摘""""" 要：天然氣作為主要的清潔能源，在全球天然氣應(yīng)用需求日益增長的社會背景下，如何保障天然氣液化技術(shù)能夠安全、經(jīng)濟、有效地的量產(chǎn)，對于加速天然氣的開發(fā)與利用和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有至關(guān)重要的現(xiàn)實意義。因此，本文通過對傳統(tǒng)液化工藝及改進液化工藝的流程、特點進行簡述，對比分析各種液化技術(shù)的優(yōu)、缺點，提出天然氣液化工藝的優(yōu)選范圍，并對未來研究思路和優(yōu)化方向概括總結(jié)，為改進天然氣液化工藝提供借鑒。

關(guān)" 鍵" 詞：天然氣液化技術(shù)； 改進液化工藝； 優(yōu)選

中圖分類號：TQ026.1"""" 文獻標(biāo)識碼： A"""" 文章編號： 1004-0935（20202024）0×3-00000429-05×

天然氣與煤炭、石油作為全球消費能源的三大支柱[1-3]，在世界正逐步向2050年的零碳社會轉(zhuǎn)型以及我國“雙碳”政策的歷史背景下，其高效、清潔、環(huán)保的特點以及常規(guī)用途的需求量不斷攀升和天然氣資源開發(fā)程度的擴大化，必將迎來天然氣產(chǎn)業(yè)的指數(shù)型增長[4-7]。因此，如何提高液化天然氣技術(shù)、加強液化LNG的存儲管理，是保障我國綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略的現(xiàn)實需求，同樣也是滿足社會安全生產(chǎn)的迫切需要[8-10]。

1" 天然氣液化工藝

1.1" 傳統(tǒng)液化工藝

1.1.1" 膨脹機液化工藝

帶膨脹機的液化工藝是依托原料氣與產(chǎn)生氣之間的自由壓差，通過透平膨脹機絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷來實現(xiàn)天然氣的液化工藝。根據(jù)制冷劑的不同，可分為天然氣膨脹制冷、氮氣膨脹制冷和氮氣-甲烷膨脹制冷，這也使該液化工藝對原料氣的壓力要求較高。因此，如何優(yōu)化透平膨脹劑的冷量，降低能耗，提高系統(tǒng)的液化率則是優(yōu)化工藝關(guān)鍵所在。

常學(xué)煜[11]等人在氮氣膨脹制冷的研究中發(fā)現(xiàn)，大型液化LNG運輸船會因外界溫度的因素，產(chǎn)生部分蒸發(fā)天然氣（BOG），進而使LNG運輸船產(chǎn)生壓力超限問題。因此，提出以LNG比功耗為衡量指標(biāo)，分別對換熱器BOG出口溫度、BOG一級壓縮機出口壓力、 換熱器氮氣出口溫度等關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，根據(jù)約束條件來確定相應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)的取值范圍，采用模式探索法進行模擬優(yōu)化。結(jié)果表明：氮膨脹制冷循環(huán)功耗優(yōu)化至0.051kwh/m3，在提高液化需求的同時，有效地的處理了LNG運輸船BOG再液化的輸量要求。

袁玥[12]針對氮氣膨脹機制冷液化流程中能耗較高的缺點，采用N2+CH4作為混合制冷劑的改進措施，利用HYSYS優(yōu)化器進行參數(shù)優(yōu)化。在保證流程簡單、設(shè)備量少、比功耗低的前提下，得到運行狀態(tài)的混合冷劑最優(yōu)配比為56%CH4+44%CH4。其中液化率為92.1%，比功耗為15.11kW··h/kmol。膨脹機制冷液化流程見圖1。

