摘 要

摘要：結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的LNG液化裝置，介紹級(jí)聯(lián)式制冷工藝、膨脹制冷工藝和混合制冷工藝的特點(diǎn)，討論新開發(fā)的混合制冷工藝，進(jìn)行混合制冷工藝的比較，分析比較了各種天然氣液

摘要：結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的LNG液化裝置，介紹級(jí)聯(lián)式制冷工藝、膨脹制冷工藝和混合制冷工藝的特點(diǎn)，討論新開發(fā)的混合制冷工藝，進(jìn)行混合制冷工藝的比較，分析比較了各種天然氣液化工藝的能耗和液化循環(huán)特性。<?xml:namespace prefix = "o" />

關(guān)鍵詞：  天然氣液化；  液化制冷工藝；  級(jí)聯(lián)式制冷；  膨脹制冷；  混合制冷

Comparison and Selection of Natural Gas Liquefaction Refrigeration Processes

Abstract：Considering the LNG liquefaction devices used in China，the characteristics of cascade refrigeration process, expansion refrigeration process and mixed refrigeration process are introduced. The newly developed mixed refrigeration process is discussed，and the mixed refrigeration processes are compared. The energy consumption and liquefaction cycle characteristics of different natural gas liquefaction processes are analyzed and compared.

Key words：  natural gas liquefaction；liquefaction refrigeration process；  cascade refrigeration；expansion refrigeration；  mixed refrigeration

1概述

天然氣消費(fèi)的增長(zhǎng)促進(jìn)了液化天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，從1999年上海LNG事故氣源備用站(一期)建成投產(chǎn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)十幾年液化天然氣工業(yè)的發(fā)展，中國(guó)走過(guò)了從主要依靠引進(jìn)國(guó)外成套技術(shù)和設(shè)備，發(fā)展到國(guó)內(nèi)可以自主研發(fā)生產(chǎn)液化天然氣生產(chǎn)裝置的過(guò)程。從2008年起，國(guó)內(nèi)陸續(xù)使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，在山東、山西、內(nèi)蒙古等地投資建設(shè)液化天然氣工廠，大部分液化天然氣工廠現(xiàn)已投產(chǎn)運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。

目前國(guó)內(nèi)普遍采用的天然氣液化制冷工藝有3種類型：級(jí)聯(lián)式制冷工藝、膨脹制冷工藝和混合制冷工藝。本文通過(guò)對(duì)這3種制冷循環(huán)工藝的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全、運(yùn)行管理等方面進(jìn)行比較，為液化天然氣工廠的制冷循環(huán)工藝選擇提供依據(jù)

2天然氣液化工藝

2.1  級(jí)聯(lián)式制冷工藝

級(jí)聯(lián)式制冷工藝流程見圖1。

 

<?xml:namespace prefix = "st1" />2.1.1級(jí)聯(lián)式制冷工藝介紹

級(jí)聯(lián)式制冷工藝主要應(yīng)用于基本負(fù)荷型天然氣液化裝置。級(jí)聯(lián)式制冷工藝流程通常由三級(jí)獨(dú)立的制冷循環(huán)組成。第一級(jí)丙烷制冷循環(huán)為天然氣、乙烯和甲烷提供冷量；第二級(jí)乙烯制冷循環(huán)為天然氣和甲烷提供冷量；第三級(jí)甲烷制冷循環(huán)為天然氣提供冷量，天然氣的溫度逐步降低直至液化。第一級(jí)采用丙烷作制冷劑，經(jīng)過(guò)凈化后的原料氣在丙烷換熱器中冷卻到-35～-40℃后進(jìn)入第二級(jí)冷卻。由丙烷換熱器中蒸發(fā)出來(lái)的丙烷氣體經(jīng)壓縮機(jī)增壓，水冷器冷卻后重新液化，并循環(huán)到丙烷換熱器。第二級(jí)采用乙烯或乙烷作制冷劑，原料氣在第二級(jí)中被換熱到-80～-l00℃，并被液化后進(jìn)入第三級(jí)冷卻，由乙烯換熱器中蒸發(fā)出來(lái)的乙烯氣體經(jīng)壓縮機(jī)增壓，水冷器冷卻后，在丙烷換熱器中冷卻重新液化，并循環(huán)到乙烯換熱器。第三級(jí)采用甲烷作制冷劑，液化天然氣在甲烷換熱器中被過(guò)冷到-l50～-163℃，然后通過(guò)節(jié)流閥降壓后，輸送到LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。甲烷換熱器中蒸發(fā)出來(lái)的氣體經(jīng)增壓、水冷后，在丙烷換熱器中冷卻、在乙烯換熱器中液化后，循環(huán)到甲烷換熱器。

