劉淼兒,李恩道,尹全森,邰曉亮
(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心,北京 100028)
丙烷預(yù)冷雙氮膨脹浮式天然氣液化中試裝置的規(guī)模分析研究
劉淼兒,李恩道,尹全森,邰曉亮
(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心,北京 100028)
以應(yīng)用于海上的浮式丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化裝置為原型,擬建設(shè)一套液化中試裝置。為了確定液化中試裝置的規(guī)模,提出中試裝置與原型裝置之間宜遵循流程一致性、關(guān)鍵控制方式一致性、運(yùn)動(dòng)相似性和流態(tài)相似性等四項(xiàng)原則。上述原則中,分析表明,對(duì)于除關(guān)鍵控制方式一致性外,流程一致性、運(yùn)動(dòng)相似性和流態(tài)相似性對(duì)中試裝置的規(guī)模沒有直接的影響。為了與原型裝置的關(guān)鍵控制方式保持一致,中試裝置的設(shè)備選型就顯得非常重要,其中對(duì)于確定規(guī)模影響較大的關(guān)鍵設(shè)備為制冷劑壓縮機(jī),而冷箱、壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器、透平膨脹機(jī)及丙烷換熱器對(duì)規(guī)模影響不大。因此,建議中試裝置中壓縮機(jī)的型式與浮式天然氣液化裝置保持一致,冷箱中換熱芯體可以考慮采用兩臺(tái)并聯(lián)的設(shè)計(jì)方案。
浮式天然氣液化裝置;中試裝置;規(guī)模;液化工藝;丙烷預(yù)冷;雙氮膨脹
浮式天然氣液化裝置(FLNG)是一種集海上天然氣的液化、儲(chǔ)存、裝卸于一體的新型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FPSO),具有海上氣田開采投資成本低、開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)小以及便于遷移、安全性高等特點(diǎn)[1-2]。目前,得到開發(fā)的海上氣田一般是較大或近海的天然氣田,而遠(yuǎn)岸的深水氣田、中小型氣田以及邊際氣田由于儲(chǔ)量不大或者遠(yuǎn)離天然氣供應(yīng)市場,需要修建很長的海底管線以及相應(yīng)的岸上處理設(shè)施,導(dǎo)致費(fèi)用昂貴,難以保證盈利。因此,F(xiàn)LNG作為開發(fā)海上深水油田、中小型氣田以及邊際油田的有效工具,將成為海上油氣勘探領(lǐng)域的一大亮點(diǎn)[3]。
從20世紀(jì)70年代早期起,國外就開始對(duì)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,幾個(gè)主要能源供應(yīng)商都加快了對(duì)FLNG的研究[4-5]。
國內(nèi),中海油從“十一五”開始時(shí)就以國家科技重大專項(xiàng)研究課題——“大型FLNG/FLPG、FDPSO關(guān)鍵技術(shù)研究”課題為契機(jī),開展了與FLNG相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究;其中,海上天然氣液化工藝是該課題的重要研究內(nèi)容之一。在對(duì)現(xiàn)有天然氣液化工藝進(jìn)行比選研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)海上作業(yè)環(huán)境的特殊要求,提出了一種適用于我國南海海況條件下的丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝[6-8]。
丙烷預(yù)冷技術(shù)在天然氣處理終端和國際上大型天然氣液化工廠中(如丙烷預(yù)冷混合冷劑液化工藝流程)都已成功應(yīng)用,氮膨脹制冷技術(shù)在空分行業(yè)和小型天然氣液化工廠中也應(yīng)用較多,兩者都屬于成熟的技術(shù)。但是課題組提出的丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝流程,在行業(yè)內(nèi)為首次提出的新工藝,目前還沒有工程實(shí)例。此前只是從理論上分析了該工藝的可行性,但該液化工藝要走向工程應(yīng)用須經(jīng)歷中試過程。因此,在“十二五”期間,針對(duì)該天然氣液化工藝,擬通過建立一套液化中試裝置,進(jìn)行測試驗(yàn)證,為后續(xù)工程應(yīng)用提供可靠依據(jù)。
關(guān)于中試裝置的設(shè)計(jì),國內(nèi)一些學(xué)者針對(duì)化工裝置中試裝置設(shè)計(jì)思路及有關(guān)規(guī)范開展過探討與研究[9-11]。但是如何來確定天然氣液化中試裝置的規(guī)模,從目前所查到的資料信息來看,尚無明確及成熟的做法可供參考。因此,本文將重點(diǎn)針對(duì)丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化中試裝置的規(guī)模進(jìn)行分析。
