泰安深燃LNG工廠工藝、設備國產(chǎn)化研究

摘 要

摘要：泰安深燃LNG工廠首次采用多項國產(chǎn)工藝技術，設備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。為此，詳細介紹了泰安深燃LNG工廠根據(jù)原料天然氣組成特點、供應情況和工廠處理量規(guī)模，綜合考慮投資成本、
摘要：泰安深燃LNG工廠首次采用多項國產(chǎn)工藝技術，設備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。為此，詳細介紹了泰安深燃LNG工廠根據(jù)原料天然氣組成特點、供應情況和工廠處理量規(guī)模，綜合考慮投資成本、能耗、設備操作的難易程度、設備制作周期等情況。泰安深燃LNG工廠選擇了膨脹機制冷的天然氣液化工藝，因而從工藝、流程和設備方面詳細分析了泰安深燃LNG生產(chǎn)在凈化、液化、儲運及公用工程、儀表自控等方面的技術特點，總結了其在天然氣凈化單元采用醇胺法中的MDEA溶液脫除CO2，采用等壓吸附脫水，采用了活性炭脫汞、脫苯，在天然氣液化單元采用雙膨脹機并聯(lián)制冷等技術創(chuàng)新。最后通過與其他LNG工廠天然氣液化流程優(yōu)缺點的對比，證明了泰安深燃LNG工廠工藝、設備國產(chǎn)化在技術和經(jīng)濟上的優(yōu)越性。該研究對以后我國建設同類LNG工廠具有借鑒作用。
關鍵詞：LNG天然氣液化；天然氣凈化；工藝；運行設備；國產(chǎn)化
1 中國LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況
    20世紀80年代末，中國科學研究院在四川綿陽建了一套LNG實驗裝置[1]，20世紀90年代，開封空分設備廠與北京焦化廠合作建成一套LNG裝置；中國科學研究院在吉林油田建成一套LNG裝置，在長慶油田建成一套2t的LNG裝置。前3種裝置采用小型膨脹制冷工藝，長慶油田LNG裝置采用氣波制冷工藝，但最終都宣告失敗。
    20世紀90年代末，上海市為了解決城市燃氣調(diào)峰問題，引進了法國索菲公司技術和設備，建成了10×104m3/d的LNG工廠，它的氣源來自東海氣田，產(chǎn)品也不外輸，只作為城市調(diào)峰，投資為6.2億元。中國石化中原油田LNG工廠是國內(nèi)首座商業(yè)化運行的LNG工廠，2001年9月正式投產(chǎn)運行，與法國索菲公司合作完成技術方案，并從國外進口主要設備，采用了比較先進的丙烷、乙烯復迭制冷工藝，設計處理量30×104m3/d，液化能力15×104m3/d[2]。2004年9月，新疆廣匯實業(yè)投資有限責任公司LNG工廠投產(chǎn)，設計產(chǎn)量150×104m3/d，應用混合制冷工藝，采用德國林德公司的技術和設備，是目前國內(nèi)投產(chǎn)的最大的LNG工廠[3]。2005年4月，海南海然高新能源有限公司LNG工廠建成投產(chǎn)，應用單一制冷劑氮氣膨脹制冷，采用加拿大PROPAK的技術和設備，利用海南福山氣田的天然氣，設計產(chǎn)量30×104m3/d。2005年9月，北海新奧燃氣有限公司LNG工廠建成投產(chǎn)，應用單一制冷劑甲烷膨脹制冷，采用美國的技術和設備，利用海上氣田的天然氣，設計產(chǎn)量15×104m3/d。2007年，江陰天力燃氣有限公司、蘇州華峰液化天然氣有限公司、中國石油西南油氣田分公司等LNG工廠相繼投產(chǎn)，它們都利用長輸管道的高壓能量進行膨脹制冷，因為工藝的限制，它們的產(chǎn)量不是很大，一般小于10×104m3/d。2008年，泰安深燃液化天然氣利用有限公司和青海西寧LNG工廠投產(chǎn)，泰安深燃LNG工廠利用的是管道天然氣，采用單一制冷劑氮氣膨脹制冷，設計產(chǎn)量15×104m3/d，工廠設備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。
