PRICOOR天然气液化技术及应用实践.pdf

5 0 石 油与 天 然 气 化工 CHEMI CAL ENGI NE ERI NG OF OI L 8 乙GAS 2 O 1 5 P RI C O⑧ 天然气液化技术及应用实践 罗树 林 盖 绿权 江 浩 张 跃 征 博 莱克威奇 北京 工程设 计有限公司 摘 要P RI CO 是 美国博 莱克威奇 B l a c k 8 L Ve a t c h 拥有 的专利天然 气液化工艺。 目前在 中 国， 和康泰斯公司合作建设的有 2 1 套装置， 其 中 1 3套 已经顺利投产。P R I C O液化工艺适合 多种组分 的进料 气； 冷剂回路是封闭可调节式 系统 ， 单级混合冷剂具有成 熟可靠、 简单 高效和 易于操作等特点。 冷箱 和冷 剂压 缩机是 该项技 术 的核 心 设备 ， 可保 证 装 置 运行 的 长 期 稳 定性 。介 绍 了 L N G 工 厂 的一 些 主要操作情况， 分析 了现场遇到的实际问题 ， 提 出了操作控制的建议 ， 为 L NG新建工厂及 P R I C OT 在 技 术和操 作 方面提 供指 导 。 关 键词P R I C O 天 然 气液 化 L NG 混合 冷剂 工 厂操作 中 图分 类 号 TE6 4 6 文 献标 志码 A DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 1 PRI CO⑧n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n t e c h no l o g y a n d pr a c t i c a l a p pl i c a t i o n Lu o S h u l i n ，Ga i J i n g q u a n，J i a n g Ha o ，Zh a n g Yu e z h e n g Bl a c k V e a t c h C o mpa n y，Be i j i n g 1 0 0 0 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t P RI COi s a n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n t e c h n o l o g y p a t e n t e d b y Bl a c k Ve a t c h，2 1 s e t s o f LNG f a c t or i e s us i n g PRI CO t e c h no l og y h a ve b e e n bu i l t i n c oo pe r a t i o n wi t h Che m t e x Co m p a ny i n Ch i na，1 3 o f whi c h h a ve be e n s uc c e s s f u l l y pu t i nt o o pe r a t i o n． PRI CO l i q ue f a c t i o n t e c h no l og y i s a n o pe n p r oc e s s whi c h i s s u i t a b l e f o r f e e d g a s wi t h m ul t i pl e c ompo ne nt s ． The r e f r i ge r a nt l o op i s a c l os e d a d j u s t a b l e s y s t e m wi t h s i n g l e g r a d e mi x e d r e f r i g e r a n t ，i t wa s p r o v e d t o b e ma t u r e a n d r e l i a b l e ，s i mp l e a nd e f f i c i e nt a s we l l a s e a s y t o op e r a t e ．