利用管道压差的天然气液化工艺研究

利用管道压差的天然气液化工艺研究内容摘要：

/d 的小型天然气液化装置（ MNG）。 MNG 采用 MRC 液化循环，装置轻便，可安放在一台拖车上搬运。 该装置制冷回路与液化回路分开，制冷压缩机采用双螺旋杆压缩机。 制冷剂经过压缩、除油、预冷后，经膨胀机降压降温为低压制冷剂，返回进入换热器为高压制冷剂和天然气提供冷量，离开 换热器的天然气节流后进入 LNG 储罐储存。 液化天然气工业的发展趋势 世界上液化天然气工业的发展趋势 [23,24,25]：遵循安全第一的原则，在这个前提下扩大规模 朝大型化发展 ，降低能耗，减少投资，提高效率，以提高液化天然气在能源市场的竞争力。 液化天然气装置的安全性，将一如既往的作为 LNG 装置的设计、施工、操作的首要原则。 不断改进设计手段，改进设计技术参数 ，选择合适的液化工艺及设备，可以大大提高经济性。 实现整个 LNG 系统的优化， 如对天然气液化工艺和设备进行优化组合，对气源供应、整个生 产系统、储存及运输等所有环节实现整体系统优化。 提高天然气液化装置的有效性和使用寿命 ， 提高天然气液化装置有效性如尽量减少装置停机时间以提高有效工作时间，可以降低 LNG 装置运行费用；提高天然气液化装置的使用寿命 如开发研究更好的易磨损腐蚀设备元件，也可以提高装置经济性。 LNG 装置向大型化发展，扩大 LNG 生产能力，发展规模经济，以期达到进一步降低能耗，节约生产成本。 目前世界上天然气液化工业进入新的发展时期，各种新的液化工艺不断出现，液化天然气消费需求量也急剧增长，这都给液化天然气工业的发展带来了机遇。 第 1章 绪论 6 本文研究的主要内容 本文 对 利用管道压差的天然气 液化工艺进行研究， 利用 HYSYS 软件 重点对透平膨胀机制冷循环和混合制冷循环（ MRC）天然气液化流程就行模拟优化，并对二者的能耗、 等方面进行对比研究，优选最为经济高效的液化工艺。 其主要内容为： （ 1） 简述天然气液化技术的基本原理， 介绍了国内外天然气液化工艺的发展状况。 （ 2） 对各种混合制冷剂制冷流程、膨胀机制冷流程及基本负荷型天然气液化流程的特点及优缺点进行分析，指出对各种液化工艺流程进行选择的条件，为选择天然气液化流程提供依据。 （ 3） 建立天然气液化流 程中所需热力学计算如相平衡计算和焓熵计算的热力学模型，并对天然气液化流程中的关键设备如压缩机、膨胀机、节流阀、多股流换热器等建立相应的计算模型。 （ 4） 对混合制冷剂制冷液化流程和膨胀机制冷液化流程进行模拟计算，得出相应的热力学参数。 （ 5） 对混合制冷剂液化流程和膨胀机制冷液化流程进行能耗对比，优选出一种适用于利用管道压差的天然气液化工艺。 中国石油大学（北京）硕士学位论文 7 第 2 章 天然气液化装置流程及选择 我国天然气消费需求快速增长，已经出现了供不应求的现象。 可以预见，未来在全世界范围内都将进入天然气消费的新高峰时期。 液化天 然气作为管道天然气 管网系统 的 补充和安全调节阀，必将迎来一个大发展。 在我国已经建立了一批天然气液化工厂，还有一批在建或拟建的天然气液化工厂，这都将促进天然气液化工业的发展。 对于天然气液化装置，其工艺流程的选择是核心问题。 由于天然气液化装置流程不同其能耗不同甚至差距很大，故其工艺流程的选择不但是个技术问题，也是个经济问题。 天然气液化工艺流程的选择需要考虑投资、能耗、可靠性、安全性以及使用环境等因素。 因此我们有必要对天然气液化装置工艺流程进行研究。 在目前，级联式液化工艺已经应用得很少，混合制冷剂液化工艺和膨胀机液 化制冷工艺是天然气液化工艺的主流，因此我们主要对混合制冷剂制冷循环和膨胀机制冷循环进行研究。 级联式制冷循环 级联式液化流程，又称为阶式液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程，早期的基本负荷型天然气液化装置多采用级联式制冷循环。 级联式液化流程由三级独立的制冷循环组成，制冷剂分别为丙烷、乙烯和甲烷。 每个制冷循环中均含有三个换热器 [15]。 级联式液化流程的工作原理：在级联式液化流程中，较低温度的循环将热量传递给较高温度级的循环。 它的第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯及甲烷提供冷量；它的第二级为 乙烯制冷循环，负责为天然气及甲烷提供冷量；它的第三级为甲烷制冷循环，它负责为天然气提供冷量。 