天然气液化装置工艺设计

天然气液化装置工艺设计内容摘要：

[10]： 图 混合制冷剂循环 液化流程中的制冷剂经过压缩机压缩至高温高压后，首先用水进行冷却，然后进入气液分离器。 气液相分别进入换热器 1。 液体在热器 1中过冷．再经过节流阀节流降温，与后续流程的返流气混合后共同为换热器 1提供冷量，冷却天然气、气态制冷剂和需过冷的液态制冷剂。 气态制冷剂经换热器 l冷却后进入闪蒸分离器分离成气相和液相，分别流人换热器 2，液体经过冷和节流降压降温后，与返流气混合为换热器 2提供冷量，天然气进一步降温，气相流体也被部分冷凝。 换热器 3中的换热过程同换 热器 1和 2。 制冷剂在换热器 3中被冷却后，在换热器 4中进行过冷，然后节流降压降温后返回该换热器，冷却天然气和制冷剂。 丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程 如 图 [11]： 100 104Nm3/d 天然气液化装置工艺 设计 7 图 丙烷预冷循环 丙烷预冷混合制冷液化流程 （简称 C3/MRC） 由三部分组成 ，分别是： 混合制冷剂循 环；丙烷预冷循环；天然气液化回路。 在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气。 混合制冷剂循环如图所示，混合制冷剂经两级压缩机压缩至高压，首先用水冷却，带走一部分热量，然后通过丙烷预冷循环预冷，预冷后近入气液分离器分离成液相和气相，液相经第一换热器冷却后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第一个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。 气相制冷剂经第一换热器冷却后，进入气液分离器分离成气相和液相，液相经第二个换热器冷却后节 流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第二个换热器提供冷量，冷却天然气和分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂；从第二换热器出来的气相制冷剂，经过第三换热器冷却后，节流、降温后进入第三换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。 丙烷预冷循环如图所示，丙烷预冷循环中，丙烷通过三个温度级的换热器，为天然气和混合制冷剂提供冷量。 丙烷经压缩机压缩至高温高压，经冷却水冷却后流经节流阀降温降压，再经分离器产生气液两相，气相返回压缩机，液相分成两部分，一部分用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为后续流程的制冷剂 [11]。 根据 具体情况可以减少级数，简化流程。 由空气产品公司 开发的丙烷预冷混合制冷剂工艺在液化天然气工业中处于主导工艺技术已经有 30多年了 [12]。 天然气液化技术的发展要求液化循环具有高效、低成本、可靠性好、易操作等特点。 为了适应这一发展趋势，法国燃气公司的研究部门开发了新型的混合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程，简称为 CII液化流程。 CII液化流程吸收了国外 LNG技术最新发展成果，代表了天然气液化技术的发展趋势 [13]。 西南石油大学本科毕业论文 8 国内外技术 研究现状 1941年在美国克利夫兰建成了世界第一套工业规模的 LNG装置，液化能力为 8500m3/d。 从 60年代开始， LNG工业得到了 迅速 发展，规模 愈来愈大 ，基本负荷型液化能力在 104m3/d左右。 据资料介绍，各 个 国 家 目前 投产的 LNG装置已达 150多套， LNG出口总量已超过 106t/a。 国外的液化装置规模大、工艺复杂、设备多、投资高， 多 采用级联式制冷和混合冷剂制冷工艺，目前 这 两种类型的装置都在投产 运行，新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺 ，研究的主要目的在于降低液化能耗 [14]。 制冷工艺从阶式制冷 循环 改进到混合冷剂制冷循环， 现在 又有 CII2新工艺 ，该工艺既具有纯组分循环的优点， 比 如简单、无相分离和易于控制，又 具备 混合冷剂制冷循环的 一些 优点， 例 如天然气和制冷剂制冷温位配合较好、功效高、设备少等优点。 