浮式液化天然气技术综述-.pdf

GAs 。 N 卷 T I油 号 储 运 1。 9 浮式液化天然气技术综述 夏丹郑云萍李剑峰 肖 杰 西南石油大学 ， 四川成都6 1 0 5 0 0 摘 要 随着 能源需求 的不断攀 升 ， 小型边 际气 田、 伴 生气 田及 深海气 田开发 日益受到 重视 。 浮 式液 化天 然气 F L N G 生产装置 具有投资低 、 建 设周期短 、 可 重复使用 等优点 ， 可灵活 应用 于环境 条件 恶劣的深海边 际气 田和小气 田的天然 气开采 ， 是未 来接 收站发展 的趋势 和方 向。 结合国 内外在 这 一技 术上的研 究现状论述 了 F L N G的两大装置 海上液 化天然气 生产储 卸装置 F P S O 和浮 式储 存再 气化装置 F S R U ， 详细分析 了该 装置 的液化 系统、 卸货 系统和再 气化外输 系统 ， 提 出 了适 用于 F L N G的液化技术 、 卸载技术及再 气化技术 。 关键词 F L N G； 液化 ； 卸载 ； 气化 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 6 5 5 3 9 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 0 3 0前言 随着能源需求 的不断上升 ， 需要进一步开发小型 边 际气 田、 伴生气 田及深海气 田， 但是海上天然气 的 开发具有环境条件恶劣 、 投资大 、 技术难度大、 建设周 期长 、 资金回收期长、 风险大等特点 ， 不宜采用海上 固 定式平 台开采 。而 F L N G生产装置可灵活适应这些气 田的开发 ， 与相 同规模 的岸上液化天然气工厂相比其 投资将减少 2 0％以上 ， 建设工期将缩短 2 5％[ 1 。 F L N G技术是集海上天然气处理 、 液化 、 储存 、 装 卸及再气化外输为一体 的新型海上气 田开发技术 ， 适 用于深海边际气 田和小气 田的天然气开采 。其工业 链 首先通过海上液化天然气生产储卸装置 F P S O 对 海底天然气进行预处理 、液化成 L N G后卸载到 L N G 船 上运 输 至靠 近 岸边 的 浮式储 存 再气 化 装 置 F S - R U ， 再通过该装置将 L N G气化为天然气后外输 。 1 L NG 生产储 卸装置 F P S O 1 ． 1 F P S 0 的优点 L N G生 产储 卸装 置 F l o a t i n g P r o d u c t i o n S t o r a g e a n d O f f - l o a d i n g 在开发海上天然气 、 油 田伴生气方面提供 了经济 和环保的解决方案。该装置投资低 、 投产快 、 效益高 ， 通过将 L N G的生产 、 储存和卸载集 中在一条船上 ， 简 化 了边际气田的开发过程。整个装置可看作一座浮动 的 L NG生产接收终端 ， 直接泊于气 田上方进行作业 。 另外 F L N G装置远离人 口密集区 ，对环 境的影响较 小 ， 便于迁移 ， 当开采的气 田衰竭后 ， 可 由拖船拖 曳至 新 的气田重复使用 ] 。 1 ． 2陆上 液化技 术 天然气液化 的实质是通过换热器不断从天然气 中取走热量最后达到液化 的过程 ，主要的制冷方式 有 节流制冷 ， 膨胀机制冷 ， 阶式制冷 ， 混合冷剂制冷 等 。 1 ． 2 ． 1 节流制冷 节流制冷循环是工业上最早采用的气体液化循 环 ， 由于其节流循环效率很低 ， 仅用在天然气液化量 较小、 原料气体压力较高 、 有压力能可以利用的场合 。 1 ． 2 ． 2 膨胀机制冷 膨胀机制冷循环将高压天然气通过膨胀机膨胀 ， 对外输出轴功 ， 使气体 自身冷却液化。B H P石油公 司 在 B a y u U n d a n气 田就采用双氮膨胀液化流程 ] 。