天然气液化工艺流程综述

2010杂志社编辑出版·178·天然气液化工艺流程综述杨雪婷，阮家林（杭州福斯达实业集团有限公司）摘要：阐述了天然气液化的主要工艺流程以及各种工艺流程的特点和使用范围，同时介绍了国内引进的几套典型的混合制冷的天然气液化装置，浅谈了LNG技术的发展趋势。关键词：LNG流程组织；特点；使用范围；LNG发展液化天然气由于其环保性而成为取代其他燃料的昀佳物质，其应用领域将扩大到发电、汽车用气、工业用气、城市居民用气、化工用气、以及冷能的综合利用等方面。全球液化天然气贸易的迅猛发展促使LNG工业规模不断扩大，LNG工厂成倍增加。目前已经有16个国家，建了30余座天然气液化厂，共有82条生产线已经或即将建成，单条生产线的昀大生产能力达到780×104t/a。预计到2012年，全世界的天然气液化能力将达到（4～5）×108t/a。1国内外天然气液化主要工艺流程介绍液化是LNG生产的核心。目前，天然气液化工业成熟的工艺路线主要有3种类型：阶式制冷工艺、膨胀制冷工艺和混合冷剂制冷工艺。1.1阶式制冷流程阶式液化流程是昀早应用于液化天然气的工艺流程，从20世纪60年代开始广泛应用于基本负荷型天然气液化装置。典型的阶式制冷循环一般是由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的3个单独的制冷系统串联组成，每个系统均有一套压缩机组。净化后的原料天然气在3个制冷循环的冷却器中逐级冷却、冷凝、液化并过冷，经节流降压后获得低温常压液态天然气产品。阶式制冷工艺技术成熟，制冷系统与天然气液化系统相互独立，各系统相互影响少，制冷剂均为纯物质，不存在配比问题，系统操作稳定好，同时，设计合理的级联式循环通常是在液化循环中耗2010杂志社编辑出版·179·能昀小的。但在该工艺中，各级制冷循环都需要单独的压缩机和制冷剂储存设备，设备投资成本高、流程复杂，管道与控制系统复杂，维护不便。图1典型阶式制冷工艺流程简图国内中原油田引进法国索菲公司技术于2001年建造的15×104m3/d的LNG装置采用了阶式制冷流程，但由于原料天然气压力高达12MPa，利用高压节流制冷效应而省去了CH4制冷循环级。1.2膨胀流程以膨胀制冷循环为基础的天然气液化工艺流程是采用透平膨胀机进行等熵膨胀而达到降温目的的过程。在操作频繁且要求快速启停的调峰型装置中，膨胀流程得到了很好的利用。根据制冷剂的不同，膨胀制冷循环分为天然气膨胀制冷工艺、氮气膨胀制冷工艺和氮-甲烷膨胀制冷工艺。原料气LNG图2典型膨胀制冷工艺流程简图2010杂志社编辑出版·180·天然气膨胀制冷循环是利用原料天然气自身的压力膨胀做功从而提供天然气液化所需要的冷量，该工艺特别适用于天然气输送压力较高、而实际使用压力较低，中间需要降压的气源场合，昀适宜于调峰型装置。该工艺流程简单，也省去专门生产、运输、贮存制冷剂的设备，投资费用少，操作灵活。采用该工艺的系统液化率主要取决于膨胀比和膨胀效率，因此该工艺方法不能获得较低的温度、足够的循环气量和液化率，同时膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大，对系统的安全性要求较高。陕北气田液化天然气示范工程即是采用天然气膨胀制冷循环的装置。氮气膨胀流程简单、紧凑。装置启动快，运行灵活，适应性强，易于操作和控制。但能耗相对较高。相比N2膨胀流程，氮-甲烷膨胀流程除了具备流程简单、设备投资少等优点，其能耗也要比氮膨胀流程低3%～5%，装置的操作弹性高，对气源的变化有良好的适应性，对国内用户所面临的气源供气量变化范围很大提供了一个好的解决方案，特别有利于装置长期运行的实际单位能耗的控制。