2.1.2級(jí)聯(lián)式液化工藝的優(yōu)點(diǎn)

①能耗低，原料氣液化單位能耗為0.30～0.34 kW·h／m^3[1]。由于采用3組串聯(lián)換熱器，使

得每臺(tái)換熱器內(nèi)部溫差較小，減少了因溫差引起的不可逆損失，從而降低了系統(tǒng)的比功耗。

②制冷劑為純物質(zhì)，沒(méi)有配比問(wèn)題，簡(jiǎn)化操作，不用考慮制冷劑的匹配問(wèn)題。

③技術(shù)成熟，系統(tǒng)啟動(dòng)開車快，制冷劑為單一組分，各系統(tǒng)相互影響少，操作穩(wěn)定，對(duì)原料氣組成變化適應(yīng)性比較強(qiáng)。

④將冷負(fù)荷分配到3個(gè)循環(huán)和3臺(tái)壓縮機(jī)上，擴(kuò)大了單條生產(chǎn)線的能力，LNG產(chǎn)能可達(dá)到(800～1 000)×10⁴ t／a的規(guī)模。

⑤甲烷制冷劑可以從產(chǎn)品中的BOG氣體獲得。

2.1.3級(jí)聯(lián)式液化工藝的缺點(diǎn)

①機(jī)械設(shè)備多(需要3臺(tái)壓縮機(jī))，流程和控制系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高。

②對(duì)制冷劑純度要求嚴(yán)格，乙烯及丙烷純度(體積分?jǐn)?shù))必須達(dá)到99％以上。

2.1.4實(shí)際運(yùn)行情況

級(jí)聯(lián)式制冷工藝能耗低，技術(shù)成熟，最早的基本負(fù)荷型LNG生產(chǎn)廠阿爾及利亞的Camel工廠和美國(guó)阿拉斯加的Kenai工廠采用了這種液化工藝^[2]。2001年國(guó)內(nèi)中原油田綠能高科有限公司第一套商業(yè)液化天然氣生產(chǎn)裝置級(jí)聯(lián)式制冷工藝，采用丙烷預(yù)冷+乙烯制冷+甲烷節(jié)流膨脹制冷工藝，該套裝置設(shè)計(jì)是引進(jìn)法國(guó)索菲燃?xì)夤こ坦镜墓に嚢?，原料氣處理?guī)模為30×10⁴ m³／d，液化率為50％。該裝置充分利用了中原油田原料氣的高壓力，在合理的溫度下采用節(jié)流、丙烷、乙烯制冷的級(jí)聯(lián)式制冷工藝，該工藝根據(jù)處理規(guī)模小、原料氣壓力高等特點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化級(jí)聯(lián)式制冷工藝，降低裝置能耗。此制冷工藝液化效率低，設(shè)備較多，流程較長(zhǎng)。

2.2膨脹制冷工藝

2.2.1  膨脹制冷工藝介紹

氮-甲烷膨脹制冷工藝流程見圖2。

 

膨脹制冷工藝是指利用高壓制冷劑通過(guò)透平膨脹機(jī)絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷來(lái)實(shí)現(xiàn)天然氣的液化。氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時(shí)，能輸出功，可用于驅(qū)動(dòng)流程中的壓縮機(jī)。在操作頻繁且要求快速啟停的調(diào)峰型裝置中，膨脹制冷工藝得到很好的應(yīng)用。根據(jù)制冷劑的不同，膨脹制冷工藝可分為：氮?dú)馀蛎浿评涔に?、?span lang="EN-US">-甲烷膨脹制冷工藝、天然氣膨脹制冷工藝。