Co l d b ox a nd r e f r i g e r a n t c o m p r e s s o r a r e c or e e q ui p m e n t o f t he t e c hn ol o g y，whi c h e ns ur e l o ng t e r m s t a bl e o p e r a t i o n ． Ke y o pe r a t i o ns we r e i n t r od uc e d i n t he pa p e r ， pr o bl e ms e nc ou nt e r e d i n f i e l d we r e i n v e s t i ga t e d， a nd o p e r a t i o n r e c om me nd a t i on s we r e p r o vi d e d， whi c h c o ul d pr ov i d e t e c hni c a l a nd o p e r a t i on a l g ui d a n c e f or ne wl y bu i l t LNG f a c t o r y a n d PRI CO f a c t or i e s ． Ke y wo r d s PRI CO ，n a t ur a l ga s l i qu e f a c t i o n，LNG ，m i x e d r e f r i ge r a nt ，pl a n t o p e r a t i on 最 近几 年 ， 国 内天 然 气 需 求 的增 长 促 进 了 L NG 产业 的快 速 发展 ， 先 后 有一 些 L NG 工厂 建 成投 产 ， 多 以引进 国外专利液化技术为主 ， 其 中采用美 国博莱克 威奇 B l a c k Ve a t c h 公司 P R I C O 专利液化技术的 装置有 2 1套 ， 其 中 1 3套 已经顺利投产 ， 应用 比较广 泛 。P RI CO 液化工艺是单循环混合制冷系统 ， 尤其 适合于中、 小型规模处理量的 L NG工厂 。本 文通过 对 P R I C O液化技术 、 装置关键设备和主要操作控制 等方 面 的介 绍 ， 为 新 建 和 在 运 行 的 L NG 工 厂 在 技 术 和操作 方 面提供 指 导 ， 同 时也 为其 他 类 型 的 液化 工 艺 提供 借鉴 。 1 技术介绍 1 ． 1 P RI C O 液化 流程 P RI C O 专 利 液 化 工 艺 流 程 图 ， 见 图 1 。原 料 气 液化前 ， 需经过胺洗 脱酸性气 单元脱去其 中的 C O z 作者 简介 罗树林 1 9 7 9 一 ， 男 ， 湖北黄石人 ， 2 0 0 1年毕业 于中国石油大学 北京 化学与工程专业 ， 硕士 ， 高级工程师 ， 现就 职于 博莱克威奇工程公 司 ， 主要从事液化天然气项 目的设计 和开车。E - ma i l l u o s b v ． t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4卷 第 1期 罗树林 等 P R I C 0⑧天然气液 化技 术及应用实践 和 H。 S 如原 料 气 中无 酸 性 气 体 ， C O 体 积 分 数 小 于 5 o 1 o 一， 不需该单元 。然后进入干燥和脱汞单元脱 除水分和汞杂质， 除汞的原 因是因为汞杂质会损害下 游的冷箱换热器。净化后 的天然气 ， 先在冷箱换热器 上 部进 行 预冷 却 ， 流股在 冷 箱 中间点 取 出 ， 根 据实 际组 分情况 ， 可进行重烃分离或进入其他分离系统 ， 脱除重 烃 的天 然气进入冷箱底 部深冷后 ， 产出 L NG。L NG 减压后进入 L NG大罐储存 ， 大罐的闪蒸气 B OG流股 经压缩机压缩后 ， 可进行再 液化 回收 L NG或用作工 厂 的燃料气。P RI C O E 艺的冷剂回路是一闭式循环 系统 ， 由一个离心式二段压缩机及其段间冷凝器 、 分离 罐和循环泵组成。混合冷剂从吸人罐中进入压缩机一 段 ， 经压缩冷却后进人段间罐 ， 段 间罐的气相进入压缩 机 二段 压 缩后 去往 排 放 罐 ， 液 相 通 过 泵 加 压 后 进入 排 放 罐 。