中原油田天然气液化工艺研究

1、中原油田天然气液化工艺研究杨志毅张孔明王志宇陈英烈王保庆叶勇刘江旭中原石油勘探局 457001 e-mail: 摘 要：本篇参考了国内外有关液化天然气 （LNG ）方面大量的技术资料， 结合中原石油勘探局天然气应用技术开发处 LNG 工厂建设过程中的实践经验，简要介绍了目前国内外 LNG 产业的发展状况和 LNG 在国内发展的必要性以及发展前景。其中 LNG 发展状况部分，引用大量较为详实的统计数据，说明了我国目前 LNG 发展水平同国外水平间的差距与不足，并介绍了我国天然气资源状况，包括已探明的储量。工艺介绍部分，简要介绍了目前国外已用于工业生产

2、的比较成熟的工艺方案， 同时以大量篇幅介绍了中原石油勘探局天然气应用技术开发处， 针对自身气源特点，设计出的三套液化工艺的技术性能及经济比较， 旨在为大家今后从事 LNG 产业开发、利用提供一些有益的帮助。同时本篇还介绍了中原石油勘探局天然气应用技术开发处正在建设中的 LNG 工厂的工艺路线及部分参数。 引言 能源是国民经济的主要支柱， 能源的可持续发展也是国民经济可持续发展的必不可少的条件。 目前，我国能源结构不理想，对环境污染较大的煤碳在一次能源结构中占 75% ，石油和天然气只占 20%和 2%，尤其是做为清洁燃料的天然气，与在世界能源结构中占 21.3%的比例相比，相差 10 倍还要多

3、。所以发展清洁燃料，加快我国天然气产业的发展，是充分利用现有资源，改善能源结构，减少环境污染的良好途径。 从我国天然气资源的分布情况来看，多分布于中西部地区， 而东南沿海发达地区是能源消耗最大的地区，所以要合理利用资源， 解决利用同运输间的矛盾， 发展 LNG 产业就成了非常行之有效的途径。 液化天然气（ LNG ）的性质及用途： 液化天然气（ liquefied natural gas）简称 LNG ，是以甲烷为主要组分的低温、液态混合物，其体积仅为气态时的 625，具有便于经济可靠运输， 储存效率高，生产使用安全，有利于环境保护等特点。 LNG 用途广泛，不仅自身可以做为能源利用 ,同时可

4、作为 LNG 汽车及 LCNG 汽车的燃料， 而且它所携带的低温冷量， 可以实施多项综合利用，如冷藏、冷冻、空调、低温研磨等。 液化天然气（ LNG ）产业国内外发展情况： 1国外 LNG 发展情况： 液化天然气是天然气资源应用的一种重要形式， 目前 LNG 占国际天然气贸易量的 25%，1997年已达 7580 万吨，（折合 956 亿立方米天然气）。LNG 主要产地分布在印度尼西亚、马来西亚、澳大利亚、阿尔及利亚、文莱等地，消费国主要是日本、法国、西班牙、美国、韩国和我国台湾省等。 LNG 自六十年代开始应用以来， 年产量平均以 20%的速度持续增加， 进入 90 年代后，由于供需基本平衡

5、，海湾战争等因素影响， LNG 每年以6 8%的速度递增，这个速度仍高于同期其它能源的增长速度。2 国内 LNG 概况 在我国，液化天然气在天然气工业中的比重几乎为零，这无法满足我国经济发展中对液化天然气的需求， 也与世界上液化天然气的高速度、大规模发展的形势相悖，但值得称道的是，我国的科研人员和从事天然气的工程技术人员为我国液化天然气工业做了许多探索性的工作。 目前，有三套全部国产化的小型液化天然气生产装置分别在四川绵阳、 吉林油田和长庆油田建成，三套装置采用不同的生产工艺，为我国LNG 事业发展起到了很好的示范作用。3 我国天然气资源优势我国年产天然气 201 多亿 Nm3,天然气资源量超

6、过 38 万亿 M3，探明储量只有 4.3%，而世界平均为 37%，这说明我国天然气工业较落后， 同时说明了我们大力发展天然气工业是有资源保证的， 是有潜力的。 目前几种成熟的天然气液化工艺介绍天然气液化过程根据原理可以分这三种。第一种是无制冷剂的液化工艺，天然气经过压缩，向外界释放热量，再经膨胀（或节流）使天然气压力和温度下降， 使天然气部分液化； 第二种是只有一种制冷剂的液化工艺，这包括氮气致冷循环和混合制冷剂循环， 这种方法是通过制冷剂的压缩、冷却、节流过程获得低温，通过换热使天然气液化的工艺；第三种是多种制冷剂的液化工艺， 这种工艺选用蒸发温度成梯度的一组制冷剂如 丙烷、乙烷（或乙烯）

7、、甲烷，通过多个制冷系统分别与天然气换热， 使天然气温度逐渐降低达到液化的目的， 这种方法通常称为阶式混和制冷工艺或复迭式制冷工艺。中原油田天然气液化工艺研究天然气液化工艺包括净化单元和液化单元两大部分，净化单元脱除原料气中的水、重烃、酸性气体（H2S，CO2）、汞等不利于液化单元正常工作的有害物质；液化单元主要是利用外加冷源和自身压力能使气态天然气转化为液态的工艺过程。 1中原油田天然气及气质情况： 中原油田年产天然气 13 亿立方米，文 23 块气田是全国有名的整装气田， 以压力高且稳定， 气质好、产量高而闻名全国。根据资料分析，文 23 块气田的压力在 12MPa 可以维持十年以上，该3

