李恩道，劉淼兒，尹全森

(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

FLNG驅(qū)動方式及熱介質(zhì)選型技術(shù)研究

李恩道，劉淼兒，尹全森

(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

天然氣液化冷劑壓縮機(jī)驅(qū)動是浮式天然氣液化裝置(FLNG)上的核心設(shè)備之一。針對FLNG的特點(diǎn)，分析了電驅(qū)、燃驅(qū)和蒸汽輪機(jī)三種常規(guī)驅(qū)動方式的適應(yīng)性，并重點(diǎn)量化對比了燃機(jī)驅(qū)動和蒸汽輪機(jī)驅(qū)動方案。提出大功率航改型燃?xì)廨啓C(jī)是FLNG項(xiàng)目的最佳選擇。配以帶壓熱水或蒸汽作為熱介質(zhì)，系統(tǒng)壓力低、不可燃，更安全，是適合大型FLNG的理想技術(shù)方案。

浮式天然氣液化裝置；驅(qū)動選型；燃?xì)廨啓C(jī)；熱介質(zhì)

0 引 言

浮式天然氣液化裝置(FLNG)是近年來海洋工程界提出的，集海上天然氣的液化、儲存和裝卸為一體的新型浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)。該裝置因?yàn)橥顿Y低、建造周期短、便于遷移的優(yōu)點(diǎn)而備受青睞[1]。FLNG目前已成為深水油氣田和大中型邊際油氣田開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。驅(qū)動設(shè)備是浮式液化裝置的核心設(shè)備，對設(shè)備可靠性、效率等提出了很高的要求，其設(shè)備選型非常關(guān)鍵。驅(qū)動設(shè)備的選型涉及FLNG上部的熱平衡工藝，因此驅(qū)動設(shè)備與熱介質(zhì)方案密切相關(guān)，需要統(tǒng)籌考慮。本文以某FLNG設(shè)計(jì)的驅(qū)動和熱介質(zhì)選型為例，說明適合浮式生產(chǎn)裝置的驅(qū)動設(shè)備選型方案。

1 FLNG技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代早期起，國外就開始對海上液化天然氣(LNG)生產(chǎn)進(jìn)行研究，特別是近十幾年來掀起了FLNG技術(shù)研究熱潮。截至目前，世界上已經(jīng)有4個(gè)FLNG項(xiàng)目進(jìn)入工程建造階段。殼牌350萬噸/年FLNG項(xiàng)目將于2016年交付使用，馬來西亞石油公司先后上馬120萬噸/年和150萬噸/年兩個(gè)FLNG項(xiàng)目。各主要能源供應(yīng)商都加快了對FLNG的研究速度。各FLNG項(xiàng)目進(jìn)展?fàn)顩r如表1所示。

表1 世界上FLNG項(xiàng)目進(jìn)展現(xiàn)狀

“十一五”期間，國內(nèi)也開始了FLNG相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究。由于FLNG是孤立系統(tǒng)運(yùn)行，其驅(qū)動、發(fā)電以及工藝用熱系統(tǒng)之間互相關(guān)聯(lián)，因此，在驅(qū)動設(shè)備選型時(shí)，一般將熱介質(zhì)系統(tǒng)考慮在內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)的綜合比較。

2 現(xiàn)有驅(qū)動與熱介質(zhì)方案介紹

2.1驅(qū)動方案

FLNG上的主要驅(qū)動設(shè)備用于液化工藝?yán)鋭嚎s機(jī)的驅(qū)動及發(fā)電，其主要特點(diǎn)是功率大、轉(zhuǎn)速高。同時(shí)，由于FLNG上部空間有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)和操作空間受限，所以需要體積小、重量輕且更加高效的驅(qū)動方式。同時(shí)對設(shè)備的可靠程度也提出了很高的要求。