排 放罐 中的气 相 与 液 相 分 开 进 入 冷 箱换 热 器 ， 液相通过阀门控制， 可根据情况 随时调整混合冷剂进 入冷箱换热器的组成。混合冷剂进人冷箱换热器后 ， 在 J T阀的作用下 ， 为冷箱提供冷量 。 图1 P RI CO 。 液化工艺流 程 F i gu r e 1 PRI CO。l iqu ef ac t ion p r o c es s 1 ． 2 流 程特 点 由热力学原理可知， 最有效的液化技术是制冷剂 的蒸 发 曲线 与 被 液 化 气 体 的冷 却 线 完 全 匹 配。 P RI CO 2 K 艺是基 于这一基础理念而设计 ， 实现 了混 合冷剂在不需要多级压缩 的情况下 ， 能够很好地将制 冷剂 的蒸发 曲线与天然气 的冷却 曲线匹配起来 ， P RI C O流程是单级混合制冷 ， 属于高效 的天然气液化工 艺 ， 适 应 中、 小规 模 的 L N G 装 置 。 1 ． 2 ． 1 工艺流程成熟可靠 ，简单高效， 易于操作 P RI C O流程 简 短 紧 凑 ， 功 耗 相 对 较 低 引， 天 然 气可从常温直接一步降温到 一1 6 2℃， 得 到 L NG， 中 间没有其他环节 ， 流程 比较简单。装置设备数量少 ， 布 置紧 凑 ， 与 其 他 流 程 [ 5 ] 相 比 ， 节 省 了许 多 低 温 的 设 备 、 仪表 和管 线 ， 大 大减 少 了投资 。控 制 系统 中所需 仪 表减 少 了 3 0 或更多 ， 操作人员需 要控制 的仪 表很 少 。初次 开 车通 常 需 7 ～ 8 h ， 短 暂 停 车 后 再 开 车 ， 在 3 O ～6 0 mi n以 内 即可 达 到 正 常 运 行 。关 键 设 备 选 用 长期运行可靠 的压缩机和板翅换热器 ， 增加 了操作 的 可靠性 。通常装置可以在 3 O ～1 1 O 范围内正常运转 。 1 ． 2 ． 2 原料 气的适应性 原料气的组分复杂多样 ， 有天然气、 焦炉气或合成 气 。许 多工 厂 的天然 气 来 源 是 多个 管 网供 给 ， 天 然 气 组分变化很大， 使得设计时天然气组分不确定 ， 给前期 设计带来 困难。通 常 C 。 ～C 组分会影 响 L NG产 品 的发热量， 重组分 C 以上需提前脱 除， 以免重烃类冻 堵 冷箱 。P R I C O流程 对原料 气 有很 大 的灵 活 性 和适 应性， 可以根据实际情况 ， 在其基础上改进和辅以其他 流程， 以处理复杂的原料气工况。表 1列出了几个典 型 P R I C OL NG工厂 的原 料 气 组分 特点 和其 采 用 的 P R I C O及辅 助流 程 。 表 1典型 P R IO OTF气及 流程特点 Ta bl e 1 Fee d g as a n d pr oc es s ch a r ac t er i s t i c s o f t y p i c a l P RI CO f a c t o r i e s 由表 1可 知 ， 针 对 不 同 组 分 的 原 料 气 ， 都 可 以 P RI C O 流 程为 主 ， 并结 合其 他 辅助 系统 ， 优 化得 到 解 决 方 案 的工艺 流程 。 1 ． 2 ． 3封 闭式冷 剂 系统 冷剂 回路是独立循环的封 闭系统 ， 当冷剂 回路 调 试好后 ， 操作 中通常不需要再补充或补充很少 。气 相 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油与 天 然 气 化工 CHEMI CAL ENGI NE ERI NG OF OI L GAS 和液相冷剂分开进入冷箱 ， 在冷箱 内进行气 液混合。 除非计划检修或系统需要 打开维修 ， 冷剂可以储存在 系统 中而 避免 冷剂 损失 ， 因 为 系统 的设 计 压力 足 以承 受这种情况。冷剂循环量和冷剂的组分可在控制室中 根据需要实时调节 ， 相对于液化部分， 冷剂回路可独立 运行 ， 装置停车时 ， 冷剂系统可不停车。冷剂 回路主要 参数见表 2 。 