程松民 聶緒芬 尹 彬 金明皇 彭斌望 羅 斐

昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司

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昆侖能源黃岡LNG工廠工藝及運行分析①

昆侖能源湖北黃岡500×104m3/d LNG國產(chǎn)化示范工廠自投運以來受到行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。該工廠技術(shù)自主化率100%，裝備國產(chǎn)化率99%，同時也是國內(nèi)目前天然氣處理能力最大的工廠。該廠突破國外技術(shù)壟斷，奠定了國內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化基礎(chǔ)。詳細(xì)分析了黃岡LNG工廠在脫碳、脫水脫汞、液化、BOG增壓裝置及儲運等工藝流程方面的技術(shù)特點，總結(jié)了黃岡LNG工廠工藝技術(shù)的創(chuàng)新經(jīng)驗，并分析了工廠的運行情況。該研究對建設(shè)大型LNG工廠及運行具有借鑒作用。

液化天然氣 工藝 多級單組分制冷 運行 分析

黃岡LNG工廠為中石油昆侖能源投資建設(shè)的大型LNG工廠，天然氣處理能力為500×104m3/d ，是目前國內(nèi)最大的LNG工廠，處理工藝及關(guān)鍵設(shè)備均采用國產(chǎn)化。黃岡LNG工廠于2014年5月24日開始進氣調(diào)試生產(chǎn)，5月31日生產(chǎn)出合格的LNG產(chǎn)品，工廠運行正常，一次性試運投產(chǎn)成功，創(chuàng)國內(nèi)LNG工廠系統(tǒng)調(diào)試周期最短紀(jì)錄。填補了我國液化天然氣工業(yè)的空白。在此之前我國液化天然氣工業(yè)主要依靠引進國外成套技術(shù)和設(shè)備。

黃岡LNG工廠為基本負(fù)荷型液化天然氣生產(chǎn)工廠，每年運行時間8 000 h，液化能力142 t/h，操作彈性50%～110%。工廠設(shè)有2座30 000 m3的單包容罐，能滿足7.5天產(chǎn)量的儲存需要。

1 黃岡LNG工廠技術(shù)方案分析

黃岡LNG工廠主要包括天然氣脫碳、脫水脫汞、液化、LNG儲存與裝車及BOG增壓等系統(tǒng)。工廠原料氣來自西氣東輸二線黃岡分輸站，壓力約為6.9 MPa，天然氣經(jīng)計量后首先進入脫碳裝置，脫除天然氣中的CO2、H2S等雜質(zhì)，再進入脫水脫汞裝置脫除天然氣中的水與汞，然后進入液化裝置進行逐級冷卻降溫，直至液化，最后進入LNG儲罐進行常壓低溫儲存，銷售時通過LNG潛液泵將LNG輸送至裝車區(qū)進行裝車外運。工廠技術(shù)自主化率達100%。

1.1 工藝系統(tǒng)

1.1.1 天然氣脫碳

目前國內(nèi)其他LNG工廠大多采用醇胺法中的MEA脫除CO2[1]，該技術(shù)容易發(fā)泡，脫碳效果較差，影響工廠正常生產(chǎn)。黃岡LNG工廠脫碳工藝首次采用自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)“一種脫除天然氣中CO2的復(fù)配型脫碳溶劑”，裝置采用一定濃度的活化MDEA水溶液吸收脫除天然氣中的CO2，該溶劑具有脫碳效率高、再生能耗低、不降解及抗發(fā)泡、抗腐蝕性好等良好特性。工廠從2014年運行至現(xiàn)在沒有出現(xiàn)任何發(fā)泡現(xiàn)象，裝置運行情況良好，脫碳后的天然氣CO2體積分?jǐn)?shù)不超過2×10-6。

