小型天然氣液化裝置的研究

小型天然氣液化裝置的研究

1天然氣液化的重要意義天然氣是世界能源消耗的重要組成部分。它是煤炭和石油的三大支柱。我國具有豐富的天然氣資源,隨著我國“西氣東輸”工程的實(shí)施,將有力地促進(jìn)天然氣的開發(fā)和利用。LNG是天然氣的一種獨(dú)特的儲(chǔ)存和運(yùn)輸形式,它是氣田開采出來的天然氣,經(jīng)過脫水、脫酸性氣體和重?zé)N類,然后壓縮、膨脹、液化而成的低溫液體。天然氣液化后,其體積為原來的1/625,有利于天然氣的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸,有利于邊遠(yuǎn)天然氣的回收,降低天然氣的儲(chǔ)存成本,有利于天然氣應(yīng)用中的調(diào)峰。同時(shí),由于天然氣在液化前進(jìn)行了凈化處理,所以它比管道輸送的天然氣更為潔凈。近年來,隨著我國對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視和對(duì)高效、清潔能源認(rèn)識(shí)的深入,對(duì)LNG的開發(fā)和應(yīng)用重視程度逐漸提高。我國已初步規(guī)劃在2010年之前在國內(nèi)沿海建設(shè)7處以上液化天然氣(LNG)接受終端。現(xiàn)已先規(guī)劃在珠江三角洲、福建和浙江省進(jìn)口LNG。國家科技部“十五”清潔汽車行動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目指南明確提出了單一燃料LNG公交車的示范工程,通過示范工程,為全國大范圍提高燃?xì)馄嚨膽?yīng)用水平發(fā)揮示范作用,促進(jìn)國產(chǎn)LNG車的技術(shù)發(fā)展。天然氣液化裝置分為基本負(fù)荷型、調(diào)峰型及小型液化裝置。小型天然氣液化裝置可用于天然氣加氣站、城市調(diào)峰用氣、開發(fā)利用邊遠(yuǎn)小氣田、油井殘氣及沼氣等領(lǐng)域。隨著我國天然氣的開發(fā)和LNG市場的發(fā)展小型天然氣液化裝置將有廣闊的發(fā)展前景。2小型lng裝置小型天然氣液化裝置與大中型相比,最大的特點(diǎn)是設(shè)備簡單緊湊、投資省、尺寸小型化、裝置撬裝化。目前世界上除了加拿大以外,美國、芬蘭等國也在開展小型LNG裝置的研發(fā)工作。它是在市場對(duì)LNG有極大的需求和大宗LNG運(yùn)輸問題可以解決后才迅速發(fā)展起來的。小型LNG裝置通常用于下列場合:(1)調(diào)峰設(shè)施:用途是液化并儲(chǔ)存額外的天然氣以調(diào)節(jié)供氣量與需求量之間時(shí)域的不匹配;(2)小型LNG設(shè)施:槽車比管道輸送LNG更為經(jīng)濟(jì);(3)為交通工具提供天然氣作為清潔燃料。3小型天然氣液化設(shè)備近年來,我國天然氣開發(fā)和LNG市場的發(fā)展引起了一些企業(yè)和科研單位的注意,國內(nèi)已報(bào)道了許多國內(nèi)外小型天然氣液化裝置研制的情況,如吉林油田、中國石油天然氣總公司和中科院低溫中心聯(lián)合開發(fā)研制的500升LNG撬裝式工業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置;中國科學(xué)院低溫中心與四川省綿陽燃?xì)饧瘓F(tuán)總公司、中國石油天然氣總公司勘探局、吉林油田管理局等單位聯(lián)合研制的容量為0.3m3/hLNG和容量為0.5m3/hLNG的天然氣液化設(shè)備;中原石油勘探局建造的國內(nèi)首座小型生產(chǎn)性質(zhì)的LNG工廠;以大連氣波制冷研究推廣中心開發(fā)的氣波制冷機(jī)為核心的丙烷預(yù)冷和氣波制冷機(jī)膨脹制冷、循環(huán)壓縮的小型天然氣液化工藝方案;美國燃?xì)夤に囇芯吭?GTI)研制LNG生產(chǎn)能力為4—40m3/d的小型天然氣液化裝置和俄羅斯建在CNG加氣站和配氣站上的小型天然氣液化裝置等。