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液化天然气技术与装备 马小明 3 刘慧华 华南理工大学工业装备与控制工程学院 摘 要 概括介绍了LNG的关键技术 液化技术,详细介绍了当前主要的液化工 艺,如丙醇预冷却混合制冷剂液化工艺PPMR、 优化级联液化工艺OCLP和双混 合制剂液化工艺DMR等。同时还介绍了建立LNG工厂时需考虑的其他关键问题, 如换热器、压缩机、动力设备及其他设备的选择参考原则。 关键词 液化天然气 液化技术 换热器 液化工艺 制冷剂 1 LNG工艺过程 液化天然气LNG工艺路线的确定须由 工序、辅助设备、工厂外围设备所包括的专有 和常规技术等确定,同时符合供气部分技术装 备要求。本文主要介绍了适用于基荷型LNG 厂的主要液化流程及其设备。 图1为典型的LNG工艺流程示意图,工 序和设备的技术条件取决于现场条件、气源质 量及生产技术规范 [1 ]。通常 ,进入气体处理 厂或LNG厂的气体需要分离出重烃,并经仪 表计量,其运行压力需控制在工厂设计运行压 力范围内。原料线上游天然气要去除影响液化 工艺与设备的杂质,包括酸性气体、硫化物、 水和汞等。经制冷剂冷却分离出重烃,余下主 要成分为甲烷、低于011 /mol的戊烷和重烃 气体,最后通过深冷换热器冷却并经闪蒸过冷 到- 160℃ 左右液化。 经冷却、分馏得到重烃、乙烷、丙烷、丁 烷。通常乙烷重新注入LNG中,丙烷、丁烷 图1 LNG工艺流程 可重新注入气源或作为LPG产品输出,剩余 产品如戊烷和重组分作为汽油产品输出。其辅 助工艺系统包括燃气用于发电、 冷却介质 水或空气、 加热介质蒸汽或热油系统以及 空气和氮气系统等 [2 ]。 2 液化技术 天然气的冷却与液化是LNG工厂的关键 工艺。液化技术基于制冷循环,通过压缩机使 3 马小明,男, 1962年生,硕士研究生导师,副教授。广州市, 510640。 75 化工装备技术 第28卷 第3期2007年 制冷剂与原料气进行热交换。LNG厂由并行 生产线构成,完整的生产线包括冷却、液化及 输送等过程,其生产能力取决于液化工艺流 程、制冷剂、压缩机/驱动设备的最大功率及 所采用的换热器 [3 ]。 液化过程基本原则是,使源气和制冷剂二 者的冷却/加热曲线最大程度地吻合,从而提 高液化效率。典型的冷却曲线见图2。 图2 典型天然气/制冷剂冷却曲线 天然气为多组分混合物,各组分液化温差 大,可在不同压力下选用单组分制冷剂或混合 制冷剂,使液化效果最优。采用换热表面积较 大的、多流道的换热器效果更好,如螺旋缠绕 管式或板翅式换热器等。 下文主要介绍混合制冷剂液化工艺,并强 调各工艺的区别。 211 丙烷预冷混合制冷剂液化工艺PPMR 自上世纪70年代以来, APCI公司的 PPMR [3 ]工艺在世界基荷型 LNG厂中占有相当 重要的位置,其典型流程见图3。 图3中,预冷循环用丙烷冷却,液化及深 冷循环选用由氮气、甲烷、乙烷及丙烷组成的 混合制冷剂。预冷循环在K型釜式换热器中 进行,丙烷在三到四个不同压力级别下将源气 冷却到- 40℃,同时部分液化混合制冷剂。丙 烷在壳程沸腾池中蒸发,天然气经管程流出, 用带侧管离心压缩机将蒸发的丙烷气流在115 ～215MPa压力条件下液化并送至丙烷罐中。 混合制冷剂循环在特殊螺旋缠绕管式换热器中 图3 丙烷预冷混合制冷剂液化工艺 进行,经部分液化的制冷剂分成蒸气和液流两 部分,在- 35℃～- 150℃ 下对源气进行深冷 液化。 缠绕管式换热器由7～8束垂直排列并缠 绕而成的管束安装在立式壳体中构成,源气和 制冷剂由换热器底部进入管中,自下向上换热 冷却,至换热器顶部时源气液化流出。液态混 合制冷剂经中间管束加热后再经过焦耳-汤姆 逊J - T阀或膨胀机在壳程发生闪蒸现象, 并流向换热器底部蒸发而使底部管束过冷。混 合制冷剂流经顶部低温管束时液化过冷,经焦 耳-汤姆逊阀在壳程内闪蒸,然后向下流动, 将顶部的管束冷却,与液态冷却剂混合后冷却 底部管束 [4 ]。将进入 MCHE底部的混合制冷 剂蒸气,经压缩机加压至415～418MPa,再经 空气或水冷却后送入丙烷制冷剂冷却、液化工 段,再循环送入主深冷换热器。 