    目前在建的LNG工廠主要有四川I達州LNG工廠、陜西榆林LNG工廠以及山西的幾個煤層氣液化工廠，其中達州LNG工廠設計產(chǎn)量為100×104m3/d，榆林LNG工廠設計產(chǎn)量為50×104m3/d，均采用混合制冷技術。現(xiàn)在計劃要建的主要有靖邊LNG工廠、寧夏LNG工廠、晉城LNG工廠和陽城煤層氣液化工程項目等。
2 泰安深燃LNG工廠的工藝方案
    泰安深燃LNG工廠于2007年3月開始籌備建設，2007年7月開工建設，2008年3月調(diào)試投產(chǎn)成功。該工廠從立項、可研、設計、施工、調(diào)試到投產(chǎn)僅用了1a的時間，創(chuàng)造了LNG工廠建設史上新紀錄。該工廠的生產(chǎn)能力為15×104m3/d，除了給深圳燃氣或國內(nèi)其他用戶供氣外，還可作為泰安市調(diào)峰氣源，事故狀態(tài)下能保證泰安市居民15d的用氣量。
2.1 天然氣液化工藝
    目前天然氣液化裝置的液化循環(huán)主要有復迭式制冷循環(huán)、混合冷劑制冷循環(huán)和膨脹機制冷循環(huán)[4]。
2.1.1復迭式制冷循環(huán)
    復迭式制冷循環(huán)是一種較經(jīng)典的制冷循環(huán)，又稱“逐級式”或“串級式”，這種循環(huán)是由若干個不同低溫下操作的制冷循環(huán)復迭組成，一般由以C3H8、C2H4和CH4為制冷劑的3個制冷循環(huán)復迭而成，以提供液化所需的冷量。經(jīng)預處理后的天然氣進入換熱器與C3H8、C2H4和CH4制冷劑進行熱交換，經(jīng)過冷卻、冷凝，節(jié)流到常壓后送入LNG儲罐儲存。該制冷循環(huán)能耗低，制冷劑為純物質(zhì)，操作穩(wěn)定，但機組多，流程復雜，附屬設備多，需專門儲存各種制冷劑，而且管路和控制系統(tǒng)復雜，操作難度大，維護不便。
2.1.2混合冷劑制冷循環(huán)
    混合冷劑制冷循環(huán)是1960年發(fā)展起來的，它克服了復迭式制冷循環(huán)的某些缺點，它采用混合制冷劑、制冷劑壓縮機進行循環(huán)制冷。制冷劑是根據(jù)要液化的天然氣組分而配制的，由N2、C1～C2碳氫化合物組成。對多組分混合制冷劑進行逐級冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，可以達到逐步冷卻和液化天然氣的目的。與復迭式制冷循環(huán)相比，混合冷劑制冷循環(huán)機組少、流程簡單、投資少、管理方便，制冷劑可從天然氣中提取和補充，但能耗略高，混合冷劑的合理配制較為困難。
2.1.3膨脹機制冷循環(huán)
    膨脹機制冷循環(huán)，是指利用透平膨脹機絕熱膨脹的克勞特循環(huán)制冷實現(xiàn)天然氣液化的流程。氣體在膨脹機中膨脹降溫的同時，對外做功，可用于驅(qū)動流程中的壓縮機(增壓透平膨脹機的增壓端)。流程中的關鍵設備是透平膨脹機。根據(jù)制冷劑的不同，膨脹機制冷循環(huán)可分為氮氣膨脹液化流程、氮-甲烷膨脹液化流程、天然氣膨脹流程。這類流程簡單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、易啟動、易操作、維護方便，投資省，但能耗略高，氣體換熱面積大。
2.2 泰安深燃LNG工廠的工藝選擇
    復迭式制冷由于設備復雜，不適合用于中、小型天然氣液化裝置，即使是對大型天然氣液化裝置，這種流程在國際上目前也很少采用，常常用混合制冷劑制冷來代替[5]。因此，泰安深燃LNG工廠沒有采用復迭式制冷。此外，由于國內(nèi)沒有成熟的混合制冷劑壓縮機產(chǎn)品，而進口設備訂貨周期長，不能滿足本項目的進度要求，而且混合制冷劑方案要求原料天然氣組分、流量相對穩(wěn)定，這些都不能滿足本項目的需要，因此也未考慮混合制冷劑的方案，最終泰安深燃LNG工廠選擇了膨脹機制冷。
    針對膨脹機制冷流程，我們對各種方案分別進行了計算，并與國內(nèi)有關流程進行了比較，主要結果見表1。