以下對(duì)這些小型天然氣液化裝置進(jìn)行分析和歸納。3.1各種小型天然氣液化裝置(1)天然氣液化處理工藝該裝置工藝流程如圖1所示。在預(yù)處理環(huán)節(jié),該裝置將氣田井口高壓的天然氣(11MPa)加熱節(jié)流后變成低壓天然氣(1.0MPa),并進(jìn)行油、氣、水分離,然后用國產(chǎn)分子篩對(duì)天然氣進(jìn)行深度脫水和脫二氧化碳處理。在其液化環(huán)節(jié)以高純度氮?dú)庾鳛橹评涔べ|(zhì),利用氣體軸承膨脹機(jī)將氮?dú)庵评涞?157℃,再在冷箱中通過板翹式換熱器與天然氣進(jìn)行換熱使天然氣溫度降到-130℃,然后通過節(jié)流閥降溫降壓至0.35MPa(-145℃)使天然氣液化。整個(gè)裝置由10個(gè)撬塊組成,全部設(shè)備國產(chǎn)化,水、電、制冷工質(zhì)、原料全部自給,并于1996年12月整體試車成功,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或接近設(shè)計(jì)值,它為邊遠(yuǎn)地區(qū)零散天然氣的回收和利用開辟了一條途徑。(2)膨脹機(jī)天然氣管線該裝置工藝流程如圖2所示。在其液化環(huán)節(jié),壓力為4MPa的預(yù)處理天然氣經(jīng)換熱器1預(yù)冷,通過氣液分離器并分離掉重?zé)N,分離后的氣體一部分進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹降溫,降溫后作為制冷工質(zhì)進(jìn)入換熱器2冷卻未進(jìn)入膨脹機(jī)的天然氣,通過節(jié)流閥節(jié)流降溫后使天然氣液化并儲(chǔ)存在LNG儲(chǔ)罐中。對(duì)儲(chǔ)罐中自蒸發(fā)的LNG通過換熱器1和換熱器2進(jìn)行冷量回收后進(jìn)入管網(wǎng)。(3)mea法脫除co該裝置工藝流程如圖3所示。在其預(yù)處理環(huán)節(jié),通過分液罐1除去原料氣中的液體,利用過濾器2過濾掉粒徑大的液體和固體。過濾后的天然氣在脫CO2塔3中用一乙醇胺(MEA)法脫除CO2;脫CO2后的天然氣在干燥器4中用分子篩進(jìn)行脫水處理。在其液化環(huán)節(jié),首先利用丙烷制冷循環(huán)在中壓丙烷換熱器5和低壓丙烷換熱器6中冷卻凈化后的天然氣,然后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫進(jìn)人高壓天然氣分離器8進(jìn)行氣液分離,液相返流冷量回收,產(chǎn)生的氣相經(jīng)乙烯換熱器9和中壓LNG換熱器10冷卻,再節(jié)流降溫進(jìn)人中壓天然氣分離器12,氣相返流冷量回收,產(chǎn)生的液相進(jìn)一步經(jīng)低壓LNG換熱器13冷卻,再次節(jié)流后進(jìn)人低壓天然氣分離器15,氣相返流冷量回收,液相流入LNG儲(chǔ)罐16儲(chǔ)存。(4)分子篩吸附深度該工藝方案流程如圖4所示。在其預(yù)處理環(huán)節(jié),采用一乙醇胺法(MEA)脫除二氧化碳,分子篩吸附深度脫水。在其液化環(huán)節(jié),采用丙烷預(yù)冷,將原料氣和循環(huán)氣溫度降至-35℃,一部份氣體進(jìn)入單機(jī)雙級(jí)膨脹的氣波制冷機(jī)膨脹降溫,降溫后作為制冷工質(zhì)進(jìn)入冷箱冷卻未進(jìn)入氣波制冷機(jī)的氣體,然后節(jié)流降溫進(jìn)入分離器,氣相返流冷量回收,液相儲(chǔ)存。(5)高壓制冷冷卻該裝置工藝流程如圖5所示。