1.1.2 天然氣脫水脫汞

黃岡LNG工廠脫水脫汞裝置為自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)，為保證脫水脫汞深度要求，脫水采用分子篩脫水工藝，利用分子篩的吸附特性，選擇性地脫除天然氣中的飽和水，裝置采用兩塔方案，12 h吸附、6 h加熱再生、6 h冷卻；脫汞采用化學(xué)反應(yīng)吸附法脫除天然氣中的汞。工廠脫水脫汞裝置與其他LNG工廠相比，結(jié)合了天然氣液化過程中產(chǎn)生的濕凈化氣體的脫水、脫汞、再生、冷卻、分離和壓縮于一體，具有工藝簡單、控制方便和運行穩(wěn)定的優(yōu)點。天然氣出脫水脫汞裝置后，水的體積分?jǐn)?shù)不到0.1×10-6，低于目前大多數(shù)LNG工廠脫水指標(biāo)1×10-6(φ)[2]，可最大限度地避免對液化裝置管線與設(shè)備造成冰堵。

1.1.3 天然氣液化

1.1.3.1 黃岡LNG工廠液化工藝

黃岡LNG工廠制冷工藝為多級單組分制冷天然氣液化工藝，在黃岡LNG工廠屬首次運用。該工藝結(jié)合傳統(tǒng)階式制冷工藝的優(yōu)點，從關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化對傳統(tǒng)階式制冷工藝的技術(shù)進行了改進及創(chuàng)新，除具有傳統(tǒng)階式制冷工藝特點外，還具有冷劑壓縮機、換熱器國產(chǎn)化的特點，方便采購，投資更省。

多級單組分制冷工藝由三級獨立的制冷循環(huán)組成，制冷劑分別為丙烯、乙烯和甲烷。天然氣液化丙烯、乙烯及甲烷制冷系統(tǒng)采用自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)，其基本原理是，通過較低溫度級的循環(huán)，將熱量傳給相鄰的較高溫度級的循環(huán)，從而實現(xiàn)逐級冷卻、冷凝。第一級丙烯制冷循環(huán)為天然氣、制冷劑乙烯和制冷劑甲烷提供冷量；第二級乙烯制冷循環(huán)為天然氣和制冷劑甲烷提供冷量；第三級甲烷制冷循環(huán)為天然氣及自身提供冷量。通過6個換熱器和1個板翅式換熱器冷卻，天然氣的溫度逐漸降低，直至液化。

凈化后的天然氣首先用丙烯作為第一冷卻級冷卻至-36 ℃左右，后進入第二冷卻級。丙烯蒸發(fā)器中蒸發(fā)出來的丙烯氣體經(jīng)壓縮機增壓，冷卻后重新變?yōu)橐后w回到丙烯蒸發(fā)器。

第二冷卻級用乙烯作為制冷劑，天然氣冷卻到-55 ℃左右，分離C5以上的重?zé)N后，再被乙烯冷卻至-96 ℃，并被液化后進入第三冷卻級。乙烯蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的乙烯氣體經(jīng)增壓，通過丙烯蒸發(fā)器換熱液化后，最后進入乙烯蒸發(fā)器中。

甲烷作為過冷段的制冷劑，將液化段已液化的天然氣過冷至-155 ℃，過冷后的天然氣節(jié)流后溫度降至-162 ℃，進入LNG儲罐儲存。同時，制冷劑甲烷在這一級中冷卻到-155 ℃左右，然后通過節(jié)流閥降溫降壓，壓力降至140 kPa，溫度降至-158.9 ℃，進入板翅式換熱器，為天然氣和自身過冷提供冷量。節(jié)流后的甲烷出換熱器的溫度為-100 ℃，該氣體直接進入甲烷壓縮機增壓，增壓完成后進入丙烯蒸發(fā)器、乙烯蒸發(fā)器及冷箱中冷卻循環(huán)。

1.1.3.2 多級單組分制冷工藝比較

目前世界上運行的LNG工廠所采用的制冷工藝大多數(shù)為級聯(lián)式制冷工藝、膨脹制冷工藝和混合制冷工藝[3]。相比于多級單組分制冷工藝，4種制冷循環(huán)工藝的優(yōu)缺點對比見表1。液化循環(huán)特性比較見表2。