1.3混合冷剂流程混合制冷工艺是六十年代末期由阶式制冷工艺演变而来的，多采用C1至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代替阶式制冷工艺中的多个纯组分。其制冷剂组成根据原料气的组成和压力而定，利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝的特性，将其依次冷凝、分离、节流、蒸发得到不同温度级的冷量。①PRICO工艺在该工艺中，混合冷剂先进行压缩，分成气液两相，但只有一个压力级别。气液两相高压冷剂在冷箱入口混合，由上至下通过热交换器，基本上在和LNG相同的温度下流出，经过控制阀减压后返回热交换器，向上流动气化，提供冷量，然后回到压缩段完成闭路循环。PRICO工艺和其他所有在用的液化工艺相比，只有1台压缩机、1个冷箱，流程简单，投资费用较低，控制方便，操作可靠，对不同组成原料气也有很强的适应性。国内鄂尔多斯100×104m3和珠海60×104m3的LNG装置均是采用该液化工艺。②CII（IntegralIncorporatedCascade）流程在上海浦东建造的国内第一座调峰型天然气液化装置所采用的流程为法国索菲公司开发的CII流程，这是该流程的第一次工业化应用，也是国内引进的第一套混合冷剂工艺流程装置。CII工艺流程简单，在一定程度上降低了设备投资，装置比能耗相比单级混合冷剂流程2010杂志社编辑出版·181·有所降低。该工艺采用了整体式冷箱结构，经过优化设计的高效板翅式换热器并行排列于冷箱中，设备布局更加紧凑，同时，冷箱的模块儿化设计也为装置建设费用节约了成本。图3单级混合冷剂制冷工艺流程简图1、6、7、13.气液分离器2.低压压缩机3、5.冷却器4.高压压缩机5.分馏塔9、10、11.节流阀12.冷箱图4CII液化流程2010杂志社编辑出版·182·③多级单混合冷剂流程（LIMUM）由林德公司进口的新疆广汇150×104m3的LNG装置采用的是LINDE公司的LIMUM液化工艺，混合冷剂压缩机为燃气透平驱动的离心式压缩机，换热器为绕管式换热器。该工艺流程中，换热器中冷流股和热流股的温度曲线更为匹配，装置的能耗有所减少。这是国内引进的昀大的混合冷剂工艺的LNG装置，它的建设、投运、特别是运行经验，有助于我们对混合冷剂工艺技术的了解和消化吸收。图5多级混合冷剂制冷工艺流程简图④C3/MRC3/MR是基本负荷装置中昀常采用的液化循环，是目前LNG工业的主导工艺。该工艺的高温段采用丙烷作为冷剂按几个不同的温度级别对原料气和混合冷剂预冷，低温段先后用不同压力级别的混合冷剂把原料气顺序液化。这种工艺结合了阶式制冷与一般的混合制冷的优点，工艺流程相对简单，效率更高，运行费用较低。⑤Shell-DMR与C3MR工艺相比，Shell-DMR工艺的预冷段采用混合制冷剂循环，采用乙烷、丙烷与少量甲烷、丁烷混合物为预冷段制冷剂，天然气预冷温度达到-40℃，该工艺设备减少，灵活性更大，可在宽范围操作条件下运行。目前，该工艺已在俄罗斯萨哈林LNG项目中得到首次应用。⑥Liquefin工艺在2003年于日本举行的世界气体大会上，由法国Axens公司与法国石油研究所合作开2010杂志社编辑出版·183·发的Liquefin液化天然气工艺首次亮相。与普通液化工艺相比，Liquefin工艺具有下列特点：图6C3/MR工艺流程简图图7双混合冷剂工艺流程简图图8Liquefin工艺流程简图2010杂志社编辑出版·184·a.