表 2冷剂 回路 主要参数 Tabl e 2 Ma i n par amet er s o f r e f r i g er a n t l o op - a／ 表压 -E ／／ ／ T 流 、 温度 表压 ／表压 J 一 阀 ， 、 开度／ ℃ MP a MP a MP a前／ 后 ／ ℃ 。 “ 3 5 0 ． 1 8 1 ． 1 ／ 3 ． 9 4 ． 4 8 1 5 6 ／ 一1 5 9 1 5 6 注 5 0 7 0 注 规模为 2 5 1 0 t ／ a L N G工厂参数。 1 ． 3 关 键设 备 1 ． 3 ． 1 冷箱 冷箱是由多个传热效率很高的铝质钎焊板翅式换 热器集合而成 ， 冷箱壳体 内充满珠光砂绝热材料 ， 不含 其他任何阀门、 设备或非焊接 的接 口。 日常没有特别 的维护。当装置规模变大时 ， 冷箱 芯 的数量也会增 加 ， 如 新疆 项 目的冷 箱 有 6个 芯 。冷 箱 的流 道有 6股 或多 至 8股 ， 各 通道 以不 同方 式叠 置 和排列 ， 可形 成不 同的流动形式 如图 2 。 图2 冷箱结构示意图 F i g u r e 2 S k e t c h o f c o ld b o x s t r u c t u r e 1 ． 3 ． 2冷剂压 缩机 冷剂压缩机是二段离心式单体压缩机 ， 电机或透 平驱动 。与双体压缩机相 比， 具有体积小 、 结构简单 的 特点 。实 际运行 稳 定 ， 可 靠 性 强 。压 缩 机 的 功耗 占据 液化装 置 的大部 分功 耗 。从压 缩机 的功 耗大 体能 反映 出液 化装置 的能耗 。 2操作与控制 2 ． 1胺洗 单元 酸性气体的脱除常用配方 MDE A胺液吸收的方 法 。MD E A溶液对系统的清洁要求很高 ， 如果 系统 中 存在有烃类 、 油类 、 F e S或 F e OH 。 等腐蚀物 ， 会使溶 液 的表面 张力减 低 ； 当系 统 运行 不 稳 定 ， 如 操 作 温 度 、 压 力 和酸性 气含 量波 动 大时 ， 就会 引起胺 液 的起泡 。 2 ． 1 ． 1 工程案 例 陕西一 工 厂 L NG 装 置 在 调 试 过 程 中 ， 出 现 胺 液 起泡现象 ， 表现为胺塔压差快速上升 ， 液位波动剧烈 ， 难 以稳定控制 。操作记 录表 明， 每次起泡的时间都 出 现在往系统里添加脱盐水的时候。通过检查脱盐水管 线 ， 发 现脱 盐水 颜色 是 黄 色 ， 似 有 被 铁 锈 污染 的迹 象 。 究其原因是脱盐水末端 的管线没有清洗 干净 ， 管线 内 存 留和 累积有很 多铁 锈 杂质 。对此 的处 理措 施是 将这 段管线隔离起来 ， 反复清洗合格后投入使用 ， 起泡现象 便不再出现。 2 ． 1 ． 2 操 作 建议 ①投入前， 确保 系统 的清洁， 加强对 MDE A 溶液 清洁度和浓度 的监控 ； ②及 时清洗、 更换 系统 中的滤 芯 ， 控 制脱 盐水 氧含 量 ， 防止 胺 降 解 ； ③ 定 期 检 查胺 液 中是否有烃类 化合 物和油污等。做好 这些维护工作 后 ， 可保证 胺 系统平 稳运 行 。 2 ． 2 冷 箱温 度控 制 冷箱 的 温度 是 L NG 装 置 生 产 的 主 要 控 制 环 节 ， 冷 箱温度 过 高或过 低 ， 将 会 影 响 到 产 品 的规 格 和 装 置 的能耗 。 由于设备 材 料 应 力 的影 响 ， 冷 箱 的降 温 速 率 要控制适 中， 不能过快 ； 如果瞬时降温速率过快， 则要 稳定平衡一段时间后才可继续 降温 ， 结合冷箱厂家 的 数据和工厂实际操作经验 ， 通常冷箱的降温速率控制 在 0 ． 5。 C／ mi n 。 2 ． 2 ． 1 工程 案例 四川某 项 目初期 开 车 时 ， 冷 箱 的 降 温一 直 不 好 控 制 ， 操 作人 员每 次调节 冷 剂组分 的时候 ， 冷箱 的温 度波 动很 大 见 图 3 。经 检 查 发 现 ， 调 节 冷 剂 组 分 的 阀 门 为手 动 阀 ， 阀 门 内漏 严 重 ， 调 节 起 来 偏差 很 大 ， 尤 其 是 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4卷 第 1 期 罗树林 等 P R I C 0⑧天然气液化技术及应用实践 负荷低时对冷箱温度影 响较大 。