LNG工廠的工藝設(shè)計(jì)探討

摘 要

摘要：結(jié)合工程實(shí)例，探討了LNG工廠的工藝系統(tǒng)(原料氣分配及壓縮系統(tǒng)，脫碳、脫水、純化及脫汞系統(tǒng)，液化系統(tǒng)及儲(chǔ)存和裝車(chē)系統(tǒng))及流程。關(guān)鍵詞：天然氣液化；脫碳；脫水；純化；脫汞；氮-甲烷膨
摘要：結(jié)合工程實(shí)例，探討了LNG工廠的工藝系統(tǒng)(原料氣分配及壓縮系統(tǒng)，脫碳、脫水、純化及脫汞系統(tǒng)，液化系統(tǒng)及儲(chǔ)存和裝車(chē)系統(tǒng))及流程。
關(guān)鍵詞：天然氣液化；脫碳；脫水；純化；脫汞；氮-甲烷膨脹液化
Discussion on Process Design of LNG Plant
ZHANG Yijun，CHENG Yupai
Abstract：The process systems such as raw material gas distribution and compression system，decarbonizition system，dehydration system，purification system，demercuration system，liquefaction system，storage system and loading system as well as the process flow of LNG plant are discussed with an engineering case.
Key words：natural gas liquefaction；decarbonizition；dehydration；purification；deinercuration；nitrogen and methane expanding liquefaction
1 概述
    天然氣是一種優(yōu)質(zhì)潔凈的燃料，在能源、交通等領(lǐng)域具有很好的前景，天然氣的液化和儲(chǔ)存是其開(kāi)發(fā)利用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)是高科技的系統(tǒng)工程，已形成了一個(gè)工業(yè)鏈。30年來(lái)，LNG產(chǎn)業(yè)作為世界上一門(mén)新興工業(yè)在飛速發(fā)展，目前仍保持著強(qiáng)勁的勢(shì)頭。我國(guó)有豐富的天然氣資源，但大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用天然氣，尤其是開(kāi)發(fā)和應(yīng)用LNG技術(shù)起步很晚。我國(guó)已進(jìn)入LNG建設(shè)的高峰期，故LNG的工藝設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)可能出現(xiàn)一系列問(wèn)題，需要我們探索和研究[1]。本文通過(guò)工程實(shí)例對(duì)LNG工廠的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。
2 LNG工廠工藝系統(tǒng)及流程
    陜西省燃?xì)庠O(shè)計(jì)院于2008年初承接了一個(gè)日處理天然氣60×104m3/d的LNG工廠設(shè)計(jì)項(xiàng)目，該項(xiàng)目完全采用國(guó)內(nèi)設(shè)備和國(guó)內(nèi)技術(shù)，氣源來(lái)自陜京輸氣管道和蘭銀輸氣管道。冬季氣源壓力為2.0～2.5MPa，夏季氣源壓力為3.0～3.5MPa，氣源溫度為5～40℃。氣源的主要組分為甲烷，還含有N2、C02、H2S、烷烴類(lèi)及苯類(lèi)等。
    本液化工程項(xiàng)目的主要工藝系統(tǒng)(按工藝流程的先后順序)有：原料氣分配系統(tǒng)、原料氣壓縮系統(tǒng)、脫碳系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、脫汞系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)和裝車(chē)系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)有放散系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)、PSA制氮及液氮?dú)饣到y(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)。
3 原料氣分配及壓縮系統(tǒng)
    原料氣來(lái)自銀川門(mén)站，進(jìn)入工廠后，首先進(jìn)入原料氣分配系統(tǒng)，經(jīng)分配站調(diào)壓計(jì)量后分為兩路，一路進(jìn)入廠區(qū)鍋爐房、制冷站房、加熱爐、廚房；另一路進(jìn)入分離器進(jìn)行氣水分離，再進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)，增壓至5.0MPa。
4 脫碳、脫水、純化及脫汞系統(tǒng)
    為了滿(mǎn)足低溫工作狀態(tài)的要求，天然氣經(jīng)脫碳系統(tǒng)凈化后C02體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于50×10-6，H2S體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于4×10-6；經(jīng)脫水系統(tǒng)后水體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于1×10-6；經(jīng)純化系統(tǒng)凈化后芳香烴類(lèi)體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為1×10-6～10×10-6。
    來(lái)自壓縮機(jī)的天然氣經(jīng)氣液分離器和過(guò)濾器后進(jìn)入吸收塔底部，與來(lái)自塔頂?shù)腘-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液逆流接觸，C02和H2S被MDEA溶液吸收。凈化后的天然氣在吸收塔上部被洗滌冷卻后，經(jīng)塔頂高效除污器進(jìn)行除污，之后進(jìn)入凈化冷卻器降溫至40℃，再經(jīng)凈化分離器分離水分及雜質(zhì)后進(jìn)入脫水系統(tǒng)[2]。N-甲基二乙醇胺吸收法(即MDEA+活化劑)脫碳工藝兼有物理吸收和化學(xué)吸收的特點(diǎn)，具有C02回收率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。
    從脫碳系統(tǒng)出來(lái)的天然氣進(jìn)入分子篩干燥器，采用4A液化天然氣專(zhuān)用分子篩吸附脫除天然氣中的水分，水分體積分?jǐn)?shù)小于1×10-6后，進(jìn)入干粉過(guò)濾器去除粉塵，之后進(jìn)入純化和脫汞系統(tǒng)。
   從脫水系統(tǒng)出來(lái)的干燥天然氣進(jìn)入純化器，采用活性炭吸附脫除芳香烴后，經(jīng)過(guò)濾器脫除粉塵。然后，自上而下通過(guò)脫汞吸附器床層，采用浸硫煤基活性炭吸附脫除天然氣中的汞[3]，使其含量小于10mg/m3。再經(jīng)過(guò)濾器脫除粉塵后，進(jìn)入液化系統(tǒng)。
5 天然氣液化系統(tǒng)
   ① 液化原理
   液化系統(tǒng)采用氟利昂預(yù)冷和氮-甲烷膨脹液化流程提供天然氣液化需要的冷量，采用低溫工藝將天然氣液化，進(jìn)入LNG子母罐儲(chǔ)存并通過(guò)LNG槽車(chē)外運(yùn)。
   氟利昂預(yù)冷和氮-甲烷膨脹液化流程結(jié)合了級(jí)聯(lián)式液化流程和膨脹機(jī)液化流程的優(yōu)點(diǎn)，流程高效簡(jiǎn)單。在此液化流程中，氟利昂預(yù)冷循環(huán)用于預(yù)冷氮-甲烷和天然氣，而氮-甲烷循環(huán)用于深冷和液化天然氣。
   氮-甲烷膨脹液化流程是純氮膨脹制冷循環(huán)的一種改進(jìn)。為了降低能耗，采用氮-甲烷混合氣體代替純N2。氮-甲烷膨脹液化流程具有起動(dòng)時(shí)間短、流程簡(jiǎn)單、控制容易、制冷劑測(cè)定及計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)。由于縮小了冷端換熱溫差，氮-甲烷膨脹液化流程比純氮膨脹液化流程減少10%～20%的能耗。氮-甲烷膨脹液化工藝克服了階式制冷循環(huán)工藝機(jī)組多、流程復(fù)雜、附屬設(shè)備多、管道與控制系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)，也解決了混合制冷劑工藝能耗較高、混合制冷劑合理配比困難及流程計(jì)算困難等問(wèn)題。故氮-甲烷膨脹液化工藝特別適合中小型的天然氣液化裝置。
   ② 液化流程[4]
   氮-甲烷膨脹液化系統(tǒng)由天然氣液化系統(tǒng)和氮-甲烷制冷系統(tǒng)兩部分組成。
    氮-甲烷膨脹液化流程見(jiàn)圖1。在天然氣液化系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)預(yù)處理裝置脫酸、脫水后的天然氣，經(jīng)換熱器2冷卻后，在氣液分離器3中進(jìn)行氣液分離，其中的氣相流入換熱器4冷卻液化，在換熱器5中過(guò)冷，節(jié)流降壓后進(jìn)入儲(chǔ)罐；液相進(jìn)入換熱器2內(nèi)吸熱氣化后再進(jìn)入天然氣管道。在氮-甲烷制冷系統(tǒng)中，制冷劑氮-甲烷經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)10和制動(dòng)壓縮機(jī)7壓縮到工作壓力后，經(jīng)水冷卻器8冷卻，進(jìn)入換熱器2，被冷卻到透平膨脹機(jī)的入口溫度。一部分制冷劑進(jìn)入透平膨脹機(jī)6，膨脹到循環(huán)壓縮機(jī)的入口壓力，與返流制冷劑混合后，作為換熱器4的冷源，回收的膨脹功用于驅(qū)動(dòng)制動(dòng)壓縮機(jī)；另外一部分制冷劑經(jīng)換熱器4和5冷凝和過(guò)冷后，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流、降溫后返流，為換熱器5提供冷量。
 