2.2.2 氮?dú)馀蛎浿评涔に噷?shí)際運(yùn)行情況

①串聯(lián)二級(jí)氮?dú)馀蛎浿评涔に?span lang="EN-US">

海南海燃高新能源福山液化天然氣工廠采用串聯(lián)二級(jí)壓縮氮?dú)馀蛎浿评涔に嚒?span lang="EN-US">0.44 MPa的N₂首先通過(guò)N₂壓縮機(jī)兩級(jí)壓縮至2.3 MPa并冷卻至常溫，再通過(guò)兩個(gè)膨脹壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮至5.2 MPa并冷卻至常溫，然后高壓N₂流經(jīng)冷箱被冷卻至8℃，進(jìn)入一級(jí)膨脹機(jī)膨脹至1.5 MPa、溫度降至-67.2℃，然后再流經(jīng)冷箱被冷卻至-l03.8℃，進(jìn)入二級(jí)膨脹機(jī)，進(jìn)一步膨脹至0.48 MPa、溫度降至-l48℃，得到低溫N₂，低溫N₂作為冷源進(jìn)入冷箱為天然氣制冷。N₂出冷箱后重新進(jìn)入N₂壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)。該裝置原料氣處理規(guī)模為30×10⁴ m³／d，采用氮?dú)鉃橹评鋭?，制冷壓縮機(jī)采用國(guó)產(chǎn)離心式壓縮機(jī)，一臺(tái)進(jìn)口主換熱器，兩臺(tái)進(jìn)口膨脹壓縮機(jī)。兩級(jí)串聯(lián)膨脹機(jī)的生產(chǎn)負(fù)荷可調(diào)范圍比較小，級(jí)間壓力調(diào)節(jié)匹配難度大，制冷系統(tǒng)運(yùn)行受環(huán)境溫度及流量影響比較大。

②并聯(lián)雙溫區(qū)氮?dú)馀蛎浿评涔に?span lang="EN-US">

泰安深燃液化天然氣利用有限公司液化工廠采用自主研發(fā)設(shè)計(jì)的工藝包、設(shè)備全部國(guó)產(chǎn)化的并聯(lián)雙溫區(qū)氮?dú)馀蛎浿评涔に囈夯b置。0.64 MPa的N₂首先通過(guò)氮壓機(jī)一級(jí)壓縮至1.8 MPa并冷卻至常溫，再分別通過(guò)兩臺(tái)膨脹壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮至2.4MPa并冷卻至常溫。然后高壓N₂分別流經(jīng)冷箱的中低溫流道被冷卻至-33℃和-93℃，低溫段進(jìn)一步膨脹得到-138 ℃低溫N₂，作為冷源進(jìn)入冷箱為天然氣制冷。中溫N₂進(jìn)一步膨脹得到-96℃低溫N₂進(jìn)入冷箱為氮?dú)忸A(yù)冷。最后兩股中低溫氮?dú)鈴?fù)溫匯集重新進(jìn)入N₂壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)。該裝置原料氣處理規(guī)模為15×10⁴ m³／d，采用氮?dú)鉃橹评鋭?。該裝置在氮?dú)馀蛎浿评涞幕A(chǔ)上增加了天然氣預(yù)冷流程，能耗方面得到進(jìn)一步的優(yōu)化，能耗略低于沒(méi)有帶預(yù)冷流程的氮?dú)馀蛎浿评涔に嚒Ｔ撗b置制冷壓縮機(jī)采用3臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)，效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，易操作，開車快，生產(chǎn)負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍比較大。

