GB/T 2589-2008進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)比可以看出，擴(kuò)產(chǎn)后單位產(chǎn)品綜合能耗降低了0.1063kWh/m3LNG，說(shuō)明本擴(kuò)建項(xiàng)目滿(mǎn)足了低能耗的要求。

擴(kuò)建前和擴(kuò)建后工廠(chǎng)的主要的能耗均為用電設(shè)備引起的能耗耗量。采取的節(jié)能措施應(yīng)從設(shè)備節(jié)電方面著手，采取先進(jìn)的工藝、技術(shù)及設(shè)備，盡量減少電的耗量。

(2)項(xiàng)目采取的節(jié)能措施

本擴(kuò)建項(xiàng)目主要能耗集中在生產(chǎn)設(shè)備的電耗、水耗及生產(chǎn)過(guò)程中的泄漏，為減少能源浪費(fèi)主要采取以下措施。

①工藝、設(shè)備及管道安裝節(jié)能措施

A.工藝流程經(jīng)多方案比較，選擇了丙烷預(yù)冷混合制冷的流程方案，該工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，效率更高，運(yùn)行費(fèi)用較低；

B.根據(jù)原料氣組成，選擇最優(yōu)的液化溫度，降低冷劑壓縮機(jī)能耗；

C.所有與冷箱連接的接口都為法蘭，且都在冷箱外部，所有冷箱內(nèi)部的接口均為焊接，避免泄漏；

D.所有需要保冷的設(shè)備、管道采用良好的絕熱措施，最大限度降低能量損失。所有溫度較高的管道也采用良好的絕熱措施，降低熱損失，節(jié)約能源；

E.工程采用DCS控制系統(tǒng)，冷卻器等主要設(shè)備前后均設(shè)調(diào)控閥門(mén)，是主要設(shè)備能夠根據(jù)實(shí)際情況精確控制，保證了運(yùn)行優(yōu)化，從而減少了能量損耗。

②總圖布置節(jié)能措施

按照廠(chǎng)區(qū)地形地勢(shì)，對(duì)擴(kuò)建工藝裝置區(qū)和擴(kuò)建循環(huán)水系統(tǒng)區(qū)域的總圖布置盡量采取最優(yōu)方案，保證工藝生產(chǎn)流程順直，以達(dá)到最大限度降低生產(chǎn)過(guò)程中的壓力和熱量損失。如工藝裝置區(qū)等按流程順序布置，減少天然氣、LNG管路中的壓力損失。

③電氣節(jié)能措施

A.無(wú)功功率補(bǔ)償

采取無(wú)功功率補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，降低電能損耗。為使供配電系統(tǒng)的總功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，在變配電所10kV及0.4kV母線(xiàn)處已分別安裝電容集中補(bǔ)償裝置，按負(fù)荷大小自動(dòng)投入。

B.電纜的選擇

按照經(jīng)濟(jì)電流密度降低供配電線(xiàn)路上的能量損耗，選擇電導(dǎo)率較小的銅芯材質(zhì)做電纜、減少電纜長(zhǎng)度、增大電纜截面積以降低能耗和提高安全可靠性。

C.電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行

循環(huán)水泵電機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，以降低電壓波動(dòng)和延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行壽命。丙烷預(yù)冷機(jī)組主電機(jī)采用10kV固態(tài)軟啟動(dòng)方式，這種方式電機(jī)的額定電流相對(duì)較小，有利于減小電纜截面，降低低壓變壓器負(fù)載，有利于設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)。

④給排水節(jié)能措施

冷卻水循環(huán)利用，利用率可達(dá)到98%以上。

5.結(jié)論

液化工廠(chǎng)產(chǎn)能提升充分吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的工藝技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采用帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑制冷的液化工藝。產(chǎn)能提升后，燃?xì)赓Y源得到合理充分利用，產(chǎn)品附加值高，符合市場(chǎng)需要，市場(chǎng)空間廣闊，對(duì)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極作用。同時(shí)，擴(kuò)大了原廠(chǎng)生產(chǎn)規(guī)模，可為應(yīng)急調(diào)峰提供更可靠氣源，確保城市安全正常供氣，解決城市季節(jié)調(diào)峰和日調(diào)峰問(wèn)題。

LNG屬于清潔能源，其推廣使用有利于減少大氣污染，保護(hù)環(huán)境。符合我國(guó)發(fā)展節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的基本國(guó)策。