它采用混合制冷劑液化循環(huán),制冷劑用螺桿壓縮機(jī)壓縮,由于在壓縮機(jī)出口的高壓制冷劑含有大量的油,所以制冷劑首先經(jīng)油分離器除油,隨后經(jīng)后冷卻器預(yù)冷,預(yù)冷除油后的制冷劑從頂端進(jìn)入多通道鋁平板/翹片主換熱器冷卻,并在主換熱器低端經(jīng)膨脹閥膨脹降溫降壓為氣液兩相流體,隨后制冷劑作為冷源向上流動(dòng)通過主換熱器冷卻高壓制冷劑和天然氣,使天然氣液化。(6)小型液化裝置工藝上世紀(jì)90年代俄羅斯在列寧格勒州和圣彼得堡市進(jìn)行小型LNG生產(chǎn)裝置建設(shè)的試點(diǎn),由列寧格勒輸氣公司(ЛЕНТРАСГАЗ)和СИГМА天然氣公司協(xié)作建設(shè)裝置,КРИОНОРД公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì),開發(fā)了建在CNG加氣站和配氣站上的小型液化裝置(a)建在CNG加氣站上的小型液化裝置該裝置工藝流程如圖6所示。在其液化環(huán)節(jié),凈化原料天然氣進(jìn)入CNG壓縮機(jī),加壓到18—19MPa,經(jīng)丙烷冷劑系統(tǒng)預(yù)冷到-40℃,再進(jìn)入主要裝有渦流管制冷器等設(shè)備的液化工序使天然氣降壓膨脹液化,液相進(jìn)入儲(chǔ)罐,氣相返回原料氣。(b)建在CNG配氣站上的小型液化裝置該裝置工藝流程如圖7所示。在其液化環(huán)節(jié),經(jīng)凈化器凈化后的原料氣分二股,一股輸?shù)綋Q熱器I,另一股到渦流管制冷器,在換熱器I中與渦流管制冷器冷端流出的氣體(-60℃)換熱后到換熱器Ⅱ,在此器中與節(jié)流閥ДР-2膨脹制冷與氣體換熱后溫度為-90℃,最后經(jīng)節(jié)流閥ДР-1膨脹冷卻到液化溫度,流入LNG分離器,并輸出LNG產(chǎn)品。經(jīng)換熱器熱交換后和渦流管制冷器熱端流出的低壓天然氣與配氣站工作后出來的低壓氣匯合后輸給用戶。(c)建在CNG加氣站和配氣站上的聯(lián)合天然氣液化試驗(yàn)裝置建在CNG加氣站和配氣站上的小型液化裝置各有優(yōu)缺點(diǎn),如在CNG加氣站上的小型液化裝置,可保證液化率達(dá)到40%—50%,但要使用丙烷冷劑系統(tǒng)預(yù)冷和壓縮機(jī),能耗較大;在配氣站上的小型液化裝置,不需能耗,但液化率較低。為了克服上述缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了在CNG加氣站和配氣站上的聯(lián)合天然氣液化試驗(yàn)裝置,該裝置工藝流程如圖8所示。在其液化流程中,由干線進(jìn)入配氣站高壓天然氣中分出部分氣體,經(jīng)聯(lián)結(jié)兩個(gè)站管線輸?shù)紺NG加氣站,先由凈化設(shè)施進(jìn)行凈化,凈化后的氣體從點(diǎn)9分二股,一股去換熱器II,另一股去渦流管制冷器II,其冷端氣流在換熱器II中冷卻原料氣,從中流出的氣體在8再分二股,一股去換熱器I,另一股去渦流管制冷器I,其冷端氣流在換熱器I中對(duì)原料氣進(jìn)一步冷卻,高壓原料氣輸入節(jié)流閥II膨脹再制冷,低壓原料氣經(jīng)換熱器Ⅲ后由點(diǎn)0進(jìn)入壓縮機(jī),將氣體壓力提高到15—20MPa,高壓原料氣經(jīng)Ⅲ、Ⅳ換熱器,最后再經(jīng)節(jié)流閥I膨脹制冷,達(dá)到生產(chǎn)LNG的溫度,由點(diǎn)4入LNG分離器,底部流出LNG產(chǎn)品。渦流管制冷器熱端流出低壓尾氣使用噴射器冷卻,本裝置所有低壓尾氣流向配氣站,與該站降壓后天然氣匯合供作商品氣。3.2小型天然氣液化裝置的比較以上介紹的各種小型天然氣液化裝置各有其特點(diǎn),我們從液化指標(biāo)、液化工藝和核心部件、應(yīng)用領(lǐng)域三個(gè)方面,對(duì)這些小型天然氣液化裝置進(jìn)行了比較,如表1所示。