陳宏福

(中石化石油工程設(shè)計有限公司,山東 東營 257000)

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、方便的清潔能源和化工原料[1-6],具有巨大的資源潛力,世界各國對天然氣的開發(fā)利用也日益重視。我國天然氣資源豐富,但大量分散的低產(chǎn)天然氣未很好的利用,有的甚至被放空燒掉,不僅造成了能源的浪費,也不利于環(huán)境的保護(hù)[7-8]。

LNG即為液化天然氣,是將處理后的天然氣液化后得到的產(chǎn)物,體積比同質(zhì)量的天然氣小625倍,利用其體積小、儲存和運輸效率高的特點,可以較好地回收新井試氣、邊遠(yuǎn)小型凝析氣井開發(fā)過程中放空的天然氣,節(jié)約了資源,保護(hù)了環(huán)境。故在我國天然氣供需形勢嚴(yán)峻,亟需增加產(chǎn)量的大背景下,LNG液化工藝的優(yōu)選尤為重要 ?；诖?以某實際氣體組分為例,對天然氣制冷液化工藝進(jìn)行了優(yōu)選研究,以期對后續(xù)裝置的設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)。

1 氣體基本性質(zhì)

1.1 氣體組分

進(jìn)入液化裝置的氣體是經(jīng)脫碳和脫水處理后的凈化天然氣,具體組分如表1所示。

表1 進(jìn)入液化裝置的氣體組分

1.2 氣體壓力、溫度及流量

進(jìn)入液化裝置的氣體壓力為4.9 MPa,溫度為50 ℃,流量為15×104m3/d。

2 制冷工藝介紹

在天然氣液化過程中,制冷方式是決定工藝是否合理的關(guān)鍵,目前在工業(yè)上用于天然氣液化的制冷工藝根據(jù)其制冷方式,可以分為膨脹制冷和冷劑制冷,其中冷劑制冷又可以分為多級冷劑串級制冷、氮氣膨脹制冷、混合冷劑制冷。各種工藝的特點敘述如下。

2.1 天然氣膨脹制冷工藝

膨脹制冷適用于高壓天然氣的液化,是利用高壓原料氣的壓力勢能,對高壓天然氣進(jìn)行膨脹制冷或配以輔助冷劑預(yù)冷后進(jìn)行膨脹制冷。膨脹制冷工藝的優(yōu)點是工藝流程簡單,對于高壓原料氣來說操作成本較低,但是由于依賴原料氣的高壓,對于壓力不太高的工況必須增壓,將低壓的天然氣增壓后循環(huán)使用,從而增加了運行成本和投資,另外由于膨脹制冷工藝一次液化率較低,能耗較高,膨脹機(jī)工作性能受原料氣壓力和組成變化影響大,目前已很少應(yīng)用。工藝流程圖見圖1。

圖1 天然氣膨脹制冷工藝流程圖

2.2 氮氣膨脹制冷工藝

氮氣膨脹制冷工藝主要利用高壓氮氣冷劑通過透平膨脹機(jī)的克勞斯循環(huán)制冷來實現(xiàn)天然氣的液化。氮氣在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時輸出功率,可用于驅(qū)動流程中的壓縮機(jī)。工藝流程示意圖見圖2。

圖2 氮氣膨脹制冷工藝流程圖

氮氣制冷工藝適用于各種工況的天然氣液化,需要多級冷箱,流程簡單,系統(tǒng)緊湊,造價低,啟動快,運行靈活,易于操作和控制,安全性高,缺點是由于蒸發(fā)溫度單一,從而導(dǎo)致能耗較大,運行成本非常高(比混合冷劑高40%)。目前該工藝僅在少數(shù)調(diào)峰型小規(guī)模裝置使用。

2.3 多級冷劑串級制冷工藝(級聯(lián)式液化工藝)

多級冷劑串級制冷工藝適用于各種工況的天然氣液化,主要是利用不同冷劑不同的蒸發(fā)溫度采用串級冷凝,一般一級為丙烷,制冷到-30 ℃,二級為乙烯,制冷到-90 ℃,三級為甲烷,制冷到-162 ℃。串級制冷工藝最大的優(yōu)點是,采用分級冷凝可以極大的降低液化所需要的能耗,制冷系統(tǒng)與液化系統(tǒng)相互獨立,制冷劑均為純物質(zhì),各系統(tǒng)相互影響少,不存在匹配問題,技術(shù)成熟,操作穩(wěn)定,但是由于其工藝復(fù)雜,流程長,制冷機(jī)組多,附屬設(shè)備多,投資高對制冷劑純度要求嚴(yán)格,且不適用于含氮量較多的天然氣,比較適合于大型天然氣液化項目,對于小型天然氣液化項目,雖然運行能耗較低,但是由于其高額的設(shè)備費用,從而導(dǎo)致其液化成本極高。級聯(lián)式液化工藝流程圖見圖3。