1.1.2" 級聯(lián)式液化工藝

20世紀(jì)60年代初，級聯(lián)式液化工藝作為傳統(tǒng)的液化天然氣工藝流程，被廣泛應(yīng)用于我國天然氣液化技術(shù)領(lǐng)域中，成為基本負(fù)荷型天然氣生產(chǎn)裝置的液化流程之一。其三級獨立制冷系統(tǒng)串聯(lián)形成的制冷循環(huán)機制，可在低溫、常壓條件下安全、有效、穩(wěn)定地進行穩(wěn)定的進行天然氣液化加工工藝，為我國液化天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了積極推進作用，液化流程見圖2。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及人民生活需求的不斷提升，其液化工藝流程的復(fù)雜性、液化裝置的高成本和維護費用的高投入，成了成為了該液化工藝發(fā)展的制約因素[13，14]。

針對針對于此類問題，王勇[15]等人結(jié)合法國某燃?xì)夤拘滦图壜?lián)式天然氣液化流程調(diào)峰裝置的生產(chǎn)運行參數(shù)，提出將冷箱采用高效釬焊板翅式換熱器，利用HYSYS軟件對該LNG調(diào)峰站進行溫度和壓力的模擬計算，計算模型見圖3。結(jié)果表明：在保證低能耗和高制冷循環(huán)效率的前提下，計算參數(shù)與運行參數(shù)吻合度較高，為級聯(lián)式液化工藝的優(yōu)化提供了理論支撐。

在液化循環(huán)工藝方面，中原油田[16]對三級制冷循環(huán)進行了改進，提出丙烷-乙烯-節(jié)流的制冷工藝方案，去掉了三級甲烷制冷循環(huán)，在保證液化工藝標(biāo)準(zhǔn)的前提下，有效地的減低降低了生產(chǎn)投資成本，為優(yōu)化制冷工藝提供了良好的借鑒基礎(chǔ)。

1.1.3" 混合制冷液化工藝（MRC）

該液化工藝是基于C1-～C5及N2等部分或所有組分混合作為制冷劑的制冷液化工藝。混合制冷劑依次通過增壓、冷凝、冷卻、節(jié)流降溫，達(dá)到對天然氣液化制冷的效果，常見的有以下幾種：

MRC較級聯(lián)式液化工藝操作簡單、經(jīng)濟成本低、混合原料氣可直接用于液化天然氣制冷，但混合制冷機劑的合理配比難以控制，且操作系統(tǒng)的要求高，同時還需知道混合組分的物性參數(shù)和平衡數(shù)據(jù)才能有效計算流程[17，18]。因此，混合劑的最優(yōu)配比是此類工藝的研究熱點。張磊[19]基于優(yōu)化理論和?分析理論，通過分析不同原料氣組分和壓力條件下的混合制冷劑組成配比變化規(guī)律，以流程比功耗為目標(biāo)函數(shù)，提出 C3-MR、SMR 的制冷劑最優(yōu)混合配比，配比方案見表1、表2。利用HYSYS進行模擬計算，結(jié)果表明 C3-MR 的流程比功耗降低5.87%，SMR 降低 4.07%，說明該優(yōu)化方案可有效提高液化流程，降低能耗。

宋平平[20]以最小比功耗為目標(biāo)函數(shù)，選用 Peng-Robinson 模型，對SMR、DMR進行制冷劑的配比優(yōu)化，配比方案見表3、表4。通過 HYSYS 模擬計算發(fā)現(xiàn)，SMR能耗 降低18.38%，DMR 降低16.72%。

1.2" 改進液化工藝

21 世紀(jì)以來，各國在降低能耗、經(jīng)濟投資以及綠色能源戰(zhàn)略的歷史背景下，在級聯(lián)式液化工藝、混合制冷液化工藝等的基礎(chǔ)上提出了諸多液化工藝改進措施。

1.2.1" 雙循環(huán)混合制冷液化工藝（DMR）

該液化工藝是利用混合制冷劑在天然氣預(yù)冷流程中，將其從常溫預(yù)冷至-40 ℃，再利用制冷劑進一步將天然氣循環(huán)冷卻至-160 ℃。但DMR因操作工況復(fù)雜、冷劑介質(zhì)多相共存，因此需要對循環(huán)運行參數(shù)、混合物配比進行優(yōu)化，以期望達(dá)到提高液化技術(shù)效率，降低能耗的目標(biāo)，常見的改進方法大體有如下幾種[21]：

