海南小型LNG工廠液化工藝方案特點(diǎn)

唐玉杰 侯瑩

1.中國石油化工股份有限公司天然氣分公司 2.中國石化中原油田采油工程技術(shù)研究院

海南小型LNG工廠液化工藝方案特點(diǎn)

唐玉杰1侯瑩2

1.中國石油化工股份有限公司天然氣分公司 2.中國石化中原油田采油工程技術(shù)研究院

海南LNG工廠在國內(nèi)首次利用氮?dú)舛?jí)膨脹液化工藝。為此,討論了海南LNG工廠天然氣凈化、液化系統(tǒng)技術(shù)方案的制訂,針對(duì)原料氣氣質(zhì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了DGA溶液脫酸工藝和氮?dú)馀蛎浿评涔に嚪桨?對(duì)其進(jìn)行了流程模擬計(jì)算,得到了各物流節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù),并計(jì)算出了天然氣液化流程中壓縮機(jī)能耗、制冷劑流量、各換熱器的換熱量等參數(shù)。裝置運(yùn)行考核結(jié)果表明:該DGA溶液脫酸工藝和氮?dú)馀蛎浿评涔に嚰夹g(shù)運(yùn)用合理,工藝路線可行,工藝技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,為其他小型LNG工廠提供了一種新的天然氣液化工藝選擇方案。

LNG小型工廠 海南 天然氣液化 工藝流程 模擬計(jì)算 設(shè)計(jì)參數(shù) 能耗

液化天然氣(LNG)的體積只有同量氣態(tài)體積的1/625,因而將天然氣液化處理,不僅有利于降低天然氣貯存和運(yùn)輸?shù)某杀?而且還可以提高天然氣單位體積的燃燒值[1]。目前,我國LNG工業(yè)才剛剛起步,在天然氣液化技術(shù)方面還不成熟,深入研究天然氣液化技術(shù),對(duì)我國發(fā)展LNG工業(yè)具有非常重要的意義。

1 天然氣液化工藝流程分析

天然氣液化的核心是冷凍循環(huán)。在天然氣液化裝置中可采用的冷凍循環(huán)有:節(jié)流液化循環(huán)、級(jí)聯(lián)式液化循環(huán)、混合制冷劑循環(huán)、帶膨脹機(jī)的液化循環(huán)。需要指出的是,這樣的劃分并不嚴(yán)格,通常采用的是包括了上述各種液化流程中某些部分不同組合的復(fù)合流程[2]。

節(jié)流循環(huán)是工業(yè)上最早采用的氣體液化循環(huán)。由于節(jié)流循環(huán)設(shè)備簡單,運(yùn)轉(zhuǎn)可靠,至今仍為一些小型裝置所采用;級(jí)聯(lián)式液化流程也被稱為階式(Cascade)液化流程、復(fù)疊式液化流程或串聯(lián)蒸發(fā)冷凝液化流程,主要應(yīng)用于基本負(fù)荷型天然氣液化裝置;混合制冷劑的制冷原理與純單組分制冷劑的制冷原理大致相同,都是通過冷劑液體汽化與被冷介質(zhì)進(jìn)行熱交換,使其降溫,混合制冷劑產(chǎn)生的冷量是在一個(gè)連續(xù)的溫度范圍之內(nèi),純組分冷劑產(chǎn)生的冷量是在一個(gè)固定的溫度上[3],以混合制冷劑制冷循環(huán)為基礎(chǔ)的天然氣液化流程是目前應(yīng)用最廣泛的液化工藝;天然氣膨脹流程,是指直接利用高壓天然氣在膨脹機(jī)中絕熱膨脹到輸出管道壓力而使天然氣液化的流程,這種流程最突出優(yōu)點(diǎn)是功耗小,只需對(duì)液化的那部分天然氣脫除雜質(zhì),因而預(yù)處理的天然氣量可大為減少(占?xì)饬康?0%～35%),但液化流程不能獲得象氮?dú)馀蛎浺夯鞒棠菢拥偷臏囟?循環(huán)氣量大,液化率低,膨脹機(jī)的工作性能受原料氣壓力和組成變化的影響較大,對(duì)系統(tǒng)的安全性要求較高;氮?dú)馀蛎浺夯鞒?N2—Cycle)較簡化、緊湊,造價(jià)略低,啟動(dòng)快(熱啟動(dòng)1～2 h即可獲得滿負(fù)荷產(chǎn)品),運(yùn)行靈活,適應(yīng)性強(qiáng),易于操作和控制,安全性好,放空不會(huì)引起火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn),適用于小型LNG裝置[4],制冷劑采用單組分氣體,能耗比混合制冷劑液化流程高。