其 流程简单 ， 设备少 ， 安 全性较高 ， 循环 过程始终是气 收 稿 日期 2 01 2 1 2 0 2 作者简介 夏丹 1 9 8 8 一 ， 女 ， 四J I I 成都人 ， 硕士研究 生 ， 主要从事天然气储 运研究与设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I I 1 0 I 薏 I 2 0 1 3 6 月 态 ， 因此其性能对于船体晃动不敏感 ， 可 以快速 、 安全 地停机 ， 启动时间短 ， 且 当气源条件在一定范 围内变 化时 ， 流程具有较大的适应性。 1 ． 2 ． 3阶式制冷 阶式制冷循环 由若干个不 同低温条件下操作 的 蒸汽压缩制冷循环复迭而成。这种制冷系统可满足 一 7 0℃至一 1 4 0℃范围内的制冷温度。阶式制冷系统常 用丙烷 、 乙烯 或 乙烷 及 甲烷作为 3个温度等级的冷 剂。其能耗最小 ， 操作稳定 ， 适应性强 ， 技术成熟 ， 但是 机组多 ， 流程复杂 ， 管线及控制系统复杂 ， 管理维修不 便。 1 ． 2 ． 4 混合冷剂制冷 混合冷剂制冷循环采用氮与烃类的多组分混合 物作为制冷剂 ， 利用混合物各组分沸点不 同、 部分冷 凝的特点来达到天然气液化所需的不同温度水平。其 流程简单 、 机组少 、 投资费用低 、 对制冷剂 的纯度要求 不高。普遍认为混合制冷剂循环可成功地用于海上 L NG装 置 。 1 ． 3 适用于海上的液化技术 天然气液化设备是 F L N G装置的关键部分 ，占总 安装成本 的 3 0％ ～ 5 0％ ， 直接影响整个装置运行的安 全性和经济性。海上作业的特殊环境对液化流程提 出 了以下特殊要求 流程简单 ， 设备紧凑 ， 占用 甲板面积 少 ， 满足海上的安装需要； 液化流程有制取制冷剂的能 力 ， 对不同产地 的天然气适应性强 ， 热效率较高 ； 需具 有较高的安全可靠性 ， 船体的运动不影响其他操作 。 目前 ， 海上 浮式液化流程推荐采用氮气膨胀的循 环制冷工艺 ，但氮膨胀制冷工艺 的制冷剂循环量大 、 制冷效率低 ，限制 了其在大型 L N G装置 中的使用E T ] 。 中型和大型液化装 置通常采用双混合制冷剂制冷工 艺 和 阶式制 冷工 艺 l 8 ] 。 2 L N G 卸载技术 F L N G技术的一个关键点是将 L N G从 F P S O的储 罐 中卸载到 L N G运输船上 ，由于卸载时两船停泊很 靠近 ， 将引起它们之间的独立运动和共 同运动 。对此 操作 ， 应考虑以下几个因素 为避免发生碰撞 ， 两船之 间的距离应有一个最低限度 ； 采用卸料臂或低温软管 完成 L N G的输送 ；保证整个系统 的停泊和输送的可 靠性 ， 将停机影响最小化 ； 运输船需要的调整程度 。 2 ． 1 输送 方式 2 ． 1 ． 1 并排输送 F P S O和 L N G运输船采取并排停靠的方式 ， 两船 之间的距离通常为 5 m_ 1 。L N G通过 F P S O上的卸料 臂卸载到 L N G运输船上 ，卸料臂 的前端与 L N G运输 船上的汇管相连接。该方式的优点是输送 L N G控制 快速便捷 ， 结构简单 ， 节约投资。缺点是 F P S O装置与 L N G运输船两者都处于运动状态 ， 在风浪较大时两者 的相对 运 动大 。 目前有两种减少两船相对运动的装置 用于相对 运动第一 阶段 的运动吸收器和用于相对运动第二 阶 段的波吸收器。 运动吸收器是在行程为 0 ． 1 5 m 实际装置 中为 9 m 的气缸 中用弹簧作阻尼器的装置 ， 被安装在浮式 L N G和 L N G运输船 的船头和船尾 ，以减少它们之间 的相对运动。波浪是造成船体摇摆漂移的主要原因 ， 为了减少两船之间的波浪 ， 设计 了波吸收器。该装置 可减少第二 阶段的漂移力 ，被安装在浮式 L NG的翼 板之 间 I 1 。 2 ． 1 ． 2串联输送 F P S O和 L N G运输船采用首尾 相接 的串联 系泊 方式 ， 适合于海洋环境较为恶劣的海域 ， 可 以在海浪 高度为 5 ． 5 i n的环境中操作。 这是一种长输方式， 一般 距离为 5 0 ～ 1 0 0 m，因而需要配置能跨越 5 0 - 1 0 0 m距 离 的管线和结构， 故有传输距离远 ， 输送管长， 投资大 等缺点_ 1 。 