预冷冻段用混合制冷剂替代丙烷，使预冷段加热-冷却焓曲线较接近.b.预冷冻段与液化段之间转折点从-30℃降至-60～-80℃，在这样低温度条件下，混合制冷剂完全冷凝，不需要相分离。使换热管线十分简单与紧凑。两个循环之间动力平衡易控制，可使用两台相同的燃气轮机为两段提供同样动力。同时，制冷剂用量可明显降低，在某些情况下制冷剂与LNG的摩尔比可低于1。预冷冻段混合制冷剂完全液化导降较低的功率需求。c.冷箱内采用PFHE布局。设备布置非常紧凑。PFHE两侧压力降较低，使Liquefin工艺效率较高。用PFHE结合Liquefin独特工艺使整个液化段的加温与冷却焓曲线非常贴近，改善了热力学效率。据该公司称，该工艺生产LNG的费用每吨可降低25%，带有2台标准燃气透平的Liquefin工艺的系列装置，每年能生产600×104t的液化天然气。该技术目前已趋于成熟，具备实施工业化条件，在2010年伊朗南帕斯一LNG项目中投入使用。⑦MFC工艺由林德公司开发出的混合冷剂阶式流程（MFC）综合了混合冷剂流程和阶式流程的优点，系统有三个制冷循环，各制冷循环均采用混合冷剂，从而使热流和冷流股的温度曲线匹配更为理想，装置效率和单条生产线规模都有了进一步的提高。系统中预冷段采用板翅式换热器，后续的液化段和过冷段采用绕管式换热器。该流程首次在挪威北部的430×104t/a的LNG项目上取得应用。图9混合冷剂阶式制冷工艺流程简图⑧AP-X工艺2010杂志社编辑出版·185·该工艺是APCI公司对C3/MRC工艺的改进，以扩大单线生产能力，它包括三个制冷循环：丙烷制冷用于预冷混合冷剂循环提供天然气液化的冷量，氮膨胀制冷循环提供过冷用冷量。相比丙烷预冷工艺，减少了丙烷和混合冷剂的用量。该工艺已在卡塔尔计划2008年投建的QatargasⅡ项目的4号和5号生产线上被采用，单生产线能力780×104t/a。图10AP-X工艺流程简图2工艺流程选择及发展趋势天然气液化工艺的选择对其项目建设来说是个至关重要的环节，液化工艺和相关设备配置对装置的效率和造价具有决定性的影响。对以LNG销售为目的的国内LNG工厂，流程上需要追求高效率、低能耗与低投资，以此降低产品生产费用，增强市场竞争力，这需要对工艺流程进行合理的分析和评价。液化工艺及设备的选择要综合考虑工艺系统和设备经验、可靠性、工艺效率、资金投入，能源成本消耗等指标。天然气消费量的增长必然促进液化天然气工业的发展，随着天然气液化工艺的不断发展更加推动了全球LNG装置向大型化发展。由于中国天然气资源及技术条件的限制，目前国内的LNG装置均属于中小型装置，LNG技术也多局限在膨胀流程上，能耗高、规模小、效益不能很好体现。纵观LNG工业的发展，我们已认识到LNG装置大型化的发展趋势，体会到发展天然气液化工艺技术的必要性，自2008年3月采用了我公司并联双温区膨胀制冷技术及等压干燥脱水技术的山东泰安天然气液化项目顺利投产后，我公司继续在天然气液化工艺等方向加大人力和物力投资，不断吸收国外先进的液化天然气技术，对原有的各种膨胀制冷循环2010杂志社编辑出版·186·做了很好的改进，并相继投入使用，同时也开发出了新的MRC工艺流程，并得到了工业化应用。总之，为适应液化天然气工业的快速发展，提高国内液化天然气工业的竞争力，我们应该积极发展国内的天然气液化工艺技术，同时在LNG相关系统的完善、大型设备国产化以及LNG冷能利用等方面做更加深入的研究。作者简介：阮家林，现任杭州福斯达实业集团有限公司副总经理兼技术总监。电话：[phone]