浮式天然氣液化裝置是在常規(guī)天然氣液化裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,但與陸上工廠相比,在海上建設(shè)浮式天然氣液化工廠所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)更加艱巨。國際上浮式天然氣液化裝置經(jīng)過幾十年的研究,2011年才開始正式投資建設(shè)FLNG工程項(xiàng)目。我國的天然氣液化技術(shù)發(fā)展較晚,目前還沒有大型的浮式天然氣液化裝置,在該行業(yè)積累的經(jīng)驗(yàn)有限。因此,我國開發(fā)FLNG裝置沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,需要加強(qiáng)理論和試驗(yàn)研究,為建設(shè)浮式液化裝置奠定基礎(chǔ)。
針對(duì)新提出的丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝技術(shù),要能為后續(xù)工程應(yīng)用提供參考依據(jù),至少應(yīng)達(dá)到以下幾項(xiàng)目的。
(1) 驗(yàn)證工藝流程的合理性。
通過中試試驗(yàn),首先需驗(yàn)證該液化流程的流程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理,其次通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模擬計(jì)算的比較,驗(yàn)證理論模擬的準(zhǔn)確性以及流程參數(shù)選擇的合理性。圖1所示為該丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝的流程[6-8]。
(2) 驗(yàn)證關(guān)鍵控制方式。
流程的控制方式合理與否是一套裝置能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵,中試裝置的建立應(yīng)能驗(yàn)證該流程目前設(shè)計(jì)的控制方案的合理性,最終確定出合理的控制方案,提高裝置的自動(dòng)化程度。
該流程的主要控制方案包括天然氣節(jié)流閥的控制、丙烷制冷系統(tǒng)的控制、氮?dú)馀蛎浐驮鰤合到y(tǒng)的控制、氮?dú)鈮嚎s機(jī)的控制以及制冷系統(tǒng)和天然氣的聯(lián)動(dòng)控制。
(3) 操作程序的經(jīng)驗(yàn)積累。
天然氣液化裝置建設(shè)完成后能否順利投產(chǎn)運(yùn)營,受操作人員的調(diào)試能力和運(yùn)營能力決定。目前國內(nèi)的天然氣液化裝置還沒有采用丙烷預(yù)冷的氮?dú)馀蛎浟鞒蹋狈υ摿鞒痰囊夯b置的調(diào)試和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。要通過該中試裝置的調(diào)試和運(yùn)行,積累裝置的調(diào)試方法,熟悉開停車和變工況的操作程序,為研究浮式液化裝置奠定良好基礎(chǔ)。
(4) 海上工況適應(yīng)性研究。
采用丙烷預(yù)冷的氮膨脹流程的液化裝置能否適應(yīng)海上工況,關(guān)鍵在于工藝設(shè)備能否適應(yīng)海上工況,工藝流程布置能否滿足浮式液化裝置的要求。需要驗(yàn)證的設(shè)備主要有液化冷箱、丙烷換熱器和丙烷冷凝器,研究在晃動(dòng)條件下的換熱性能以及穩(wěn)定性,同時(shí)驗(yàn)證為保證浮式液化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行而增加的輔助操作和控制手段。
為了實(shí)現(xiàn)上述試驗(yàn)?zāi)康?,中試裝置與原型裝置需在以下幾個(gè)方面保持相似性或一致性:
(1) 流程結(jié)構(gòu)一致性。
工藝流程一致是中試裝置驗(yàn)證的基礎(chǔ),即中試裝置仍然采用丙烷預(yù)冷雙氮膨脹制冷工藝。由于規(guī)模的影響,中試裝置中工藝參數(shù)的選取和原型裝置之間可能會(huì)存在一些不同之處,但仍應(yīng)以不影響原工藝的驗(yàn)證為原則。
圖1 丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝流程Fig.1 Flow chart of the propane pre-cooling and dual-nitrogen-expansion sub-cooling liquefaction process
(2) 關(guān)鍵控制方式一致性。
對(duì)于一套裝置來說,控制方式無疑是整個(gè)裝置的核心所在,它關(guān)系到整個(gè)裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此,為了驗(yàn)證原設(shè)計(jì)的合理性,應(yīng)盡量保持中試裝置的關(guān)鍵控制方式與原設(shè)計(jì)一致,這樣才能將在中試裝置上得到的操作調(diào)試經(jīng)驗(yàn)更好地應(yīng)用到原型裝置上。
(3) 運(yùn)動(dòng)相似性。
浮式裝置的運(yùn)動(dòng)特性是它與陸上固定裝置最大的不同之處。通過試驗(yàn)裝置真實(shí)恰當(dāng)?shù)胤从硨?shí)際船舶上部設(shè)施運(yùn)動(dòng)狀況是運(yùn)動(dòng)相似縮比原則的關(guān)鍵。
