摘要：海南LNG工廠在國內(nèi)首次利用氮氣二級膨脹液化工藝。為此，討論了海南LNG工廠天然氣凈化、液化系統(tǒng)技術方案的制訂，針對原料氣氣質(zhì)特點設計了DGA溶液脫酸工藝和氮氣膨脹制冷工藝方案，對其進行了流程模擬計算，得到了各物流節(jié)點的設計參數(shù)，并計算出了天然氣液化流程中壓縮機能耗、制冷劑流量、各換熱器的換熱量等參數(shù)。裝置運行考核結(jié)果表明：該DGA溶液脫酸工藝和氮氣膨脹制冷工藝技術運用合理，工藝路線可行，工藝技術指標均達到了設計要求，為其他小型LNG工廠提供了一種新的天然氣液化工藝選擇方案。
關鍵詞：LNG小型工廠；海南；天然氣液化；工藝流程；模擬計算；設計參數(shù)；能耗
液化天然氣(LNG)的體積只有同量氣態(tài)體積的1/625，因而將天然氣液化處理，不僅有利于降低天然氣貯存和運輸?shù)某杀?，而且還可以提高天然氣單位體積的燃燒值[1]。目前，我國LNG工業(yè)才剛剛起步，在天然氣液化技術方面還不成熟，深入研究天然氣液化技術，對我國發(fā)展LNG工業(yè)具有非常重要的意義。
1 天然氣液化工藝流程分析
天然氣液化的核心是冷凍循環(huán)。在天然氣液化裝置中可采用的冷凍循環(huán)有：節(jié)流液化循環(huán)、級聯(lián)式液化循環(huán)、混合制冷劑循環(huán)、帶膨脹機的液化循環(huán)。需要指出的是，這樣的劃分并不嚴格，通常采用的是包括了上述各種液化流程中某些部分不同組合的復合流程[2]。
節(jié)流循環(huán)是工業(yè)上最早采用的氣體液化循環(huán)。由于節(jié)流循環(huán)設備簡單，運轉(zhuǎn)可靠，至今仍為一些小型裝置所采用；級聯(lián)式液化流程也被稱為階式(Cascade)液化流程、復疊式液化流程或串聯(lián)蒸發(fā)冷凝液化流程，主要應用于基本負荷型天然氣液化裝置；混合制冷劑的制冷原理與純單組分制冷劑的制冷原理大致相同，都是通過冷劑液體汽化與被冷介質(zhì)進行熱交換，使其降溫，混合制冷劑產(chǎn)生的冷量是在一個連續(xù)的溫度范圍之內(nèi)，純組分冷劑產(chǎn)生的冷量是在一個固定的溫度上[3]，以混合制冷劑制冷循環(huán)為基礎的天然氣液化流程是目前應用最廣泛的液化工藝；天然氣膨脹流程，是指直接利用高壓天然氣在膨脹機中絕熱膨脹到輸出管道壓力而使天然氣液化的流程，這種流程最突出優(yōu)點是功耗小，只需對液化的那部分天然氣脫除雜質(zhì)，因而預處理的天然氣量可大為減少(占氣量的20%～35%)，但液化流程不能獲得象氮氣膨脹液化流程那樣低的溫度，循環(huán)氣量大，液化率低，膨脹機的工作性能受原料氣壓力和組成變化的影響較大，對系統(tǒng)的安全性要求較高；氮氣膨脹液化流程(N2-Cycle)較簡化、緊湊，造價略低，啟動快(熱啟動1～2h即可獲得滿負荷產(chǎn)品)，運行靈活，適應性強，易于操作和控制，安全性好，放空不會引起火災或爆炸危險，適用于小型LNG裝置[4]，制冷劑采用單組分氣體，能耗比混合制冷劑液化流程高。
海南LNG工廠屬于小型的天然氣液化裝置，從工程投資、運行費用、裝置流程的簡便性、運行的靈活性、設備的數(shù)量等方面考慮，選擇改進的氮氣膨脹制冷工藝——氮氣二級膨脹制冷工藝。
2 海南LNG工廠天然氣液化工藝方案
海南LNG工廠天然氣液化裝置是海南省重點建設項目，生產(chǎn)規(guī)模為25×104m3/d。該天然氣液化裝置的工藝流程由凈化過程和液化過程兩部分組成。
2.1 裝置基礎數(shù)據(jù)
海南LNG工廠天然氣液化裝置處理天然氣的基本參數(shù)為：LNG產(chǎn)量為25×104m3/d；原料氣量為26.55×104m3/d；原料氣溫度為35℃；原料氣壓力為1.3MPa。其中原料氣組成(體積分數(shù))如表1所示。
表1 原料氣組成表 %
|
CH4
|
C2H6
|
C3H8
|
iC4H10
|
nC4H10
|
iC5H12
|
CO2
|
N2
|
H2O
|
|
73.8800
|
18.6700
|
0.4300
|
0.0040
|
0.0022
|
0.0010
|
5.8600
|
1.1500
|
飽和
|
2.2 天然氣預處理系統(tǒng)