法国 Axens公司与法国石油研究所 (IFP)合作，共同开发的一种先进的天然气液化新工艺 ——Liquefin首次工业化， 此 工艺为 LNG市场奠定了基础。 其生产能力较通用的方法高 15%20%，生产成本 降 低 了 25%左右。 使用 Liquefin法之后，每单元液化装置产量可达 600104t/y以上。 采用 Liquefin工艺生产 LNG的费用每吨可降低 25%左右。 该工艺 的主要优点是使用了翅片式换热器和热力学优化后的工艺，可建设超大容量的液化装置。 Axens已经给 欧洲 、 亚洲 、 美国 等几个主要地区提出使用 此 工艺的建议。 IFP和 Axens开发的 Liquefin工艺的安全 性 、环保 性 、实用 性 及创新 性 已被世界认可， 而且 该工艺 还 获得了化学工程师学会授予的 “工程优秀奖 ”。 美国德克萨斯大学工程实验站，开发了一种新型 的 天然气液化 技术 — GTL技术已申请 了 专利。 与国外相比，由于我国天然气资源分布的特点以及我国资源的使用情况，我国目前天然气液化装置的研究与探索多还是以小型 LNG 液化装置为目标。 早在上世纪 60年代，国家科委就制订了 LNG发展规划， 60 年代中期完成了工业性试验，四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置，除生产 He 外，还生产 LNG。 1991 年该厂为航天部提供 30t LNG 作为火箭试验燃料 [15]。 我国天然气液化工业经过多年来的探索，正处于加速发展的过程中，以下列举了比较有代表性的几个投入到生产中的装置，有的现在还在继续运行，有的由于种种原因，中途被迫停产。 ⑴ 上海燃气管网公司 LNG站。 上海燃气管网公司 LNG站于 1999年底建成投产，采用了法国索 菲工程公司的混合制冷剂循环（ MRC）工艺，总投资约为 5亿元人民币。 设计液化能力为 174m3 LNG/d（相当于 10104m3 天然气 /d），气化能力为 120 m3 LNG / h（相当于 104m3 天然气 /h）。 建设 LNG站的目的是作为事故备用站。 在气源中断时，该站可提供上海市 10天的用气量，以此保证天然气的连续供应。 ⑵ 河南中原绿能高科有限责任公司。 中原油田 LNG生产厂于 1999年 1月开始筹建，100 104Nm3/d 天然气液化装置工艺 设计 9 该装置充分利用了中原油田文 23气井特有的 12MPa气井气的高压能量 ,采用先复叠制冷后节流膨胀的生产工艺 ，设计日处理天然气 30104m3，生产 LNG15104m3，总投资为 亿元人民币。 中原绿能 LNG产品主要销往北京、 开封、济南、潍坊、淄博、商丘等地区，最远销往福建，并在潍坊、淄博等地区同当地燃气企业合资建立气化站等相关设施。 产品全部通过 LNG罐车运输。 ⑶ 新疆广汇 LNG项目。 新疆广汇 LNG项目的气源来自吐哈油田。 设计液化能力为150104m3/d 天然气。 该项目一期工程原计划于 2020年 9月完工，产品将通过火车和汽车把 LNG 运输到全国能源紧缺的地区，对国家 “西气东输 ”主干管网以外的广阔市场 供气。 市场目标主要有如下三个： ① 闽东南地区，即从福州至厦门沿铁路的 14 个城市； ② 以江西景德镇为中心辐射湖南、湖北等华中地区； ③ 华北及新疆天山北坡经济带部分地区。 ⑷ 吉林油田 500L撬装式 LNG生产装置。 吉林油田 500L撬装式 LNG生产装置设计天然气处理能力为 650m3/ h， LNG产量为 500L / h，采用气体轴承膨胀机氮气循环制冷回收 LNG工艺。 总投资 1000多万元。 由于气体轴承膨胀机加工制造、检测手段技术不过关，历经多次改造。 同时，由于吉林油田进行机构重组，导致对该装置的所有权混乱，没有单位对该装置 进行管理和维护，致使该装置停产。 ⑸ 四川绵阳燃气公司 LNG生产装置。 四川绵阳燃气公司 LNG生产装置采用膨胀制冷循环，靠气井气的高压来进行运转，设计生产能力为 LNG/ h。 由于井壁塌陷，气源压力下降，导致处理量变小。 并且由于没有下游用户，生产的 LNG没有市场，缺乏资金投入，该装置运行一段时间后被迫停产。 ⑹ 陕北气田 LNG示范工厂。 陕北气田 LNG示范工厂于 1999年 1月建成投运，该装置采用了大连理工大学的专利技术 气波制冷技术。 设计日处理天然气 104m3，LNG产量 16t/d。 由于在净化工艺 方面设计不够合理，在运行中存在 CO2 脱除不够彻底等问题。 该装置仅仅运行了几个月就被迫停产废弃。 ⑺ 广东 LNG工程项目。 广东 LNG工程建设分两期进行。 