表1 LNG制冷流程方案對比表
流程方案
天然氣膨脹制冷
氮-甲烷混合膨脹制冷
氮高壓串聯(lián)膨脹制冷
氮中壓并聯(lián)膨脹制冷
LNG產(chǎn)量104m3·d-1
15
15
15
15
制冷壓機軸功率/kW
2878.1
2873.3
2996.7
2885.4
預冷冰機軸功率/kW
52.4
52.4
52.4
52.4
單位制冷工藝能耗/kWh
0.4690
0.4681
0.4878
0.4700
主要設備訂貨來源
國內(nèi)
國內(nèi)，但膨脹機無成熟產(chǎn)品
國內(nèi)
國內(nèi)
最長設備訂貨周期/mon
6～8
6～8
5～6
5
長期運行可靠性
較可靠
較可靠
串聯(lián)透平運行易出故障
較可靠
設備投資預算
壓縮機、膨脹機約高出40%
壓縮機、膨脹機約高出40%
膨脹機約高出20%
以此方案為比較基礎
制冷系統(tǒng)安全性要求
要求高，需防火、防爆
要求高，需防火、防爆
無防火、防爆要求
無防火、防爆要求
從表1可以看出，氮氣高壓串聯(lián)膨脹制冷能耗較高，而且運行穩(wěn)定性不如氮氣中壓并聯(lián)膨脹制冷好，設備投資相對較高，因此不宜選用。天然氣膨脹制冷和氮-甲烷混合膨脹制冷能耗略低一點，但十分有限，對于本項目這樣規(guī)模LNG裝置所節(jié)省的電耗很少，帶來的問題是訂貨制造周期長，影響項目進度，設備投資高，而且防火防爆等安全要求高。
    氮氣中壓并聯(lián)膨脹制冷的方案是膨脹制冷液化流程中能耗指標比較先進的流程，能耗較低，設備投資也低，最重要的是其主要設備都是國內(nèi)的成熟設備，運行穩(wěn)定可靠，訂貨制造周期最短，能夠滿足項目進度的需要，而且沒有防火防爆的問題，因此，泰安深燃LNG工廠采用了這種天然氣液化流程方案。
3 泰安深燃LNG工廠技術分析
    泰安深燃LNG工廠采用氮氣膨脹制冷循環(huán)，包括天然氣凈化系統(tǒng)、天然氣液化系統(tǒng)、氮氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、LNG、LPG儲存及裝車系統(tǒng)、DCS數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)、ESD緊急停車系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、導熱油供熱系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等12部分，共有靜設備130余臺，動設備60余臺，工藝閥門1300余個，數(shù)據(jù)控制點890余個。主要工藝流程為：3MPa的天然氣經(jīng)計量后首先進入到凈化單元脫出二氧化碳、硫、汞、水、苯等雜質(zhì)，然后進入到液化單元的冷箱進行冷卻，在冷箱中天然氣被降溫到-138℃后變成0.4MPa的LNG，之后LNG進入到LNG儲罐進行帶壓儲存，銷售時啟動LNG裝車泵進行裝車外運。
3.1 天然氣凈化工藝、設備及特點分析
    天然氣凈化工藝流程為：天然氣首先進入到CO2吸收塔用MDEA脫出CO2，然后進入到脫硫脫汞塔脫除硫和汞，接著天然氣進入到的等壓吸附脫水塔脫除水，最后進到脫苯塔把苯等重烴雜質(zhì)脫掉。
    泰安深燃LNG天然氣凈化工藝在國內(nèi)同行業(yè)中實現(xiàn)了4個創(chuàng)新：
    1) 首次采用醇胺法中的MDEA溶液脫除CO2。在LNG處理裝置中，常用的脫除酸性氣體方法有3種：醇胺法、熱鉀堿法和砜胺法。泰安深燃處理的原料天然氣中，CO2含量不高，H2S微量，因此采用醇胺法比較合適。在此之前，國內(nèi)其他同類裝置大都采用醇胺法中的MEA脫除CO2[6]，該技術容易發(fā)泡，影響工廠正常生產(chǎn)。泰安深燃LNG天然氣凈化在國內(nèi)首次采用了MDEA溶液脫除CO2技術，在過去一年多的時間里沒有出現(xiàn)任何發(fā)泡現(xiàn)象，裝置運行情況良好。