（1） Tealarc-DMR技術(shù)

采用預(yù)冷-液化雙循環(huán)機制，鋁制板翅式換熱器進行預(yù)冷流程，重組分混合冷劑包含乙烷、丙烷及丁烷；繞管式換熱器進行液化流程，輕組分混合冷劑包含甲烷、乙烷及氮氣。

（2）"""""" 2）Shell-DMR技術(shù)

采用預(yù)冷換熱-深冷換熱二階混合制冷劑循環(huán)機制，將壓縮驅(qū)動機并聯(lián)配置于每個循環(huán)之中，在有效提高循環(huán)液化效率的同時，還提供了電動機驅(qū)動配置連續(xù)功率的較寬選擇范圍，解決了丙烷壓縮機的瓶頸問題。

（3） Axens-LiquefinTM-DMR技術(shù)

采用二階混合制冷劑循環(huán)機制，利用相同規(guī)格驅(qū)動機帶動壓縮機，通過板翅式換熱器（PFHE）完成天然氣常溫到深冷液化的循環(huán)流程。因PFHE單位體積的熱交換面積大、壓降小，可有效地解決可有效的解決壓縮機高能耗問題，降低液化設(shè)備要求和經(jīng)濟成本。在DMR液化單元的功耗過高的問題上，肖榮鴿[23]等人采用HYSYS建立DMR液化流程優(yōu)化計算模型（見圖4），以系統(tǒng)最小功耗為目標(biāo)函數(shù)，混合制冷劑的壓力和配比為決策變量，基于減小各換熱器內(nèi)平均換熱溫差來進行液化流程的優(yōu)化模擬。結(jié)果表明：在保證99.5%的高天然氣液化率的前提下，優(yōu)化后天然氣摩爾流量為3 378.5 kmol/h，LNG摩爾流量3 259.5 kmol/h，單位質(zhì)量天然氣的液化功耗為271 kW/t，?效率為45.4%，能耗較未優(yōu)化前明顯降低。

1.2.2" AP-XTM液化工藝

2001年，APCI公司在C3-MR的基礎(chǔ)上加以改進，開發(fā)出AP-XTM液化工藝，并注冊專利。AP-XTM技術(shù)可在無需并聯(lián)丙烷和制冷壓縮設(shè)備的前提下，實現(xiàn)將單條生產(chǎn)線產(chǎn)量提升至500-～800萬噸t/a年。該技術(shù)充分保留混合制冷劑液化工藝中原料氣組分和溫度變化靈活高效的特點，利用氮膨脹機制冷系統(tǒng)進行LNG 的深冷循環(huán)，降低了丙烷和混合制冷劑壓縮機的要求，不但拓寬了C3-MR循環(huán)，也提高了LNG產(chǎn)能[22]。

目前，在天然氣液化工藝和凝液回收工藝的集成技術(shù)中，大規(guī)模液化流程工藝的節(jié)能減排具有很大研究潛力。因此，王少婧[24]等人從增強液化天然氣能力集成與設(shè)備共用水平的角度出發(fā)，基于提高流程集合度原則，提出一種基于大型AP-XTM液化流程，見圖5。通過耦合天然氣液化技術(shù)和氣體過冷GSP技術(shù)，有效解決液化流程單位功耗高的問題，同時降低了經(jīng)濟成本。模擬和分析結(jié)果表明，改進后的AP-XTM液化流程單位功耗降低至0.45 kW··h/kg LNG，且依據(jù)熱力學(xué)分析、?分析和經(jīng)濟性分析發(fā)現(xiàn)，該集成工藝較單產(chǎn)系統(tǒng)相比，具有良好的經(jīng)濟效益和較高的性能優(yōu)勢.

