LNG工廠的工藝設(shè)計探討

摘 要

摘要：結(jié)合工程實例，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)及儲存和裝車系統(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)及儲存和裝車系統(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，天然氣的液化和儲存是其開發(fā)利用的一項關(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，已形成了一個工業(yè)鏈。30年來，LNG產(chǎn)業(yè)作為世界上一門新興工業(yè)在飛速發(fā)展，目前仍保持著強勁的勢頭。我國有豐富的天然氣資源，但大規(guī)模開發(fā)利用天然氣，尤其是開發(fā)和應(yīng)用LNG技術(shù)起步很晚。我國已進(jìn)入LNG建設(shè)的高峰期，故LNG的工藝設(shè)計、建設(shè)及運營可能出現(xiàn)一系列問題，需要我們探索和研究[1]。本文通過工程實例對LNG工廠的工藝設(shè)計進(jìn)行探討。
2 LNG工廠工藝系統(tǒng)及流程
    陜西省燃?xì)庠O(shè)計院于2008年初承接了一個日處理天然氣60×104m3/d的LNG工廠設(shè)計項目，該項目完全采用國內(nèi)設(shè)備和國內(nèi)技術(shù)，氣源來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、烷烴類及苯類等。
    本液化工程項目的主要工藝系統(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)、儲存系統(tǒng)和裝車系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)有放散系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)、PSA制氮及液氮氣化系統(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)
    原料氣來自銀川門站，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，增壓至5.0MPa。
4 脫碳、脫水、純化及脫汞系統(tǒng)
    為了滿足低溫工作狀態(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)凈化后芳香烴類體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為1×10-6～10×10-6。
    來自壓縮機的天然氣經(jīng)氣液分離器和過濾器后進(jìn)入吸收塔底部，與來自塔頂?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，具有C02回收率高、能耗低等優(yōu)點。
    從脫碳系統(tǒng)出來的天然氣進(jìn)入分子篩干燥器，采用4A液化天然氣專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)過濾器脫除粉塵。然后，自上而下通過脫汞吸附器床層，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子母罐儲存并通過LNG槽車外運。
   氟利昂預(yù)冷和氮-甲烷膨脹液化流程結(jié)合了級聯(lián)式液化流程和膨脹機液化流程的優(yōu)點，流程高效簡單。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時間短、流程簡單、控制容易、制冷劑測定及計算方便等優(yōu)點。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，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算困難等問題。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圖1。在天然氣液化系統(tǒng)中，經(jīng)過預(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中過冷，節(jié)流降壓后進(jìn)入儲罐；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10和制動壓縮機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的入口溫度。一部分制冷劑進(jìn)入透平膨脹機6，膨脹到循環(huán)壓縮機的入口壓力，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)動制動壓縮機；另外一部分制冷劑經(jīng)換熱器4和5冷凝和過冷后，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流、降溫后返流，為換熱器5提供冷量。
 

6 儲存和裝車系統(tǒng)
    液化后的LNG進(jìn)入LNG儲罐儲存，儲存能力按7d的產(chǎn)量確定，選用有效容積為1750m3的LNG儲罐2座，當(dāng)1座LNG儲罐進(jìn)液時，另1座LNG儲罐裝車。
    進(jìn)液：來自液化系統(tǒng)的LNG通過充裝管道，經(jīng)過充裝緊急切斷閥、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關(guān)閉。
    出液和裝車：子罐內(nèi)的LNG通過低溫泵輸送，經(jīng)過截止閥和出液緊急切斷閥進(jìn)入槽車。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關(guān)閉。
    該液化裝置的LNG產(chǎn)量為512m3/d，每天裝車操作按8h計算，配置80m3/h的外置式離心泵2臺(1用1備)，LNG裝車位3個，可實現(xiàn)3臺槽車同時裝車。
7 結(jié)語
    本項目從2008年初開始設(shè)計，到2009年6月施工調(diào)試結(jié)束，歷時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)計要求，具有良好的社會效益和經(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[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：82.
 
(本文作者：張懿君 程玉排 陜西省燃?xì)庠O(shè)計院 陜西西安 710043)