第三章--天然气液化技术

液化天然气技术第三章天然气液化技术液化天然气技术•天然气液化装置：由原料气预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统和消防系统等组成。液化流程是其最重要的组成部分。•液化装置种类：①基本负荷型液化装置②调峰型液化装置③浮式液化天然气生产储卸装置(FPSO)2液化天然气技术3典型的LNG生产步骤和工艺装置图液化天然气技术制冷原理：•气体膨胀制冷：利用较高压力的气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀使气体降压降温来获得冷量。这种方法又分为节流膨胀制冷和绝热膨胀制冷两种类型。•相变制冷：利用某些物质（即制冷剂）在相变时的吸热效应来产生冷量。这种方法也称为蒸汽制冷。4第一节天然气液化流程液化天然气技术5气体膨胀制冷液化天然气技术6液化天然气技术7相变制冷循环液化天然气技术8四个过程：•1.膨胀过程•2.液体冷剂蒸发过程•3.气体冷剂压缩过程•4.过热气体冷凝过程液化天然气技术9•制冷剂，也称制冷工质，是制冷系统中完成制冷循环的工作介质。•按化学成分分类，可将制冷剂分为四类：无机化合物制冷剂、氟利昂制冷剂、碳氢化合物制冷剂、共沸溶液制冷剂。•在天然气液化装置中，常用碳氢化合物作为制冷剂，如丙烷、丙烯、乙烷、乙烯、甲烷等。•应用共沸液是制冷剂发展的方向之一，因为共沸溶液的热力性质不同于溶液中的任一组分的热力学性质，因而可以用组成共沸溶液的方法来改进制冷剂的特性。液化天然气技术10•天然气液化工艺流程按制冷方式分：级联式液化流程混合制冷剂液化流程带膨胀机的液化流程CII液化流程液化天然气技术11•20世纪60年代最早建设的天然气液化装置，采用当时技术年代最早建设的天然气液化装置，采用当时技术成熟的级联式液化流程；•20世纪70年代又转而采用流程大为简化的混合制冷剂液化流程；•20世纪80年代后新建与扩建的基本负荷型天然气液化装年代后新建与扩建的基本负荷型天然气液化装置，则几乎无例外地采用丙烷预冷混合制冷剂液化流程。液化天然气技术12目前，对基本负荷型液化装置，一般采用级联式液化流程和混合制冷式液化流程；对调峰型液化装置，一般采用带膨胀机的液化流程和混合制冷剂液化流程。液化天然气技术13一、级联式液化流程级联式液化流程也被称为阶式（Cascade）液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程。由于级联式循环能耗低，技术成熟，最早建成的基本负荷型LNG工厂采用了这种液化工艺。如图所示，该液化流程分三级压缩制冷，逐级提供冷量液化天然气，制冷剂分别为丙烷、乙烯和甲烷，每个制冷循环中均含有三个换热器。级联式液化流程中较低温度级的循环，将热量转移给相邻的较高温度级的循环。液化天然气技术14•第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量。•这种九级联式液化可以减少传热温差，每种制冷剂分别在三种压力下蒸发，已获得三个不同的蒸发温度，热效率很高。液化天然气技术15这种九级联式液化，每种制冷剂分别在三种压力下蒸发，以获得三个不同的蒸发温度，实际级间操作温度更贴近原料气的冷却曲线，减少传热温差，提高效率。天然气3温度水平和9温度水平阶式循环的冷却曲线，见图3.2和图3.3。液化天然气技术16图3.2三温度水平阶式循环的冷却曲线图3.3九温度水平阶式循环的天然气冷却曲线液化天然气技术17液化天然气技术18优点⑴能耗低，使用九阶式液化，使各级制冷温度与原料气的冷却曲线接近，减少了熵增，比能量消耗接近于理论的热力学效率上限。⑵制冷剂为纯物质，无配比问题，操作稳定。⑶技术成熟，压缩机的喘震减少。级联式液化流程优缺点：液化天然气技术19缺点：⑴机组多，流程复杂。需要三个大型压缩机以及相当数量的备件。⑵附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备。⑶管道与控制系统复杂、维护不便。需要大量的管线、阀门以及控制原件和调节设备。整个系统的庞大与复杂使得控制系统比较复杂。