天然氣預處理工藝主要是脫除原料氣中所含的固體雜質(zhì)、酸性氣體(CO2、H2S)、水和重烴。天然氣液化時，對其雜質(zhì)含量的控制指標是：要求CO2含量小于50×10-6mg/m3，H2S含量小于5×10-6mg/m3，水含量小于0.1×10-6mg/m3，重烴含量小于70×10-6mg/m3。因此，天然氣預處理工藝包括原料氣分離過濾、脫酸性氣體和脫水等。
2.2.1原料氣分離過濾、增壓
原料天然氣首先進入原料天然氣分液罐，將輸送過程中所產(chǎn)生的液體從原料天然氣中除去。除去液體后的天然氣進入原料氣過濾器進一步過濾，將粒徑大于5μm的液體和固體除去，以避免液體(重烴)被帶入增壓機，對增壓機造成損壞。過濾后的天然氣進入增壓機壓縮到5.9MPa，然后經(jīng)冷卻器冷卻至35℃后進入凈化單元。原料天然氣分液罐分出的凝液排入凝液儲罐。
2.2.2脫酸性氣體
天然氣中通常含有CO2、H2S和有機硫化物，通稱為酸性氣體。這些酸性氣體雜質(zhì)會造成腐蝕、污染環(huán)境，在低溫過程中結(jié)冰堵塞儀表和管線，當天然氣作為化工原料時，它們還會導致催化劑中毒，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此需要把氣體中的酸性氣體含量脫除到標準要求的規(guī)格。海南LNG工廠原料氣中只含有CO2，不含H2S和有機硫化物，因而只考慮脫除CO2。
天然氣脫CO2通常有3種方法：化學吸收法、物理吸收法和氧化還原法。目前，國內(nèi)外天然氣脫CO2通常采用的化學吸收法?；瘜W吸收法是以可逆的化學反應為基礎，以堿性溶劑為吸收劑脫除CO2，溶劑與原料氣中的CO2反應而生成化合物；吸收了CO2的富液在升高溫度、降低壓力的條件下又能分解而放出CO2，從而實現(xiàn)溶劑的再生。最具代表性的是堿性溶液法和醇胺法。其中醇胺法是天然氣脫CO2工業(yè)上最基本的技術路線。二甘醇胺(DGA)腐蝕性小、再生耗熱少，故海南LNG工廠天然氣凈化方案選擇DGA脫除CO2。
2.2.3脫水
天然氣脫水按原理可分為冷凍分離、固體干燥劑吸附和溶劑吸收3大類。冷凍分離主要用于避免天然氣在溫度低時出現(xiàn)水合物，然而它所允許達到的低溫是有限的，不能滿足天然氣液化的要求；溶劑吸收通常包括濃酸(一般是濃磷酸等有機酸)、甘醇(常用的是三甘醇)等，但這些方法脫水深度較低，不能用于深冷裝置；固體干燥劑脫水法常見的是硅膠法、分子篩法或這兩種方法的混合使用。因此，為了避免天然氣在低溫下出現(xiàn)凍堵，海南LNG工廠采用了4A分子篩作為脫水介質(zhì)。脫水部分設兩臺千燥器切換操作，其中一臺脫水，另一臺再生。
2.2.4天然氣預處理系統(tǒng)工藝流程
天然氣預處理系統(tǒng)包括過濾分離、增壓、二甘醇胺(DGA)脫CO2和分子篩干燥部分。流程簡圖見圖1。
2.2.5預處理系統(tǒng)模擬計算
采用HYSYS油氣加工流程模擬系統(tǒng)對天然氣預處理系統(tǒng)進行流程模擬計算，通過計算機模擬，得到天然氣預處理系統(tǒng)各物流節(jié)點的設計參數(shù)。
2.2.6 CO2吸收塔參數(shù)分布
CO2吸收塔內(nèi)各物流參數(shù)如表2所示。
表2 CO2吸收塔內(nèi)各物流參數(shù)表
|
塔板數(shù)
|
壓力/kPa
|
溫度/℃
|
氣相流量/kmol·h-1
|
液相流量/kmol·h-1
|
|
1
|
5861
|
43.1
|
471.3
|
432.7
|
|
2
|
5730
|
48.4
|
472.8
|
433.9
|
|
3
|
5780
|
56.8
|
475.6
|
435.5
|
|
4
|
5830
|
68.7
|
480.8
|
438.3
|
|
5
|
5880
|
80.3
|
488.1
|
443.5
|
|
6
|
5930
|
79.7
|
495.4
|
450.7
|
2.2.7 富液再生塔參數(shù)分布
再生塔塔內(nèi)各物流參數(shù)如表3所示。
表3 再生塔內(nèi)各物流參數(shù)表
|
位置
|
壓力/kPa
|
溫度/℃
|
氣相流量/kmol·h-1
|
液相流量/kmol·h-1
|
|
塔頂酸氣
|
100
|
97.8
|
413.3
|
0
|
|
冷凝器
|
100
|
97.6
|
413.3
