LNG液化流程及管道输送工艺综述

第 2 8卷第 5期 2 0 1 0年 l 0月 天 然 气 与 石 油 Na t u r a l Ga s And Oi l Vo 1 28 No 5 0c t 2 01 0 L N G液化流 程及管道输送 工艺综述 施 林 圆 ， 马剑 林 ( 1 中国石油 西南 油气 田分公 司输气 管理处 ， 四川 I成都 ， 6 1 0 2 1 3 ； 2 中国石油管道秦皇 岛输 油气分公司 ， 河北 秦皇岛 ， 0 6 6 0 0 0 ) 摘要： 液化 天然气作为一种清洁能源 ， 越 来越受到A 4 r 的欢迎 ， 而液化天然气技 术也 已成 为 天然 气工 业 中一 个极 其重要 的部 分 。 总 结 了几 种 L N G液 化 流 程 ， 包括 级 联 式 液 化 流程 、 混 合制冷剂液化流程和带膨胀机 的液化流程等 ， 对比分析 了不同液化流程的能耗情 况以及 L N G 管道液相输送工艺和注意事项。 关键词： 液化天然气( L N G) ； 液化流程； 输送工艺； 比较分析 文章编号 ： 1 0 0 6 - 5 5 3 9 ( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 3 7 -0 4 文献标 识码 ： A 1 概述 作为天 然 气 的一 种 利 用 形 式 ， 液 化 天 然 气 ( L N G ) 近年来在全球 能源市场正受 到越 来越多 的 欢迎。今后 1 0年内全球用于开发 L N G的资金将达 1 o o o 4 L 美元 ， 对 L N G 的投资将成 为全球 最大 的投 资趋势之一。 自 1 9 9 5年 以来 ， 全球 L N G市场一直 保持平均每年 7 5 的增 幅 ， 而这些增 长主要集 中 在世界 L N G进 I= 1 总量达三分之二 的亚太地区 。 液化天然气 ( L N G) 的密度是气态天然气的 6 0 0 倍 ， 与气相 输送 相 比， 输 送相 同体 积 的天然气 时 ， L N G输送管直径要小得多 ， L N G泵站 的能耗要 比压 缩机站 的能耗低若干倍 。因此 ， 采用液化天然气管 道输送越来越受到重视 。 L N G输送管道的不足之处是 ： 必须采用低温条 件下性能 良好 的材料 ， 如价格较贵的镍钢 。此外 ， 还 需要采用性能 良好 的低温 隔热材料。远距 离时， 需 增建 中间制冷 站 ， 因此 ， L N G输送管道 的初期投 资 费用较高， 实现也较困难。 2 天 然气液 化流程 天然气 的液化流程有不 同的形式 ， 按制冷方式 不 同 ， 可分 为 以下 三 种形 式 ： a 级 联 式 液 化 流 程 ； b 混合制冷剂液化流程 ； c 带膨胀机的液化流程。 天然气液化装置有基本负荷型液化装置和调峰 型液化装置。基本负荷型液化装置是指生产供当地 使用或外运 的大型液化装置 。这种天 然气液化装 置 ， 其液化单元常采用级联式液化流程和混合制冷 剂液化流程 。调峰型液化装置是指为调峰负荷或补 充冬季燃料供应的天然气液化装置 ， 在匹配峰荷和 增加供气 的可靠性方面发挥着重要作用 ， 可 以极大 地提高输送管道的经济性 。 2 1 级 联式 液化 流程 级联式液化流程也被称为阶式液化流程 、 复叠 式液化流程或串联 蒸发冷凝液化流程 ， 主要应用于 基本负荷型天然气液化装置。 级联式液化流程中较低温度 级的循环 ， 将热量 转移给相邻的较高温度级的循环 。第一级丙烷制冷 循环为天然气 、 乙烯和 甲烷提供冷量 ； 第二级乙烯制 冷循环为天然气和 甲烷提供冷量 ； 第三级 甲烷制冷 循环为天然气提供冷量。图 1为级联式液化流程的 示 意 图 。 级联式液化流程的优点是 ： 能耗低 ； 制冷剂为纯 物质 ， 无配 比问题 ； 技术成熟 ， 操作稳定 。缺点是 ： 机 组多 、 流程复杂 ； 附属设备多 ， 要有专 门生产 和储存 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 7 - 2 9 作者简 介 ： 施林 圆( 1 9 7 6 一 ) ， 女 ， 福建福清人 ， 工程师 ， 大学本科 ， 主要从事天然气管道规划 、 项 目前期 工作及后 评价管 理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 天 然 气 与 石 油 图 1 级联式 液化流程示意 图 ( a ) 混合制冷剂循环 混合 天然气 制冷剂 丙烷 多种制冷剂 的设备 ， 初投 资大； 管道与控制 系统复 高 温换热 杂 ， 维护不方便 。 