從表1和表2可知，級聯(lián)式制冷工藝能耗小，各制冷循環(huán)系統(tǒng)與天然氣液化系統(tǒng)相互獨立，但流程復(fù)雜，附屬設(shè)備多，管理維修不方便[5]。混合制冷循環(huán)工藝流程復(fù)雜程度相對簡單，機組設(shè)備少，投資省，效率較高。在規(guī)模較小的天然氣液化廠中，該工藝運用較多[6]。帶膨脹機的液化流程雖然復(fù)雜程度最低，但是比功耗最高，運行成本高[7]，在規(guī)模較大的天然氣液化中，經(jīng)濟性不好，和其他流程相比不具有優(yōu)勢。而多級單組分制冷工藝能耗較小，效率較高，各制冷循環(huán)系統(tǒng)與天然氣液化系統(tǒng)相互獨立，操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強，流程復(fù)雜程度適中。因此，在天然氣處理規(guī)模較大的液化廠中，該工藝具有優(yōu)勢。

表1 4種液化工藝的比較Table1 Comparisonoffourliquefactionprocesses比較項目多級單組分制冷工藝級聯(lián)式制冷循環(huán)工藝混合冷劑循環(huán)工藝膨脹制冷循環(huán)工藝主要設(shè)備及數(shù)量3臺壓縮機，7臺管殼式換熱器和1臺板翅式換熱器3～9臺壓縮機，9個換熱器1臺壓縮機，1臺板翅式換熱器或繞管式換熱器1臺壓縮機，1臺透平膨脹機，1臺板翅式換熱器冷劑種類CH4、C2H4、C3H6CH4、C2H4、C3H8N2和C1～C5烴類N2或天然氣或N2?CH4優(yōu)點①能耗較??；②換熱面積較?。虎鄹髦评溲h(huán)系統(tǒng)與天然氣液化系統(tǒng)相互獨立，相互影響少，操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強；④技術(shù)成熟①能耗小；②換熱面積較小；③制冷劑為純物質(zhì)，無配比問題；④各制冷循環(huán)系統(tǒng)與天然氣液化系統(tǒng)相互獨立，相互影響少，操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強；⑤技術(shù)成熟①機組設(shè)備少、流程簡單、投資??；②管理方便；③制冷劑的純度要求不高；④混合制冷劑組分可以部分或全部從天然氣本身提取與補充①機組設(shè)備少，占地面積小；②管理方便，維修費用低缺點①流程復(fù)雜，所需壓縮機組或設(shè)備多，初期投資大①流程復(fù)雜，所需壓縮機組或設(shè)備多，初期投資大；②附屬設(shè)備多，必須有生產(chǎn)和儲存各種制冷劑的設(shè)備，各制冷循環(huán)系統(tǒng)不允許相互滲透，管線及控制系統(tǒng)復(fù)雜，管理維修不方便①單級制冷劑的循環(huán)能耗比級聯(lián)式液化流程高，一般高10%～20%；②混合制冷劑的合理配比難確定①能耗高；②運行成本高

表2 液化循環(huán)特性比較[4]Table2 Comparisonofcharacteristicsofliquefactioncycle指標(biāo)多級單組分制冷工藝級聯(lián)式制冷工藝混合制冷循環(huán)工藝膨脹制冷循環(huán)工藝效率高高中低復(fù)雜程度中高中低換熱器類型板翅式板式板翅式或繞管式板翅式換熱器面積小小大小對原料氣適應(yīng)性高高中高

1.1.3.3 天然氣脫重?zé)N

經(jīng)丙烯冷卻后的-36 ℃天然氣節(jié)流降壓后進入重?zé)N洗滌塔，脫除天然氣中的重?zé)N組分。現(xiàn)有LNG工廠重?zé)N洗滌塔多是進行一次處理完成，這種方法存在脫重?zé)N不完全，并且處理時不穩(wěn)定，導(dǎo)致冷箱時常凍堵[8]。黃岡LNG工廠重?zé)N洗滌塔為自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)，采用多組筒體組合的結(jié)構(gòu)，方便了重?zé)N洗滌塔的安裝和維護，另一方面設(shè)置了多層處理單元進行脫除重?zé)N的處理，使其運行安全和穩(wěn)定，避免冷箱發(fā)生凍堵。黃岡LNG工廠運行至今，從未發(fā)生因重?zé)N導(dǎo)致冷箱凍堵的事故。

