天然气热值调整工艺研究

天然气热值调整工艺研究 高秀敏 余 智 曾树兵 王彦瑞 宋文路 海洋石油工程股份有限公司 摘 要 随着我国天然气管网的互联互通 研究具有不同燃烧特性的天然气的互换性具有重 要的现实意义 针对香港某电厂的气源多元化 进行天然气热值调整工艺研究 采用添加L P G来 升高热值 添加氮气 或者液氮 空气等低热气体来降低热值的方法具有可行性 关键词 天然气 L NG 热值调整 华白指数 修正华白指数 互换性 中图分类号 T E 6 2 6 7 文献标志码 A D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 3 4 2 6 2 0 1 4 0 1 0 1 0 R e s e a r c ho nn a t u r a l g a sh e a t v a l u ea d j u s t m e n t t e c h n o l o g y G a oX i u m i n Y uZ h i Z e n gS h u b i n g W a n gY a n r u i S o n gW e n l u C h i n aO f f s h o r eO i lE n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o n T i a n j i n3 0 0 4 5 2 C h i n a A b s t r a c t W i t ht h ei n t e r c o n n e c t i o no fn a t u r a lg a sn e t w o r k si nC h i n a t h e r ei sa ni m p o r t a n t p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t or e s e a r c hn a t u r a l g a s i n t e r c h a n g e a b i l i t yw i t hd i f f e r e n tc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s B a s e do nt h eg a ss o u r c ed i v e r s i f i c a t i o no fs o m ep o w e rp l a n t i nH o n gK o n g t h i sp a p e r s t u d i e s t h et e c h n o l o g yo fn a t u r a lg a sh e a tv a l u ea d j u s t m e n t I ti sp r o v e dt h a tt h e m e t h o do f a d d i n gL P Gt o i n c r e a s e t h eh e a t v a l u e a n da d d i n gn i t r o g e n o r l i q u i dn i t r o g e n a i ro ro t h e r l o w c a l o r i f i cg a s t or e d u c e t h eh e a tv a l u e i s f e a s i b l e K e yw o r d s n a t u r a l g a s L NG h e a tv a l u ea d j u s t m e n t W o b b e i n d e x m o d i f i e dW o b b e i n d e x i n t e r c h a n g e a b i l i t y 1 热值调整的意义 由于天然气资源的多元化 国产天然气 进口天 然气 引进L NG的组成及燃烧特性各不相同 因此 存在下游终端用户的用气设施与不同特性的天然气 相互匹配问题 根据G B T1 3 6 1 1 2 0 0 6 城镇燃 气分类和基本特性 当一种燃气置换另一种燃气 时 首先要保证燃具所产生的热负荷在燃气置换前 后不能发生大的改变 华白指数是代表燃气特性的 一个参数 如果两种燃气的华白指数相等 就能在同 一供气压力下 在同一燃具上获得相同的热负荷 因此 当用一种燃气替代另一种燃气时 必须充分考 虑燃气的 互换性 和燃具的 适应性 当供给用户 的燃气性质发生改变时 置换气必须对基准气具有 互换性 否则就不能保证用户的使用安全 因此 随着我国天然气管网的互联互通 研究具有不同燃 烧特性的天然气的互换性具有重要的现实意义 1 3 香港某电厂原使用海上气田供气 随着气田进 入衰减期 电厂需要补充和更新新的气源 