2.2.3 氮-甲烷膨脹制冷工藝運(yùn)行情況

氮-甲烷混合膨脹制冷工藝采用N₂-CH₄混合氣體代替純氮?dú)?，它是氮膨脹制冷工藝的一種改進(jìn)。與混合制冷工藝相比較，具有流程簡(jiǎn)單、控制容易、啟動(dòng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)；與純氮?dú)馀蛎浿评涔に嚤容^，氮-甲烷膨脹制冷工藝可縮小冷端的換熱溫差，節(jié)省l0％～20％的動(dòng)力能耗^[3]。天津舜天達(dá)天然氣有限公司調(diào)峰型液化裝置采用雙溫區(qū)氮-甲烷膨脹制冷循環(huán)，原料氣處理規(guī)模為l5×10⁴ m³／d，主裝置設(shè)備全國(guó)產(chǎn)化，由于制冷劑含甲烷，因此對(duì)制冷壓縮機(jī)防爆及技術(shù)等級(jí)要求較高。

2.2.4 天然氣膨脹制冷工藝

天然氣膨脹制冷工藝是利用原料氣天然氣自身的壓力能膨脹做功從而提供天然氣液化所需的冷量，該工藝適用于原料氣壓力較高、近處有低壓管網(wǎng)，可以使用在液化過(guò)程中所產(chǎn)生的沒(méi)有液化的大量低壓剩余原料氣的場(chǎng)所，最適宜于高壓管網(wǎng)門站調(diào)峰型裝置。其液化率主要取決于膨脹比，膨脹比越大，液化率也越大。因此制冷工藝不能獲得較低的液化溫度和較高的液化率，同時(shí)膨脹機(jī)的工作性能受原料氣壓力和組成變化的影響比較大。該制冷工藝具有流程簡(jiǎn)單、設(shè)備緊湊、造價(jià)低、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)蘇州華峰液化天然氣有限公司LNG調(diào)峰裝置(規(guī)模為5×10⁴ m³／d)、美國(guó)的布魯克林工廠就采用此種液化工藝。

2.2.5膨脹制冷工藝的優(yōu)點(diǎn)

①與級(jí)聯(lián)式制冷工藝和混合制冷工藝相比，

膨脹制冷工藝流程非常簡(jiǎn)單、緊湊，造價(jià)略低。起動(dòng)快，熱態(tài)起動(dòng)2～4 h即可獲得滿負(fù)荷產(chǎn)品，運(yùn)行靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，對(duì)原料氣組成變化有較大的適應(yīng)性，易于操作和控制。

②采用氣體狀態(tài)的天然氣或氮?dú)庾鳛檠h(huán)制冷劑，因而消除了像混合制冷循環(huán)工藝中分離和儲(chǔ)存制冷劑的麻煩，也避免了由此帶來(lái)的安全問(wèn)題。采用單相氣態(tài)制冷劑，使液化冷箱更簡(jiǎn)化和緊湊。

2.2.6膨脹制冷工藝的缺點(diǎn)

①能耗高，液化單位原料氣能耗為0.4～0.5kW·h／m³，比混合制冷工藝高40％。

②由于氮?dú)馀蛎浱峁┑臐撛诶淞枯^少，主要以顯熱而非潛熱的形式提供冷量，使LNG產(chǎn)能低。

③天然氣膨脹制冷工藝產(chǎn)品液化率較低。

2.3 混合制冷工藝

2.3.1混合制冷工藝介紹

混合制冷工藝簡(jiǎn)稱MRC(Mixed Refrigerant Cycle)是以C₁、C₂、C₃、C₅碳?xì)浠衔锛?/span>N₂等5種以上的多組分混合制冷劑為制冷介質(zhì)，對(duì)制冷劑進(jìn)行逐級(jí)的壓縮、冷凝、分離、節(jié)流、蒸發(fā)而得到不同溫度水平的制冷量，以達(dá)到逐步冷卻和液化原料氣的目的?；旌现评涔に嚪诸悶椋?jiǎn)渭?jí)混合制冷工藝(SMR)、丙烷預(yù)冷混合制冷工藝(C3／MRC)、雙級(jí)混合制冷工藝(DMR)^[4]。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，LNG年產(chǎn)量為l×10⁶ t／a級(jí)以上的基本負(fù)荷型天然氣液化裝置，廣泛采用了各種不同類型的混合制冷液化流程。