2 ． 1 _ 3 低温软管 软管技术必须满足 L N G的输送要求 ，要有 良好 的绝热性能 以尽可能减少结冰。通常这种软管是钢制 的 ， 辅 以足够 的绝热措施 以减少冰的生成 ， 其柔性不 太好 ， 质量较大 ， 需要强大的装备才能使其安装到位。 因此 ， 采用并排卸货还是 串联卸货 ， 需要根据海 域特点和环境参数而定 ， 并排输送适合于海洋环境平 静 的海域 ， 海浪平均波高小于 1 ． 5 m时， 停泊作业是安 全 的。而串联输送适合于恶劣的海上环境 ， 可 以在海 浪高度为 5 ． 5 m环境 中操作 。 3 浮式储存再气化装置 F SR U 沿海市场供给天然气的手段之一是进 口液化天 然气 ， 供应商将其气化后注入供气管网。这种将液化 天然气气化为气体的形式称为再气化 。而对于浮式储 存 再气化装置 F l o a t i n g S t o r a g e a n d R e g a s i fi c a t i o n U n i t 技术 ，通过 L N G运输船运输来的 L N G就需要在 F S R U上进行气化外输 。岸上再气化终端通 常需要较 大的土地空间 ， 当空 间有限时 ， 采用浮式再气化终端 是最经济有效的，它将 L N G的储存和再气化设备集 中在一个单一系泊的浮船上 。这种 F L N G接收终端通 常被称为浮式储存再气化装置 F S R U 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 。． L GAs 。N 。蓍 I油 亏 储 运 l 1 1 3 ． 1 F S RU的 优点 F S R U以 L N G运输船为基础 ， 将现有码头设施加 以改造 ， 投资成本低 、 占地少 、 安全水平高 ， 初期省去 了大型低温储罐建设等长线作业 ，可实现 1 a完工投 产的工期要求。 3 _ 2陆上再气化技术 再气化技术包括燃烧加热技术和环境 海水和空 气 加热技术 。 3 ． 2 ． 1 燃 烧 加热 技术 3 ． 2 ． 1 ． 1 浸没燃 烧 式气 化器 浸没燃烧式气化器 S C V 由水箱、 加热盘管、 气体 燃烧器及其他附件组成。燃料气在燃烧室中燃烧 ， 将 热气喷至水箱将水加热 ， L N G在流经盘管时再被水加 热从而完成气化。 S C V再气化过程 的热效率高达 9 8％，然而 S C V 有 以下几个 缺 点 a 燃料气通常来 自进 口的 L N G。 再气化过程将燃 烧约 l - 3 ％的 L NG产品n 引 ， 尤其是用在基本负荷型终 端时操作成本高； b 晃动问题 ， S C V的性 能取决于穿过水浴气泡的 分散情况 ， 而 F S R U的运动造成 了液体 的晃动 ， 将导 致气泡分布差 ， 降低其再气化能力 ； c 环境污染 ， 与所有燃烧过程一样 ， 燃烧会产生 一 定量的温室气体污染环境。 S C V的优点 它是一个 闭环系统 ， 这使得 S C V适 用于非海水气化的地方。 3 ． 2 ． 1 ． 2间接燃烧加热器 间接燃烧加热器在燃烧室 中燃烧燃料气 ， 热的气 体穿过水浴 中的热交换器管道加热水 ， 水再加热同一 个水浴中的 L N G管道。 问接燃烧炉在使用燃料气方面 的特征与 S C V相 似 ， 但是 由于间接燃烧炉需要更 多的燃料气 ， 所 以它 的热效率为 8 6％比 S C V低 ，同时也会有温室气体排 放到环境 中造成环境污染。由于该装置的性能并不取 决于穿过水浴的热空气泡 ， 而是取决于穿过水浴 中的 热交换器管和 L N G管道之间的热交换情况 ， 因此 ， 它 受船舶晃动 的影 响较小 。 3 ． 2 ． 1 ． 3 蒸汽 系 统 蒸汽系统使用一种 中间介质来气化 L N G。 用在锅 炉 中燃烧燃料气产生的蒸汽加热 中间介质 乙二醇 ， 中间循环介质再通过另一个热交换器加热气化 L N G。 3 ． 2 ． 2 环境加热海水 3 ． 2 ． 2 ． 1 开架式气化器 开架式气 化器 O R V用海水作 为热源来气化 L N G， 温暖的海水和 L N G通过垂直的热交换架直接传 热 ， 一个开架式气化器有两个汇管 ， 汇管上连接若干 立管。 