由于电 厂供气的天然气资源多元化 而不同的天然气组成 具有不同的物性参数 其热值和华白指数也不相同 因此 必须充分考虑电厂发电机组与不同特性的天 然气之间相互匹配的问题 即解决不同气源间的互 94 石 油 与 天 然 气 化 工 第4 3卷 第1期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L S Gg a s为气体燃料与空气的相对密 度 Tg a s为气体燃料的绝对温度 R a n k i n e MWg a s为 气体燃料的相对分子质量 2 8 9 6为干燥空气的相 对分子质量 3 气源组成分析 考虑有3种可能的气源组成 气源一 全部是 L NG 气源二 L NG与某陆地终端干气各占5 0 气源三 L NG与终端干气各占8 0 2 0 每种气 源的具体热值数据见表1 表1 3种气源组成的热值表 T a b l e1 H e a t v a l u e l i s t o f t h r e ek i n d so f g a ss o u r c e s V L NG V L NG 终端干气 5 0 5 0 V L NG V 终端干气 8 0 2 0 贫气富气 贫气 终端干气 富气 终端干气 贫气 终端干气 富气 终端干气 高热值 0 0 1MP a M J m 3 3 8 3 24 3 6 03 7 2 43 9 8 73 7 8 94 2 1 1 低热值 0 0 1MP a M J m 3 3 4 5 33 9 4 43 3 5 63 6 0 23 4 1 43 8 0 7 华白指数 0 LHV M J m 3 5 0 6 05 3 8 84 7 8 34 9 5 84 9 4 75 2 1 7 相对分子质量 1 6 5 91 8 9 41 7 5 21 8 6 91 6 9 61 8 8 3 MW I 2 5 LHV b t u s c f R 0 5 5 2 8 65 6 5 34 9 9 05 1 9 55 1 6 95 4 7 0 调整方案调低热值 调低热值调高热值不需调整不需调整调低热值 4 国际通用的热值调整方法 4 1 升高热值方法 主要 是 添 加 高 热 值 气 体 例 如 液 化 石 油 气 L P G 轻烃气体等 使其达到所需要的热值 4 2 降低热值方法 国际上通用的降低热值方法有 5 1 掺混无热 低热 气体 在天然气中加入零 热值的氮气 空气或其他低热值燃气 使天然气热值 降低以达到设定的目标值 2 天然气混合 按照设定的热值目标值 将不 同热值 不同来源的天然气或其他燃气按相应的比 例混合 使其满足要求 例如 荷兰和德国利用其庞 大的天然气储存运输设施实现热值稳定 3 轻烃分离 将天然气中热值相对较高的乙 烷和丙烷等重质组分分离出来 提高CH4含量 使 热值降至目标值 5 热值调整方案比选 5 1 升高热值方案比选 由于产生干气的某陆地终端也生产L P G 因此 本项目推荐采用添加L P G法升高热值 5 2 降低热值方案比选 方法一 天然气混合 终端天然气是唯一可供调配入L NG接收站外 输气体的天然气 从计算可以看出 当L NG与终端 干气按照业主推荐的比例混合后 仍有不满足热值 要求的情况 因此 不能通过天然气混合完全解决 热值统一的问题 方法二 轻烃分离 05 高秀敏 等 天然气热值调整工艺研究 2 0 1 4 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 当气源全部是L NG时 即使完全脱除丙烷及 以上烷烃 其MW I值仍难以满足电厂的热值要求 因此 还需进一步脱除部分乙烷 或者用化学转化法 将乙烷转化为合成气后再合成CH4 轻烃分离的 运行成本高 流程复杂 还涉及到乙烷 丙烷等烃类 的市场和外运问题 考虑到L NG项目建设地点条 件及可用地面积 轻烃分离方案实施困难 因此 此 方法不可行 方法三 掺混无热气体 掺混无热气体的方法 相比轻烃分离法 既有效 也相对简单 更适合本项目进行热值调整 由于外 输气源还需经比较长的海底管道运输至香港 氧含 量如果偏高 则安全性较差 出于安全考虑 推荐采 用添加氮气的方法将L NG热值降至目标值 6 升高热值具体方案实施 6 1 添加L P G工艺路线比选 气体 液体调高 用泵将液态L P G加压到管输 压力 然后与管网内的L NG和终端气体直接混合 该系统应充分考虑在环境温度较低时 输气管道内 出现凝液等不安全因素 气体 气体调高 将混输气体与蒸发后的丁烷和 丙烷以一定比例在专用混合器内混合 采用此种方 式 不管L P G是常温带压储存还是低温常压储存 则不必担心出现凝液和混合器选型受限制的问题 液体 液体调高 将L P G在L NG接收站O R V 海水气化器 前与低温L