早期多采用离心式压缩机,不同阶段采用 不同压缩机,低压LP阶段采用轴流式压缩 机,高压HP阶段采用离心式压缩机。新建厂 则多采用汽轮机驱动或MS - 6000或MS - 7000系列燃机驱动。 212 美国博莱克 威奇BV公司的PR ICO 液化工艺 该工艺是早期用于阿尔及利亚的基荷型 LNG厂的一种单级混合制冷流程,目前生产 85液化天然气技术与装备 能力已达130万吨/年,其工艺流程见图4。 图4 PR ICO液化工艺 混合制冷剂由氮气、甲烷、乙烷、丙烷及 异戊烷组成,源气与制冷剂二者加热/冷却曲 线越吻合,液化工艺流程的效率越高。冷却及 液化过程分别在不同压力下通过板翅式换热器 完成。制冷剂只需经由单个压缩机压缩、循 环,简化了液化单元的管道、控制及附属设 备。 213 飞利浦优化级联液化工艺OCLP 飞利浦优化级联液化工艺是由上世纪60 年代LNG工艺改进而来,以实现对大范围源 气进行液化。其工艺流程见图5。 图5 飞利浦优化级联液化工艺 源气的冷却和液化经丙烷、乙烷和甲烷在 2～3个不同压力级别的条件下,通过一系列 垂直布置于冷箱的铝钎焊板翅式换热器 PF 2 HE 完成。预冷在釜式换热器中进行,制冷剂 经离心压缩机循环,制冷循环由MS - 5000系 列燃机驱动。该工艺成本低,缺点是产能有 限。 214 Statoil/Linde混合液级联制冷液化工艺 Statoil/Linde混合液级联制冷液化工艺 MFCP采用三种混合制冷剂,以实现冷却 和液化。其简要流程见图6。 图6 混合液级联制冷液化工艺 一种混合制冷剂流经板翅式换热器完成预 冷,液化和过冷则由另两种制冷剂在螺旋缠绕 管式换热器中完成 [5 ]。该缠绕管式换热器由 林德Linde公司特制,也可用于预冷阶段。 这三种制冷剂分别由丙烷、乙烷和甲烷及氮气 以一定的配比组成。三种制冷剂压缩系统相互 独立或采用2级串联的整体压缩机。使用螺旋 缠绕管式换热器代替传统的制冷换热器,提高 了热效率并改善了操作的灵活性 [4 ]。 215 AxensLiquefin液化工艺 该工艺用简单流程和标准压缩机达到最优 产能,是许多LNG项目较好的选择 [6 ]。Lique2 fin液化流程为双混合制冷剂液化流程,见 95 化工装备技术 第28卷 第3期2007年 图7。 整个冷却和液化经由板翅式换热器在冷 箱中完成,由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及氮气 组成两种不同的制冷剂。第一种混合制冷剂分 别在三个不同压力下对源气及第二种混合制冷 剂预冷,第二种混合制冷剂用于液化及过冷源 气。使用混合制冷剂进行预冷却,可达最低温 度取决于其组成,如- 60℃。该工艺中板翅式 换热器无需特制。 图7 Liquefin液化工艺 216 壳牌公司的双混合制剂DMR液化工艺 壳牌公司的双混合制冷剂液化工艺有两个 独立的循环单元- 50℃ 的预冷却单元,冷却 液化单元。其流程系统结构与PPMR流程系统 结构相似,不同之一在于DMR预冷单元中使 用由乙烷、丙烷组成的混合制冷剂,而非纯丙 烷;另一不同点是预冷在螺旋缠绕管式换热器 中进行,而非在K型釜式换热器中 [7 ]。预冷 及液化中的缠绕管式换热器由林德Linde公 司提供。制冷压缩机由2台MS - 7000系列驱 动,同时轴流压缩机也作为液化制冷剂压缩阶 段的一部分,见图8。 3 液化工艺及其他设备选择 液化工艺及设备的选择主要基于技术和经 济因素技术因素包括工艺系统和设备经验、 可靠性、工艺效率、场地条件和环境等方面; 经济因素包括投资、运营和寿命成本等。 图8 双混合制剂液化工艺 1动力装置的选择受工艺特性如制冷 剂的组成、流量及压力等因素的影响,需使用 不同工艺加以改进,其排列、布局均要符合工 艺流程。驱动装置越大的压缩机其效率越高, 然而,受设计条件的限制,小功率的驱动装 置、压缩机可采用并联方式安装,以提高利用 率。 2某些工艺采用特种设备,如APCI 和Statoil/Linde工艺中用的螺旋缠绕管式换热 器都属特种设备,而某些工艺中用的板翅式换 热器则不属特种设备。