①單級(jí)混合制冷工藝流程(簡(jiǎn)稱SMR)。原料氣通過(guò)冷箱中的換熱器，與混合制冷劑換熱，天然氣被冷卻液化?；旌现评鋭┫纫来谓?jīng)壓縮機(jī)增壓、冷卻器冷卻，然后不進(jìn)行氣液分離、直接進(jìn)入換熱器預(yù)冷，再出換熱器節(jié)流降壓降溫，再回到換熱器，與天然氣換熱使之液化，同時(shí)自身氣化成氣態(tài)混合制冷劑，返回壓縮機(jī)。單級(jí)混合制冷工藝流程見圖3。

 

②丙烷預(yù)冷混合制冷工藝流程(簡(jiǎn)稱C3／MRC)。天然氣先經(jīng)過(guò)丙烷預(yù)冷，然后用混合制冷劑進(jìn)一步冷卻并液化。低壓混合制冷劑經(jīng)兩級(jí)壓縮機(jī)壓縮后，先用水冷卻，然后流經(jīng)丙烷換熱器進(jìn)一步降溫至約-35℃，之后進(jìn)入氣液分離器分離成氣、液兩相。分離出的液體在混合制冷劑換熱器溫度較高區(qū)域(熱區(qū))冷卻后，經(jīng)節(jié)流閥降溫，并與返流的氣相流體混合后為熱區(qū)提供冷量。分離出的氣相流體，經(jīng)混合制冷劑換熱器冷卻后，節(jié)流降溫為冷區(qū)提供冷量，之后與液相流混合為熱區(qū)提供冷量?；旌虾蟮牡蛪夯旌现评鋭┻M(jìn)入壓縮機(jī)壓縮。丙烷預(yù)冷混合制冷工藝流程見圖4。

 

③雙級(jí)混合制冷工藝(簡(jiǎn)稱DMR)。采用乙烷、丙烷與少量甲烷、丁烷混合物為預(yù)冷流程制冷劑，將天然氣從常溫預(yù)冷到-40 ℃，再由混合制冷劑循環(huán)將天然氣進(jìn)一步冷卻至-l60℃而液化。雙級(jí)混合制冷工藝流程見圖5。

 

2.3.2  國(guó)內(nèi)混合制冷工藝裝置簡(jiǎn)介

①目前國(guó)內(nèi)采用自主研發(fā)設(shè)備全部國(guó)產(chǎn)化的混合制冷工藝裝置有巴彥淖爾華油天然氣有限公司澄口液化天然氣項(xiàng)目和新疆博瑞能源有限公司液化天然氣項(xiàng)目裝置，原料氣處理規(guī)模均為30×10⁴ m³／d，采用單級(jí)混合制冷工藝。已正常投產(chǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定。由于原料氣來(lái)自管道氣，組成比較穩(wěn)定，因此制冷劑調(diào)配及開車操作容易，工藝流程簡(jiǎn)單，造價(jià)低。

②上海浦東LNG調(diào)峰站為我國(guó)第一座調(diào)峰型液化工藝裝置，于1999年投產(chǎn)運(yùn)行，原料氣處理規(guī)模為10×10⁴ m³／d，全套引進(jìn)法國(guó)索菲公司技術(shù)，采用雙級(jí)混合制冷工藝，主要用于天然氣調(diào)峰和海上氣田事故應(yīng)急。

③新疆廣匯天然氣液化裝置利用土哈油田豐富的天然氣資源，引進(jìn)德國(guó)Linda公司的天然氣液化技術(shù)裝備，于2004年9月投產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)原料氣處理規(guī)模l50×10⁴ m³／d，該液化工藝采用單級(jí)混合制冷工藝。

④中海油珠海天然氣液化裝置原料氣處理規(guī)模為60×10⁴ m³／d，鄂爾多斯星星能源天然氣液化裝置原料氣處理規(guī)模為l00×10⁴ m³／d，蘭州燃?xì)饧瘓F(tuán)天然氣液化裝置原料氣處理規(guī)模為30×10⁴ m³／d，四川達(dá)州匯原鑫液化裝置原料氣處理規(guī)模為100×10⁴ m³／d。

