邰曉亮 陳 杰 尹全森 曾偉平 浦 暉

(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心)

半貧液脫酸工藝應(yīng)用于浮式天然氣液化裝置中的可行性研究*

邰曉亮 陳 杰 尹全森 曾偉平 浦 暉

(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心)

浮式天然氣液化裝置(FLNG)是近年來(lái)海洋工程界提出的解決深海天然氣田開(kāi)發(fā)利用的有效途徑,但與傳統(tǒng)的陸上天然氣液化裝置相比,浮式天然氣液化裝置中脫酸工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型布置都面臨新的技術(shù)要求和挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)了一種適用于FLNG的半貧液脫酸工藝,并通過(guò)模擬優(yōu)化和工藝計(jì)算對(duì)半貧液脫酸工藝與傳統(tǒng)液化工廠脫酸工藝在系統(tǒng)能耗、設(shè)備數(shù)量、設(shè)備質(zhì)量、工藝復(fù)雜性和海洋環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)行了分析比較,結(jié)果表明半貧液脫酸工藝適用于浮式天然氣液化裝置,特別是在處理高酸氣負(fù)荷的天然氣方面具有很大的應(yīng)用潛力。

浮式天然氣液化裝置;半貧液脫酸工藝;能耗分析;工藝復(fù)雜性分析;適應(yīng)性分析

1 問(wèn)題的提出

浮式天然氣液化裝置(FLNG)是集海上天然氣液化、儲(chǔ)存和裝卸于一體的裝置[1]。深海氣田由于遠(yuǎn)離陸地,如果采用鋪設(shè)海底管道的方式將天然氣輸送到陸地后再進(jìn)行處理,海底管道施工難度大,成本昂貴,很難具有經(jīng)濟(jì)性;而邊際氣田的天然氣儲(chǔ)量規(guī)模較小,鋪設(shè)海底管道同樣不具有經(jīng)濟(jì)性。相比而言,FLNG具有投資成本低、建設(shè)周期短、便于遷移和安全性高的特點(diǎn),是目前探索解決深海天然氣開(kāi)發(fā)和邊際氣田開(kāi)發(fā)的手段之一,通過(guò)將天然氣就地進(jìn)行處理、液化、儲(chǔ)存,并通過(guò)LNG運(yùn)輸船將產(chǎn)品運(yùn)到市場(chǎng)所在地。

目前國(guó)際上在FLNG領(lǐng)域的工藝技術(shù)研究,除了液化技術(shù)之外,天然氣脫酸工藝和設(shè)備也是另一個(gè)研究的熱點(diǎn)。為了避免酸性氣體在液化過(guò)程中凍堵和腐蝕LNG換熱器,天然氣在液化前必須要將CO2、H2S氣體分別脫除至其體積分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.004%以下。FLNG上的脫酸裝置與陸上天然氣液化工廠的脫酸裝置具有如下區(qū)別:

1)對(duì)于陸上液化裝置,井口產(chǎn)出的高酸氣濃度的天然氣一般會(huì)經(jīng)過(guò)FPSO、海上平臺(tái)或陸上終端預(yù)處理,到達(dá)液化工廠的CO2含量一般低于3%。對(duì)于FLNG,井口天然氣直接上船,所以可能會(huì)面臨處理高酸氣濃度(含量大于10%)的原料氣。例如,正處于建造階段的世界上第一艘大型浮式天然氣液化裝置(Prelude LNG),其原料氣中CO2的設(shè)計(jì)處理能力為13%[2];正在設(shè)計(jì)階段的H?egh LNG,其原料氣中CO2的設(shè)計(jì)處理能力為12.3%[3]。而我國(guó)目前在南?？碧胶烷_(kāi)發(fā)的氣田中,大部分氣田的CO2含量都比較高。