L NG被泵人汇管下部 ， 沿着立管上升， 海水被泵 人垂直机架的上部 ， 经分布器分配成薄膜状后沿立管 下降 ， 使管内 L N G受热气化 ， 气化后的天然气 由顶部 汇管收集 。 由于开架式气化器要用海水气化 L N G， 所以需要 不断地将大量海水泵人再气化系统。这将造成两个环 境问题 a 从 开架式气化器出 口出来 的冷海水被直接排 放到海洋 中， 这使得海水取水 口和出水 口之间有一个 温差 ， 可能对 当地的海洋生物和渔业造成影响； b 海水取水 口可能会夹带大量的海洋生物。 从技术方面看 ， 将冷海水直接排放到海洋 中也存 在问题 ，因为海水取水 口可能重新将冷海水吸人 ， 降 低系统的再气化效率 。此外 ， 海水中不能含有悬浮颗 粒或重金属离子。 3 ． 2 ． 2 ． 2 中间介质气化器 中间介质气化器 I F V 用海水加热一个封闭的中 间循环介质 ，然后中间介质将它 的热量传递给 L N G， 以此来气化 L N G。 二级循环回路通常使用丙烷或乙二 醇溶液_ 1 。 3 ． 2 _ 2 ． 3 壳管式蒸发器 S T Y 壳管式蒸发器使用一个典型 的管壳式热交换装 置 ， 海水走壳程 ， L N G走管程 ， 海水 和 L N G可 以直接 换热 ， 过程简单 。壳管式蒸发器 已经被用于 L NG运输 船上进行小规模 的 L N G再气化 ，气化后作 为船用燃 料气。壳管式蒸发器用于基本负荷型接收终端时将面 临许多挑战 需要大的壳程和管程来满足交换面积的 要求 ， 管程和壳程尺寸较小时就需要很多个壳管式蒸 发器 ， 壳程中海水有可能结冻 ， 导致壳管式蒸发器 的 性能下降。 3 ． 2 ． 3 环境 加热 空气 3 I 2 ． 3 ． 1 空浴式气化器 空浴式气化器 A A V 利用环境 中的空气作为热 源 ，通过空气 的 自然或强制对流作用 与翅 片管 内的 L N G换热 ， 不需额外的动力和能源消耗 。但是在空浴 式气化器的运行 中 ， 由于空气侧 的温度降低 ， 换热管 壁上容易结霜 ， 因此空浴式气化器一般设置两组可切 换使用 。当气化器运行一段时间结霜现象严重时 ， 便 通过 自动或手动的方式切换至另一组气化器 ， 本组则 可进行排雾和 自然化霜。 空浴式气化器 的缺点 空浴式气化器的空间利用 率小于其他系统。而且使用空浴式气化器会在装置周 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I I 1 2 l 天 然 号 与 石 油1 年 月 l r3 11 l 2 0 1 3 ’ 6N ATU RA L G A S AN D O IL ’ 。 围产生大量 的雾 ， 降低装置 的传热效率 ， 而且当它安 装在 甲板空 间有限的 F S R U上时会 降低 周围的可见 性并增加操作的危险性 。 3 ． 2 ． 3 ． 2 有中间介质的空浴式气化器 其操作原理是将空浴式气化器与中间介质气化 器组合 ， 空浴式气化器将取代其他热源装 置 ， 如燃气 热水器或余热 回收装置。 3 ． 3适用 于 F S RU的再气 化技 术 以下 技术 适用 于 F S R U[ 1 a 浸没燃烧式气化器； b 浸没燃烧式气化器 选择性催化还原装置 减 少氮氧化物废气的排放 ； C 间接燃烧气化器 选择性催化还原装置 在间 接燃烧炉船用化 的基础上使用选择性催化还原装置 以达到减少氮氧化物排放量的 目的 ； d 燃烧炉 余热 回收装置 利用中问介质 乙二 醇 穿过加热炉和余热 回收装置 时进行加热 ， 这个技 术与蒸汽系统类似 ， 不同之处在于中间介质 由蒸汽替 换 为 乙二醇 ； e 蒸汽系统 余热 回收装置 蒸汽系统技术的船 用化 ， 余热 回收装置为蒸汽的产生提供热量 ； f 中间介质气化器 中间介质气化器 的船用化 ， 中间介质为丙烷或乙二醇水溶液； g 空浴式气化器 中间介质 余热 回收装置 空浴 式气化器的船用化 ， 中间介质的引入利用了余热 回收 装置的余热。 