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上海煤气上海煤气 2010 年第 5 期〈 〈 1 1 国内外天然气液化技术概述 中海石油广东液化天然气有限公司 花亦怀 摘要文章介绍了目前国内外常用的天然气液化工艺流程，详细分析了它们的优缺点以及适用条件，并阐述 了天然气液化工艺的发展趋势。 关键词天然气 液化 LNG 工艺流程 在能源日趋紧张的当今，清洁、环保、高效的 液化天然气LNG在能源领域有着十分广阔的前 景。 液化天然气在远洋运输、 边远气田气体的利用、 城市用天然气的调峰方面有着管输天然气不可比 拟的优越性。三十年来，液化天然气技术作为世界 上一门新兴技术正在飞速发展。与此同时，世界各 国也正在努力寻求和开发适合自己的天然气液化 技术。天然气液化技术是高科技的系统工程，目前 已经形成了由净化、液化、储存、运输、接收一系 列环节组成的工业链。 天然气液化装置按用途分为基本负荷型天然 气液化装置和调峰型天然气液化装置。基本负荷型 天然气液化装置指生产的天然气供当地使用或外 运的大型液化装置。此类装置容量稳步上升，液化 和储存连续进行，每天液化能力一般在 100 万 m3 以上，大型的基本负荷型液化装置的液化能力每天 达到 2 000 万 m3。基本负荷型天然气液化装置一般 由天然气预处理系统、液化系统、储存系统、控制 系统、装卸设施和消防系统组成。调峰型液化装置 指为调峰负荷或补充冬季燃料供应的天然气液化 装置，通常将低峰负荷时过剩的天然气液化储存， 在高峰时或紧急情况下再汽化使用。此类装置的液 化能力较小，储存能力较大。 1 天然气液化流程 天然气液化装置按制冷方式分为三种 1级联 式阶式液化流程，见图 1；2混合制冷剂液化流 程，见图 23；3膨胀制冷液化流程，见图 4包括 天然气膨胀、氮气膨胀、氮/甲烷膨胀等。 1.1 级联式液化流程Cascade Cycle 级联式液化流程也被称为阶式液化流程，一般 包括三个或以上单一冷剂压缩机制冷循环，其制冷 的原理是根据每种单一冷剂液化温度的不同逐级 节流降温。如图 1 为常见的利用丙烷、乙烯和甲烷 为制冷剂的三循环级联式液化流程示意图，经预处 理后的高压原料气分别经丙烷、乙烯、甲烷三种制 冷剂的三个制冷循环逐级降温、液化。该制冷工艺 主要应用于基本负荷型天然气液化装置，主要优点 是热效率高、能耗低0.30.34 kWh/m3，制冷剂为 纯物质，无配比问题，系统较为独立，容易调节， 技术成熟；但机械设备多、流程和控制系统复杂、 初投资大，操作维护不便。 气液分 离罐 丙烷压 缩循环 乙烯压 缩循环 冷箱换 热器 甲烷压 缩循环 冷却器 冷却器 冷却器 LNG 天然气 气液分 离罐 气液分 离罐 图 1 级联式天然气液化流程示意 级联式液化工艺流程主要根据各种单一冷剂 液化温度的不同，同时充分利用原料气的高压优 势，采用多级 J-T 逐级节流降温，由于每一级制冷 2 2 〉 〉2010 年第 5 期 上海煤气上海煤气 循环都是独立的，因此每一个循环都要配备独立的 压缩机组和冷却器系统，这会使管道和控制系统复 杂化，LNG 的单位投资成本较大。此外，由于附属 设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备， 维护不便。 2001 年， 中原石油勘探局建造了国内首座生产 性质的 LNG 工厂中原绿能天然气液化装置， 日处理量为 15 万 m3，采用丙烷和乙烯为制冷剂的 级联式循环。考虑到级联式液化流程技术成熟，操 作稳定，对于国内首家生产性质的 LNG 工厂，采 用此种流程应是不错的选择。 1.2 混合制冷剂液化流程 混合制冷剂制冷原理是由阶式简化而来，用一 种以 C1 至 C5 的碳氢化合物及 N2等五种以上的多 组分混合制冷剂为工质，利用其重组分先冷凝，轻 组分后冷凝特征，依次节流、气化来冷凝天然气中 对应组分。混合冷剂制冷工艺包括混合冷剂单循环 制冷工艺MRC见图 2，混合冷剂双循环制冷 工艺DMR，丙烷预冷混合冷剂制冷工艺 C3/MR见图 3。 其中， 混合冷剂单循环制冷工艺主 要用于调峰型液化装置，而后两者多用于基本负荷 型液化装置。 MR压缩 循环 冷却器 天然气 重烃 LNG 分 离 器 图 2 MRC 流程示意 MRC 是目前最具活力和生命力的制冷工艺， 它的最大特点是混合工质在换热器内的热交换过 程是个变温过程，能与同样是混合组分的天然气相 匹配。因此可使冷热流体间的换热温差保持较低的 水平，其实它等价于级联式液化流程在无穷级数时 的极限，但又避免了级联式系统复杂的缺点。MRC 流程工艺简单，设备少，占地小，投资少，维护方 便；开启便捷适合调峰；但该工艺能耗0.340.4 kWh/m3比阶式高 15。正是由于混合冷剂单循环 液化流程诸多优点，MRC 在小型气田得到广泛的 应用，但混合冷剂配比和液化模拟技术含量高，常 涉及专利技术，目前多内在用的 MRC 液化工艺多 来自于国外液化专利商。 2002 年， 新疆广汇实业兴建了国内第一座大规 模基本负荷型 LNG 工厂，日处理能力 150104 m3， 液化工艺采用 LINDE 高效混合冷剂闭式循环制冷 技术，混合冷剂由甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷和氮 气组成，混合冷剂压缩机由燃气透平驱动。