天然气通过这九个换热器的逐步冷却而温度逐步降低而最终冷却到液化状态。 在丙烷预冷循环中，丙烷被压缩机压缩后再经水冷、节流、降温、降压，部分进入换热器为乙烯、甲烷及天然气提供冷量后被汽化，接着进入第三级丙烷压缩机进口。 液态丙烷则再经过节流、降温及降压过程后部分进入换热器为乙烯和甲烷及天然气提供冷量并被汽化，到达丙烷 二级压缩机进口。 剩下的液态丙烷经过节流、降温及降压过程后进入换热器为乙烯、甲烷及天然气提供冷量后被汽化，又 达到丙烷第一级压缩机进口。 第 2章 天然气液化装置流程 及 选择 8 乙烯制冷循环相比丙烷制冷循环的相异点在于，乙烯被压缩水冷后，要先流过丙烷的三个换热器预冷后再节流降温，给甲烷及天然气提供冷量。 级联式液化流程中的乙烯可以用乙烷来代替。 在甲烷制冷循环中，甲烷经过压缩、水冷之后，被丙烷和乙烯的六个换热器预冷后再进行节流降温过程，给天然气供给冷量。 级联式液化流程的特点：具有能耗低、制冷剂无配比问题、并且该工艺流程技术成熟。 同时，该制冷循环的缺点也明显：由于级联式液化流程设备多，且附属设备也多，因为导致流程复杂 、维护不便。 在实际操作中，级联式液化流 程的压缩级数选择需要根据多方面的因素来决定。 压缩级数少，虽然初投资成本低，但是由于功耗大而导致运行费用高；压缩级数多的话则刚好相反。 混合冷剂制冷循环 混合制冷剂液化循环的概念是在 30 年代由美国的波特北尼克提出的，它是用 C1 到 C5 的碳氢化合物加上氮气等组成的混合制冷剂为工质，经过逐级的冷凝、蒸发、节流及膨胀过程而得到不同的温位，使天然气逐渐冷却至液化状态。 自 70年代的基本负荷型天然气液化工厂多采用混合冷剂制冷液化循环。 在混合冷剂制冷循环天然气液化装置中，许多参数都会影响流程的性能 ，这些参数有 [16]：天然气的入口压力、温度和各组分的摩尔分率；液化天然气的储存温度和压力；第一个换热器热端面高低压制冷剂的压力、温度和各组分的摩尔分率；各换热器热端面温差；以及流程中换热器的数量。 由于混合冷剂制冷液化流程涉及的参数众多，使得流程计算困难。 无预冷的混合冷剂制冷循环 混合冷剂制冷液化循环是目前运用较多的制冷循环，其中 MRCTM 是具有代表性的一种液化工艺。 该工艺由美国 ACPI 公司开发。 在 MRCTM 工艺中循环包括主换热器、混合制冷剂压缩机、冷却器、多相分离器。 其混合制冷剂由多种不 同沸点的气体组成。 该循环利用部分冷凝、逐步闪蒸的制冷原理，混合制冷剂液体经过降压及多级分离而提供不同温度的制冷剂。 APCI 曾提出确定混合制冷剂构成的一般原则： ⑴ 混合制冷剂由不同沸点的气体组分构成，如氮、甲烷、乙烷及其它重烃。 中国石油大学（北京）硕士学位论文 9 ⑵ 第三最低沸点的组分应该是含量最高的组分，宜在 35%~45%之间。 ⑶ 第二最低沸点组分含量宜在 22%~36%。 ⑷ 第三和第二最低沸点组分之和宜在 64%~77%之间。 ⑸ 混合制冷剂平均分子量宜在 31~35 之间。 MRCTM工艺循环的主要特点 [17]： 该循环采用单一多组分制冷剂，只需要一台循环压缩机，大大降低了设备投资； MRCTM的加热曲线与天然气原来的冷却曲线匹配较好，大大减少制冷所耗功率；并且该工艺只有一台集成主换热器，使设备投资减少、易于制造；利用节流阀降压可以减少 LNG 产品的蒸发损，使用制冷压缩机级间分离器减少压缩机的操作功率。 丙烷 预冷的混合冷剂制冷循环 丙烷预冷混合制冷剂液化流程 （ C3/MRCTM） 结合了级联式液 化流程和混合冷剂制冷流程的优点，流程简单而效率较高。 这种液化流程尤其适用于基本负荷型天然气液化装置。 目前世界上大部分基本复合型天然气液化装置均适用丙烷预冷的混合制冷剂液化流程。 该工艺流程的优点： C3/MRCTM 工艺的原料气适用纯丙烷的多级制冷循环冷却，然后用双段换热器进一步冷却原料气并使原料气液化，这样就是该工艺成本减少而效益较高。 并且混合制冷剂的分级冷凝馏分和汽化馏分独立形成，不在主换热器中进行，这样就大大减少了混合整个冷冻系统的成本。 除此之外， 该制冷剂系统使用了四种平均分子量较小的组分作为混合制冷剂， 减少了混合制冷剂馏程，有效提高了制冷压缩机的效率。 C3/MRCTM 流程的混合制冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷构成，其各自含量为氮气 2~12%，甲烷 35~45%，乙烷 32~42%，丙烷 9~19%，混合制冷剂的平均分子量宜在 24~28 之间。 