液化天然气技术20二、混合制冷剂液化流程混合制冷剂液化流程MRC（mixed-refrigerantcycle）是以C1-C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。液化天然气技术21混合制冷剂的制冷原理与纯单组分制冷剂的制冷原理大致相同，即都是通过冷剂液体的汽化，与被冷介质进行热交换，使其降温。与纯组分制冷剂不同的是，混合制冷剂产生的冷量是在一个连续的范围之内，纯组分制冷剂产生的冷量是在一个固定的温度上。MRC既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。自20世纪70年代以后建立的LNG装置中有60%采用了混合制冷剂液化流程。液化天然气技术22与级联式液化流程相比，MRC循环的优缺点：优点:1.机组设备少，流程简单，投资省，投资费用比经典级联式液化流程约低15%~20%；2.管理方便；3.混合制冷剂可以部分或全部从天然气本身提取与补充。液化天然气技术23与级联式液化流程相比，MRC循环的优缺点：缺点:1.混合制冷剂的合理配比困难；2.流程计算必须提供各组分可靠的平衡数据与物性参数，计算困难。3.能耗较高，比阶式液化流程高10%~20%左右；液化天然气技术241、无预冷的混合制冷剂液化流程以混合制冷剂制冷循环为基础的天然气液化流程是目前应用最广泛的液化工艺。MRC是目前最具代表性且应用最为广泛的混合制冷剂循环工艺。MRC循环是由美国APCI公司于六十年代末开发成功的，该工艺的主要特色是APCI公司发明的一台深冷的、集成化的主换热器和多组分混合制冷剂。MRC主换热器是MRC制冷系统的核心。液化天然气技术25典型的无预冷MRC流程图液化天然气技术26•MRC循环采用的混合制冷剂由许多种不同沸点的气体组分构成。利用部分冷凝和逐级闪蒸的原理，高压的混合制冷剂液体经过降压和多级分离，提供了不同温位的制冷剂。传热后的各股制冷剂汇合后，进入制冷压缩机，进行制冷循环。液化天然气技术27MRC循环的主要特点⑴由于MRC循环采用单一的多组分制冷剂，因此只需一台循环压缩机，而不像级联式制冷循环那样需要有多台制冷压缩机，仅此一项就使得MRC循环的设备投资大大降低。⑵MRC循环的加热曲线可与天然气原料的冷却曲线较好地匹配，因此可大大减少制冷功率。⑶使用一台集成换热器（即MRC主换热器），在设备费用和易于制造方面也具有显著的优势。⑷利用节流阀降压可以减少LNG产品的蒸发损失；采用制冷压缩机的级间分离器，可减少压缩机的操作功率。液化天然气技术282、带预冷的混合制冷剂液化流程既然难以通过调整混合冷剂的组分来使整个液化过程都能按冷却曲线提供所需的冷量，自然便考虑采取分段供冷以实现制冷的方法。在MRC工艺基础上，经过改进，开发出了第三代新型的液化工艺—带预冷的混合剂制冷循环，预冷方式有丙烷预冷、混合工质预冷、利用氨吸收制冷来预冷等。带丙烷预冷的混合冷剂制冷循环，简称C3/MRC工艺，是在MRC工艺基础上开发出来的新一代液化工艺，也可视其为对传统的阶式循环的改进。C3/MRC循环采用丙烷预冷（或者氨制冷预冷）与混合制冷剂（N2+C1~C4）联合作用方式,流程既高效又简单。液化天然气技术29带丙烷预冷的MRC循环（主循环）液化天然气技术30液化天然气技术31丙烷预冷混合制冷剂液化流程主要由三个循环组成：两个闭式制冷循环，即丙烷压缩制冷循环(用于预冷天然气和混合制冷剂)和混合制冷剂循环(用于冷凝、过冷天然气)；一个开式循环，即天然气液化循环。C3/MRC工艺综合了级联式循环工艺和MRC工艺的特长，具有流程简洁、效率高、运行费用低、适应性强等优点，是目前最为合理的天然气液化工艺，是基地型LNG工厂的首选工艺。采用这种工艺的基地型LNG工厂的生产能力占世界LNG总生产能力的87%，采用这种工艺的基地型LNG工厂占所有LNG工厂的2/3。液化天然气技术32三、带膨胀机的液化流程带膨胀机液化流程（Expander-Cycle），是指利用高压制冷剂通过涡轮膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机。