1.2.3" 級聯(lián)混合制冷液化工藝（MFC）

挪威國家石油公司和林德（Statoil-Linde）結(jié)合級聯(lián)式液化工藝和MFC工藝的優(yōu)點，首先提出基于混合組分的三制冷循環(huán)流程機制。該工藝在預(yù)冷循環(huán)中對乙烷-丙烷混合物進行壓縮，再分別由海水冷卻器CW1和板翅式換熱器E1A進行液化、深冷流程，其中一部分經(jīng)節(jié)流、穩(wěn)壓后在E1A中制冷，另一部分則在板翅式換熱器E1B中進一步深冷，在使深冷換熱器中溫度更為接近的同時，達(dá)到優(yōu)化換熱器表面和功率的效果。因其可適應(yīng)于低溫冷卻水、液化制冷技術(shù)成熟以及適合貧LNG產(chǎn)品，被首次成功應(yīng)用于挪威Snohvit年產(chǎn)430萬噸的LNG項目

中[22，25]。級聯(lián)混合制冷液化工藝簡化流程如圖6。

其中：預(yù)冷循環(huán)階段：乙烷、丙烷；液化循環(huán)階段：甲烷、乙烷、丙烷；深冷循環(huán)階段：甲烷、乙烷、氮。

1.2.4" 單循環(huán)單壓混合制冷液化工藝（PRICO）

PRICO工藝由美國Blackamp;Veath公司改進開發(fā)而成，其原理是將混合制冷劑（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氮）加入單一制冷劑中進行循環(huán)，經(jīng)壓縮、冷卻、部分冷凝、分離后為深冷換熱器提供冷量，進而進行天然氣的液化制冷工藝。該工藝包括單循環(huán)混合制冷系統(tǒng)和單循環(huán)壓縮系統(tǒng)，因其對冷劑組分不敏感，冷劑補充量低且液化效率較高，同時對原料氣組分要求彈性大，因此具有良好的適用性和經(jīng)濟性。在我國鄂爾多斯和珠海LNG的液化裝置規(guī)模分別為100萬m3/天d和60萬m3/天d。但該工藝的熱函曲線和理論曲線存在偏差，所以液化能耗略高[26，-27]。

另外，相對于陸地天然氣液化裝置，F(xiàn)LNG所處地理環(huán)境特殊，易受外界影響因素產(chǎn)生波動，同時，天然氣液化裝置作為FLNG的核心設(shè)備，在船體面積受限的先決條件下，如何在保證液化天然氣量產(chǎn)前提下，最大限度地最大限度的簡化液化流程、優(yōu)化設(shè)備布局等，是國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向。

張躍征[28]等人基于以上因素考慮，結(jié)合PRICO- SMR流程靈活簡潔、工藝設(shè)備少等特點，利用模塊化設(shè)計，對PRICO-SMR部分關(guān)鍵設(shè)備進行優(yōu)化，設(shè)計出世界首個集處理、液化、儲存、裝卸為一體的浮式天然氣液化裝置（Exmar FLNG），工藝流程見圖7。該工藝基于PRICO-SMR核心液化裝置的設(shè)計和設(shè)備的采購、調(diào)試及開車服務(wù)，利用自身燃料氣系統(tǒng)驅(qū)動制冷壓縮機，有效地規(guī)避了有效的規(guī)避了部分不必要設(shè)備在船體晃動中產(chǎn)生的氣液分布不均現(xiàn)象。設(shè)備性能測試結(jié)果表明：原料氣中甲烷占比約為89%，C2以上組分含量占比超過15%。

2" 天然氣液化工藝的對比和優(yōu)選

由表5可知[28]：

1）若考慮經(jīng)濟成本和操作的難易程度，可選擇膨脹機、MRC液化工藝，因二者在液化循環(huán)系統(tǒng)中減少了附屬設(shè)備，克服了其他系統(tǒng)的復(fù)雜性，操作簡單易行，對于操作頻繁、調(diào)峰響應(yīng)迅速的小型天然氣液化廠，膨脹機液化制冷工藝效果更佳。