針對(duì)模型試驗(yàn),在相似性原理中已經(jīng)整理出一套無量綱量即相似準(zhǔn)則數(shù),它們代表不同物理量的相似。實(shí)際試驗(yàn)中各種相似準(zhǔn)則并不同等重要,通常采用起主要作用的相似準(zhǔn)則,忽略影響較小的相似準(zhǔn)則。在此船體晃蕩慣性力是主要的影響因素,因此在船舶相似原理上一般采用弗勞德準(zhǔn)則。
(4) 流態(tài)相似性。
流態(tài)相似性主要針對(duì)管路中或設(shè)備中氣液兩相流的流態(tài)。在規(guī)??s比中,由于壓力、管徑和設(shè)備尺寸的變化,維持流態(tài)的相似性對(duì)于壓降和換熱判別具有指導(dǎo)意義。
如果中試裝置與原型裝置之間滿足以上四項(xiàng)縮比原則,則通過中試裝置得到研究結(jié)果,就基本可達(dá)到前面所提出的試驗(yàn)?zāi)康摹R虼?,可根?jù)縮比原則,來研究和確定中試裝置的合理規(guī)模。
3.1 流程結(jié)構(gòu)相似性對(duì)規(guī)模的影響
流程結(jié)構(gòu)相似,表明兩套裝置的流程從外形結(jié)構(gòu)上應(yīng)該保持一致或者相近。原型裝置的流程為丙烷預(yù)冷雙氮膨脹,有三個(gè)制冷循環(huán);中試裝置也應(yīng)該與之一致。當(dāng)然,受氣體組分、環(huán)境、公用工程配套設(shè)施等條件的限制,中試裝置一些輔助流程可能與原流程不一致。因此,從流程結(jié)構(gòu)相似性來看,只要中試裝置的主體流程與原設(shè)計(jì)保持一致,就可以滿足該原則。從中可以看出該原則對(duì)中試裝置規(guī)模并沒有直接的影響。
3.2 流態(tài)相似性對(duì)規(guī)模的影響
在丙烷預(yù)冷雙氮膨脹循環(huán)流程的管路系統(tǒng)中,丙烷釜式換熱器的天然氣通道及冷箱中板翅換熱器天然氣通道存在兩相流動(dòng),需要考慮流態(tài)對(duì)流動(dòng)和換熱的影響;其余管道或通道內(nèi)均為單相流體,無需考慮兩相流動(dòng)問題。
無論是釜式換熱器還是板翅式換熱器,實(shí)際上天然氣通道都是由多個(gè)通道并聯(lián)構(gòu)成的。裝置規(guī)模的大小主要體現(xiàn)在通道并聯(lián)的多少。因此,從單個(gè)流體通道來看,大、小裝置流態(tài)完全可以做到一致,甚至雷諾數(shù)都可以做到相近。因此,流態(tài)相似性并不影響中試裝置規(guī)模的確定。
3.3 運(yùn)動(dòng)相似性對(duì)規(guī)模的影響
對(duì)于原型裝置FLNG來說,裝置的工藝性能主要受垂蕩、橫搖和縱搖三個(gè)自由度的影響。其中垂蕩主要對(duì)含液相(全液相或者兩相,氣相對(duì)加速度不敏感)的非水平管道或者通道(如冷箱內(nèi)流體通道)有影響,由于船體存在向上或者向下的加速度,從而導(dǎo)致這些管道或通道中的流體運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化,使其工藝參數(shù)(如壓力變化、截面持液率變化)或性能發(fā)生偏離。與之類似,橫搖和縱搖則對(duì)含液相的非垂直管道或者通道有影響;此外,橫搖和縱搖還對(duì)那些有自由液面的設(shè)備操作有影響,如分離器等設(shè)備在晃動(dòng)工況下液面不穩(wěn),可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)接收錯(cuò)誤的液位信號(hào)。
從以上分析可知,運(yùn)動(dòng)相似性考察的是中試裝置搖擺臺(tái)的性能是否能準(zhǔn)確模擬FLNG設(shè)備在海況條件下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),它與裝置的液化規(guī)模并沒有直接關(guān)系。
3.4 控制方式相似性對(duì)規(guī)模的影響
控制方式的設(shè)計(jì)合理性是試驗(yàn)驗(yàn)證的主要內(nèi)容,因此在中試裝置設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量保持關(guān)鍵點(diǎn)的控制方式與原設(shè)計(jì)一致。控制方式與設(shè)備型式的關(guān)系最為密切。有些設(shè)備,其類型不同,則控制方式大不相同,如對(duì)壓縮機(jī)而言,離心式壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)在流量的調(diào)節(jié)方式和喘振系統(tǒng)的控制要求上就完全不同。當(dāng)然也有些設(shè)備,雖然設(shè)備類型不同,但其控制方式基本相似,如空冷換熱器和海水換熱器。
對(duì)于丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝流程來說,關(guān)鍵控制方式包括:離心壓縮機(jī)和透平膨脹壓縮機(jī)的防喘振控制;離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與進(jìn)出口壓力和流量的連鎖控制;節(jié)流閥等關(guān)鍵流量調(diào)節(jié)閥開度與溫度、壓力和流量等參數(shù)的連鎖控制等。因此,這些設(shè)備型式和設(shè)備布置應(yīng)盡量與原設(shè)計(jì)一致,這樣才能有效驗(yàn)證裝置和設(shè)備的開停車方式、流程的控制方式、系統(tǒng)能耗性能、冷劑補(bǔ)充方式和裝置負(fù)荷調(diào)整等關(guān)鍵點(diǎn)。