海南LNG工廠屬于小型的天然氣液化裝置,從工程投資、運(yùn)行費(fèi)用、裝置流程的簡便性、運(yùn)行的靈活性、設(shè)備的數(shù)量等方面考慮,選擇改進(jìn)的氮?dú)馀蛎浿评涔に嚒獨(dú)舛?jí)膨脹制冷工藝。

2 海南LNG工廠天然氣液化工藝方案

海南LNG工廠天然氣液化裝置是海南省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目,生產(chǎn)規(guī)模為25×104m3/d。該天然氣液化裝置的工藝流程由凈化過程和液化過程兩部分組成。

2.1 裝置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

海南LNG工廠天然氣液化裝置處理天然氣的基本參數(shù)為:LNG產(chǎn)量為25×104m3/d;原料氣量為26.55×104m3/d;原料氣溫度為35℃;原料氣壓力為1.3 M Pa。其中原料氣組成(體積分?jǐn)?shù))如表1所示。

2.2 天然氣預(yù)處理系統(tǒng)

天然氣預(yù)處理工藝主要是脫除原料氣中所含的固體雜質(zhì)、酸性氣體(CO2、H2S)、水和重?zé)N。天然氣液化時(shí),對(duì)其雜質(zhì)含量的控制指標(biāo)是:要求CO2含量小于50×10-6m g/m3,H2S含量小于5×10-6m g/m3,水含量小于0.1×10-6mg/m3,重?zé)N含量小于70× 10-6mg/m3。因此,天然氣預(yù)處理工藝包括原料氣分離過濾、脫酸性氣體和脫水等。

表1 原料氣組成表%

2.2.1 原料氣分離過濾、增壓

原料天然氣首先進(jìn)入原料天然氣分液罐,將輸送過程中所產(chǎn)生的液體從原料天然氣中除去。除去液體后的天然氣進(jìn)入原料氣過濾器進(jìn)一步過濾,將粒徑大于5μm的液體和固體除去,以避免液體(重?zé)N)被帶入增壓機(jī),對(duì)增壓機(jī)造成損壞。過濾后的天然氣進(jìn)入增壓機(jī)壓縮到5.9 M Pa,然后經(jīng)冷卻器冷卻至35℃后進(jìn)入凈化單元。原料天然氣分液罐分出的凝液排入凝液儲(chǔ)罐。

2.2.2 脫酸性氣體

天然氣中通常含有CO2、H2S和有機(jī)硫化物,通稱為酸性氣體。這些酸性氣體雜質(zhì)會(huì)造成腐蝕、污染環(huán)境,在低溫過程中結(jié)冰堵塞儀表和管線,當(dāng)天然氣作為化工原料時(shí),它們還會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒,影響產(chǎn)品質(zhì)量,因此需要把氣體中的酸性氣體含量脫除到標(biāo)準(zhǔn)要求的規(guī)格。海南LNG工廠原料氣中只含有CO2,不含H2S和有機(jī)硫化物,因而只考慮脫除CO2。

天然氣脫CO2通常有3種方法:化學(xué)吸收法、物理吸收法和氧化還原法。目前,國內(nèi)外天然氣脫CO2通常采用的化學(xué)吸收法?；瘜W(xué)吸收法是以可逆的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ),以堿性溶劑為吸收劑脫除CO2,溶劑與原料氣中的CO2反應(yīng)而生成化合物;吸收了CO2的富液在升高溫度、降低壓力的條件下又能分解而放出CO2,從而實(shí)現(xiàn)溶劑的再生。最具代表性的是堿性溶液法和醇胺法。其中醇胺法是天然氣脫CO2工業(yè)上最基本的技術(shù)路線。二甘醇胺(DGA)腐蝕性小、再生耗熱少,故海南LNG工廠天然氣凈化方案選擇DGA脫除CO2。

2.2.3 脫水

天然氣脫水按原理可分為冷凍分離、固體干燥劑吸附和溶劑吸收3大類。冷凍分離主要用于避免天然氣在溫度低時(shí)出現(xiàn)水合物,然而它所允許達(dá)到的低溫是有限的,不能滿足天然氣液化的要求;溶劑吸收通常包括濃酸(一般是濃磷酸等有機(jī)酸)、甘醇(常用的是三甘醇)等,但這些方法脫水深度較低,不能用于深冷裝置;固體干燥劑脫水法常見的是硅膠法、分子篩法或這兩種方法的混合使用。因此,為了避免天然氣在低溫下出現(xiàn)凍堵,海南LNG工廠采用了4A分子篩作為脫水介質(zhì)。脫水部分設(shè)兩臺(tái)干燥器切換操作,其中一臺(tái)脫水,另一臺(tái)再生。