圖3 級聯(lián)式液化工藝流程圖

2.4 單循環(huán)冷劑混合制冷工藝

混合冷劑單級制冷工藝適用于各種工況的天然氣液化,該工藝結(jié)合了多級冷劑串級和氮氣制冷工藝的優(yōu)點,同時克服了各自的缺點,將氮氣、甲烷、乙烷(乙烯)、丙烷、丁烷和戊烷等按一定比例混合,根據(jù)蒸發(fā)溫度的不同,不同組分在同一冷箱內(nèi)不同層位蒸發(fā),達(dá)到多級制冷的作用,具有機(jī)組設(shè)備少、工藝簡單、投資較省、運行費用低等優(yōu)點,由于需要合適的冷劑配比,不適用于裝置頻繁啟動,同時啟動較慢。工藝流程示意圖見圖4。

圖4 單循環(huán)冷劑混合制冷工藝流程圖

2.5 丙烷預(yù)冷+混合制冷劑液化工藝

該工藝為級聯(lián)式+混合冷劑制冷的復(fù)合系統(tǒng),是一級采用丙烷預(yù)冷,二級采用混合冷劑制冷,流程比級聯(lián)式制冷簡單,比單級混合冷劑制冷復(fù)雜,操作彈性大,效率和能耗介于級聯(lián)式和混合冷劑制冷之間。工藝流程見圖5。

圖5 丙烷預(yù)冷+混合制冷劑液化工藝流程圖

3 制冷工藝確定及優(yōu)選

3.1 制冷工藝初步確定

對比上述不同制冷工藝的特點進(jìn)行歸納總結(jié),具體見表2所示。

表2 不同制冷工藝比選表

根據(jù)上述描述及表2所示,多級串級制冷不適合中小規(guī)模的液化裝置;本項目原料氣來氣壓力低,不適用于天然氣膨脹制冷。而氮氣膨脹制冷、單循環(huán)混合冷劑制冷、丙烷+混合冷劑制冷,均適用于原料氣來氣壓力低的中小規(guī)模的液化裝置,但且各有優(yōu)缺點。故本項目選用氮氣膨脹制冷、單循環(huán)混合冷劑制冷、丙烷+混合冷劑制冷三種工藝方案進(jìn)行對比。

3.2 制冷工藝優(yōu)選

3.2.1 制冷工藝流程

3.2.1.1 單循環(huán)混合冷劑制冷工藝

單循環(huán)混合冷劑制冷工藝如附圖4所示。經(jīng)脫碳、脫水后的干燥凈化天然氣,首先進(jìn)入LNG冷箱預(yù)冷,預(yù)冷后溫度約-55～-60 ℃,隨著溫度的降低,天然氣中會有烴類析出。氣液混合物進(jìn)入液態(tài)烴分離器,分離出的烴類進(jìn)入脫乙烷塔,脫乙烷塔底的混烴進(jìn)入混烴儲罐進(jìn)行存儲。液態(tài)烴分離器和脫乙烷塔頂分離出的天然氣返回LNG冷箱,進(jìn)入脫氮塔底作為脫氮塔再沸器熱源,出脫氮塔再沸器后節(jié)流進(jìn)入脫氮塔。塔頂富氮尾氣節(jié)流后復(fù)熱出冷箱;塔底LNG再經(jīng)主換熱器過冷后節(jié)流至0.4 MPa、-162 ℃進(jìn)入LNG儲罐儲存,并裝車外運。

天然氣液化所需的冷量依靠混合冷劑提供。冷劑壓縮機(jī)出口的高溫冷劑,首先分為氣液兩相進(jìn)入LNG冷箱同一流道進(jìn)行預(yù)冷,冷卻至-162 ℃,之后通過節(jié)流降壓進(jìn)一步降低溫度至-163 ℃后,經(jīng)冷劑分離器分離為氣液兩相返回LNG冷箱,為高溫冷劑及天然氣冷卻提供冷量。換熱升溫后的低壓混合冷劑返回冷劑壓縮機(jī)壓縮,重新開始循環(huán)。

3.2.1.2 氮氣膨脹制冷工藝

氮氣膨脹制冷工藝如附圖2所示。經(jīng)脫碳、脫水后的干燥凈化天然氣,進(jìn)入主冷箱,在主冷箱內(nèi)被冷流體冷卻至-55 ℃時,之后進(jìn)入液態(tài)烴分離器,使已經(jīng)冷凝為液體的烴類排出冷箱,液態(tài)烴分離器頂部氣體返回主冷箱后進(jìn)一步冷卻,冷卻后的氣體進(jìn)入副冷箱,天然氣在副冷箱內(nèi)液化,然后節(jié)流后進(jìn)入LNG儲罐進(jìn)行存儲。