2006 年 中海油利用珠海终端处理天然气建造了天然气日 处理为 60 万 m3的调峰型 LNG 工厂，液化工艺采 用 BLACK VEATCH 的 PRICO 液化工艺，采用高 效混合冷剂甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷和氮气闭 式循环单级膨胀制冷工艺，混合冷剂压缩机由燃气 透平驱动。 目前全球各大 LNG 设备公司为争夺市场展开 了激烈的竞争，如美国空气制品公司开发的 APCI 和 AP-X 流程，法国燃气公司开发的 CII 流程， BLACK VEATCH的公司开发的PRICO流程它们均 代表了天然气液化技术的发展趋势。MRC 中最具 代 表 性 的 是 丙 烷 预 冷 混 合 制 冷 剂 液 化 流 程 C3/MRC， 其目的是通过丙烷制冷循环预冷进入主 流程的天然气，可使流程的功耗和制冷剂流量大为 降低。C3/MRC 流程虽然较级联式流程简单、投资 省，但机组设备还显复杂，主要原因是增加了丙烷 制冷循环。 上海 LNG 调峰站采用的 CII 流程， 通过 对制冷剂组分的合理选取、分馏设备与整体式冷箱 的巧妙组织，使得流程进一步精简，同时又兼具了 C3/MRC 流程的技术优势。 气液分离罐 MR压缩循环 丙烷压缩循环 冷却器 冷箱换热器 冷却器 LNG 天然气 MR压缩循环 冷却器 冷箱换热器 冷箱换热器 图 3 C3/MR 流程示意 上海煤气上海煤气 2010 年第 5 期〈 〈 3 3 1.3 带膨胀机液化流程Expander Cycle 膨胀制冷的原理是通过直接原料气膨胀或间 接外部 N2、CH4膨胀等熵膨胀对外做功降温。该 制冷工艺开停车比较方便，适用于调峰；但液化率 低， 尤其是间接膨胀制冷， 能耗高 0.40.5 kWh/m3， 比混合制冷剂高 40，原料气须深度干燥；原料气 压力高时较为适用。 冷却器 天然气 返回气 尾气 LNG储罐 膨胀机 图 4 膨胀制冷液化流程示意 20 世纪 90 年代中期，长庆石油勘探局建立了 1 座示范性 LNG 工程，日处理量为 3 万 m3，采用 气波制冷机和透平膨胀联合进行低温制冷。 膨胀机具有较高的等熵效率及膨胀功可回收 的优点，因此越来越受到液化能力较小的调峰型 LNG 工厂的青睐。但由于靠压差通过膨胀机来制 冷，所以压缩机需要消耗较多的功来增压气体。以 上两个工程都是采用天然气膨胀液化流程，省去了 专门生产、运输、储存制冷剂的费用，但不能获得 像氮气膨胀液化流程那样低的温度、循环气量大、 液化率低，膨胀机的工作性能受原料气压力和组成 变化的影响较大，对系统的安全性要求较高。 采用氮气膨胀液化流程虽然可以避免以上缺 点，但由于冷热流体间的换热温差大，为缩小温差 促使换热面积增加，导致换热器金属投入量增大。 若是采用氮甲烷膨胀液化流程，可缩小冷端的换 热温差，节省动力消耗。 从以上几种液化装置来看，级联式阶式液化 流程虽然能耗最低，但是投资大，流程复杂，管理 极为不便。混合制冷剂液化流程以丙烷预冷最具竞 争力，但是流程设备还是显得复杂，适应于大型基 本负荷型 LNG 工厂。带膨胀机液化流程紧凑、规 模较小，但是能耗高，适应于调峰型 LNG 工厂。 3 结语 长期以来， LNG 在中国是一个陌生的名词和概 念，对 LNG 工业链既缺乏基础的定量研究，又缺 乏对其技术内涵方面的系统了解。近几年，LNG 虽 然有几盏星星之火，但其液化技术基本上都是从国 外引进的。目前，国际上天然气液化装置一般采用 的液化工艺有 Phillips、Technip、Pritchard、TEAL、 PRICO、APCI、Pritchard、Linde、L ’Air Liquide、 Gaz de France、CBI、BOC 等。中国是一个气藏较 为丰富的国家，随着各地小型调峰型天然气液化装 置的建设，中国天然气应用将迎来一个崭新的时 期。 Introduction of Domestic and Overseas Natural Gas Liquefaction Technology CNOOC Guangdong LNG Co., Ltd. Hua Yihuai Abstract The frequently used domestic and overseas natural gas liquefaction processes were presented in this paper. Their advantages and disadvantages and application conditions were also introduced in detail. At last, the natural gas liquefaction technology development trend is highlighted under the universal LNG environment. Keywords natural gas, liquefaction, LNG, technical process