以上裝置液化工藝均引進(jìn)美國(guó)博萊克威奇公司(Veatch ＆ Black)開發(fā)的PRICO^[5]高效混合制冷劑(甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷和氮?dú)?span lang="EN-US">)單級(jí)混合制冷工藝技術(shù)及裝備。

2.3.3 混合制冷工藝的優(yōu)點(diǎn)

①流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，造價(jià)比級(jí)聯(lián)式制冷工藝低15％～20％。

②系統(tǒng)簡(jiǎn)單，管理方便。

③混合制冷劑組分可以部分或全部從原料氣本身提取與補(bǔ)充。

2.3.4混合制冷工藝的缺點(diǎn)

①能耗比級(jí)聯(lián)式制冷工藝高l0％～l5％。

②混合制冷劑的合理配比較為困難。

③流程計(jì)算須提供各制冷劑及天然氣原料氣各組分可靠的平衡數(shù)據(jù)與物性參數(shù)，計(jì)算困難。

④制冷劑壓縮機(jī)維護(hù)技術(shù)要求高。

⑤部分制冷劑技術(shù)要求高且較昂貴。

3混合制冷工藝的發(fā)展與比較

20世紀(jì)60年代建設(shè)的天然氣液化裝置，大部分采用當(dāng)時(shí)技術(shù)成熟的級(jí)聯(lián)式制冷工藝流程，到70年代又轉(zhuǎn)而采用流程大為簡(jiǎn)化的混合制冷工藝液化流程。80年代后，新建與擴(kuò)建的年產(chǎn)l00×10⁴ t／a LNG的基本負(fù)荷型天然氣液化裝置則幾乎無(wú)一例外地采用丙烷預(yù)冷混合制冷工藝液化流程(C3／MRC循環(huán))。進(jìn)人90年代后，混合制冷液化流程進(jìn)一步發(fā)展，新開發(fā)的混合制冷工藝逐步得到應(yīng)用。

3.1  新開發(fā)的混合制冷工藝

①美國(guó)博萊克威奇公司(Veatch & Black)開發(fā)的PRIC0液化流程^[6]，該工藝已成功運(yùn)用到20

多套基本負(fù)荷型和調(diào)峰裝置中，液化裝置規(guī)模為(3～300)×10⁴ t／a，屬于單級(jí)混合制冷工藝(SMR)。單級(jí)混合制冷工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，占地小，造價(jià)低，維護(hù)方便；開啟便捷，適合調(diào)峰；但該工藝能耗(0.34～0.4 kW·h／m³)比級(jí)聯(lián)式制冷工藝高15％^[1]。正是由于混合制冷工藝液化流程有諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是單級(jí)混合制冷工藝在小型氣田得到廣泛的應(yīng)用^[1]。

②法國(guó)石油研究所(IFP)和法國(guó)Axens公司開發(fā)的Liquefin液化流程，屬于雙級(jí)混合制冷工藝(DMR)，混合制冷劑代替了傳統(tǒng)的丙烷對(duì)原料氣進(jìn)行預(yù)冷，其生產(chǎn)能力可達(dá)400×10⁴  t／a。

③丙烷預(yù)冷混合制冷工藝(C3／MRC)是基本負(fù)荷型裝置最常見的液化工藝，是目前天然氣液化主導(dǎo)工藝。該工藝的高溫段采用丙烷為制冷劑，按幾個(gè)不同的溫度級(jí)別給原料氣及混合制冷劑進(jìn)行預(yù)冷，低溫段先后由混合制冷劑在不同壓力級(jí)別下進(jìn)行節(jié)流制冷來(lái)提供冷量把原料氣液化。這種工藝結(jié)合了級(jí)聯(lián)式制冷及一般混合制冷工藝的優(yōu)點(diǎn)，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，效率較高，運(yùn)行費(fèi)用較低。

④挪威Statoil公司開發(fā)的MFC液化流程，單條生產(chǎn)線生產(chǎn)能力為430×10⁴ t／a的工業(yè)化裝置于2007年在挪威北部開車運(yùn)行，屬于三級(jí)混合制冷工藝，系統(tǒng)有3個(gè)混合制冷循環(huán)，從而使熱流和冷流股的溫度曲線匹配更為理想，裝置效率和單條生產(chǎn)線規(guī)模有了進(jìn)一步的提高^[4]。