2)對(duì)于高酸氣濃度的天然氣,如果采用傳統(tǒng)脫酸工藝,所需要的脫酸溶液再生熱負(fù)荷會(huì)比較大。在FLNG中,最理想的模式是采用制冷劑壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用燃?xì)馔钙降膹U熱來(lái)進(jìn)行脫酸溶液的加熱再生,一方面是為了有效能量平衡,提高裝置效率;另一方面是為了避免增加額外的加熱裝置(因?yàn)樵诖系乃忻骰鸺訜崛紵b置都是危險(xiǎn)源)。

3)如果采用傳統(tǒng)脫酸工藝,塔器的高度會(huì)比較高。經(jīng)過(guò)國(guó)際業(yè)界多年研究,大塔徑、高尺寸的塔器是浮式天然氣液化裝置上對(duì)晃動(dòng)工況影響最敏感的設(shè)備之一。

傳統(tǒng)陸上天然氣液化工廠脫酸工藝技術(shù)成熟,通常主要采用化學(xué)吸收法,應(yīng)用最廣的是醇胺化學(xué)吸收法(簡(jiǎn)稱醇胺法)。醇胺法是以弱堿溶液為吸收溶劑,與天然氣中的酸性氣體反應(yīng)形成化合物。當(dāng)吸收了酸性氣體的富液溫度升高、壓力降低時(shí),解析出酸性氣體。活化的MDEA(N-甲基二乙醇胺)水溶液是常見(jiàn)的吸收溶劑,其化學(xué)反應(yīng)式如下[4]:

傳統(tǒng)的陸上天然氣液化工廠MDEA吸收法脫酸工藝流程見(jiàn)圖1。在4～7 MPa、約40℃的條件下,MDEA水溶液與天然氣在吸收塔內(nèi)逆流接觸,吸收天然氣中的酸性氣體;吸收酸氣的富胺液進(jìn)入閃蒸罐,閃蒸出其中溶解的烴,并與再生貧液換熱后進(jìn)入再生塔;在0.04～0.10 MPa、約120℃的條件下,解析出吸收的酸性組分,MDEA溶液得到再生[5]。

圖1 傳統(tǒng)陸上天然氣液化工廠MDEA吸收法脫酸工藝流程圖

針對(duì)上述FLNG脫酸裝置特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一種浮式天然氣液化裝置的半貧液脫酸工藝,以解決傳統(tǒng)脫酸工藝的應(yīng)用局限性,并通過(guò)模擬優(yōu)化和工藝計(jì)算,對(duì)比了半貧液工藝與傳統(tǒng)陸上液化工廠脫酸工藝的區(qū)別和特點(diǎn),探討了半貧液脫酸工藝在浮式天然氣液化裝置的適應(yīng)性。

2 半貧液脫酸工藝設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)陸上基荷型天然氣液化工廠脫酸工藝的基礎(chǔ)上,按照降低塔器高度和再生熱負(fù)荷2個(gè)原則,設(shè)計(jì)了一種半貧液脫酸工藝,其流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。原料天然氣在半貧液吸收塔和貧液吸收塔中進(jìn)行化學(xué)吸收反應(yīng),將酸氣脫除至合格水平;半貧液吸收塔底部流出的富吸收液經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓進(jìn)入閃蒸分離器,閃蒸出其中溶解的烴后進(jìn)入半貧液再生塔,半貧液再生塔塔底的熱源來(lái)自于貧液再生塔的塔頂蒸汽,塔頂分離器中的液體通過(guò)回流泵返回至再生塔,其中的酸性氣體進(jìn)入排放處理系統(tǒng);半貧液再生塔底部的半貧液分成兩股,其中一股通過(guò)半貧液循環(huán)泵和冷卻器后進(jìn)入半貧液吸收塔與原料天然氣進(jìn)行吸收反應(yīng),另一股半貧液通過(guò)增壓泵和換熱器與貧液進(jìn)行熱量交換后進(jìn)入貧液再生塔,塔底的貧液冷卻增壓后進(jìn)入貧液吸收塔與原料天然氣進(jìn)行吸收反應(yīng)。