NG液态混合后 通 过 O R V气化成热值调整后的高热值气体 然后与来自 终端处理厂的天然气进一步混合进入海管系统 由 于L NG接收站并非专供本项目电厂 该方案需要 对L NG接收站高压外输及气化设施进行专项配 置 其他因素导致的不确定性较高 故不推荐 综上所述 推荐采用气体 气体调高方式进行调 整热值 6 2 添加L P G工艺流程 利用泵将L P G加压到管输压力 再经过丙烷 丁烷蒸发器蒸发后 与L NG 终端干气在静态混合 器内充分混合 L NG 终端干气和添加的丙烷 丁 烷气体分别经流量计计量后的标准体积流量信号远 传至中央控制台 中央控制台根据以上参数计算 得出混气比例 由控制系统调节气动调节阀的开度 使丙烷 丁烷以一定比例进入静态混合系统 并将 热值仪对混合后的燃气连续在线检测的信号反馈至 中央控制系统 中央控制系统将根据热值的偏差随 时微调气动调节阀的开度 最终将混合气热值稳定 在设定值范围内 工艺流程框图见图1 6 3 所需L P G量 为保守起见 选取具有较低热值的典型L P G 组成为8 0 y 丙烷和2 0 y 正丁烷 进行调质 计算 为了满足长远输气规模6 0 0 MM S C F D 即 17 0 0 1 0 4 m 3 d 的热值调整 经HY S Y S模拟计 算需要加入的L P G量为6 6 6 5t h 7 降低热值具体方案实施 7 1 添加氮气工艺路线比选 添加氮气进行热值调整有两种不同的工艺 一 是加入液氮 二是加入氮气 中压氮气或者高压氮 气 其具体方案实施如下 1 采用液氮进行热值调整 该方案需要采用 低温空气分离装置 A S U 生产氮气 再通过中间介 质对空气进行预冷 然后利用低温蒸馏将氮气分离 出来 液氮经泵加压 再经过新增汽化器汽化后送 往外输管道 该工艺对液氮生产装置要求较高 能 耗较大 需设置的设备较多 因此 本项目不推荐此 方案 2 采用注入中压氮气方案 该方案是将氮气 压缩后与从蒸发气压缩机送出的蒸发气相混合后进 入再冷凝器 在再冷凝器中 混合气体被冷凝 然后 经由高压泵和汽化器送往燃气输送管道 此方案存 15 石 油 与 天 然 气 化 工 第4 3卷 第1期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L 需增大再冷凝器的 尺寸 需增设氮气压缩机 并提高所有低压输送泵和 B OG压缩机的功率 再冷凝器必须设一台备用 以 备再冷凝器检修时热值调整的正常进行 将中压氮 气与从蒸发气压缩机送出的蒸发气相混合后进入再 冷凝器 则需要按照L NG接收站总外输量 除了电 厂用户 还有其他用户 来添加氮气量 将对外输 L NG全部进行热值调整 这将需要极大的氮气量 大大增加了氮气发生装置的处理能力 增加了整个 接收站的投资和运行费用 因此 中压氮气方案对 本项目不可取 3 采用注入高压氮气方案 该方案是将氮气 压缩至燃气输送管道中的压力 其工艺流程简单 不 必更改再冷凝器操作压力和负荷 也不存在中压氮 气方案中除了电厂用户以外的其他L NG用户进行 调整热值的情况 综上所述 推荐采用添加高压氮气的方法 以满 足电厂燃气的互换性要求 7 2 添加氮气工艺流程 添加氮气工艺流程框图见图2 氮气流量根据外输天然气气量和热值进行实时 调整 外输天然气流量由安装在天然气外输总管上 的流量计进行计量 热值则通过天然气外输管线上 在线色谱仪检测到的天然气组成进行计算 测得的 流量和热值经逻辑运算后用于控制氮气流量调节阀 的开度 掺混过程设计为等压混气 为防止混合气进入 外输管道后供给热值仪的气体未均匀混合 获得一 个错误的讯号使控制失误 因此 需要设置静态混 合器 使混合气通过静态混合器时形成螺旋状气流 进行充分混合 L NG 高栏岛终端干气和添加的氮 气分别经流量计计量后的标准体积流量信号远传至 中央控制台 中央控制台根据以上参数计算得出混 气比例 由控制系统调节气动调节阀的开度 使氮气 以一定比例进入静态混合系统 并将热值仪对混合 后的燃气连续在线检测的信号反馈至中央控制系 统 中央控制系统将根据热值的偏差随时微调气动 调节阀的开度 最终将混合气热值稳定在设定值范 围内 7 3 降低热值所需氮气量 若将3种 气 源 组 成 的 修 正 华 白 指 数 调 整 到 5 1 5 2 b t u s c f R 0 5范围内 通过 HY S Y S模拟 对需加入的氮气量分别进行了计算 最大管输规模 下需要添加的氮气量见表2 表2 热值调整需要氮气量表 T a b l e2 N i t r o g e nn e e d e d f o rh e a t v a l u ea d j u s t m e n t 最大管输规模 17 0 0 1 0 4m3 d 对应小时高峰用气 1 0 0 1 0 4m