1.1.4 LNG儲存及裝車

LNG自液化裝置進入LNG儲罐，為降低LNG在儲罐內(nèi)出現(xiàn)分層的風(fēng)險，LNG分兩種方式進入LNG儲罐，一種上部進料，另一種是通過內(nèi)部插入管從下部進料。儲罐在沒有LNG進出或LTD出現(xiàn)預(yù)警時，啟動LNG潛液泵對罐內(nèi)LNG進行循環(huán)，防止罐內(nèi)LNG分層和發(fā)生翻滾。儲罐的所有開口均設(shè)置在罐頂部，內(nèi)罐底部不設(shè)置任何開口，在出現(xiàn)管線應(yīng)力拉斷事故時可以保證儲存LNG不會大量泄漏。儲罐設(shè)置有壓力、液位變送器以及溫度熱電偶檢測。任何不正常的運行狀態(tài)均能被檢測和報警，并依靠SIS聯(lián)鎖控制以防止儲罐過滿、超壓以及其他危害安全的情況發(fā)生。

LNG裝車區(qū)設(shè)置26臺裝車撬，LNG通過潛液泵輸送至裝車系統(tǒng)，充裝一輛槽車的時間約為40 min。LNG產(chǎn)品裝車采用定量裝車系統(tǒng)控制，裝車過程中系統(tǒng)檢測溫度和壓力，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時，控制系統(tǒng)報警。溢流等情況產(chǎn)生的LNG進入BOG凝液罐，經(jīng)電加熱器加熱至氣相后輸送到BOG增壓裝置。

1.1.5 BOG增壓裝置

BOG增壓裝置主要用于對來自LNG罐區(qū)的LNG閃蒸氣(BOG)及裝車過程中產(chǎn)生的氣體進行增壓。-150 ℃的BOG輸送到本裝置后首先利用來自脫水脫汞裝置的凈化氣加熱至-30 ℃，然后進入BOG壓縮機，先增壓(表壓)至0.5 MPa，抽出一部分作為燃料氣，剩余部分繼續(xù)增壓至西二線管網(wǎng)壓力，經(jīng)出站閥組外輸至黃岡分輸站，經(jīng)計量后最終進入西氣東輸二線。本裝置共設(shè)置3臺BOG壓縮機，當(dāng)?shù)陀?0%生產(chǎn)負(fù)荷時，機組1用2備；當(dāng)超過60%生產(chǎn)負(fù)荷時，機組2用1備。

1.2 主要國產(chǎn)設(shè)備

黃岡LNG工廠定位于國產(chǎn)化示范工廠，設(shè)備國產(chǎn)化率達99%。在目前國內(nèi)大部分LNG工廠中，其關(guān)鍵設(shè)備如冷劑壓縮機、變頻器及冷箱全為國外進口，而黃岡LNG工廠主要關(guān)鍵國產(chǎn)設(shè)備冷劑壓縮機、電機、變頻器、BOG壓縮機、冷箱等均實現(xiàn)了國產(chǎn)化。工廠運行至今，各設(shè)備均能正常運行，證明了LNG工廠設(shè)備國產(chǎn)化的可行性。