2.2.4 天然氣預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程

天然氣預(yù)處理系統(tǒng)包括過濾分離、增壓、二甘醇胺(DGA)脫CO2和分子篩干燥部分。流程簡圖見圖1。

圖1 海南25×104 m3/d LNG裝置凈化單元示意圖

2.2.5 預(yù)處理系統(tǒng)模擬計(jì)算

采用H YSYS油氣加工流程模擬系統(tǒng)對(duì)天然氣預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行流程模擬計(jì)算,通過計(jì)算機(jī)模擬,得到天然氣預(yù)處理系統(tǒng)各物流節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2.6 CO2吸收塔參數(shù)分布

CO2吸收塔內(nèi)各物流參數(shù)如表2所示。

表2 CO2吸收塔內(nèi)各物流參數(shù)表

2.2.7 富液再生塔參數(shù)分布

再生塔塔內(nèi)各物流參數(shù)如表3所示。

表3 再生塔內(nèi)各物流參數(shù)表

2.2.8 閃蒸罐計(jì)算

DGA出CO2吸收塔,經(jīng)過節(jié)流膨脹,成為氣液混合狀態(tài),閃蒸罐各物流參數(shù)見表4,分離器的進(jìn)口壓力為400 kPa,溫度為79.7℃。

表4 等溫閃蒸罐物流參數(shù)表

2.3 天然氣液化系統(tǒng)工藝

天然氣液化流程的選擇是一個(gè)至關(guān)重要的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題[5]。天然氣液化流程設(shè)備的投資占LNG工廠總投資的30%左右,而不同的天然氣液化流程在能耗上有很大的差距。因此,天然氣液化流程需綜合考慮投資、能耗、可靠性、安全性及使用環(huán)境等因素進(jìn)行抉擇。

2.3.1 氮?dú)舛?jí)膨脹液化工藝方案

海南LNG工廠天然氣液化系統(tǒng)采用氮?dú)舛?jí)膨脹制冷工藝,液化過程由天然氣液化、氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)、儲(chǔ)存等3大部分組成。具體流程如圖2所示。

圖2 海南25×104 m3/d LNG裝置液化單元示意圖

從分子篩干燥單元出來的凈化氣(40℃)進(jìn)入液化單元。在冷箱中,凈化氣被冷卻,甲烷在重?zé)N分液罐與其他重組分分離。分離出的重組分進(jìn)入重?zé)N儲(chǔ)存部分,而分離出的甲烷重新進(jìn)入冷箱進(jìn)一步冷卻并液化,然后將液體甲烷送至LNG儲(chǔ)罐中。

天然氣液化采用氮?dú)舛?jí)膨脹制冷工藝。N2首先通過N 2壓縮機(jī)(1)一級(jí)壓縮并冷卻,再通過N2壓縮機(jī)(2)二級(jí)壓縮并冷卻,又通過兩個(gè)膨脹/壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮并冷卻,然后N2流經(jīng)冷箱的C股物流通道被冷卻,進(jìn)入一級(jí)膨脹機(jī)膨脹,然后流經(jīng)冷箱的D股物流通道被冷卻,進(jìn)入二級(jí)膨脹機(jī),進(jìn)一步膨脹得到低溫N2,低溫N2作為冷源進(jìn)入冷箱為天然氣制冷。N2出冷箱后重新進(jìn)入N2壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)。

凈化氣被100%液化,在儲(chǔ)存壓力0.45 M Pa的條件下,過冷至飽和點(diǎn)以下,LNG以飽和狀態(tài)進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐,罐內(nèi)無閃蒸(但熱泄漏會(huì)導(dǎo)致閃蒸氣體的產(chǎn)生),在非正常操作中,閃蒸氣體可用作燃料。

2.3.2 氮?dú)舛?jí)膨脹液化工藝模擬

利用HYSYS程序?qū)Φ獨(dú)馀蛎浺夯桨高M(jìn)行了模擬計(jì)算,通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出了氮?dú)馀蛎浿评渲饕?jié)點(diǎn)物流參數(shù),如表5所示。

