PRICO液化工藝在珠海LNG裝置中的應(yīng)用

中海石油廣東液化天然氣有限公司 張煒森

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，先后有數(shù)個(gè)LNG工廠建成投產(chǎn)，其中液化工藝多以引進(jìn)國(guó)外專利技術(shù)為主，而最具有代表性的是Black&Veatch公司閉式單循環(huán)混合制冷PRICO液化工藝。

珠海LNG裝置是中國(guó)海洋石油總公司的第一套天然氣液化裝置，在國(guó)內(nèi)首次采用了PRICO液化工藝。該項(xiàng)目于2008年12月順利投產(chǎn)，天然氣年處理量2億m3，日處理量60萬(wàn)m3，日產(chǎn)LNG約350 t。

1 PRICO工藝技術(shù)特點(diǎn)

PRICO工藝是由美國(guó)Black&Veatch公司1950年開發(fā)并不斷改進(jìn)而成，采用了單循環(huán)混合制冷劑和單循環(huán)壓縮系統(tǒng)，冷箱采用板翅式換熱器。迄今為止，該工藝已成功運(yùn)用到數(shù)十套基荷和調(diào)峰裝置中，液化裝置單線生產(chǎn)規(guī)模從8萬(wàn)m3/d到500萬(wàn)m3/d。

PRICO液化工藝的主要特點(diǎn)是：

(1)采用單級(jí)制冷系統(tǒng)，流程簡(jiǎn)單，操作控制可靠；

(2)對(duì)冷劑組分的變化不敏感，對(duì)不同組份原料氣具有較強(qiáng)的彈性和適應(yīng)性；

(3)開停車速度快，需要補(bǔ)充冷劑量少，具有較高的效率；

(4)設(shè)備數(shù)量少，布置緊湊，造價(jià)和操作費(fèi)用低。

2 珠海LNG裝置流程

珠海LNG裝置采用了一個(gè)PRICO閉式制冷循環(huán)，冷劑經(jīng)壓縮、部分冷凝、冷卻、膨脹，然后與天然氣換熱并提供冷量。制冷劑由氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷和異戊烷的混合物組成，流程如圖1所示。

圖1 珠海LNG裝置流程示意

來(lái)自冷箱(E-0501)頂部的低壓氣相冷劑，經(jīng)冷劑壓縮機(jī)(C-0501)一段壓縮后，進(jìn)入壓縮機(jī)一段的段間冷卻器，再經(jīng)段間分離器(V-0502)進(jìn)行氣液分離，氣相冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)二段壓縮，液相冷劑經(jīng)多級(jí)離心泵(P-0501)增壓后與壓縮機(jī)二段出口高壓氣相冷劑混合，混合冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)二段的段間冷卻器，部分冷凝的冷劑在出口分離器(V-0503)中進(jìn)一步分離，被分離后的氣相冷劑憑借自身的壓力進(jìn)入冷箱，液相冷劑經(jīng)多級(jí)離心泵(P-0502)增壓后進(jìn)入冷箱與氣相冷劑匯合。

高壓混合冷劑向下流過(guò)冷箱，在底部流出時(shí)已全部冷凝，然后流經(jīng)冷劑J-T閥減壓并部分蒸發(fā)，使混合冷劑的溫度進(jìn)一步降低，冷下來(lái)的低壓冷劑重新進(jìn)入冷箱底部向上流動(dòng)吸收原料氣和高壓混合冷劑的熱量。低壓冷劑最后從冷箱頂部高于其露點(diǎn)溫度流出進(jìn)入冷劑吸入罐(V-0501)，然后再進(jìn)入冷劑壓縮機(jī)完成混合冷劑的循環(huán)。預(yù)處理后的原料天然氣由頂部進(jìn)入冷箱，在冷卻到大約-48 ℃時(shí)引出冷箱進(jìn)入重?zé)N分離器(V-0504)，分離重?zé)N后的原料氣返回冷箱后繼續(xù)向下流動(dòng)，-152 ℃的LNG自冷箱底部流出，經(jīng)產(chǎn)品J-T閥節(jié)流降溫至-161 ℃進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。

3 珠海LNG裝置運(yùn)行情況

3.1 冷箱積液及操作

板翅式冷箱積液是指由于大量重冷劑聚集在冷箱底部，導(dǎo)致冷箱不能建立正常降溫梯度，裝置產(chǎn)能顯著降低的現(xiàn)象。冷箱積液主要是在重冷劑添加不當(dāng)或裝置緊急停車情況下發(fā)生，一旦冷箱出現(xiàn)積液現(xiàn)象，必須及時(shí)排除。

冷箱操作過(guò)程中出現(xiàn)積液時(shí)，將出現(xiàn)冷箱底部逐漸回溫，頂部逐漸降溫，整體溫度趨于一致，冷劑流道壓差增大，冷劑分離罐液位持續(xù)下降等現(xiàn)象。此時(shí)可保持冷劑J-T閥和產(chǎn)品J-T閥較小開度，通過(guò)減小或關(guān)閉來(lái)自冷劑泵(P-0502)的重冷劑泵入量，增大天然氣流量或混合冷劑中氣相組份比例的方法，使冷箱底部聚集的過(guò)量重冷劑逐漸汽化，直至冷箱底部出現(xiàn)降溫趨勢(shì)，頂部出現(xiàn)回溫趨勢(shì)，最后建立起合理的溫度梯度后，方可進(jìn)行冷箱的正常升負(fù)荷操作。