与 MRCTM 工艺相比， C3/MRCTM 工艺的优点在于：流程得到了简化，各种设备如管线、分离器、阀门等的数量大量减少，主换热器结构也得到简化。 膨胀机制冷循环 带膨胀机的天然气液化流程，是利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流 程。 气体在膨胀机中膨胀降温的同时，对外第 2章 天然气液化装置流程 及 选择 10 输出功，可以用于驱动流程中的压缩机。 如管路输来的原料气与离开液化装置的商品气有压力差存在，液化过程就有可能不需要借助外界能量而靠自身压差通过膨胀机制冷。 带膨胀机的天然气液化流程，根据工质的不同可以分为氮气膨胀制冷流程和天然气膨胀制冷流程。 天然气 循环膨胀机制冷 循环 天然气膨胀液化流程，是指直接利用高压天然气在膨胀机中绝热膨胀到输出管道压力而使天然气液化的流程。 该流程的优点在于功耗小，只需对需要液化的部分原料气脱除杂志，所以预处理的天然气量大大减少。 其缺点在于流程不能获得像氮气膨胀液化那样低的温度，也不如氮气膨胀循环气量大，液化率也较低。 并且膨胀机的性能受原料气压力和组成变影响化较大，对进入膨胀机的原料气干燥度也要求较高。 如果要得到较大的液化量，则可以在流程中增加压缩机，这种流程就是带循环压缩机的天然气膨胀液化流程。 如果高压原料气经过冷却、膨胀制冷、冷量回收后低压天然气输入配气管网，这种循环属于开式循环。 如果回收冷量后的低压天然气用压缩机增压到与原料天然气相同的压力再返流如原料气中开始新的循环，这种循环就称为闭式循环。 氮 气膨胀 机 制 冷 循环 氮气膨胀机循环制冷工艺利用透平膨胀机制冷原理，其介质为氮气，与混合制冷剂液化流程相比较，氮气膨胀液化流程结构简单紧凑，造价低，启动快，运行灵活，适应性强，易于操作控制。 与天然气膨胀机制冷循环相比，氮气膨胀机循环工艺结构更简单、设备投资也更少，并且维修也更简单。 其缺点在于能耗较高。 由于氮膨胀制冷循环式一个密闭独立的循环，故可以使进入装置的天然气全部液化。 基本负荷型天然气液化装置流程选择 基本负荷型天然气液化装置 常采用级联式和混合制冷剂液化流程 [19]。 在早期建设的天然气液化装 置中均采用级联式液化流程，后来则逐渐改进为采用混合制中国石油大学（北京）硕士学位论文 11 冷剂液化流程，今年来新建的基本负荷型天然气液化装置则一般采用丙烷预冷的混合制冷剂液化流程。 采用级联式液化流程的优点是能耗低，且各种制冷循环及天然气液化系统各自独立，相互牵制少，操作稳定。 其缺点在于流程复杂，设备多，操作维护均不方便。 与级联式液化流程相比较，采用混合制冷剂液化流程的液化装置具有机组设备少、流程简单、投资较少、操作管理方便等优点。 并且混合制冷剂组分可以从天然气中提取，且制冷剂纯度要求也不如级联式要求高。 缺点在于能耗较级联式液化流程高，制冷剂 配比要求严格且流程计算较为困难。 天然气液化流程选择需要考虑的因素： ① 流程所需设备容易制造； ② 流程设备简单、投资少，设备少； ③ 工艺流程适应性强； ④ 环境污染小。 表 21 为世界上一些基本负荷型装置使用的液化流程及其性能指标 [12]。 表 21 基本负荷型 液化装置所采用流程及性能指标 项目名称 投产 时间 采用的液化流程 产量（万 t/a） 压缩机 /kw 功率 /kw 阿尔及利亚 Arzew 1963 级联式液化流程 36 22800 141 阿拉斯加 Kenai 1969 级联式液化流程 115 63100 122 利比亚 Marsa el Brega 1970 MRC 69 45300 147 文莱 LNG 1973 C3/MRC 108 61500 127 阿尔及利亚 Skikda 1,2,3 1974 MRC 103 78300 169 卡塔尔 Gas 1996 C3/MRC 230 107500 104 马来西亚 MLNG Dua 1995 C3/MRC 250 102500 91 马 来西亚 MLNG Tiga 2020 C3/MRC 375 140000 83 调峰型天然气液化装置流程选择 调峰型天然气液化装置的生产规模较小， 并非常年连续运行。 一般采用以下三种液化流程：级联式液化流程，早期曾被广泛使用，现在已经被混合冷剂制冷和膨胀机制冷流程取代；混合制冷剂液化流程；膨胀机制冷液。