8、 / 6气田的天然气中甲烷含量达95%以上，CO2 和 C5 以上组分含量很低，不含 H2S 和 Hg。另外中原油田拥有丰富的中压和低压输气管网，为低成本运行的部分液化工艺提供了较优越的条件。2净化工艺： 脱水常用的方法是分子筛吸附法，这种方法可使天然气中水蒸气脱至1PPM，我们拟采用分子筛吸附法脱水，天然气中的酸性气体CO2 和H2S 的脱除常采用分子筛吸附法和溶剂吸收法，中原天然气中不含H2S，CO2 含量在 1.1%，我们采用溶剂（DEA ）吸收法脱除 CO2， C5以上重烃脱除常用的方法也有两种,就是活性碳吸附法和制冷分离法,根据中原天然气中C5 以上的组分含量和天然气的压力、温度、流

9、量等参数，采用低温分离法较合适。3。预选的液化工艺：工艺方案一：丙烷预冷 +节流工艺（图 1） 净化后的原料气进液化装置压力为12Mpa、40，首先经过丙烷预冷至 -35左右， 再经尾气冷却后进行一次节流至 1MPa，此时得到 1Mpa 的 LNG 和 1Mpa 不凝气，不凝气回流预冷天然气后进入1Mpa 的外输管网， LNG 再次节流至 0.3Mpa，此时得到 -146L C、0.3Mpa 的 LNG 和不凝气，不凝气回流预冷一次节流前的天然气以回收冷量， 降低能耗。LNG 进入低温储罐储存。图1（略）工艺方案二：丙烷预冷+双膨胀机 +节流（图2） 净化后的高压天然气首先节流至8Mpa（考虑

10、到国产膨胀机最大工作压力为8Mpa），经过丙烷或氨预冷至 -30L C 进入高压膨胀机， 膨胀至 3.2Mpa后进入一级分离器， 气相再经过低温尾气预冷后进入中压膨胀机，膨胀至 0.6Mpa，再进入二级分离器，气相的低温尾气回流预冷二级膨胀机前的天然气，液相经过节流至0.3Mpa 进入 LNG 储罐， 0.3Mpa低温尾气回流冷却原料气。 0.3Mpa 的 LNG 进入储罐。图 2（略） 工艺方案三：丙烷预冷 +乙烯预冷 +节流（图 3） 在充分吸取国外先进工艺技术的基础上，结合国内、国外有关设备的情况，我们又研究出第三套 LNG 工艺技术方案。图 3（略） 净化后的高压天然气，先经过丙烷预冷

11、至 -30L C 再经过乙烯制冷系统冷却至 -90L C，再经过一级节流产生 1Mpa 的 LNG 和低温尾气，然后进行二次节流至 0.3Mpa，产生 0.3Mpa 的 LNG 和低温尾气，中低压低温尾气均回流预冷和过冷丙烷和乙烯两种制冷介质。 丙烷制冷和乙烯制冷系统是两个相对独立又相互联系的系统， 两个系统通过调节制冷剂温度和流量来控制天然气的温度，并设尾气冷量回收系统回收尾气的冷量， 高压节流产生的冷量在装置中被充分利用。 4。液化工艺方案技术经济比较 方案一方案二 方案三 原料气量 30104m3/d 30 104m3/d 30104m3/d 能耗 0.1Kwh/Nm3 0.08Kwh/

12、Nm3 0.13Kwh/Nm3 收率 18% 37.80% 50%工艺优点 工艺流程短 ,设备少 装置可靠 ,能耗低。 能耗较低 , 工艺流程简单收率较高 收率高，各制冷系统相对独立，可靠性 。 、灵活性好。 收率低，经济效益不 装置高速转动部件 工艺相对较复杂，须 理想。 多，操作复杂，极限 两种制冷介质和循 工艺缺点 液化率 37.8%。设备投资高。 环。设备投资高。 中原油田 LNG 工厂工艺方案简介 从以上技术经济比较中，方案三虽然能耗较大，但其收率较其它两种方案高的多， 且比较适合中原油田气源特点， 故我们选择了方案三作为设计基础，并加以改进，形成了独特、合理的天然气液化工艺流程。

13、该工艺流程如下图所示， 120bar/27高压天然气5 / 6进装置后，经高压分离罐分液，然后进入天然气脱单元，本单元采用以一乙醇胺为吸收剂的溶剂吸收法脱除， 再用吸附效果较理想的分子筛脱水； 净化后的高压原料气由丙烷预冷至 -30左右，节流膨胀至 53bar/-60左右， 分离脱除重烃， 再经乙烯冷凝， 节流至10bar/-123，分离得中压尾气和中压 LNG ，中压 LNG 再经节流，得到 3bar/-145左右的低压 LNG ，低压尾气同中压尾气一起经回收冷量后分别进入低压和中压管网，低 z 压 LNG 作为产品储存于储罐内。其收率达到 51.4%,能耗为 0.13 Kwh/Nm3 。 七结论 本篇所研究的工艺方案均是部分液化工艺， 充分利用了气源的高压力能， 具有能耗低，成本低的特点， 对全国有类似气源的油气田有一定的借鉴意义。 天然气液化技