当管路输来的进入装置的原料气与离开液化装置的商品气有“自由”压差时，液化过程就可能不要“从外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置的天然气液化。流程的关键设备是涡轮膨胀机。根据制冷剂的不同，可分为氮气膨胀液化流程和天然气膨胀液化流程。液化天然气技术331、天然气膨胀液化流程利用原料气管道中的高压天然气，在制冷循环膨胀机中等熵膨胀，获得的低温冷量用于液化另一股天然气，这被称之为天然气膨胀制冷循环。突出优点是它的功耗小、只需对液化的那部分天然气脱除杂质，因而预处理的天然气量可大为减少（约占气量的20%~35%）。液化天然气技术342、氮气膨胀液化流程与混合制冷剂液化流程相比，氮气膨胀液化流程（N2Cycle）较为简化、紧凑，造价略低，起动快。热态起动1－2h即可获得满负荷产品，运行灵活，适应性强，易于操作和控制，安全性好，放空不会引起火灾或爆炸危险。制冷剂采用单组分气体。但其能耗要比混合制冷剂液化流程高40%左右。液化天然气技术353、氮－甲烷膨胀液化流程为了降低膨胀机的功耗，采用N2－CH4混合气体代替纯N2,发展了N2－CH4膨胀液化流程。与混合制冷剂液化流程相比较，氮－甲烷膨胀液化流程（N2/CH4Cycle）具有起动时间短、流程简单、控制容易、混合制冷剂测定及计算方便等优点。由于缩小了冷端换热温差，它比纯氮膨胀液化流程节省10%－20%的动力消耗。液化天然气技术364、其它膨胀液化流程带膨胀机的液化流程中，由于换热器的传热温差太大，从而使流程的损很大，为了降低流程的损，可采取以下措施：1)采用预冷方法，对制冷剂进行预冷2)提高进入膨胀机气流的压力，并降低其温度。3)将带膨胀机液化流程与其它液化流程（例如混合制冷剂液化流程）结合起来使用。典型的如：带丙烷预冷的天然气膨胀液化流程。液化天然气技术37•带膨胀机的液化流程优点：流程简单、调节灵活、工作可靠、易起动、易操作、维护方便；用天然气本身为工质时，省去专门生产、运输、储存制冷剂的费用；•缺点：送入装置的气流须全部深度干燥；回流压力低．换热面积大，设备金属投入量大；受低压用户多少的限制；液化率低，如再循环，则再增加循环压缩机后，功耗大大增加。由于带膨胀机的液化流程操作比较简单，投资适中，特别适用于液化能力较小的调峰型天然气液化装置。液化天然气技术38四、CII液化流程法国燃气公司的研究部门开发了新型的混合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程(IntegralIncorporatedCascade)，简称为CII液化流程。CII液化流程的主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三个部分。整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循环两部分。在上海建造的CII液化流程是我国第一座调峰型天然气液化装置中所采用的流程。CII液化流程吸收了国外技术的最新发展成果，代表天然气液化技术的发展趋势。液化天然气技术39液化天然气技术40•CII流程具有如下特点：l）流程精简、设备少。CII液化流程出于降低设备投资和建设费用的考虑，简化了预冷制冷机组的设计。在流程中增加了分馏塔，将混合制冷剂分馏为重组分（以丁烷和戊烷为主）和轻组分（以氮、甲烷、乙烷为主）两部分。重组分冷却、节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合制冷剂；轻组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝、过冷天然气。•2）冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器。整体式冷箱结构紧凑，分为上下两部分，天然气在冷箱内由环境温度冷却至-160℃左右液体，减少了漏热损失。3）压缩机和驱动机的型式简单、可靠、降低了投资与维护费用。液化天然气技术41与级联式循环的相对功耗1.001.251.151.052.001.701.70循环级联式制冷循环单级混合制冷循环带丙烷预冷的混合制冷循环多级混合制冷循环单膨胀机循环带丙烷预冷的单膨胀机循环双