    2) 首次采用等壓吸附脫水技術，使得原料氣露點溫度達到-75℃。而常用的脫水吸附法為變壓吸附，在變壓吸附技術中再生氣必須經(jīng)過處理才能重新使用，增加了運行成本。
    3) 首次采用了先進的活性炭脫汞技術，一年多來生產(chǎn)運行情況良好。汞含量超標會對鋁制冷箱產(chǎn)生嚴重影響，使冷箱發(fā)生爆裂。采用該項技術后，冷箱運行良好，保證了整個生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運行。
    4) 首次采用了活性炭脫苯技術。以往都是采用異戊烷脫苯，裝置運行成本較高。采用活性炭脫苯技術后可以大大節(jié)約生產(chǎn)運行成本。
    LNG工廠天然氣凈化部分采用了成都五環(huán)新銳化工有限公司的技術和設備，經(jīng)過一年多的運行實踐，設備運行非常穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過任何異常情況，其技術在國內(nèi)第一次應用到LNG的凈化中，效果比以往的凈化方法更好，程控閥也全部采用了成都五環(huán)新銳化工有限公司的產(chǎn)品，產(chǎn)品完全可以滿足工藝要求，且具有供貨周期短、價格低、產(chǎn)品配件容易更換等優(yōu)點。
3.2 天然氣液化工藝、設備及特點分析
    天然氣液化工藝采用氮氣膨脹制冷循環(huán)，其主要工藝流程為：從凈化單元來的天然氣進到液化單元的冷箱進行冷卻，在冷箱中天然氣被降溫到-138℃后變成0.4MPa的LNG。泰安深燃LNG工廠天然氣液化主要技術特點是：
    1) 在天然氣液化單元第一次采用雙膨脹機并聯(lián)制冷技術。國外設備耐壓等級比較高，國外工藝流程基本都是采用串聯(lián)制冷[7]，因為國內(nèi)設備與國際先進設備在質(zhì)量方面有一定的差距，針對國內(nèi)設備的現(xiàn)狀，泰安深燃LNG項目開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的雙膨脹機并聯(lián)制冷技術，一舉改變了國產(chǎn)設備不能連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)LNG的狀況，在LNG裝置國產(chǎn)化的進程中樹立起新的里程碑。自2008年3月LNG裝置投產(chǎn)以來，國產(chǎn)膨脹機、氮壓機等設備運行情況良好，該項技術達到國內(nèi)先進水平。
    2) 在天然氣液化單元中，采用了國產(chǎn)分體式冷箱，除具有換熱效果好、熱應力小、流動阻力小等優(yōu)點外，其運輸、安裝、操作也都比較方便。
    3) 氮氣循環(huán)壓縮機4臺并聯(lián)。正常工作時3開1備，可以滿負荷運行，亦可開2臺氮氣壓縮機運轉，產(chǎn)量可以根據(jù)市場需求在60%～100%之間進行調(diào)節(jié)，操作比較靈活。
    4) 在天然氣回收過程中，采用在國內(nèi)處于領先水平的變頻BOG壓縮技術，徹底解決了BOG量的不均衡問題，從根本上消除了安全隱患。
    天然氣液化部分主要設備是壓縮機、膨脹機和冷箱。這幾種設備在最初建設的幾個LNG工廠中基本上全是靠進口，泰安深燃LNG工廠天然氣液化設備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化，膨脹機是四川簡陽瑞特機械設備有限公司的產(chǎn)品，冷箱是杭州中泰過程設備有限公司的產(chǎn)品，壓縮機是杭州杭氧壓縮機有限公司的產(chǎn)品。膨脹機、冷箱自投產(chǎn)以來運行穩(wěn)定，性能不亞于進口產(chǎn)品，壓縮機除了一些易損件容易出毛病外，其他完全滿足工藝要求。經(jīng)過近10a的發(fā)展，通過國內(nèi)LNG技術人員的研究和摸索，目前LNG設備絕大部分可以國產(chǎn)化，冷箱和膨脹機在四川、大連等地皆可以生產(chǎn)(包括離心和往復式壓縮機)。近期建設的LNG工廠，有不少進口設備已經(jīng)被國產(chǎn)設備替代。