设备选择的一些参考因 素见表1。 3此外不同的加热/冷却介质类型将 直接影响系统和设备性能,在直接或间接加热 /冷却系统中,冷媒通常在空气或水二者中选 择;对热媒,可考虑蒸汽或热媒油系统。 4 结论 中国能源消费结构将逐步实现以煤炭消费 为主向油气消费为主的过渡,油气资源体系中 天然气的地位日益重要。对天然气利用的研究 迫在眉睫,液化工艺的选择是LNG厂设计时 的首要问题,要根据不同的实际情况选择相应 的工艺,以达到最优的效果。通过对比不同工 艺的特点,可得到如下参考结论 1丙烷预冷却混合制冷剂液化工艺 06液化天然气技术与装备 表1 工艺与设备选型参考表 工艺和设备选择工艺特点结构特点 缠绕管式换热器操作灵活系特种设备,成本高 板翅式换热器 PFHE 供应商多,低压、 不同温度下均可用 需要严谨设计,确 保在多相流换热器 中两相流分布良好 轴流式压缩机高效只适于大流量系统 大型燃气轮机性价比高 可靠性不高,严格 的操作循环,复杂 的操控,运行速度 稳定 大型马达驱动 高效、灵活,可用 性更高 未经过有规定速度 要 求 的 特 大 型 LNG厂运行 混合制冷流程 简易的压缩系统。 可调控结构以与其 他不同流程相衔接 操作复杂 单制冷剂级联流程 采用并行压缩,应 用潜力高 所需设备多,压缩 系统复杂 空气冷却 与海水冷却相比 效率较低 过程效率低,操作 成本高 热媒 无水蒸气、水处理 系统 再沸器费用高 大型线生产能力特定成本较低 某些设备、流程需 作进一步研究、实 践 PP MR是目前最普遍使用的工艺,具有产能 高、适应性好等特点。对于小型的LNG厂则 可选PR I CO液化工艺,它具有结构简单、成 本低的特点。级联液化工艺的优点是成本低; 缺点是产量有限,且维修保养较为繁琐。 2对其他设备及装置的选择也可综合 文中提到的各个方面的因素,以获得最佳的方 案。 参 考 文 献 [1] 徐文渊,蒋长安著.天然气利用手册[M ].北京 中国石化出版社, 2002. 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Comparison of baseload liq2 uefaction processes [ A ].InLNG Paper Sessions 12 [C].Australia 1998. 收稿日期 20062122 26 炉内燃烧火焰实时可视化检测技术问世 在燃煤火力发电机组的锅炉、汽轮机和发电机三 大主机中,锅炉引起的非计划停运时间占非计划停运 总时间的2/3,故障率最高,又是污染环境的主要根 源。现有的燃烧检测技术,包括压力、温度、火检、 看火焰电视等,均无法反映整个炉内的燃烧工况。以 激光为手段的燃烧检测技术很难应用到炉内过程。声 波法高温检测技术至今未能实现三维瞬态温度分布检 测。由于缺乏准确的炉内三维燃烧工况实时在线检测 技术,炉内燃烧过程的分析和模拟无法得到详尽的验 证;锅炉设计、制造单位难以进一步改进锅炉设计方 法;当炉内燃烧过程偏离优化工况时,运行人员很难 进行有效的识别和调整,可能发生炉管爆漏甚至炉膛 爆炸等故障和事故;发电机组的机炉负荷协调控制、 汽温控制和燃烧优化控制系统的品质很难进一步改 善。 据该项目负责人,华中科技大学周教授介绍,本 项目是结合热辐射传递、光电图像处理、热工学、自 控理论,建立了炉内火焰辐射能量成像和温度成像模 型,并在此基础上实现了锅炉炉内燃烧三维温度场实 时可视化检测技术的突破。该项技术可同时给出炉内 1000个以上离散单元的三维温度场分布数据及其实时 显示,三维温度场刷新周期小于5秒,相对误差在 5以内。经专家鉴定,该项技术达到了国际领先水 平。进一步从火焰图像中实时计算出炉内辐射能,将 其作为炉内燃烧率检测信号,引入发电机组控制系 统,改进负荷控制、燃烧控制及汽温控制,变负荷情 况下锅炉主汽温波动幅度可减小50以上;氧量优化 后,烟气含氧量可降低015～110 ,机组出力可增 加约1;氮氧化物的排放量可下降10～25 ,取 得了显著的控制效果,是对传统机组协调控制的发 展。刘共华 16 化工装备技术 第28卷 第3期2007年