低溫液化所需要的冷量是由制冷系統(tǒng)提供的。制冷循環(huán)采用并聯(lián)式兩級氮膨脹,循環(huán)氮氣從冷箱出來后,經(jīng)氮氣壓縮機(jī)壓縮至1.89 MPa,再經(jīng)冷卻器冷卻至常溫。然后分為兩股分別進(jìn)入高溫氮氣增壓機(jī)和低溫氮氣增壓機(jī)后,高溫氮氣增壓機(jī)將氮氣增壓至3.24 MPa后,再經(jīng)冷卻器換熱后,進(jìn)入冷箱換熱器中。在冷箱換熱器中冷卻至-18 ℃后,引出冷箱進(jìn)入高溫膨脹機(jī),膨脹后返回?fù)Q熱器給換熱器提供冷量。低溫氮氣增壓機(jī)將氮氣增壓至2.56 MPa后,再經(jīng)冷卻器冷卻后,進(jìn)入冷箱換熱器中。在冷箱換熱器中冷卻至-102 ℃后,引出冷箱進(jìn)入低溫膨脹機(jī),膨脹后返回?fù)Q熱器給換熱器提供冷量。

3.2.1.3 丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝

丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝如附圖5所示。經(jīng)過脫碳、脫水處理的天然氣和經(jīng)過冷劑壓縮機(jī)壓縮冷卻后的混合冷劑進(jìn)入丙烷預(yù)冷器,預(yù)冷至-30 ℃后進(jìn)入LNG冷箱。在冷箱內(nèi)天然氣冷卻至-60 ℃后通過液烴分離器分離出冷凝的液烴,液烴節(jié)流至1.6 MPa后經(jīng)液烴換熱器與原料天然氣換熱升溫,然后進(jìn)入液烴分離罐分離出閃蒸氣,經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)入燃料氣系統(tǒng);液烴分離器分離后的低溫天然氣返回LNG冷箱,進(jìn)一步冷卻至-162 ℃后,經(jīng)節(jié)流降壓進(jìn)入LNG儲罐內(nèi)儲存。通過丙烷預(yù)冷器的混合冷劑首先進(jìn)入冷劑分離器,分離的氣態(tài)冷劑進(jìn)入LNG冷箱冷卻至-158 ℃后,經(jīng)節(jié)流降溫至-165 ℃返回LNG冷箱提供冷量;冷劑分離器分離的液態(tài)冷劑進(jìn)入LNG冷箱冷卻至-110 ℃后,經(jīng)節(jié)流降溫至-117 ℃返回LNG冷箱提供冷量。經(jīng)換熱升溫后的氣態(tài)混合冷劑通過冷劑吸入罐緩沖,進(jìn)入冷劑壓縮機(jī),經(jīng)增壓后返回制冷系統(tǒng)重新開始循環(huán)。

3.2.2 方案比選

從一次性投資、運行費用、費用現(xiàn)值、能耗以及系統(tǒng)復(fù)雜性等方面考慮,詳細(xì)的進(jìn)行了方案的對比分析,具體分析結(jié)果見表3所示。

表3 工藝方案對比表

從表3中可以看出,單循環(huán)冷劑制冷工藝與氮氣膨脹制冷工藝相比,雖兩方案一次投資基本相當(dāng),但單循環(huán)冷劑制冷工藝其能耗低,生產(chǎn)成本低,單循環(huán)冷劑制冷工藝與丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝相比,單循環(huán)冷劑制冷工藝一次投資低,生產(chǎn)成本低,由于丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝增加了丙烷循環(huán)系統(tǒng)及配套工程一次投資高,同時丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝流程復(fù)雜,設(shè)備多,操作維護(hù)工作量大;雖然丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷節(jié)省能耗,但在本工程中電價為0.45元/kWh,丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝節(jié)能效果不明顯。

結(jié)合本項目的實際情況,本項目推薦選用方案一:單循環(huán)冷劑制冷工藝,雖投產(chǎn)過程中冷劑配比略繁瑣,但費用限值低,流程簡單,設(shè)備少,利于撬裝,開停工操作調(diào)整方便,適應(yīng)撬裝裝置。

4 結(jié)論

1)對當(dāng)前工業(yè)上常用的天然氣制冷液化工藝進(jìn)行了綜述,同時以某具體天然氣組分為實例,根據(jù)天然氣處理規(guī)模及制冷工藝的適應(yīng)性,初步確定了適合工程的三種制冷工藝,分別為氮氣膨脹制冷、單循環(huán)混合冷劑制冷、丙烷+混合冷劑制冷工藝三種。

2)三個制冷方案分別從一次性投資、運行費用等方面考慮,進(jìn)行方案的對比分析,研究結(jié)果表明,單循環(huán)冷劑制冷工藝,雖投產(chǎn)過程中冷劑配比略繁瑣,但費用限值低,流程簡單,設(shè)備少,利于撬裝,開停工操作調(diào)整方便,適應(yīng)撬裝裝置,因此最終推薦選用單循環(huán)冷劑制冷工藝。