3.2混合制冷工藝的比較

3.2.1  主要技術(shù)參數(shù)比較

針對(duì)LNG產(chǎn)量小于220 t／d，原料氣壓力、流量、溫度分別為4.7 MPa、315 000 m³／d、40℃，LNG產(chǎn)品溫度、壓力、流量分別為-l60.2 ℃、0.02 MPa、300 090 m³／d的較小基本負(fù)荷型裝置，運(yùn)用美國(guó)進(jìn)口的化工流程模擬軟件，比較了這3種混合制冷工藝流程的主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

 

 

從表l可以看出，單級(jí)混合制冷工藝(SMR)的制冷系統(tǒng)功耗最大，要比雙級(jí)混合制冷工藝(DMR)高13.4％。雙級(jí)混合制冷工藝(DMR)和丙烷預(yù)冷混合制冷工藝(C3／MRC)的制冷系統(tǒng)功耗相差很小，只有0.3％。

3.2.2 DMR和C3／MRC的造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用分析

天然氣預(yù)處理和壓縮單元均采用相同的工藝，造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用相同，在此不作分析。制冷系統(tǒng)的主要費(fèi)用為壓縮機(jī)和換熱器等費(fèi)用，如丙烷壓縮機(jī)采用三級(jí)壓縮，且每一級(jí)的壓縮氣量不相等，進(jìn)氣溫度為低溫氣體，壓縮機(jī)必須選用低溫材料；混合制冷劑壓縮機(jī)采用兩級(jí)壓縮，常溫進(jìn)氣，這就造成了丙烷預(yù)冷的壓縮機(jī)費(fèi)用遠(yuǎn)高于混合制冷劑工藝預(yù)冷的壓縮機(jī)費(fèi)用。丙烷預(yù)冷的換熱器采用3臺(tái)蒸發(fā)器，體積大，占地面積大，重量大；而DMR中全部采用板翅式換熱器，集中布置在冷箱內(nèi)，體積小，費(fèi)用低。DMR與C3／MRC均采用預(yù)冷和深冷兩套制冷系統(tǒng)，但C3／MRC采用三級(jí)丙烷預(yù)冷，壓縮機(jī)和換熱器之間管路復(fù)雜，控制系統(tǒng)也較復(fù)雜，費(fèi)用較高。綜合比較，DMR主要設(shè)備的造價(jià)比C3／MRC要低，且系統(tǒng)單位能耗低，因此DMR系統(tǒng)的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用都比較低。

3.2.3混合制冷工藝技術(shù)比較

①制冷功耗：DMR工藝比C3／MRC、SMR工藝的制冷功耗分別下降0.3％和l3.4％。這是在針對(duì)同一氣源、相同液化量、相同壓縮機(jī)效率和相同冷箱熱損失(3％)條件下比較的結(jié)果。

 ②設(shè)備造價(jià)：DMR工藝比C3／MRC工藝的設(shè)備造價(jià)低，SMR工藝最為簡(jiǎn)單，主要是減少了壓縮機(jī)及蒸發(fā)器的造價(jià)，其中壓縮機(jī)造價(jià)減少較多。

③DMR工藝與C3／MRC工藝相比，在原料氣組成變化的條件下生產(chǎn)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)比較容易、方便。原料氣的組成、壓力以及流量的變化都會(huì)引起系統(tǒng)的冷量需求變化，C3／MRC工藝中丙烷預(yù)冷系統(tǒng)的預(yù)冷溫度是一定的，只能通過(guò)混合制冷劑組成變化來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能量平衡，調(diào)節(jié)量較??；DMR工藝中兩套制冷系統(tǒng)都可以調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)蜏囟蔚睦淞啃枨蟠髸r(shí)，降低預(yù)冷的溫度，當(dāng)?shù)蜏囟蔚睦淞啃枨笮r(shí)，提高預(yù)冷溫度，這樣可以使系統(tǒng)的能量重新達(dá)到平衡。

