国内小型天然气液化装置及流程

国内小型天然气液化装置及流程 张刘樯 西南石油大学 周迎 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司 师凌冰 中国石油西南油气田分公司川中油气矿广安作业区 摘要 介绍国内天然气液化的研究现状 总结国内现有的小型天然气液化装置 详细阐述了 每一套液化装置的工艺流程 并从深冷技术方面侧重对每套装置的特点进行了分析 按制冷方式 不同 国内小型天然气液化装置的液化流程分为三类 级联式液化流程 混合制冷剂液化流程 包括开式 闭式和丙烷预冷 带膨胀机液化流程 包括天然气膨胀 氮气膨胀等 选择LNG液 化流程类型 必须根据具体的设计要求和外围条件进行综合考虑 即对不同液化流程的投资成 本 比功耗 运行要求以及灵活性进行全面对比 因地制宜 才能最终决定采用何种液化流程 关键词 天然气液化 小型装置 制冷 流程 1 引言 随着我国天然气工业的发展 国内对天然气液 化装置及流程的研究也越来越多 由于我国天然气 资源分布的特点以及我国能源的使用情况 目前我 国对LNG液化装置的研究主要以小型LNG液化 装置为目标 2 装置及流程简介 1 四川天然气液化装置 1 由中国科学院北京 科阳气体液化技术联合公司与四川省绵阳市科阳低温 设备公司合作研制的300 L h天然气液化装置 是用 LNG作为工业和民用气调峰和以气代油的示范工程 该装置于1992年建成 流程如图1所示 高压气体经 图1 四川天然气液化装置流程 换热器E01预冷 并分离掉重烃 然后 一部分 气体进入膨胀机膨胀降温 进入E02换热器 冷 却需液化的天然气 未进入膨胀机的天然气经过换 热器E02冷却 节流降温后进入LNG储罐储存 对自蒸发的LNG进行冷量回收后进入管网 该装置以天然气为制冷工质 以气体轴承透平 膨胀机为主要制冷部件 利用输配气管线进出口 从进口到调压站出口 两端的压差能来实现制冷 其主要特点有 充分利用天然气本身的压力能 在运行过程中除极少的仪表用电外 几乎不消耗电 能 不用压缩机及辅助系统 节省了设备投资 采用体积小 重量轻 效率高 能长期可靠运行 的气体轴承透平膨胀机 2 吉林油田天然气液化装置 2 吉林油田 500型LNG撬装式工业试验装置于1996年12月 整体试车成功 各项技术指标均达到或接近设计 值 基本达到工业化生产条件 装置流程如图2所 示 井口高压天然气 11 MPa 经加热 节流后 变成低压天然气 1 10 MPa 进行油 气 水分 离 用国产分子筛对天然气进行深度脱水和脱二氧 化碳处理 用气体轴承膨胀机制冷 将高纯度的氮 气制冷到 157 并在冷箱中与天然气进行换 热 使天然气温度降到 130 然后节流降压至 0135 MPa 145 使之变成液体 即LNG 产品 将LNG输送到6 m3的绝热槽车中储存 运输 该装置所采用的分子筛深度脱水和深度脱二氧 化碳技术 气体轴承膨胀机制冷技术 再生循环压 缩机产品开发技术和天然气发动机与氮压机的传动 匹配技术在本装置中具有独创性 其中 作为闭式 回路的氮气膨胀机循环制冷工艺核心设备的气体轴 承膨胀机在当时是一种先进的制冷设备 它同油轴 承透平膨胀机相比 具有造价低 结构简单 操作 方便 寿命长等优点 3 陕北气田天然气液化装置 3 1999年1 月建成投运的 陕北气田LNG示范工程 设在长 6 油气田地面工程第27卷第5期 20081 5 图2 吉林油田天然气液化装置流程 1 采油树 2 水套炉 3 油嘴 4 分离器 5 过滤器 6 天然气干燥器 7 分子筛过滤器 8 冷箱 气体轴承膨胀机和板翅式换热器 9 LNG槽车 10 滑片压缩机 11 再生分离器 12 再生冷却器 13 气体加热炉 14 氮气缓冲罐 15 氮压机 16 后冷却器 17 氮气干燥器 庆油田靖边基地内 以偏远单井所产小量天然气为 原料 日处理天然气2 104m3 原料气压力25 MPa 液化装置中天然气的入口压力为411 MPa 图3为其液化流程示意图 高压气体经氨蒸发器 第二预冷器冷却 一部分进入气波制冷机和透平膨 胀机膨胀降温 与返流气混合为第三 第二 第一 预冷器提供冷量 另一部分经第三预冷器 深冷换 热器冷却并节流后进入分离器 产生的气体返流冷 量回收 产生的液体进入LNG储罐 该装置特点 采用天然气膨胀制冷循环 通 过低温甲醇洗和分子筛干燥联合进行原料气净化 采用气波制冷机和透平膨胀机联合进行低温制冷 以燃气发动机作为循环压缩机的动力源 利用燃气 