對LNG液化工廠而言，制冷壓縮機(jī)可用的驅(qū)動設(shè)備主要有三種，即電動機(jī)驅(qū)動、蒸汽輪機(jī)驅(qū)動和燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動。其中，電機(jī)驅(qū)動主要用于小型LNG液化裝置，一般直接由外部電網(wǎng)供電進(jìn)行壓縮機(jī)的驅(qū)動。對于FLNG，由于缺少外部電源供應(yīng)，所有電力均來自船上電站，采用蒸汽或燃?xì)獍l(fā)電，所以，若FLNG項(xiàng)目采用電機(jī)驅(qū)動，將增加船上電站的規(guī)模，增加供電設(shè)備。因此，電機(jī)方案顯然不是最佳選擇。采用燃?xì)饣蛘羝啓C(jī)驅(qū)動是適合FLNG裝置的兩種主要的制冷壓縮機(jī)驅(qū)動方式。本文將對這兩種驅(qū)動方式進(jìn)行比選。

2.2熱介質(zhì)方案

對于熱介質(zhì)系統(tǒng)，目前FLNG上可選的熱介質(zhì)有熱油、蒸汽和熱水三種，這三種介質(zhì)在已建的浮式生產(chǎn)裝置上均有廣泛的應(yīng)用，技術(shù)成熟。對于FLNG裝置，如果選擇蒸汽輪機(jī)驅(qū)動，當(dāng)然蒸汽是最佳的熱介質(zhì)方案。若選擇燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動，則系統(tǒng)還需要進(jìn)一步比選[2]。根據(jù)熱介質(zhì)系統(tǒng)負(fù)荷、溫度分布特點(diǎn)及對安全程度要求的不同，最終方案選擇也不相同。

3 方案比選

3.1燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動方案

傳統(tǒng)陸上LNG液化工廠中所用的燃?xì)廨啓C(jī)主要為重型燃?xì)廨啓C(jī)，其主要特點(diǎn)是功率大、可靠性高、技術(shù)成熟度高。而航改型燃?xì)廨啓C(jī)是近幾年興起的新型燃?xì)廨啓C(jī)，主要從大型飛機(jī)的航空發(fā)動機(jī)改造而成，由于其體積小、重量輕、效率高、可維護(hù)性強(qiáng)等優(yōu)勢而備受追捧[3]。近年來，GE和R-R等公司分別推出了大功率的航改型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品，比較有代表性的是GE公司的PGT系列航改型燃機(jī)和R-R公司的Trent燃機(jī)，其主要燃機(jī)型號和性能參數(shù)如表2所示。

表2 部分航改型燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)

GE航改型驅(qū)動燃機(jī)功率范圍可達(dá)44 MW。在Petronas在建的FLNG項(xiàng)目中已經(jīng)采用了該種型號的燃?xì)廨啓C(jī)。R-R公司的航改型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品用于機(jī)械驅(qū)動的相對功率會略大，功率范圍為15～50 MW。

以200萬噸/年的FLNG液化裝置為例，采用雙混合冷劑液化工藝，經(jīng)工藝優(yōu)化計(jì)算，其預(yù)冷段壓縮機(jī)的軸功率約27 MW，液化段冷劑壓縮機(jī)軸功率約41 MW。為充分利用燃機(jī)尾氣的余熱，降低系統(tǒng)能耗，F(xiàn)LNG采用余熱回收鍋爐，回收燃機(jī)尾氣的余熱，用于FLNG上部工藝系統(tǒng)。因此，燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的FLNG上部工藝流程如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動方案系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of the gas turbine driving system

壓縮機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)之間采用直連方式，驅(qū)動設(shè)備的功率至少為設(shè)備功率的105%。根據(jù)壓縮機(jī)的功率等級，分別選擇合適型號的重型燃機(jī)和航改型燃機(jī)。選型燃機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表3和表4所示。

表3 預(yù)冷冷劑壓縮機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)選型

表4 液化冷劑壓縮機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)選型

從技術(shù)參數(shù)對比可以看出，傳統(tǒng)重型燃機(jī)在FLNG上應(yīng)用并不具有優(yōu)勢。與航改型燃機(jī)相比，其效率低、尺寸大、重量大。而且重型燃機(jī)的轉(zhuǎn)子部分不能直接拆卸，大修過程均要在現(xiàn)場進(jìn)行，不利于FLNG的連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行。所以，目前世界范圍內(nèi)規(guī)劃的FLNG項(xiàng)目中尚未有重型燃機(jī)驅(qū)動的先例。