3.3 儲運及公用工程分析
    LNG儲運部分的主要工藝流程為：在冷箱中天然氣被降溫到-138℃后變成0.4MPa的LNG，之后LNG進入到LNG儲罐進行帶壓儲存。銷售時啟動LNG裝車泵進行裝車外運。泰安深燃LNG工廠在LNG儲運及公用工程部分主要采用了以下技術：
    1) 選用了8個相互獨立的LNG儲罐進行儲存。在LNG生產(chǎn)裝置中，一般采用單LNG儲罐或者子母罐[8]，但兩種罐的造價都較高。泰安深燃LNG工藝采用了8個150m3的LNG儲罐，這種罐在國內(nèi)比較成熟，加工周期短，價格比較合理。把8個150m3的LNG儲罐放在一起進行儲存，既滿足了生產(chǎn)要求，8個儲罐還可以相互切換，在流程上非常靈便。
    2) 工藝閥門全部是國產(chǎn)的，包括低溫閥門。雖然國產(chǎn)閥門和國外知名品牌比較起來有一定差距，但仍能滿足工藝要求。
    3) 在國內(nèi)首次采用雙溫位導熱油爐技術，提高了導熱油爐的利用率，減少了一次性投資。如果采用常規(guī)的做法，至少需要兩臺能提供不同溫位的導熱油爐。
    LNG儲罐選用的是張家港中集圣達因低溫裝備有限公司的產(chǎn)品，導熱油爐采用的是上海大震鍋爐股份企業(yè)有限公司的產(chǎn)品，低溫閥門是四川空分設備集團的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的共同特點是：產(chǎn)品成熟、供貨周期短，價格便宜，運行穩(wěn)定、更換配件方便。
3.4 儀表自動控制及電氣
    泰安深燃LNG工廠儀表自控部分采用了先進的DCS數(shù)據(jù)集中控制技術，全廠的操作都可集中在中心控制室來完成，大大提高了工廠的自動化水平，為工廠的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行提供了可靠保證。在國內(nèi)最初建設的幾個LNG生產(chǎn)裝置中，自控系統(tǒng)基本上都是采用國外的技術和設備，而該項目采用了國內(nèi)浙江中控技術有限公司的技術和設備，同樣滿足了生產(chǎn)的需要，在自控系統(tǒng)的國產(chǎn)化過程中往前邁出了一大步；儀表自控部分采用的壓力表、溫度計、液位計、壓力變送器、溫度變送器、常溫調(diào)節(jié)閥、特別是低溫調(diào)節(jié)閥等全部為國內(nèi)產(chǎn)品，基本上都能滿足工藝要求。變送器用的是西儀橫河有限公司的產(chǎn)品，低溫調(diào)節(jié)閥用的是無錫工裝閥門制造有限公司的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品反應靈敏，穩(wěn)定可靠，已具有和進口產(chǎn)品同樣的特性和能力。
    泰安深燃LNG工廠高低壓配電柜、電容柜、變壓器、各種電纜等電氣設備也都采用國內(nèi)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品比較成熟，性能穩(wěn)定，可直接替代進口產(chǎn)品。
4 結論
    泰安深燃LNG工廠在國內(nèi)首次采用多項工藝技術，設備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化，自2008年3月16日運行以來情況良好，已達到國內(nèi)先進水平，天然氣液化流程無論在技術上還是經(jīng)濟上都是非?？尚械?。泰安深燃LNG工廠的成功建設及連續(xù)平穩(wěn)運行，對國內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用，對未來建設同類LNG工廠具有一定的借鑒作用。
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(本文作者：歐大江 劉有民 李多金 深圳市燃氣集團股份有限公司)