冷箱積液和冷劑壓縮機(jī)的防喘振系統(tǒng)密切相關(guān)，應(yīng)避免壓縮機(jī)入口壓力過(guò)高運(yùn)行，重冷劑的添加不宜過(guò)早過(guò)快。

3.2 冷劑補(bǔ)充與損失

正常生產(chǎn)過(guò)程中，冷劑的補(bǔ)充量很小，主要是以輕組份氮?dú)?、甲烷和乙烯為主，其中氮?dú)夂图淄槭枪S自產(chǎn)，不需外購(gòu)。由于原料氣組份的變化，珠海LNG裝置冷劑系統(tǒng)補(bǔ)充的甲烷組份中混有大量的乙烷，整個(gè)混合冷劑系統(tǒng)乙烷的摩爾分?jǐn)?shù)約占3%，乙烷的增加使混合冷劑的組份配比偏離了設(shè)計(jì)值，使壓縮機(jī)功耗略有升高，但可認(rèn)為對(duì)整個(gè)液化系統(tǒng)基本無(wú)影響，可近似的將乙烷等同于乙烯使用。

冷劑的大量損失主要發(fā)生在裝置停車后的重啟開車階段。裝置停車后，受壓縮機(jī)喘振控制系統(tǒng)的要求，壓縮機(jī)高壓冷劑側(cè)和低壓冷劑側(cè)實(shí)現(xiàn)均壓，壓縮機(jī)入口壓力急劇增加，在裝置重啟開車前，需進(jìn)行必要的冷劑排放直至壓縮機(jī)入口壓力值降至允許的范圍。冷劑排放將導(dǎo)致大量的外購(gòu)乙烯損失，冷劑排放的多少主要受驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)備對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及壓縮機(jī)自身保護(hù)措施要求的限制，珠海LNG裝置冷劑壓縮機(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，其允許啟動(dòng)的條件是入口壓力小于1 MPa。

3.3 升降負(fù)荷調(diào)整

受上游供氣量變化的影響，珠海LNG裝置負(fù)荷經(jīng)常調(diào)整，但PRICO液化工藝對(duì)裝置的升降負(fù)荷調(diào)整有非常強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)原料氣組份變化及冷劑組份變化不敏感，初始開車和冷態(tài)開車速度快，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。

當(dāng)裝置長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，可將冷劑J-T閥開大，使冷劑壓縮機(jī)防喘振控制閥處于關(guān)閉或小開度狀態(tài)，適當(dāng)提高混合冷劑中輕組份的摩爾分?jǐn)?shù)，能使LNG產(chǎn)品處于深冷狀態(tài)，這樣BOG產(chǎn)生量大大減少，BOG壓縮機(jī)不需投用，從而降低了裝置能耗。

3.4 燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)冷劑壓縮機(jī)

珠海LNG裝置采用了西門子SGT-200-2S型雙軸燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)STC-SV型多級(jí)離心式冷劑壓縮機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)ISO工況額定輸出功率為7.68 MW，尾氣排放設(shè)置余熱回收系統(tǒng)供天然氣預(yù)處理單元使用，動(dòng)力透平轉(zhuǎn)速7 600～11 000 r/min可調(diào)。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)裝置的負(fù)荷調(diào)整適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，運(yùn)行成本較低。但燃?xì)廨啓C(jī)受環(huán)境溫度變化導(dǎo)致軸端輸出功率明顯變化的特性給整個(gè)冷劑循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了不利影響，生產(chǎn)操作人員不得不因此頻繁調(diào)整冷劑循環(huán)量或生產(chǎn)負(fù)荷。

另外，燃?xì)廨啓C(jī)的維護(hù)成本和技術(shù)難度相對(duì)較高，不利于小型LNG工廠的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，珠海LNG裝置燃?xì)廨啓C(jī)存在高負(fù)荷狀態(tài)下燃燒不穩(wěn)定問(wèn)題，直接導(dǎo)致了裝置至今不能在高環(huán)境溫度下滿負(fù)荷生產(chǎn)的困局。

4 結(jié)束語(yǔ)

PRICO液化工藝以其自身先天優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)各型LNG裝置中得到了廣泛應(yīng)用，其關(guān)鍵設(shè)備采取的模塊化設(shè)計(jì)，可以非常方便的進(jìn)行放大、縮小來(lái)得到工廠所需要的產(chǎn)能，非常適合于中小型基荷和調(diào)峰型LNG工廠。

珠海LNG裝置經(jīng)過(guò)3年的生產(chǎn)實(shí)踐，已掌握了 PRICO液化工藝的核心技術(shù)，對(duì)裝置的操作和運(yùn)行規(guī)律有了深刻的理解。針對(duì)裝置生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的各類問(wèn)題，珠海 LNG工廠進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)改造工作，取得了顯著效果。