中温换热 2 2 混合 制冷 剂液化 流程 混合制冷剂 液化流程 ( m i x e d r e f r i g e r a n t c y e l e ， MR C ) 是 以 C 1 c 5的碳氢化合物及 N ： 等血种以上 的多组分混合 制冷剂为工质 ， 进行逐级 的冷凝 、 蒸 发、 节流膨胀得到不同温度水平的制冷量 ， 以达到对 天然气逐步冷 却和液化 的 目的。MR C既能达到类 似级联式液化流程 的 目的， 又克服 了其系统复杂的 缺点。自2 0世纪 7 0年代 以来 ， 基本负荷型天然气 液化装置广泛采用了各种不同类型的混合制冷剂液 化流程。 混合制冷剂液化流程如图 2所示。 与级联式液化流程相 比， MR C的优点是 ： 机组 设备少， 流程简单 ， 投资费用 比经典级联式液化流程 低 1 5 2 0 ； 管理方便 ； 混合制冷剂组分可 以部 分或全部从天然气本身提取与补充。缺点是 ： 能耗 较高 ， 比级联式液化流程高 1 0 一2 0 ； 混合制冷 剂的合理配比较为困难 ； 流程计算需提供各组分可 靠的平衡数据与物性参数 ， 计算困难。 2 3 带膨 胀机 的液化 流程 带膨胀机的液化流程( e x p a n d e r c y c l e ) ， 是指利 用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循 环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机 中膨 胀降温的同时， 能输出功 ， 可用于驱动流程中的压缩 机。当管路输来的进入装置的原料气与离开液化装 置的商品气有 自由压差时， 液化过程就可能不从外 界加入能量 ， 而是靠 自由压差通过膨胀机制冷， 使进 入装置的天然气液化。流程的关键设备是透平膨胀 低温换热 ( b ) 丙烷制冷循环 图 2 混合制冷剂液化流程图 水 机 。 根据制冷剂的不同， 可分为天然气膨胀液化流 程 氮气膨胀液化流程及氮一 甲烷膨胀液化流程等。 这类流程的优点是 ： 流程简单 、 调节灵活、 工作可靠 、 易启动 、 易操作、 维护方便 ； 用天然气本身为工质时， 省去专门生产 、 运输 、 储存冷冻剂的费用， 投资适中， 特别适用于液化能力较小 的调峰型 天然气液化装 置。缺点是 ： 送入装置的气流需全部深度干燥 ； 回流 压力低 ， 换热面积大， 设备金属投入量大 ； 受低压用 户多少 的限制 ； 液化率低。 2 3 1 天然 气膨胀液化 流程 天然气膨胀液化流程 ， 是指直接利用高压天然 气在膨胀机中绝热膨胀到输出管道压力而使天然气 液化的流程。 天然气膨胀液化流程见图 3 。原料气经脱水器 1 脱水后， 部分进入脱 C O ： 塔 2进行脱除 C O ： 。这 部分天然气脱除 C O ： 后 ， 经换热器 57及过冷器 8 后液化 ， 部分节流后进人储槽 9储存， 另一部分节流 后为换热器 5 7和过冷器 8提供冷量。储槽 9中 自蒸发的气体， 首先为换热器 5提供冷量 ， 再进入返 回气压缩机 4 ， 压缩并冷却后与未进脱 C O 塔 的原 料气混合 ， 进换热器 5冷却后 ， 进入膨胀机 1 0膨胀 降温后 ， 为换热器 5 7提供冷量 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷第5期 施林 圆， 等 ： L N G液化流程及管道输送工艺综述 3 9 图 3 天然气膨胀液化流 程图 对于这类流程 ， 为了能得到较大的液化量 ， 在流 程中增加 了 1台压缩机 ， 这种 流程称为带循环压缩 机的天然气膨胀液化流程 ， 其缺点是流程功耗大 。 2 3 2氮 气膨 胀 液化 流程 在氮气膨胀液化循环中， 如图 4所示 ， 氮气经循 环压缩机 9压缩和换热器 2冷却后 ， 进入氮透平膨 胀机 7膨胀降温后 ， 为换热器 4提供冷量 ， 再进入氮 透平膨胀机 7膨胀降温后 ， 为换热器 5 、 4、 2提供冷 量 。离开换热器 2的低压氮气进入循环压缩机 9压 缩 ， 开始 下 一轮 的循 环 。 图 4 氦气膨胀液化流 程图 储槽 2 3 3 氮一 甲烷膨 胀液 化 流程 为 了降低膨胀机 的功耗 ， 采用氮一 甲烷混合气 体代替纯氮气 ， 发展了氮一 甲烷膨胀液化流程 ( N CH4 c y c l e ) 。 