|
826.6
|
|
塔板1
|
100
|
98.8
|
1240.0
|
827.9
|
|
塔板2
|
102
|
99.4
|
1241.0
|
828.3
|
|
塔板3
|
104
|
100.0
|
1242.0
|
818.3
|
|
塔板4
|
107
|
101.0
|
1242.0
|
818.3
|
|
塔板5
|
109
|
109.0
|
1232.0
|
612.3
|
|
塔板6
|
111
|
173.0
|
1026.0
|
842.2
|
|
塔板7
|
113
|
220.0
|
983.0
|
993.0
|
|
塔板8
|
116
|
224.0
|
911.0
|
1015.0
|
|
塔板9
|
118
|
225.0
|
933.0
|
1018.0
|
|
塔板10
|
120
|
226.0
|
936.0
|
1022.0
|
|
塔板11
|
120
|
226.0
|
940.0
|
81.8
|
|
塔底貧液
|
120
|
226.0
|
0
|
81.7
|
2.2.8閃蒸罐計算
DGA出CO2吸收塔，經(jīng)過節(jié)流膨脹，成為氣液混合狀態(tài)，閃蒸罐各物流參數(shù)見表4，分離器的進口壓力為400kPa，溫度為79.7℃。
表4 等溫閃蒸罐物流參數(shù)表
|
組成
|
進料組成/mol%
|
進料量/kmol·h-1
|
氣相組成/mol%
|
氣相流量/kmol·h-1
|
液相組成/mol%
|
液相流量/kmol·h-1
|
|
C1
|
0.0062×10-1
|
3.0545×10-1
|
7.2504×10-1
|
0.2844
|
0.0043×10-2
|
0.0210
|
|
C2
|
0.0012×10-1
|
0.0609
|
1.4523×10-1
|
0.0569
|
0.0008×10-2
|
0.0039
|
|
C3
|
0.0002×10-2
|
0.0096×10-1
|
0.0234×10-1
|
0.0091×10-1
|
0
|
0.0051×10-2
|
|
C4
|
0
|
0.0099×10-4
|
0.0003×10-2
|
0.0099×10-4
|
0
|
0.0068×10-6
|
|
iC4
|
0
|
0.0053×10-4
|
0.0001×10-2
|
0.0053×10-4
|
0
|
0.0036×10-6
|
|
iC5
|
0
|
0.0031×10-4
|
0.0001×10-2
|
0.0031×10-4
|
0
|
0.0029×10-6
|
|
H2O
|
7.8202×10-1
|
387.4600
|
0.0975
|
0.0380
|
0.7826
|
387.420
|
|
CO2
|
0.5226×10-1
|
25.8520
|
0.2298×10-1
|
0.0090
|
0.0522
|
25.8430
|
|
N2
|
0.0006×10-2
|
0.0027
|
0.0068
|
0.0027
|
0
|
0.0011×10-1
|
|
DGA
|
1.6505×10-1
|
81.7790
|
0.0008×10-1
|
0.0031×10-2
|
1.6519×10-10
|
81.7900
|
2.3 天然氣液化系統(tǒng)工藝
天然氣液化流程的選擇是一個至關重要的技術、經(jīng)濟問題[5]。天然氣液化流程設備的投資占LNG工廠總投資的30%左右，而不同的天然氣液化流程在能耗上有很大的差距。因此，天然氣液化流程需綜合考慮投資、能耗、可靠性、安全性及使用環(huán)境等因素進行抉擇。
2.3.1氮氣二級膨脹液化工藝方案
海南LNG工廠天然氣液化系統(tǒng)采用氮氣二級膨脹制冷工藝，液化過程由天然氣液化、氮氣膨脹制冷循環(huán)、儲存等3大部分組成。具體流程如圖2所示。
從分子篩干燥單元出來的凈化氣(40℃)進入液化單元。在冷箱中，凈化氣被冷卻，甲烷在重烴分液罐與其他重組分分離。分離出的重組分進入重烴儲存部分，而分離出的甲烷重新進入冷箱進一步冷卻并液化，然后將液體甲烷送至LNG儲罐中。