后来经过改进 ， 将手 动 阀换成精度高的控制 阀， 调节冷剂组分时就 比较容 易， 冷箱温度也就易于控制 了 见图 4 。 ＼ 赠 时间点 图3 改进前的降温曲线 F i g u r e 3 Co o l in g c u r v e b e f o r e imp r o v e me n t 时 间点 图4 改进后的降温曲线 F i g u r e 4 Co o l i n g c u r v e a f t e r i mp r o v e me n t 2 ． 2 ． 2操 作 建议 1 对 J T 阀 门 的调 节 以 微 调 为 主 ， 保 持 每 次 0 ． 2 左右的调节开度 ， 间隔时间 5 rai n以上 。 2 冷热流股负荷需交叉进行匹配 ， 每 次小幅度 地 增加 或 减少 。 3 观察 冷 箱 各 点 的温 度 变 化 趋 势 ， 提 前 采取 调 节措施 。 4 低负荷运行情况下 ， 多个芯的冷箱 ， 各芯之间 是相互独立 的， 有些偏流属正 常情况 ， 负荷逐渐增 加 后 ， 偏流的情况会慢慢消失 ， 各芯会均衡 。 5 冷箱温度的调节需与压缩 机运行情况结合起 来控制。 2 ． 3 冷 箱通 道堵 塞 冷箱 冻堵 是 L NG 装 置 常 出 现 的情 况 ， 当原 料 气 预处理不彻底 ， 如杂 质 甲醇、 水 、 C O 等超标 时， 都会 造成冷箱的冻堵 。另外 ， 冷箱通道局部温度过低或重 烃组分未分离干净 ， 也会使通道的压差增大。 2 ． 3 ． 1 工程 案 例 陕西某工厂在连续几天 的时间里， 冷箱通道 的压 差 出现 缓慢 升 高 的趋 势 ， 开 始 怀疑 有 部 分 重 烃被 夹 带 到冷箱 中造成冻堵 ， 但重烃分离操作都正常 ； 后来根据 操作规律发现 ， 压差 的增加与分子筛床层切换时间比 较吻合 ， 通过检查和核算分子筛的吸附周期 ， 初步判断 出分子筛吸附时间超出， 床层出现穿透造成了冷箱通 道堵塞。通过把吸附时间进 行缩短调整 ， 该情况就没 有 出现 了 。 2 ． 3 ． 2 操 作 建议 冷箱 在轻 微 冻堵 的情 况 下 ， 可 通过 在 线 复 温 得 以 快速 化解 。在 一些 工 厂 中 ， 遇 到 过 各种 形 式 的冻 堵情 况 ， 经逐一分析并 找出原 因后 ， 采取 了相应 的处理措 施 。表 3总结 了相关 的冻堵 原 因和操 作建 议 。 表 3冷 箱 冻 堵 的原 因和 操 作 建议 Table 3 Rea s o ns an d op er at ion r e co mmen d at i on s o f c ol d bo x bloc ki n g 2 ． 4能 耗优 化 L NG项 目许 多是 调 峰型 的装 置 ， 在 天然 气 需求 低 的季节里， 装置往往需减产或低负荷运行一段时间， 能 耗的优化对工厂效益显得很重要。能耗优化的操作主 要有 ①核算并调整分子筛 吸附周期 ， 减少燃料气的消 耗 ； ②优 化 冷 剂 组 分 ， 调 整 J T 阀 和 回流 阀 ， 减少 压 缩 机吸入压力 ， 降低压缩机电流； ③调整胺液循环量 ， 降 低锅炉负荷 ； ④减少蒸发气压缩机荷载 ， 降低压缩机功 耗 。 下 转第 5 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 58 石 油 与 天 然 气化 工 CHE M I CAL ENGI NEE RI NG OF OI L ＆ GAS 表 5蒸汽消耗量及年成本 比较 Tabl e 5 Oompar i s on o f s t ea m c o n s u mp t i on a n d a n n u al c o s t 表 6总运行成 本比较 Tab l e 6 Co mpa r i s on o f t o t al o pe r at ion c os t 4 结 论 系统的冷量大部分 由氮气膨胀提供， 氮气膨胀机选 用增压透平膨胀机组 的形式 ， 用膨胀代替焦尔一 汤姆逊 节流效应 ， 对于等熵效率较高 的膨胀机 ， 制冷效果有 明 显的提高 ； 膨胀机的增压端设 置在氮气压缩机后 ， 用于 补充增压 。