而設(shè)備類型與裝置的規(guī)模密切相關(guān),如制冷劑壓縮機(jī),大、中型液化工廠均選用離心壓縮機(jī),而一些小型或微型裝置就只能選擇往復(fù)式或者螺桿式壓縮機(jī)。對(duì)于壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)形式,同樣也存在類似的規(guī)模與選型上的限制。
綜上所述,流程的一致性、運(yùn)動(dòng)方式的相似性和流態(tài)的相似性對(duì)規(guī)模選擇沒有直接限制,只需在在實(shí)驗(yàn)裝置和晃動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中細(xì)致考慮即可,但是控制方式的相似性則對(duì)規(guī)模選擇有直接的影響,具體體現(xiàn)在其中主要設(shè)備的選型。下面分析關(guān)鍵設(shè)備選型對(duì)規(guī)模選擇的影響。
(1) 制冷劑壓縮機(jī)。
大型液化工藝中,丙烷及兩級(jí)氮膨脹制冷系統(tǒng)均采用離心式壓縮機(jī),如在中試裝置中要保持與原型裝置類似的型式,則在工藝參數(shù)相同的條件下,丙烷及兩臺(tái)氮?dú)鈮嚎s機(jī)都存在最小處理量,根據(jù)壓縮機(jī)的最小處理量可確定中試裝置的最小規(guī)模。如對(duì)于本中試裝置的工藝參數(shù),若丙烷壓縮機(jī)欲選用離心式壓縮機(jī),則裝置規(guī)模需為53×104Nm3/d(1 Nm3即在0℃,1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 m3);從氮?dú)鈮嚎s機(jī)選型來看,液化段壓縮機(jī)的最小流量對(duì)應(yīng)裝置規(guī)模為2.1×104Nm3/d,過冷段壓縮機(jī)的最小流量對(duì)應(yīng)裝置規(guī)模為4.9×104Nm3/d。
(2) 冷箱。
原型裝置中冷箱結(jié)構(gòu)為板翅式換熱器。板翅式換熱器在國內(nèi)的技術(shù)已很成熟,生產(chǎn)廠家很多,有杭氧、杭州中泰、蘇州三川、川空和開空等。限于加工設(shè)施,單臺(tái)板翅式換熱器換熱面積有限,為了達(dá)到換熱效果通常采用多臺(tái)并聯(lián)的形式,而且每臺(tái)冷箱內(nèi)又有多臺(tái)板翅換熱器芯體并聯(lián)。板翅換熱器芯體內(nèi)流量分配是否均勻是關(guān)系到流程可靠性的關(guān)鍵因素,也應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)鍵點(diǎn)之一。但是在實(shí)驗(yàn)裝置中不可能設(shè)置與原設(shè)計(jì)同樣數(shù)量的板翅芯體。為了驗(yàn)證板翅并聯(lián)在均配方面的性能,需要人為設(shè)置至少兩臺(tái)換熱芯體進(jìn)行并聯(lián),但是板翅換熱器本身不會(huì)對(duì)規(guī)模選擇有大的影響。
(3) 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
總的來說,目前國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)還達(dá)不到原設(shè)計(jì)負(fù)荷裝置內(nèi)壓縮機(jī)組的驅(qū)動(dòng)要求,原型裝置擬采用進(jìn)口燃?xì)廨啓C(jī)。對(duì)于小規(guī)模的中試裝置,驅(qū)動(dòng)設(shè)備無法選到合適的燃?xì)廨啓C(jī),實(shí)驗(yàn)方案不得不做出調(diào)整。但是,與壓縮機(jī)控制方式相比,驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制不與流程中的工藝參數(shù)直接相關(guān),其控制相對(duì)獨(dú)立,對(duì)流程控制方式的影響較小。
(4) 透平膨脹壓縮機(jī)。
原型裝置選用國內(nèi)低溫軸流膨脹機(jī)(離心式增壓機(jī)),中試裝置的膨脹機(jī)選型力求與原設(shè)計(jì)一致。由于實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)模較小,透平膨脹壓縮機(jī)的最小選型也會(huì)影響到裝置規(guī)模的選擇。調(diào)查表明,2×104Nm3/d規(guī)模的膨脹機(jī)從市場上可以獲取。
(5) 丙烷預(yù)冷換熱器。
與原型裝置一致,中試裝置也采用板翅式蒸發(fā)式換熱器,不影響規(guī)模的確定。
本文以應(yīng)用于南海海況下丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝的FLNG為原型,分析了中試裝置的試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?guī)??s比原則,并分析了影響中試裝置規(guī)模的各種因素,得到結(jié)論如下:
(1) 為了合理驗(yàn)證丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝,中試裝置與原型裝置之間宜遵守流程一致性、關(guān)鍵控制方式一致性、運(yùn)動(dòng)相似性以及流態(tài)相似性等原則。
(2) 通過對(duì)中試裝置規(guī)模的影響因素分析表明,流程的相似性、運(yùn)動(dòng)相似性和流態(tài)相似性對(duì)中試裝置的規(guī)模沒有直接的影響,影響中試裝置的關(guān)鍵因素在于為了保持關(guān)鍵控制方式一致性方面的設(shè)備選型。
(3) 對(duì)中試裝置規(guī)模影響較大的關(guān)鍵設(shè)備為制冷劑壓縮機(jī),其他設(shè)備如冷箱、透平膨脹機(jī)、壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器和丙烷預(yù)冷換熱器對(duì)規(guī)模影響不大。因此,建議中試裝置的制冷劑壓縮機(jī)與原型裝置保持一致,且冷箱中至少采用兩個(gè)換熱芯體并聯(lián)。
本文雖然僅針對(duì)丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝來分析液化中試裝置的規(guī)模,但該分析思路也可供類似的化工中試裝置的規(guī)模研究提供參考。
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StudyonthePilotPlant’sCapacityofFloatingLiquefiedNaturalGasProcessedbyPropanePre-CoolingandDual-Nitrogen-ExpansionSub-Cooling
LIU Miao-er, LI En-dao, YIN Quan-sen, TAI Xiao-liang
(Research&DevelopmentCenterofCNOOCGas&PowerGroup,Beijing100028,China)
Based on the propane pre-cooling and dual-nitrogen-expansion sub-cooling (C3-DN2) process used for floating liquefied natural gas production, storage and offloading unit (LNG-FPSO), a pilot unit will be built to test the rationality of process configuration and key control modes, and to study the operability and flexibility of its application in offshore cases. In order to define the capacity, the pilot unit should keep the consistency of process configurations and key control modes, and the similarity of moving and flow regime with LNG-FPSO. The factors affecting the capacity of the pilot unit are further investigated, and the results show that the type of key equipment to keep the consistency of key control mode greatly impacts the capacity, and the other factors have less influence. Among the main devices, the refrigerant compressor should be considered the most carefully when defining the capacity of the pilot unit, and others such as cold box, driver, turbine expander and the heat exchanger for C3 are less important. Therefore, it is better to select the same type of refrigerant compressor in the pilot as that in the LNG-FPSO, and to design two plate-fin heat exchangers in parallel in the cold box.
floating liquefied natural gas system; pilot unit; capacity; liquefaction process;propane pre-cooling; dual-nitrogen-expansion sub-cooling
2015-05-16
國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-006)
劉淼兒(1973—),男,博士,高級(jí)工程師,主要從事天然氣液化及液化天然氣儲(chǔ)存、運(yùn)輸與利用方面的研究。
TB657.8
A
2095-7297(2015)03-0152-05