1.2.1 冷劑壓縮機、電機與變頻器

工廠液化裝置共有3臺冷劑壓縮機，均為多級離心式壓縮機，分別為丙烯壓縮機、乙烯壓縮機及甲烷壓縮機。丙烯壓縮機由四段七級組成，軸端密封為干氣密封，機殼為水平剖分式，設(shè)計出口流量417 065 m3/h，出口壓力(絕壓)1.78 MPa，軸功率25 570 kW，轉(zhuǎn)速2 967 r/min。乙烯壓縮機由低壓缸與高壓缸組成，低壓缸與高壓缸共三段九級，軸端為干氣密封，機殼為水平剖分式，設(shè)計出口流量249 959 m3/h，出口壓力(絕壓)1.78 MPa，軸功率14 192 kW，轉(zhuǎn)速3 886 r/min。甲烷壓縮機由低壓缸與高壓缸組成，低壓缸與高壓缸共十三級，軸端為干氣密封，機殼為垂直剖分式，設(shè)計出口流量103 958 m3/h，出口壓力(絕壓)4.5 MPa，軸功率11 367 kW，轉(zhuǎn)速6 222 r/min。3臺壓縮機功率均為目前國內(nèi)同類型最大的壓縮機。機組目前運行良好，振動、位移及溫度等各項指標(biāo)均在設(shè)計可控范圍內(nèi)，改變了國產(chǎn)設(shè)備不能連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)LNG的狀況，達到國內(nèi)先進水平。

與冷劑壓縮機配套的防爆電機和變頻器也為國內(nèi)生產(chǎn)制造，其中丙烯壓縮機電機功率達30 MW，較以往國內(nèi)制造最大20 MW防爆電機功率高50%，創(chuàng)國內(nèi)制造防爆電機功率最大記錄；丙烯壓縮機變頻器容量也達到30 MW，同樣創(chuàng)國內(nèi)制造變頻器容量最大新紀(jì)錄。電機與變頻器運行至今，各項參數(shù)均正常。

1.2.2 BOG壓縮機

工廠BOG壓縮機為往復(fù)式壓縮機，其額定功率為2.3 MW，創(chuàng)國內(nèi)制造低溫BOG壓縮機功率最大紀(jì)錄，機組運行至現(xiàn)在，各項參數(shù)一切正常。

1.2.3 冷箱

工廠冷箱為鋁制板翅式換熱器，冷劑與天然氣能充分進行換熱，高壓液態(tài)甲烷冷劑進入預(yù)冷換熱器中，過冷后節(jié)流進入混冷分離器進行兩相分離，分離后的氣相和液相在主換熱器中匯合后復(fù)熱出主換熱器。LNG出冷箱溫度可達-155 ℃，達到設(shè)計指標(biāo)要求。

2 黃岡LNG工廠運行分析

黃岡LNG工廠為國內(nèi)最大的國產(chǎn)化LNG工廠，很多設(shè)備均為國內(nèi)最大，工廠開車運行并無成功經(jīng)驗可借鑒。在工廠開車初期，邀請國內(nèi)相關(guān)行業(yè)專家及設(shè)備廠家專業(yè)技術(shù)人員進行指導(dǎo)，解決多項開車技術(shù)難題，使工廠能正常平穩(wěn)運行，積累了大型LNG工廠順利開車運行經(jīng)驗。

2.1 冷劑壓縮機運行

冷劑壓縮機是整個生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備，壓縮機的運轉(zhuǎn)直接影響工廠的正常生產(chǎn)。黃岡LNG工廠的3臺冷劑壓縮機均為國內(nèi)同類型最大的壓縮機，正常啟動程序復(fù)雜，需嚴(yán)格控制工藝參數(shù)及機械運行參數(shù)，啟機時間較長。壓縮機啟動升速時需按照升速曲線進行升速，盡快跨過臨界區(qū)，在升速過程中，密切關(guān)注壓縮機軸振動、軸位移、溫度及電流值的變化，通過調(diào)節(jié)防喘振閥及急冷液控制閥控制系統(tǒng)溫度及電流，盡量減小電流值，保證各參數(shù)值在報警值范圍內(nèi)波動。丙烯壓縮機因功率最大，啟動時電流也最大，因此在升速時，通過關(guān)小防喘振閥，減小電流值；乙烯壓縮機在啟動時需盡量降低低壓缸溫度，因壓縮機正常運行時低壓缸溫度較低，其軸承材質(zhì)較為特殊，在低溫條件下軸承韌性及剛性增強，軸振動值較小，因此在啟動時，通過控制急冷液控制閥，降低壓縮機低壓缸溫度，降低軸振動值；另外，3臺冷劑壓縮機是相互關(guān)聯(lián)的，運行過程中，調(diào)整天然氣處理量或其他工藝參數(shù)時，注意收放壓縮機的防喘振閥，避免壓縮機發(fā)生喘振而導(dǎo)致工廠聯(lián)鎖停車。