在等熵效率为 8 O 的情况下 ， 氮 气膨胀机 的出 口带 液量 为 7 ％ ， 成 熟 的 国产 膨 胀 机 厂 家 就 能 满 足要求 。 合成气深冷分离采用双塔提取 L NG工艺 ， 具备有 效的调节精馏塔热负荷的手段 ， 使整个装置的操作更加 灵活、 稳定 ； 并配以高效的板翅式换热器 ， 利用膨胀制冷 的同时， 充分 回收装置 自身冷量 ， 使整个装置的能耗 降 低 ； 装置采用独立 的氮循环制冷系统 ， 不仅能够 提供低 温位 一1 7 8。 C ， 还能够适应变工况操作条件。无论是 从能耗 、 设备投资还是操作性上考虑 ， 该工艺都是 比较 经济可靠的。 参 考 文 献 [ 1 ]杨绍斌 ，王继仁 ，王志宏．中国煤 制甲醇的现状及 发展口] ．洁净煤 技术 ，2 0 0 1 ，7 4 1 - 2 ． [ 2 ]李永生．煤制甲醇项 目的可行性 分析 [ J ] ．同煤科技 ， 2 0 0 5 ， 3 1 1 3 ． [ 3 ]宋俊平 ，王转 红 ， 戴成 阳．煤制 气液化分离工 艺技术研究 E J ] ．科技 与 企 业 ．2 0 1 3 ， 9 1 8 3 7 2 - 3 7 3 ． 收稿 日 期 ； 2 0 1 4 ～ 0 7 1 1 ； 编辑 康莉 上接 第 5 3页 3 结 论 1 天然 气 液化 流 程 追 求 高 效 率 、 低 能耗 和较 少 投资 ， 以 此 降低 产 品生 产 费 用 ， 增 加 市 场 竞 争 力。 P RI CO E 艺 很好 地将 制冷 剂 的蒸 发 曲线 与 天然 气 的 冷却 曲线 匹配 起来 ， 液化 工 艺 简 单 高效 ， 成 熟可 靠 ， 适 用于多种复杂的进料气 。冷剂回路是封闭独立可调式 系统， 易于操作 ， 在中小型负荷的 L NG上应用普遍 。 2 冷箱和压缩机是保证装置长期平稳运行 的关 键设备 。当规模增大时 ， 冷箱芯 的数量 和压缩机机型 也 相应 增加 。 3 酸性气脱除单元的操作需保证胺液系统干净 不受污染 。冷箱温度的控制 以缓慢平稳为 主， 降温速 率控制在小于 0 ． 5℃／ rai n 。调节冷剂组分 的阀门宜 准确控制 ， 冷箱通道 的堵塞是 由于上游 C O。 、 水或重 烃等引起 ， 需分析 出冻堵原 因后 采取相应处理 措施 。 工厂在低负荷运行中， 需采取降低和优化能耗 的操作 。 参 考 文 献 [ 1 ]郭海燕 ，张炜森．珠海 L NG装置技术分析 与运行情况 [ J ] ．石 油与 天然气化工 ，2 0 1 2 ，4 1 1 4 3 4 7 ． [ 2 ]李青平 ，孟伟 ， 张进盛 ，等．天然气液化制冷工艺 比较与选择 E J ] ． 煤气与热力 ，2 0 1 2 ，3 2 9 B o 4 一 B 0 9 ． E 3 ]李均方 ，张瑞 春 ， 夏功科．原料天然气组分 变化对 L NG装 置 的影 响及对策I- J ] ．石油与天然气化工 ， 2 0 1 4 ，4 3 3 2 6 2 2 6 5 ． [ 4 ]陈永东 ，周兵 ， 程 沛．L NG工厂换热技术 的研究进展E J ] ．天然气 工业 ，2 0 1 2 ，3 2 1 0 8 O 一 8 5 ． E s ]曹文胜 ， 鲁雪生 ， 顾安忠 ， 等．我 国 L N G工厂 的生产流程介绍[ J ] ． 天然气工业 ，2 0 0 5 ， 2 5 5 1 0 0 1 0 2 ． [ 6 3王家 根 ， 何愈歆．B OG脱氮对 P RI CO液化工艺 的影响 [ J ] ．油 田 储运 ， 2 0 1 3 ，3 2 1 1 1 2 6 1 1 2 6 4 ． [ 7 3林文胜 ， 顾安忠 ，朱刚．天然气液化 装置的流 程选 择 E 3 ] ．真 空与 低温 ， 2 0 0 1 2 1 0 5 1 0 9 ． 收稿日期 2 0 1 4 0 8 ～ 1 9 ； 编辑 康莉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m