2） 若原料氣組成成分較為復(fù)雜，可考慮使用適應(yīng)性強、液化效率較高的AP-XTM、PRICO 液化工藝其中PRICO對冷劑組分變化敏感度低，對多組分原料氣具有較強的彈性和適應(yīng)性。且補充冷劑量少，效率較高。

由上表可知[28]：

（1）若考慮經(jīng)濟成本和操作的難易程度，可選擇膨脹機、MRC液化工藝，因二者在液化循環(huán)系統(tǒng)中減少了附屬設(shè)備，克服了其他系統(tǒng)的復(fù)雜性，操作簡單易行，對于操作頻繁、調(diào)峰響應(yīng)迅速的小型天然氣液化廠，膨脹機液化制冷工藝效果更佳。（2） 若原料氣組成成分較為復(fù)雜，可考慮使用適應(yīng)性強、液化效率較高的AP-XTM、PRICO 液化工藝其中PRICO對冷劑組分變化敏感度低，對多組分原料氣具有較強的彈性和適應(yīng)性。且補充冷劑量少，效率較高。（33）若考慮外界環(huán)境對液化流程的影響，DMR、MFC 技術(shù)可通過調(diào)整工藝流程參數(shù)及混合制冷劑混合制冷機的組分比，來完成液化制冷的預(yù)冷循環(huán)和深冷循環(huán)，具有良好的多變環(huán)境適應(yīng)力。

（4）若天然氣源壓力較高，則可以選用級聯(lián)式液化工藝，且無需考慮混合制冷劑最優(yōu)配比，但缺點在于附屬設(shè)備較多，維護成本高。

3" 結(jié) 論（結(jié)束語）

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，化工流程模擬軟件也得到了飛速發(fā)展，這也使得天然氣液化技術(shù)在不斷地改進在不斷的改進和完善。通過上述研究分析可以發(fā)現(xiàn)，目前的液化流程工藝以混合制冷液化和多種循環(huán)模式結(jié)合為主，因此，混合制冷劑的最優(yōu)配比及如何降低多循環(huán)模式結(jié)合下的能耗問題、減少流程設(shè)備降低經(jīng)濟成本將是主要研究方向。

參考文獻：

［1］張磊. 混合冷劑制冷天然氣液化工藝技術(shù)研究[D].西南石油大學(xué)，2018．

［2］王洋. 某LNG液化廠天然氣液化流程模擬及技術(shù)經(jīng)濟評價研究[D].北京建筑大學(xué)，2021．

［3］張博. 山西某天然氣液化工廠工藝流程模擬及挖潛改造技術(shù)研究[D].中國石油大學(xué)（華東），2019．

［4］葉瑩.探析脫除酸性氣體工藝在LNG項目中的影響因素[J].遼寧化工，2023，52（05）：694-696+709．

［5］王冠南，馬文賀，呂夢蕓.小型撬裝LNG液化裝置的液化流程優(yōu)選[J].遼寧化工，2017，46（08）：792-794．

［6］劉英波.液化天然氣裝置凈化與液化工藝關(guān)鍵技術(shù)研究[J].當(dāng)代化工，2016，45（11）：2593-2595．

［7］李昊，吳曉南，茍珈源，等.單級混合冷劑天然氣液化工藝優(yōu)化及分析[J].天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2021，46（04）：84-89+113．

［8］宋平平. 混合制冷劑液化天然氣系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及效果評價[D].東北石油大學(xué)，2020．

［9］戴政，肖榮鴿，馬鋼，等.LNG站BOG回收技術(shù)研究進展[J].油氣儲運，2019，38（12）：1321-1329．

［10］寧蕾，傅皓.基于MRC天然氣液化流程能耗的影響因素分析[J].化工設(shè)計，2022，32（03）：3-9+1．

［11］常學(xué)煜，張盈盈，朱建魯，等.一種蒸發(fā)天然氣再液化氮膨脹制冷工藝流程的優(yōu)化和海上適應(yīng)性分析[J].化工進展．

［12］袁玥.旅大油田伴生氣液化工藝模擬及優(yōu)化[D].西南石油大學(xué)，2018．

［13］金明皇.級聯(lián)式天然氣液化工藝能耗優(yōu)化[J].石化技術(shù)與應(yīng)用，2017，35（06）：442-446．

［14］孔德晶.液化天然氣流程的優(yōu)化分析與動態(tài)模擬[D].東北石油大學(xué)，2018.