④DMR工藝比C3／MRC工藝流程簡(jiǎn)單，控制方便。DMR采用板翅式換熱器，全部放置在冷箱內(nèi)，設(shè)備緊湊，管路少；C3／MRC工藝由于采用三級(jí)丙烷預(yù)冷，需要3臺(tái)丙烷蒸發(fā)器，使得流程復(fù)雜；此外。丙烷壓縮機(jī)采用三級(jí)壓縮，每一級(jí)的壓縮氣量各不相同，使得壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜。

4天然氣液化工藝能耗及特性比較

取級(jí)聯(lián)式制冷工藝的典型能耗為0.34 kW·h／m^3[1]，并將其相對(duì)能耗設(shè)定為1。各種制冷工藝的能耗同級(jí)聯(lián)式制冷工藝的比較見表2。各種制冷工藝的基本特性評(píng)價(jià)見表3。

 

從表2、3可知，級(jí)聯(lián)式制冷工藝能耗最低，效率最高，但是系統(tǒng)的復(fù)雜程度最高，因此級(jí)聯(lián)式液化循環(huán)逐漸被混合制冷工藝代替。帶膨脹機(jī)的液化流程雖然復(fù)雜程度最低，但是比功耗最高，運(yùn)行成本高，在規(guī)模較大的天然氣液化中，經(jīng)濟(jì)性不好，和其他流程相比不具有優(yōu)勢(shì)。而混合制冷工藝流程復(fù)雜程度相對(duì)簡(jiǎn)單，效率較高，尤其雙級(jí)混合制冷循環(huán)的比功耗僅為1.05。因此，現(xiàn)在絕大部分的天然氣液化裝置采用不同形式的混合制冷液化循環(huán)。

5結(jié)論

①小型LNG裝置通常傾向于選擇比較簡(jiǎn)單的膨脹制冷工藝或單級(jí)混合制冷工藝。對(duì)LNG產(chǎn)量小于3×10⁴ t／a的液化裝置，采用膨脹機(jī)循環(huán)一般更為經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槠淞鞒痰暮?jiǎn)單抵消了其能耗較高的劣勢(shì)，且國(guó)產(chǎn)技術(shù)成熟，設(shè)備制造周期短，后期維護(hù)方便，制冷劑較易獲得，較適合用于海上浮動(dòng)小型液化裝置和小型調(diào)峰液化裝置。

②對(duì)LNG產(chǎn)量小于7×10⁴  t／a的液化裝置，早年國(guó)內(nèi)積極引進(jìn)國(guó)外單級(jí)混合制冷工藝技術(shù)，吸取了豐富的工藝技術(shù)及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。小型混合制冷技術(shù)國(guó)產(chǎn)化取得階段性的成功，造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用都比較有優(yōu)勢(shì)。

③中型LNG裝置通常指產(chǎn)量小于150×10⁴ t／a的裝置。這種LNG裝置主要以銷售為目的，工藝上需要追求高效益、低能耗、低投資，以此降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，一般采用一些經(jīng)過(guò)改進(jìn)的混合制冷工藝。

④級(jí)聯(lián)式制冷工藝流程雖然能耗最低，但是造價(jià)高，流程復(fù)雜，管理不便。混合制冷工藝流程以丙烷預(yù)冷最具競(jìng)爭(zhēng)力，但是流程設(shè)備還是顯得復(fù)雜，適合于產(chǎn)量為(500～1 000)×10⁴  t／a的大、中型基本負(fù)荷型LNG工廠。

⑤雙級(jí)混合制冷工藝主要用于中高生產(chǎn)量的LNG生產(chǎn)線，其產(chǎn)量范圍為(200～500)×10⁴  t／a。此工藝可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)循環(huán)中混合制冷劑的組成使壓縮機(jī)在較寬的進(jìn)氣條件和大氣環(huán)境下工作。雙級(jí)混合制冷液化流程在造價(jià)方面比丙烷預(yù)冷混合制冷液化流程更有競(jìng)爭(zhēng)力。

 

參考文獻(xiàn)：   

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本文作者：李青平   盂偉   張進(jìn)盛   陸涵

作者單位：深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司