天然氣液化采用氮氣二級膨脹制冷工藝。N2首先通過N2壓縮機(1)一級壓縮并冷卻，再通過N2壓縮機(2)二級壓縮并冷卻，又通過兩個膨脹/壓縮機進一步壓縮并冷卻，然后N2流經(jīng)冷箱的C股物流通道被冷卻，進入一級膨脹機膨脹，然后流經(jīng)冷箱的D股物流通道被冷卻，進入二級膨脹機，進一步膨脹得到低溫N2，低溫N2作為冷源進入冷箱為天然氣制冷。N2出冷箱后重新進入N2壓縮機進行循環(huán)。
凈化氣被100%液化，在儲存壓力0.45MPa的條件下，過冷至飽和點以下，LNG以飽和狀態(tài)進入LNG儲罐，罐內(nèi)無閃蒸(但熱泄漏會導致閃蒸氣體的產(chǎn)生)，在非正常操作中，閃蒸氣體可用作燃料。
2.3.2氮氣二級膨脹液化工藝模擬
利用HYSYS程序?qū)Φ獨馀蛎浺夯桨高M行了模擬計算，通過計算機計算出了氮氣膨脹制冷主要節(jié)點物流參數(shù)，如表5所示。
表5 氮氣膨脹制冷主要物流節(jié)點參數(shù)表
|
物流號
|
溫度/℃
|
壓力/MPa
|
流量/kmol·h-1
|
|
1
|
40.0
|
5.681
|
433.1
|
|
2
|
-36.1
|
5.667
|
433.1
|
|
3
|
-36.1
|
5.667
|
433.1
|
|
4
|
-36.1
|
5.667
|
0.0
|
|
5
|
-146.1
|
5.647
|
433.1
|
|
6
|
-144.1
|
0.450
|
433.1
|
|
7
|
37.0
|
0.448
|
2018.0
|
|
8
|
152.0
|
1.103
|
2018.0
|
|
9
|
40.0
|
1.076
|
2018.0
|
|
10
|
138.4
|
2.344
|
2018.0
|
|
11
|
40.0
|
2.299
|
2018.0
|
|
12
|
77.6
|
3.149
|
2018.0
|
|
13
|
40.0
|
3.121
|
2018.0
|
|
14
|
104.5
|
5.204
|
2018.0
|
|
15
|
40.0
|
5.166
|
2018.0
|
|
16
|
40.0
|
5.166
|
2018.0
|
|
17
|
-2.0
|
5.149
|
2018.0
|
|
18
|
-74.4
|
1.551
|
2018.0
|
|
19
|
-103.8
|
1.538
|
2018.0
|
|
20
|
-148.4
|
0.483
|
2018.0
|
根據(jù)已知參數(shù)，得到整個天然氣液化流程的模擬結(jié)果如下：制冷劑(N2)的流量為2018kmol/h，兩臺壓縮機(圖2中的壓縮機1、2)的功耗為3567kW，水冷換熱器分別帶走的熱量為6.742×106kJ/h、2.036×106kJ/h、3.539×106kJ/h、5.973kJ/h，總熱量為18.29×106kJ/h，多股流換熱器中天然氣得到的冷量分別為1.86×106kJ/h、4.606×106kJ/h，天然氣液化率為100%。
2.4 裝置性能考核結(jié)果
海南LNG工廠采用了氮氣二級膨脹制冷工藝，天然氣液化裝置于2005年3月成功投運?，F(xiàn)場性能考核表明：該天然氣液化裝置工藝設計合理，工藝路線可行，工藝技術指標均達到了設計要求。
3 結(jié)論
海南LNG工廠在國內(nèi)首次利用氮氣二級膨脹液化工藝，為此討論了其天然氣凈化、液化系統(tǒng)技術方案的制訂，設計了工藝流程，并對天然氣凈化系統(tǒng)DGA脫酸工藝和天然氣液化系統(tǒng)的氮氣二級膨脹液化工藝進行了模擬計算，得到各物流節(jié)點的設計參數(shù)，計算出了流程中壓縮機能耗、制冷劑流量、各換熱器的換熱量。經(jīng)考核，該天然氣凈化、液化裝置工藝技術運用合理，工藝路線可行，工藝技術指標均達到了設計要求，為國內(nèi)小型LNG工廠提供了一種新的天然氣液化工藝。
參考文獻
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[5] 王保慶.天然氣液化工藝技術比較分析[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1).111-113.
(本文作者：唐玉杰1 侯瑩2 1.中國石油化工股份有限公司天然氣分公司；2.中國石化中原油田采油工程技術研究院)
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