［15］王勇，張玉璽，李娟花，等.級聯(lián)型天然氣液化 HYSYS 計算模型研究[J].天然氣與石油，2013，31（03）：39-41+49+4．

［16］AMOS Avidan， DAVID Messersmith， BOBBY Martinez. LNG liquefaction technologies move toward greater efficiencies，lower emissions[J]. Oilamp;Gas Journal，2002，8（19）：60-681．

［17］李超.天然氣液化工藝技術(shù)的發(fā)展路徑研究[J].江蘇科技信息，2022，39（09）：40-43．

［18］王宏偉.LNG液化工藝技術(shù)及發(fā)展[J].化工進展，2013，32（S1）：76-82．

［19］張磊.混合冷劑制冷天然氣液化工藝技術(shù)研究[D].西南石油大學(xué)，2018．

［20］宋平平.混合制冷劑液化天然氣系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及效果評價[D].東北石油大學(xué)，2020．

［21］花亦懷.天然氣液化工藝流程設(shè)計及模擬優(yōu)化[D].中國石油大學(xué)（華東），2014.

［22］SHUKRI T. LNG technology selection[J].Hydrocarbon Engineering， 2004（2）：71-76

[12] 王宏偉.LNG 液化工藝技術(shù)及發(fā)展[J].化工進展，2013，32（S1）：76-82．

［23］肖榮鴿，高旭，靳文博，等.雙循環(huán)混合制冷劑天然氣液化流程的優(yōu)化模擬[J].化學(xué)工程，2019，47（03）：62-67+73．

［24］王少靖，劉琳琳，張磊，等.集成 NGL 回收的新型天然氣液化系統(tǒng) AP-X～（TM）的概念 設(shè)計與模擬分析[J]. 化工學(xué)報， 2019， 70 （02）： 508-515．

［25］張宏杰.天然氣液化裝置及工藝設(shè)計與應(yīng)用研究[D].華南理工大學(xué)，2014．

［26］張躍征，蓋璟權(quán)，江浩，等.PRICO～？天然氣液化技術(shù)在海上浮式裝置上的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2018，38（06）：115-120．

［27］黃剛."" 大型負(fù)荷型LNG工廠液化工藝模擬及優(yōu)化[D].西南石油大學(xué)，2019．

［28］張宴瑋.聯(lián)產(chǎn)LNG與NGL工藝流程的優(yōu)化模擬 [D].西安石油大學(xué)，2021．

Research progress and development trend of

natural gas liquefaction technology

LI Ying1， YAN Xiao-jin2

（1. School of Xi’an Shiyou and College of Petroleum Engineering， Shaanxi Xi’an 710075，China；

2. PipeChina Construction Project Management Sub-Company， Hebei Langfang 065000，China）

Abstract：" Natural gas is the main clean energy. Under the social background of increasing demand for global natural gas applications， how to ensure the safe， economical and effective mass production of natural gas liquefaction technology is of great practical significance for accelerating the development and utilization of natural gas and optimizing the energy structure. Therefore， this paper briefly describes the process and characteristics of traditional liquefaction process and improved liquefaction process， compares and analyzes the advantages and disadvantages of various liquefaction technologies， puts forward the optimal range of natural gas liquefaction process， and summarizes the future research ideas and optimization directions， so as to provide reference for improving natural gas liquefaction process.

Key words：" Natural gas liquefaction technology;" Improved liquefaction process;" Optimization