圖2 半貧液脫酸工藝流程圖

3 半貧液脫酸工藝應(yīng)用于浮式天然氣液化裝置中的可行性研究

3.1 基礎(chǔ)條件

以南海某氣田原料氣組分為基礎(chǔ)并考慮一定的酸氣設(shè)計(jì)余量,原料氣組分見(jiàn)表1,原料氣壓力為6.5 MPa,溫度為30℃,浮式天然氣液化裝置的LNG產(chǎn)能為200萬(wàn)t/a。

表1 南海某氣田原料氣組分

3.2 能耗分析

采用通用化工模擬商業(yè)軟件HYSYS對(duì)傳統(tǒng)陸上基荷型天然氣液化工廠脫酸工藝和半貧液脫酸工藝能耗進(jìn)行模擬計(jì)算和對(duì)比分析。HYSYS采用專用的胺包(Amine Pkg)實(shí)現(xiàn)醇胺法脫除酸氣的工藝流程模擬,可以選擇Kent-Eisenberg模型或Li-Mather模型計(jì)算胺液水溶液的熱物性,其他氣體組分可以選擇實(shí)際氣體的狀態(tài)方程[6]。

對(duì)于傳統(tǒng)陸上基荷型天然氣液化工廠脫酸工藝,模擬過(guò)程需要優(yōu)化的參數(shù)包括胺液配比、胺液循環(huán)量、閃蒸壓力、再生塔操作壓力、再沸器操作溫度、吸收塔理論塔板數(shù)和再生塔理論塔板數(shù)等,模擬優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 傳統(tǒng)脫酸工藝模擬優(yōu)化結(jié)果

對(duì)于半貧液脫酸工藝,模擬過(guò)程需要優(yōu)化的參數(shù)包括胺液配比、胺液循環(huán)量、半貧液分配比例、閃蒸壓力、半貧液再生塔操作壓力、貧液再生塔操作壓力、再沸器操作溫度、貧液吸收塔理論塔板數(shù)和半貧液吸收塔理論塔板數(shù)等,模擬優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3。

2種工藝的能耗需求對(duì)比見(jiàn)表4。從表4可以看出,傳統(tǒng)脫酸工藝的用電負(fù)荷為4 053 k W,熱負(fù)荷為99 523 k W,而半貧液脫酸工藝的用電負(fù)荷為7 191 k W,熱負(fù)荷為40 278 k W。雖然半貧液脫酸工藝的耗電量大,但是熱負(fù)荷可減少59 245 kW。將電負(fù)荷和熱負(fù)荷統(tǒng)一折算為燃料氣消耗量,采用傳統(tǒng)脫酸工藝的燃料氣消耗量為11 165 Nm3/h,采用半貧液脫酸工藝的燃料氣消耗量?jī)H為5 905 Nm3/h,后者的總能耗降低了47%。

表3 半貧液脫酸工藝模擬優(yōu)化結(jié)果

表4 傳統(tǒng)脫酸工藝和半貧液脫酸工藝能耗需求對(duì)比表

分析認(rèn)為,半貧液脫酸工藝能耗降低的主要原因有兩方面:一是增加半貧胺液循環(huán)后,半貧胺液進(jìn)入胺液吸收塔后脫除了天然氣中大部分的CO2,降低了進(jìn)入再生塔的貧胺溶液循環(huán)量,達(dá)到相同的再生效果時(shí)降低了再生塔的熱負(fù)荷;二是由于富胺液在半貧液再生塔中低壓閃蒸,并回收再生塔中頂部出來(lái)的酸性氣體的熱量,從而進(jìn)一步降低了再生塔熱負(fù)荷。