表5 氮?dú)馀蛎浿评渲饕锪鞴?jié)點(diǎn)參數(shù)表

根據(jù)已知參數(shù),得到整個(gè)天然氣液化流程的模擬結(jié)果如下:制冷劑(N2)的流量為2 018 kmol/h,兩臺(tái)壓縮機(jī)(圖2中的壓縮機(jī)1、2)的功耗為3 567 kW,水冷換熱器分別帶走的熱量為6.742×106kJ/h、2.036 ×106kJ/h、3.539×106kJ/h、5.973 kJ/h,總熱量為18.29×106kJ/h,多股流換熱器中天然氣得到的冷量分別為1.86×106kJ/h、4.606×106kJ/h,天然氣液化率為100%。

2.4 裝置性能考核結(jié)果

海南LNG工廠采用了氮?dú)舛?jí)膨脹制冷工藝,天然氣液化裝置于2005年3月成功投運(yùn)?，F(xiàn)場性能考核表明:該天然氣液化裝置工藝設(shè)計(jì)合理,工藝路線可行,工藝技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

海南LNG工廠在國內(nèi)首次利用氮?dú)舛?jí)膨脹液化工藝,為此討論了其天然氣凈化、液化系統(tǒng)技術(shù)方案的制訂,設(shè)計(jì)了工藝流程,并對(duì)天然氣凈化系統(tǒng)DGA脫酸工藝和天然氣液化系統(tǒng)的氮?dú)舛?jí)膨脹液化工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算,得到各物流節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算出了流程中壓縮機(jī)能耗、制冷劑流量、各換熱器的換熱量。經(jīng)考核,該天然氣凈化、液化裝置工藝技術(shù)運(yùn)用合理,工藝路線可行,工藝技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,為國內(nèi)小型LNG工廠提供了一種新的天然氣液化工藝。

[1]諸林.天然氣加工工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008: 36.

[2]FINN A J,JOHNSON G L,TOML INSON T R.New technologies and designmethodsw ill p lay a large role in the design and construction of LNG p rojects[C].Manchester: Costain Oil,Gas&Process L td.,1999.

[3]陳光明,陳國邦.制冷與低溫原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:16-19.

[4]顧安忠.液化天然氣技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[5]王保慶.天然氣液化工藝技術(shù)比較分析[J].天然氣工業(yè), 2009,29(1):111-113.

Characteristics of the liquefaction process in small-scale Hainan LNG Plants

Tang Yujie1,Hou Ying2
(1.Sinopec N atural Gas B ranch Com pany,Beijing 100011,China;2.Oil Recovery Engineering Research Institute,Sinopec Zhongyuan Oilf ield Com pany,Puyang,Henan 457001,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 1,pp.105-108,1/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The LNG Plants in Hainan p rimarily adop ted the nitrogen two-expanders in series fo r the liquefaction p rocess.Hereby, this paper discusses in detail how these p lants lay out its schemeson the natural gas purification and liquefaction p rocesses.Based on the p roperties of feedstock gas,the plants app lied the deacidification by the diglycolamine(DGA)solution and the refrigeration by the nitrogen expansion.Through simulation of the above-mentioned p rocesses,the design parametersof each logistics node were ob-tained,and those parameters in the liquefaction p rocess were calculated out including the energy consump tion of comp resso rs,flow rate of refrigerant,and heat exchange amount of each heat exchanger.The smooth operation of the p lants show s that the applied technologies help the LNG p rocess to be economical and feasible,and the technical indexesmeet the requirement of design.The successful experience in these plants w ill p rovide an alternative liquefaction p rocess fo r other small-scale LNG p lants in China.

LNG,Hainan,natural gas liquefaction,p rocess,simulation,designed parameter,energy consumption

唐玉杰,1970年生,工程師,本科;主要從事LNG工程和天然氣輸氣管道工程建設(shè)管理。地址:(100011)北京市西城區(qū)安德路甲67號(hào)304室中石化天然氣分公司安全環(huán)保部。電話:13911603297。E-mail:trqtyj@163.com

唐玉杰等.海南小型LNG工廠液化工藝方案特點(diǎn).天然氣工業(yè),2010,30(1):105-108.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.01.030

(修改回稿日期 2009-11-20 編輯 何 明)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.001.030

Tang Yujie,engineer,was born in 1970.He ismainly engaged in management of LNG engineering and gas pipeline p rojects.

Add:Room 304,No.Jia-67,Ande Rd.,Xicheng District,Beijing 100011,P.R.China

Mobile:+86-13911603297E-mail:trqtyj@163.com