2.2 冷劑壓縮機變頻器運行

冷劑壓縮機變頻器功率較大，運行時電流較大，溫度升高較快。在工廠試運行期間，變頻器模塊時常燒壞，導(dǎo)致壓縮機停車；經(jīng)過現(xiàn)場檢查與分析，變頻器模塊連接方式存在缺陷，原連接方式為插件連接方式，此種連接方式易導(dǎo)致模塊接觸不均勻，在高電流作用下易導(dǎo)致模塊局部溫度較高，從而導(dǎo)致模塊損壞；后改變模塊連接方式，使模塊充分接觸，變頻器運行至今，再未發(fā)生變頻器模塊損壞情況。

2.3 冷箱運行

冷箱在初次運行時，需對冷箱內(nèi)設(shè)備管路進行干燥，使內(nèi)部管路、設(shè)備內(nèi)的水露點低于-60 ℃，避免冷箱發(fā)生凍堵。當(dāng)冷劑進入冷箱時，注意控制降溫速度，緩慢開啟節(jié)流閥，使冷箱慢慢預(yù)冷，冷卻速率通過人工調(diào)節(jié)節(jié)流閥來控制，冷卻速率不超過2 ℃/min，冷箱正常運行時需隨時注意冷、熱流體在換熱器中的任一截面溫差應(yīng)不高于30 ℃，同一流體的溫度變化率應(yīng)小于50 ℃/h。

3 結(jié) 語

黃岡LNG工廠技術(shù)自主化率100%，設(shè)備國產(chǎn)化率99%，自2014年5月24日運行以來情況良好，已達到國內(nèi)先進技術(shù)水平，多級單組分制冷天然氣液化工藝在黃岡LNG工廠的成功運用，填補了我國液化天然氣工業(yè)的空白，為海外市場的拓展奠定了基礎(chǔ)。該制冷工藝能耗較小，效率高，各制冷循環(huán)系統(tǒng)與天然氣液化系統(tǒng)相互獨立，操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強，針對大型的LNG裝置，采用多級單組分制冷工藝將是最好的選擇。黃岡LNG工廠的成功建設(shè)及連續(xù)平穩(wěn)運行，對國內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也起到積極的推動作用，對未來建設(shè)大型LNG工廠具有一定的借鑒作用。

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Analysis of process and operation in Kunlun Energy Huanggang LNG Plant

Cheng Songmin， Nie Xufen， Yin Bin， Jin Minghuang， Peng Binwang， Luo Fei

(KunlunEnergyHubeiHuanggangLNGCo.,Ltd,Huanggang438000,China)

Kunlun Energy Hubei Huanggang LNG Plant with natural gas processing capacity of 5 000×103m3/d has received widespread attention in the domestic industry since it was put into operation. This plant’s technological self research rate reaches 100% and equipment localization rate reaches 99%. What is more, the processing capacity is currently the largest in China. This plant breaks through the monopoly of foreign technology, laying the foundation of LNG industry in China. The LNG plant’s characteristics of decarbonization, dehydration, demercuration, liquefaction, BOG supercharging device, the LNG transporting and storing technology by process flow, and the technology innovation are summarized, and the operations are analyzed. It could be a reference for the construction and operation of large LNG plant.

LNG, process, multi-stage single component refrigerant, operation, analysis

程松民(1988-)，男，湖北大悟人，2011年6月畢業(yè)于長江大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)任職于昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司，參與湖北500×104m3/d LNG工廠國產(chǎn)化示范工程的建設(shè)與管理，目前主要從事天然氣生產(chǎn)運行與管理工作。E-mail:chsomi@qq.com

程松民 聶緒芬 尹 彬 金明皇 彭斌望 羅 斐

昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司

TE642

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10.3969/j.issn.1007-3426.2016.06.009

2016-07-03；編輯：康 莉