6 儲(chǔ)存和裝車(chē)系統(tǒng)
    液化后的LNG進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，儲(chǔ)存能力按7d的產(chǎn)量確定，選用有效容積為1750m3的LNG儲(chǔ)罐2座，當(dāng)1座LNG儲(chǔ)罐進(jìn)液時(shí)，另1座LNG儲(chǔ)罐裝車(chē)。
    進(jìn)液：來(lái)自液化系統(tǒng)的LNG通過(guò)充裝管道，經(jīng)過(guò)充裝緊急切斷閥、頂部或底部進(jìn)液閥進(jìn)入子罐。在高高液位連鎖或液化單位連鎖的情況下，充裝緊急切斷閥將迅速自動(dòng)關(guān)閉。
    出液和裝車(chē)：子罐內(nèi)的LNG通過(guò)低溫泵輸送，經(jīng)過(guò)截止閥和出液緊急切斷閥進(jìn)入槽車(chē)。在火氣關(guān)斷閥連鎖的情況下，出液緊急切斷閥將迅速自動(dòng)關(guān)閉。
    該液化裝置的LNG產(chǎn)量為512m3/d，每天裝車(chē)操作按8h計(jì)算，配置80m3/h的外置式離心泵2臺(tái)(1用1備)，LNG裝車(chē)位3個(gè)，可實(shí)現(xiàn)3臺(tái)槽車(chē)同時(shí)裝車(chē)。
7 結(jié)語(yǔ)
    本項(xiàng)目從2008年初開(kāi)始設(shè)計(jì)，到2009年6月施工調(diào)試結(jié)束，歷時(shí)1年半。目前該LNG液化工廠已經(jīng)安全投入生產(chǎn)，產(chǎn)量基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 張林松，楊光，趙萬(wàn)鵬，等.天然氣液化廠站脫汞的探討[J].煤氣與熱力，2008，28(8)：B10-B12.
[4] 顧安忠，魯雪生.液化天然氣技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：82.
 
(本文作者：張懿君 程玉排 陜西省燃?xì)庠O(shè)計(jì)院 陜西西安 710043)