3.2 蒸汽輪機(jī)驅(qū)動方案

工業(yè)蒸汽機(jī)是歷史最悠久的驅(qū)動設(shè)備，其技術(shù)成熟、可靠性高，對燃料氣壓力和組分有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以降低燃料氣壓縮功耗。蒸汽輪機(jī)的功率范圍寬，對于各功率等級的壓縮機(jī)，蒸汽輪機(jī)均可實(shí)現(xiàn)與壓縮機(jī)的1∶1配置。蒸汽輪機(jī)的主要缺點(diǎn)在于效率較低。因此，在現(xiàn)代陸上LNG液化工廠，蒸汽輪機(jī)驅(qū)動逐漸被更高效、可靠的燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動方式所取代。

但對于FLNG，60 MW以上功率范圍內(nèi)還沒有航改型燃?xì)廨啓C(jī)的成熟產(chǎn)品,而單臺蒸汽輪機(jī)即可滿足功率要求，且技術(shù)成熟、操作簡單、可使用低壓燃料氣，減少燃料氣壓縮模塊，還可避免在液化模塊區(qū)內(nèi)設(shè)置燃燒單元。因此，世界上第一艘FLNG——?dú)づ芇relude項(xiàng)目采用了蒸汽輪機(jī)驅(qū)動。

在蒸汽輪機(jī)方案中，顯然將蒸汽作為FLNG的系統(tǒng)熱介質(zhì)是最佳方案。蒸汽可以直接從輪機(jī)中選擇合適的位置抽出，不需要配備額外的鍋爐，其系統(tǒng)流程圖如圖2所示。選型方案如表5所示。

圖2 蒸汽輪機(jī)驅(qū)動方案系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of steam turbine driving system

選擇8.83 MPa(表壓)中高壓蒸汽，進(jìn)氣溫度535 ℃。中間工藝用熱負(fù)荷抽氣壓力0.49 MPa，抽氣溫度200 ℃。

表5 冷劑壓縮機(jī)蒸汽輪機(jī)驅(qū)動選型方案

3.3 驅(qū)動方案比較

對200萬噸/年FLNG裝置的蒸汽輪機(jī)驅(qū)動方案選型后，對燃機(jī)驅(qū)動和蒸汽輪機(jī)驅(qū)動方案進(jìn)行對比，如表6所示。

結(jié)合表6從工藝角度分析，蒸汽驅(qū)動方案對燃料氣的壓力要求不高，但其效率低、燃料消耗量大、開車時(shí)間長，而且蒸汽輪機(jī)乏汽的凝結(jié)過程需要大量海水進(jìn)行冷卻，要增加大型海水冷卻器。從設(shè)備方面分析，蒸汽輪機(jī)驅(qū)動方案的整個(gè)驅(qū)動設(shè)備體積大、重量大，需要大型燃?xì)忮仩t及蒸汽發(fā)生器等設(shè)備，增加FLNG的設(shè)備數(shù)量和重量。

雖然航改型燃?xì)廨啓C(jī)的采購成本及維護(hù)費(fèi)用比重型燃機(jī)和蒸汽輪機(jī)略高，但它高效節(jié)能的特點(diǎn)將在生產(chǎn)過程中大幅降低運(yùn)行成本，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。因此，對于FLNG項(xiàng)目，航改型燃?xì)廨啓C(jī)是最佳的驅(qū)動設(shè)備。

表6 燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)驅(qū)動方案比較

注：*1 Nm3即在0 ℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)狀況下1 m3,燃料氣熱值按39.7 MJ/Nm3計(jì)算；**GE航改燃?xì)廨啓C(jī)可用率統(tǒng)計(jì)；***數(shù)值基于挪威船級社(DNV)2009年發(fā)布的OREDA數(shù)據(jù)。

4 熱介質(zhì)系統(tǒng)

FLNG主要工藝裝置典型氣源下熱用戶及介質(zhì)溫度需求如表7所示。相應(yīng)的熱量根據(jù)原料氣組分不同差距很大，需要進(jìn)行詳細(xì)的工藝模擬計(jì)算。

從表7可以看出，分子篩加熱器所需加熱溫度較高，這是為了保證原料氣的脫水質(zhì)量，同時(shí)還要考慮FLNG上部再生氣的物料平衡。對于這部分熱量一般可采用直接由余熱回收裝置加熱天然氣滿足工藝需求，從而降低整體熱介質(zhì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作溫度，其他熱用戶由熱介質(zhì)系統(tǒng)考慮。