FLNG如果采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)制冷壓縮機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電方案,對(duì)于200萬(wàn)t/a規(guī)模的液化裝置,燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的尾氣余熱回收熱負(fù)荷約為64 000 k W,發(fā)電設(shè)備的余熱回收約為30 000 k W,總共可回收的熱負(fù)荷為94 000 k W。FLNG上凝析油穩(wěn)定、MEG再生、天然氣分餾和燃料氣加熱等工藝單元所需的熱負(fù)荷共計(jì)約30 400 k W,剩余可供給脫酸工藝的剩余熱負(fù)荷為63 600 k W,而傳統(tǒng)脫酸工藝所需熱負(fù)荷為99 523 k W,回收的熱量不能滿足工藝的熱負(fù)荷需求,需要額外增加供熱設(shè)備。因此,從系統(tǒng)能耗和安全性的角度分析,半貧液脫酸工藝優(yōu)于傳統(tǒng)脫酸工藝。

3.3 工藝復(fù)雜性分析

脫酸工藝復(fù)雜性主要體現(xiàn)在設(shè)備數(shù)量和操作性方面,傳統(tǒng)陸上基荷型天然氣液化工廠脫酸工藝與半貧液脫酸工藝設(shè)備數(shù)量和主要設(shè)備參數(shù)對(duì)比情況見(jiàn)表5。從表5可以看出,傳統(tǒng)脫酸工藝的設(shè)備較少,控制方案和操作性也相對(duì)簡(jiǎn)單,但主要設(shè)備吸收塔和再生塔的塔板數(shù)多,設(shè)備高度很高。為了降低設(shè)備高度,半貧液脫酸工藝中吸收塔和再生塔都設(shè)置為獨(dú)立2個(gè)塔,每個(gè)塔的塔板數(shù)較少,塔的高度比傳統(tǒng)脫酸工藝明顯降低。經(jīng)過(guò)計(jì)算,采用傳統(tǒng)脫酸工藝的最高塔器高度為21.34 m,而采用半貧液脫酸工藝的最高塔器高度為12.19 m。

分析認(rèn)為,半貧液脫酸工藝中塔板數(shù)量降低是因?yàn)槲账驮偕际请p塔,吸收和再生類似于塔器的串聯(lián),天然氣經(jīng)過(guò)第1個(gè)吸收塔后,CO2的含量從10%降低到1.5%左右,第2個(gè)吸收塔中CO2含量已降低到體積分?jǐn)?shù)0.05%以下。從工藝復(fù)雜性角度分析,半貧液脫酸工藝的設(shè)備數(shù)量多,控制比較復(fù)雜,而傳統(tǒng)脫酸工藝的設(shè)備數(shù)量少,控制比較簡(jiǎn)單。但是考慮到FLNG裝置的晃動(dòng)特點(diǎn),設(shè)備越高,受晃動(dòng)影響越大,如果將傳統(tǒng)脫酸工藝的吸收塔和再生塔都改為串聯(lián)的塔器,雖然可以降低塔器高度,但串聯(lián)后需要增加液體泵和塔器數(shù)量,此方案的工藝復(fù)雜性與半貧液脫酸工藝相差不大。因此從工藝復(fù)雜性的角度分析,傳統(tǒng)脫酸工藝優(yōu)于半貧液脫酸工藝。

此外,經(jīng)過(guò)計(jì)算,采用傳統(tǒng)脫酸工藝的主要設(shè)備總重量為116 t(空載),而采用半貧液脫酸工藝的主要設(shè)備總重量為147 t(空載),設(shè)備重量增加26%,所以設(shè)備投資約增加1/3。