发动机的尾气作为加热分子筛再生气的热源 4 中原油田天然气液化装置 4 2001年 中原油田河南中原绿能高科有限责任公司兴建的我 图3 陕北气田天然气液化装置流程 1 氨蒸发器 2 第二预冷器 3 第三预冷器 4 深冷换热器 5 分离器 6 气波制冷机 7 8 透平膨胀机 9 11 13 水冷却器 10 第一预冷器 12 14 循环压缩机 15 LNG储罐 国首家液化天然气工厂竣工 并一次投料试车成 功 装置日处理原料天然气30 104m3 生产液化 天然气108 t 液化率达到50 装置采用丙烷和乙烯为制冷剂的级联式循环 图4为液化流程示意图 原料天然气进入装置后 首先进入分液罐除去原料气中的液体 然后进入过 滤器过滤掉粒径大的液体和固体 过滤后的天然气 进入脱CO2塔 用一乙醇胺 MEA 法脱除 CO2 脱CO2后的天然气用分子筛干燥器进行脱 水处理 预处理流程中有两台干燥器切换使用 其 中一台干燥 另一台再生 净化后的天然气 首先 利用丙烷制冷循环经过中压和低压丙烷换热器冷 却 然后节流降温进入高压天然气分离器进行气液 分离 液相返流 冷量回收 产生的气相经乙烯换 热器和中压LNG换热器冷却 再节流降温进入中 压天然气分离器 产生的液相进一步经低压LNG 换热器冷却及节流后进入低压天然气分离器 气相 返流冷量回收 液相流入LNG储罐储存 从流程可以看出 该装置的特点是充分利用天 然气气井自身高压的特点 12 MPa 以气体压力 为能量 采取分离 脱水 脱CO2 脱重烃等预处 理后 经过分级制冷 部分液化工艺 使天然气在 013 MPa 145 的条件下液化 该工艺与国外 通常采用的 氮气 甲烷 混合循环制冷工艺相 比 具有收率高 投资少 能耗低 运行费用低 运行可靠等特点 5 哈尔滨燃气工程设计研究院与哈尔滨工 业大学设计的天然气液化装置 5 装置流程如 7 油气田地面工程第27卷第5期 20081 5 图4 中原油田天然气液化装置流程 1 分液罐 2 过滤器 3 脱CO2塔 4 干燥器 5 中压丙烷换热器 6 低压丙烷换热器 7 11 14 节流阀 8 高压天然气分离器 9 乙烯换热器 10 中压LNG换热器 12 中压天然气分离器 13 低压LNG换热器 15 低压天然气分离器 16 LNG储槽 图5所示 经过脱水和脱CO2处理的天然气通过 一个多级单混冷凝过程被液化 制冷压缩机由天然 气发动机驱动 在天然气从LNG系统输出的过程 中 LN G首先通过LNG储罐内的潜液泵被输入浸 没式燃烧器加热 气化后经过加臭进入天然气输配 系统 在运行过程中 由于周围空气总要通过储罐 的隔热层将一部分热量传递到罐内 致使天然气温 度上升 压力增高 因此需要定期抽取LNG储罐 上部空间的气相 经处理后送到天然气输配系统 以保持LNG低温的状态 图5 哈工大天然气液化装置流程 该装置有如下特点 为保证天然气中甲烷的 纯度 重质气态烃在热交换器的冷凝 液化过程中 被分离出来 送至燃气系统 作为天然气气化的加 热燃料 从而节省了运行费用 加快了投资回收 压缩机采用非润滑式特殊设计 可避免天然气被 润滑油污染 采用装有电子速度控制系统的透 平 并且新型透平的最后几级叶片用钛合金制造 改善了机械运转 安装于透平压缩机上的新型离 合器是挠性的 间隙可调 且提高了压缩机的可 靠性 3 结语 LN G技术比较复杂 涉及的专业面很广 它 是天然气预处理 气体分离 深冷技术以及大型低 温容器设计与工艺等方面的综合 而其中又以深冷 技术为核心 目前可用于小型天然气液化装置的流 程很多 以制冷方式可分为3种模式 级联式液 化流程 混合制冷剂液化流程 包括开式 闭式 和丙烷预冷 带膨胀机液化流程 包括天然气膨 胀 氮气膨胀等 选择何种类型的LNG液化流程 必须根据具 体的设计要求和外围条件进行综合考虑 即对不同 液化流程的投资成本 比功耗 运行要求以及灵活 性进行全面对比 因地制宜 才能最终决定采用何 种液化流程 总之 高效 经济的小型天然气液化 装置有利于提高天然气开发效率 推动天然气应用 和改善能源结构 其应用前景十分广阔 参考文献 1 杨克剑 姚中良 300L d天然气液化装置的设计 J 天然气工 业 1994 14 2 84 85 2 孙立权 张先武 撬装式天然气液化装置研制与开发 J 天然气 工业 1998 18 4 85 88 3 顾安忠 石玉美 汪荣顺 中国液化天然气的发展 J 石油化工 技术经济 2004 19 1 1 7 4 李奇 中原油田建首家液化天然气工厂 J 深冷技术 2001 6