4基本負(fù)荷型和調(diào)峰型液化裝置的相似點(diǎn)小型天然氣液化裝置的研究是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,與基本負(fù)荷型和調(diào)峰型液化裝置相似,主要涉及到三方面的內(nèi)容:液化流程設(shè)計(jì)和模擬,液化設(shè)備設(shè)計(jì)和選型,液化裝置調(diào)試和整改。(1)優(yōu)化液化流程液化流程的設(shè)計(jì)要依據(jù)氣源特性,結(jié)合小型天然氣液化裝置區(qū)別于大中型液化裝置的特點(diǎn),即設(shè)備簡單緊湊、投資省、尺寸小型化、裝置撬裝化等設(shè)計(jì)出合適的液化流程,考慮環(huán)節(jié)冷量的獲得方法,如膨脹制冷,節(jié)流制冷,冷劑循環(huán)等。流程設(shè)計(jì)好后要應(yīng)用化工模擬軟件,如HYSYS,HYSIM等進(jìn)行模擬,以獲取液化環(huán)節(jié)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和設(shè)備的工程數(shù)據(jù),為液化裝置的設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù),同時(shí)可對(duì)液化流程進(jìn)行優(yōu)化,使所設(shè)計(jì)的液化流程具有科學(xué)性。由國內(nèi)外小型天然氣液化裝置的研究進(jìn)展可看出,小型天然氣液化裝置的液化流程主要應(yīng)用低溫獲得的節(jié)流效應(yīng),膨脹效應(yīng)和外加制冷劑循環(huán)的方式,由于小型天然氣液化裝置的特殊性,新的低溫理論和技術(shù)的發(fā)展對(duì)其效能會(huì)產(chǎn)生影響,如氣波制冷機(jī)和渦流管制冷器,為此針對(duì)小型天然氣液化裝置的低溫理論和技術(shù)值得廣大低溫領(lǐng)域的學(xué)者關(guān)注。一般地,在對(duì)小型天然氣液化裝置的液化流程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下因素:投資成本、運(yùn)行費(fèi)用、裝置的簡便性和靈活性、液化產(chǎn)品的質(zhì)量要求和液化能力,其中主要是投資成本和運(yùn)行費(fèi)用。(2)液壓設(shè)計(jì)及方案液化設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型要結(jié)合國內(nèi)液化設(shè)備的現(xiàn)狀,立足于使設(shè)計(jì)的小型天然氣液化裝置國產(chǎn)化,取得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),力求形成商業(yè)化規(guī)模。(3)硬件故障檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的小型天然氣液化裝置性能如何,是否滿足生產(chǎn)需要,設(shè)計(jì)中是否還存在問題等等,都必須通過整機(jī)調(diào)試運(yùn)行后才能檢驗(yàn)。調(diào)試前應(yīng)對(duì)所需采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃,明確需要采集哪些數(shù)據(jù),所需采集數(shù)據(jù)的數(shù)量等,以為驗(yàn)證和整改小型天然氣液化裝置提供依據(jù)。5小型天然氣液化裝置特點(diǎn)隨著我國對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視和對(duì)高效、清潔能源認(rèn)識(shí)的深入,對(duì)LNG的開發(fā)和應(yīng)用程度的提高,小型