一期工程设置两座 104m3 储罐，计划 2020 年底投产，每年进口 LNG 300104t，二期再增加一座约 10104m3 的储罐，计划 2020 年投产，每年增加进口 LNG 200104t。 供气范围覆盖珠江三角洲和香港地区。 该接收终端 LNG 由澳大利亚的 ALNG 集团提供，期限为 25 年。 随着海南海口、重庆建南、陕西西安等地 LNG 项目及深圳大鹏湾、福建湄洲湾和山东青岛等地 LNG 接收终端的建成及投入使用，我国的 LNG 工业必将迎来一个快速发展的高潮 [16]。 我国的天然气液化技术虽然起步较晚，但是发展很快。 为了适应我国已经面临大规模开发利用天然气的新形势，尽快改变国内在 LNG 产业上的薄弱环节，我们应紧跟当前天然气液化流程追求简便、高效的发展趋势，综合考虑各种天然气液化流程的技术特点，研究出适合我国国情的新型天然气液化流程。 故对天然气液化流程的模拟西南石油大学本科毕业论文 10 与优化的深入研究，对我国 LNG 事业的发展，可提供理论的指导。 天然气液化技术发展趋势 当今大型 LNG液化工艺的研究的主要方向一是提高现有流程的效率，降低液化能耗；二是研发新型的或改进型的液化流程。 安全第一 始终是 LNG设施设计、施工和操作的基本原则。 世界 LNG工业总的发展趋势是：在保证安全性的前提下，LNG生产线向大型化发展，降低能耗，提高效率，提高有效性，增强 LNG价格在能源价格中的竞争能力。 ① 设计 设计人员不断致力于改进设计手段，提高设计质量，改进技术参数，正确选择液化工艺和设备，实现费用节约。 在工艺设计方面，优化工艺布置，采用分析方法和预演技术，确定 LNG设施最 佳投资和能耗指标；采用计算机技术，对 LNG装置的操作和维护进行自动化管理和监控。 ② 实现 LNG系统的优化 LNG工作者不但致力于实现液化工艺和设备选择的优化，还为实现整个 LNG系统的优化而进行着不断的探索。 如输入输出站的储罐容量、海运效率和速度、气候条件和 LNG季节性需求、原料供应等，都对 LNG生产有影响，必须对所有变量或参数进行优化，获得最佳效果。 ③ 提高装置的有效性和可靠性 提高装置的有效性和可靠性是降低 LNG费用的重要途径。 装置停机，包括计划停机和非计划停机，对装置的有效工作时间有很大影响，如何将计划 停机和非计划停机控制到最低水平，一直是人们研究的课题之一。 ④ 延长装置的使用寿命 延长装置的使用寿命能降低 LNG费用。 一些易磨易损元件，如轴承和密封件，对装置维修次数和维修时间以及装置的寿命有很大影响，是研究的主要对象。 其他研究技术有工艺和环境造成设备腐蚀的探测和防护、较理想的隔热材料和隔热措施等。 ⑤ LNG生产线向大型化发展 人们认识到 ,发展规模经济，扩大 LNG生产线生产能力，减少 LNG生产线数量，可以进一步降低能耗，降低 LNG生产成本。 设计研究内容和方法 在 本次毕业设计 过程中，我主要 完成的 内容如 下： ① 查找相关资料，清楚地了解国内外天然气液化现状；通过查阅相关的外文文献对天然气液化技术和现状有进一步的认识。 100 104Nm3/d 天然气液化装置工艺 设计 11 ② 查找天然气进液化装置前各组分净化应达到的标准，根据标准和题目里组分的含量选择合适的天然气预处理工艺。 ③ 确定合理的液化方案、液化收率以及主要工艺参数后，借助计算机流程模拟技术完成 MRC工艺的物料衡算和能量衡算。 ④ 在物料衡算和能量衡算的基础上，完成 MRC工艺过程中的主要设备计算和选型以及校核。 ⑤ 根据以上的流程中所用的装置设备和计算结果画出 PFD工艺流程图，最终按照设备的放置情况画出合理的平面布置图。 ⑥ 翻译外文，编辑文本，完成毕业设计论文，准备毕业设计答辩。 西南石油大学本科毕业论文 12 2 设计基础资料 设计规模 LNG装置有小型、中型、大型 LNG装置之分。 表 LNG规模比较 小型 LNG装置 中型 LNG装置 大型 LNG装置 产量 ≤ 70000t/a ≤ 106t/d ≥ 106t/d 采用的工艺 膨胀机循环或 MRC循环 [17] 改进的 MRC循环 带预冷的 MRC循环 本设计中的原料气处理量是 100104Nm3/d，也即 104t/a，属于中型。 天然气的组成及边界条件 （ 1）天然气处理量： 100104Nm3/d； （ 2）原料气温度：大约 30℃ ； （ 3）原料气压力： 4000KPa； （ 4）原料天然气组成（干基） ； 表 原料天然气组成 分子式 C1 C2 C3 nC4+ iC4+ C5+ H2S CO2 N2 分率， mol/mol。