从资金成本 的角度来看 ， 以浸没燃烧式气化器的 成本为基准将其与其他技术进行分析 比较 由于所有 的燃烧加热技术都用到了选择性催化还原装置或余 热 回收装置 ， 所 以成本都比浸没燃烧式气化器高 。中 间介质气化器 的成本要 比浸没燃烧式气化器便宜约 2 0％， 因为它的操作简单 、 设备布局简单。空浴式气化 器 中间介质 余热 回收装置 的资金成本与浸没燃烧 式气化器相差不大。 从燃料成本的角度来看 ， 燃烧加热技术与环境加 热技术之间差距很大 ，燃烧加热技术 的成本要高得 多 ， 因为它要消耗 1 ． 3％的 L N G。 从废气排放量 的角度来看 ， 环境加热技术的二氧 化碳和氮氧化物废气排放量最少 ， 因为它的废气排放 主要来 自发电系统 气体涡轮发电机 。对于浸没燃烧 式气化器和间接燃烧技术 ， 由于燃料气在燃烧过程 中 混入 了空气 ， 因此产生的氮氧化物 比较多 ， 而对于加 热炉和蒸汽系统技术 ， 燃料气却在没有混入空气 的情 况下直 接燃烧 ， 因此 ， 燃烧炉和蒸 汽系统 的氮氧化物 排放量与环境加热技术的排放量大致相同。 环境加热技术燃料成本低 ， 排放的二氧化碳和氮 氧化物 的废气量最低 ， 在 F S R U的发展 中 ， 如果使 用 海水气化 L N G对海水质量和环境的影响不再是一个 问题 ， 那么首选 中间介质气化器 ， 如果该技术适用性 较低 ， 从资金成本和环境 的角度来看 ， 蒸 汽系统 余热 回收装置将是首选 。 4 F L NG技术应用展望 F L N G技术 在 国外 已发展为 一个较为成熟 的技 术 ， 在 国内尚处于起步阶段 。利用 F S R U最新技术 的 F L N G接收终端凭借其造价低廉 、 建造周期短 、 选址灵 活 、 经营方式灵活、 业 主风险小等诸多优点 ， 未来必将 在中国的 L N G接收终端市场 占得一席之地 。 我 国海洋蕴藏着丰富的天然气资源 ， F L N G技术 将是海洋石油伴生气 ， 边际气 田和深海气 田开发利用 的新途径。F L N G技术 的国产化应用将是其重要 的发 展方 向， 不仅将填补国内空 白， 而且将在一定程度上 加快 国内造船业 、 冶金 、 精密机械制造等行业实现产 业升级改造的步伐 。 参考文献 [ 1 ] 王春节， 魏林瑞， 张磊． 浮式液化天然气液化工艺综述[ J ] ． 化学工业 ， 2 0 1 0 ， 2 8 2 2 7 2 8 ． Wa n g C h u n j i e ， w e i L i n mi ， Z h a n g L e i ． P r o c e s s T e c h n o l o g y o f F l o a t i n g L NG[ J ] ． C h e m i c a l I n d u s t r y ， 2 0 1 0 ， 2 8 2 2 7 2 8 ． [ 2 ]巨永林 ， 顾妍 ， 李秋英． 浮式 L NG 生产储卸装置关键 设计 技术对 比分析[ J ] ． 化 工学报 ， 2 0 0 9 ， 6 0 增刊 3 0 3 2 ． J u Y o n g l i n ， Gu Y a n ， L i Qi u y i n g ． Co mp a r i s o n A n a l y s i s o n K e y T e c h n o l o g i e s o f L NG F P S O [ J ] ．CI E S C J o u r n a l ， 2 0 0 9 ， 6 0 s u p p 1 3 0 3 2 ． [ 3 ] 王 勇 ， 张玉玺 ， 白剑锋 ． L NG制 冷 H YS YS计算模型研 究 [ J ] ． 天然气与石油， 2 0 1 2 ， 3 0 4 3 0 3 1 ． Wa n g Yo n g ， Z h a n g Y u x i ， B a i J i a n f e n g ． S t u d v o n HYS Y S Ca l - 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