图5为氮一 甲烷膨胀液化流程示意图。氮一 甲 烷膨胀机液化流程由天然气液化系统与氮一 甲烷制 冷系统两个各 自独立的部分组成 。 天然气液化系统中 ， 经过预处理装置 1 脱酸 、 脱 水后的天然气 ， 经换热器 2冷却后 ， 在重烃分离器 3 中进行气液分离 ， 气相部分进入换热器 4冷却液化 ， 在换热器 5中过冷 ， 节流降压后进入储槽 1 1 。制冷 剂氮一甲烷经循环压缩机 1 0和制动压缩机 7压缩 到工作压力 ， 经水冷却器 8冷却后 ， 进入换热器 2被 冷却到透平膨胀机的入 口温度 。一部分制冷剂进入 透 平 膨胀 机 6膨胀 到循 环 压缩 机 1 O的人 口压 力 ， 与 返流制冷剂混合后 ， 作为换热器 4的冷源， 回收的膨 胀功用于驱动制动压缩机 7 ； 另外一部分制冷剂经 换热器 4和 5冷凝 和过 冷后 ， 经节流阀节流 降温返 流 ， 为过冷换热器提供冷量 。 图 5 氮一 甲烷膨胀液化流程 图 1 0 9 与混合制冷剂液化流程相 比较 ， 氮一甲烷膨胀 液化流程具有启动时间短 、 流程简单 、 控制容易 、 混 合制冷剂测定及计算方便等优点。由于缩小了冷端 换热温差 ， 它 比纯氮膨胀液化流程节省 1 0 2 0 的动力消耗。 2 4几种液化流程与级联式液化 流程比功耗 的比 较 表 1 列 出了几种液化流程的比功耗与级联式液 化流程 比功耗的比较。典型级联式液化流程的比功 耗为 0 3 3 k W h k g。在表 1中以级联式 液化流 程的比功耗为 比较标准 ， 取为 l 。 表 1 集 中液化流 程的 比功耗与级联式 液化流程比 功 耗 的 比 较 液化流程 能耗 比较 级联式液化 流程 单级混合制冷剂液 化流程 丙烷预冷 的单 级混合制冷剂液化流程 多级混合制冷剂液 化流程 单级膨胀机液化 流程 丙烷预 冷的单 级膨胀机液化流程 两级膨胀机液化 流程 1 1 25 1 1 5 1 05 2 O0 1 7 0 1 7 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 与 石 油 2 0 1 0 生 3 L N G管道输送工 艺 世界上 ， 目前只有在 L N G调峰装置和油轮装卸 设施上设有 L N G低 温管线 ， 还没有长距 离 L N G管 线的实例 ， 但 国外专家的理论研究表明， 随着低温材 料和设备技术的发展 ， 建设长距离管线在技术上是 可行的， 在经济上是合理的 。 3 1 液化天然气密相输送工艺 L N G进入管道的是饱和液化天然气液体 ， 由于 管道沿线温度的影响 ， 液化天然气易受热 ， 其中一部 分会被汽化 ， 使管道 内形成两相流动 ， 这不仅增大了 沿线阻力 ， 而且还会产生气体段塞流动现象 ， 严重影 响管道的输送能力和安 全运行。因此 ， 对于低温液 体输送管道 ， 特别是长距离管道 ， 要防止液体汽化 ， 就必须实现液体单相流动。而防止液化天然气汽化 的方法需要采用密相输送工艺 ， 即将管道 的操作压 力控制在临界冷凝压力之上 ， 管道 内流体温度控制 在临界冷凝温度之下 ， 使得管道运行工况位于液相 密相区， 见图 6 。 压 力 温度 图 6典型的天然气相包线 图 温度 此外 ， 为降低 因流动摩擦和过泵剪切引起 的液 化天然气温度升高， 长距离液化天然气输送 管道除 建设加压站之外 ， 还需要每隔一定距离设冷却站 ， 并 且使加压站和冷却站建在一起 ， 即所谓 的冷泵站 ， 以 便于施工和管理。 3 2 L N G管道输送的注意事项 目前， 国内液化天然气管道输送技术 尚处于起 步阶段 ， 因此 ， 需要加强对液化天然气管道输送技术 的研究， 特别是在管材 、 低温输送技术 、 低温管道施 工 、 自动控制和检测技术及设备方面的研究工作。 对于输送 L N G这样的低温产品来说 ， 当今的管 道技术既可采用柔性的软管， 也可采用刚性的管道。 前者 由于花费高和绝缘 的局限性 ， 仅 限于应用短距 离的装载和卸载 ， 而刚性管道则可用于较长的距离。 随着现代海底低温管道设计 的出现， L N G的有效运 输距离可达 3 2 k m。 低温液体 的输送管道可分为非绝热管， 普通绝 热管和真空绝热管 。 非绝热管特点是造价低 、 结构简单、 热容量小 ， 但在使用时跑冷损失大。非绝热管道通常用于间断 性的短距离输送 。普通绝热管这种管道是在管外敷 设普通绝热结构 ， 它的绝热性能较差 ， 而热容量又较 大 ， 故适用于液 氧、 液氮及 L N