表7 FLNG主工藝熱介質(zhì)溫度需求

常用的三種熱介質(zhì)性能比較如表8所示。

表8 熱介質(zhì)特性比較

從表8可以看出，在三種常用的熱介質(zhì)中，熱油更適用于小型熱介質(zhì)系統(tǒng)，溫度需求高于220 ℃的場合，但會增加FLNG上部火災(zāi)危險(xiǎn)性，影響裝置的安全性。蒸汽系統(tǒng)因?yàn)樵趽Q熱過程中存在相變，有著更強(qiáng)的換熱效率和載熱能力，通常用于大規(guī)模的熱介質(zhì)系統(tǒng)。但蒸汽系統(tǒng)有熱損失大、補(bǔ)水量較大的缺點(diǎn)。

對于FLNG裝置，發(fā)展閉環(huán)式的帶壓熱水系統(tǒng)更有優(yōu)勢，相對蒸汽系統(tǒng)省去了鍋筒和過熱器，操作更簡單，不需要連續(xù)補(bǔ)充淡水和化學(xué)藥劑。與熱油系統(tǒng)相比，水的比熱更大、黏度更低，需要的換熱器體積小、重量輕。且水是不可燃介質(zhì)，增強(qiáng)了熱介質(zhì)系統(tǒng)在工藝單元中的安全性，有著更好的應(yīng)用前景。

另一方面，現(xiàn)行的LNG運(yùn)輸船及浮式LNG儲存系統(tǒng)大多采用GTT公司的薄膜型液艙技術(shù)。根據(jù)船級社規(guī)范，該技術(shù)船體內(nèi)部的加熱介質(zhì)目前設(shè)計(jì)均為蒸汽。

5 結(jié) 語

航改型燃?xì)廨啓C(jī)的效率高、重量輕、體積小、可靠性高，是最適合FLNG的驅(qū)動設(shè)備。研究表明，采用航改型燃?xì)廨啓C(jī)作為驅(qū)動方式，比蒸汽輪機(jī)驅(qū)動方案可節(jié)省燃料氣20%以上，同時(shí)可大大降低對海水的使用，減輕海水取水系統(tǒng)的負(fù)荷。對于FLNG的熱介質(zhì)，采用帶壓熱水或蒸汽系統(tǒng)更具優(yōu)勢，系統(tǒng)安全性更佳，能夠降低換熱器的尺寸和重量，也容易滿足工藝用熱需求。

[1] 巨永林，顧妍，李秋英. 浮式LNG生產(chǎn)儲卸裝置關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)對比分析[J].化工學(xué)報(bào)，2009，60(S1)：27.

[2] Bunnag M, Amarutanon N, Nitayaphan S, et al. FLNG development: strategic approaches to new growth challenges[C]. International Petroleum Technology Conference,2011:14548.

[3] Pek B, van der Velde H. A high capacity floating LNG design[C]. International Conference & Exhibition on Liquefied Natural Gas,2013.

[4] 陳南嶺. 導(dǎo)熱油加熱與蒸汽加熱在節(jié)能方面的比較[J]. 化工進(jìn)展，2006,25(z1):429.

StudyonDriverandHeatMediumSelectionforFLNG

LI En-dao, LIU Miao-er, YIN Quan-sen

(Research&DevelopmentCenterofCNOOCGas&PowerGroup,Beijing100028,China)

Refrigerant compressor driver is a key equipment for floating natural gas liquefaction unit (FLNG). Three kinds of conventional driving solutions, including electric motor, gas turbine and steam turbine are analyzed according to the characteristics of FLNG liquefaction process. By detailedly comparing the gas turbine and steam turbine schemes, it is found that the high-power aero-derivative gas turbine is the best choice for FLNG projects. And for heat medium solution, hot water or steam has the property of low pressure, non combustible features. Thus we can get the ideal selection for large-scale FLNG projects.

floating natural gas liquefaction unit; driver selection; gas turbine; heat medium

U674.13+3.3

A

2095-7297(2015)04-0225-05

2015-05-16

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-006-01)

李恩道(1986—)，男，工程師，主要從事天然氣液化設(shè)備及浮式天然氣液化技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)工作。