3.4 海上環(huán)境條件適應(yīng)性分析

FLNG上部設(shè)施需要適應(yīng)船體晃動(dòng)的影響,設(shè)備越高,受晃動(dòng)影響越大。塔器類設(shè)備較高,晃動(dòng)容易引起塔器內(nèi)的氣液接觸不均,影響吸收塔和再生塔效果。胺液吸收塔在晃動(dòng)情況下液體容易發(fā)生偏流,影響天然氣中的酸性氣體脫除效果。因此,為了保證天然氣液化系統(tǒng)的正常運(yùn)行,必須在工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮一定的防范措施或設(shè)計(jì)余量。相比而言,傳統(tǒng)脫酸工藝中的塔器較高,更容易受晃動(dòng)條件影響,FLNG裝置的另一個(gè)特點(diǎn)是甲板面積有限且安全性要求高,如果采用傳統(tǒng)脫酸工藝,則造成燃?xì)廨啓C(jī)的尾氣回收熱量不能滿足系統(tǒng)的需要,需要額外設(shè)置燃?xì)忮仩t,但這樣會(huì)降低FLNG裝置的安全性并占用了一定的甲板面積。因此,從海上環(huán)境的適應(yīng)性角度分析,半貧液脫酸工藝優(yōu)于傳統(tǒng)脫酸工藝。

表5 傳統(tǒng)脫酸工藝和半貧液脫酸工藝復(fù)雜性對(duì)比表

4 結(jié)論

針對(duì)FLNG上的脫酸裝置與陸上天然氣液化工廠的脫酸裝置的區(qū)別和特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種半貧液脫酸工藝,并通過(guò)模擬優(yōu)化和工藝計(jì)算對(duì)大型FLNG采用傳統(tǒng)脫酸工藝和半貧液脫酸工藝進(jìn)行了系統(tǒng)比較,結(jié)果表明:在原料氣中酸氣負(fù)荷較大時(shí)(CO2≥10%),采用半貧液脫酸工藝的再生熱負(fù)荷不到傳統(tǒng)脫酸工藝的一半,完全可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)制冷劑壓縮機(jī)的燃?xì)馔钙接酂崽峁?而采用傳統(tǒng)脫酸工藝則需要提供額外的供熱設(shè)備,增加了甲板面積和安全風(fēng)險(xiǎn);雖然半貧液脫酸工藝相對(duì)比較復(fù)雜,控制操作難度較大,同時(shí)裝置投資也較傳統(tǒng)脫酸工藝增加了約1/3,但從FLNG特有的海上晃動(dòng)條件考慮,采用半貧液脫酸工藝大大降低了塔器高度,增加了工藝裝置的抗晃動(dòng)適應(yīng)性和操作運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此,在浮式天然氣液化裝置上,特別是在處理高酸氣負(fù)荷的天然氣方面,半貧液脫酸工藝具有很大的應(yīng)用潛能。

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[5] 范慶虎,李紅艷,王潔,等.海上天然氣液化裝置中酸性氣體的脫除技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2010,30(7):93-97.

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(編輯:葉秋敏)

The feasibility study of semi-lean solution acid gas removal process used on FLNG

Tai Xiaoliang Chen Jie Yin Quansen Zeng Weiping Pu Hui

(Research&Development Department of CNOOC Gas&Power Group,Beijing,100027)

Floating LNG production,storage and offloading concept(FLNG)is the effective solution proposed in recent years for deep-sea natural gas utilization,while FLNG faces new technical requirements and challenges on acid gas removal process design,equipment selection and layout plan,compared to traditional onshore natural gas liquefaction plant.A semi-lean solution acid gas removal process has been designed for FLNG and compared with conventional process in energy consumption, number of devices,equipment weight,process complexity and adaptability of marine environment,through simulation&optimization and equipment calculation.The results have shown that the new process is suitable for FLNG and has great potential especially in the treatment of highly acidic natural gas.

FLNG;semi-lean solution acid gas removal process;energy consumption analysis; process complexity analysis;adaptability analysis

2013-07-23改回日期:2013-10-01

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“海上天然氣液化存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究(編號(hào):2013AA09A216)”、中國(guó)海洋石油總公司青年科技與管理創(chuàng)新研究課題(編號(hào):JZTW2012KJ39)部分研究成果。

邰曉亮,男,工程師,碩士,現(xiàn)主要從事天然氣液化工藝設(shè)計(jì)研發(fā)工作。地址:北京市東城區(qū)東直門(mén)南大街11號(hào)中匯廣場(chǎng)C座901室(郵編:100027)。電話:010-56759027。E-mail:taixl@cnooc.com.cn。