小型天然气液化装置的研究

小型天然气液化装置的研究

1天然气液化的重要意义天然气是世界能源消耗的重要组成部分。它是煤炭和石油的三大支柱。我国具有丰富的天然气资源,随着我国“西气东输”工程的实施,将有力地促进天然气的开发和利用。LNG是天然气的一种独特的储存和运输形式,它是气田开采出来的天然气,经过脱水、脱酸性气体和重烃类,然后压缩、膨胀、液化而成的低温液体。天然气液化后,其体积为原来的1/625,有利于天然气的远距离运输,有利于边远天然气的回收,降低天然气的储存成本,有利于天然气应用中的调峰。同时,由于天然气在液化前进行了净化处理,所以它比管道输送的天然气更为洁净。近年来,随着我国对环境保护的重视和对高效、清洁能源认识的深入,对LNG的开发和应用重视程度逐渐提高。我国已初步规划在2010年之前在国内沿海建设7处以上液化天然气(LNG)接受终端。现已先规划在珠江三角洲、福建和浙江省进口LNG。国家科技部“十五”清洁汽车行动关键技术攻关及产业化项目指南明确提出了单一燃料LNG公交车的示范工程,通过示范工程,为全国大范围提高燃气汽车的应用水平发挥示范作用,促进国产LNG车的技术发展。天然气液化装置分为基本负荷型、调峰型及小型液化装置。小型天然气液化装置可用于天然气加气站、城市调峰用气、开发利用边远小气田、油井残气及沼气等领域。随着我国天然气的开发和LNG市场的发展小型天然气液化装置将有广阔的发展前景。2小型lng装置小型天然气液化装置与大中型相比,最大的特点是设备简单紧凑、投资省、尺寸小型化、装置撬装化。目前世界上除了加拿大以外,美国、芬兰等国也在开展小型LNG装置的研发工作。它是在市场对LNG有极大的需求和大宗LNG运输问题可以解决后才迅速发展起来的。小型LNG装置通常用于下列场合:(1)调峰设施:用途是液化并储存额外的天然气以调节供气量与需求量之间时域的不匹配;(2)小型LNG设施:槽车比管道输送LNG更为经济;(3)为交通工具提供天然气作为清洁燃料。3小型天然气液化设备近年来,我国天然气开发和LNG市场的发展引起了一些企业和科研单位的注意,国内已报道了许多国内外小型天然气液化装置研制的情况,如吉林油田、中国石油天然气总公司和中科院低温中心联合开发研制的500升LNG撬装式工业实验装置;中国科学院低温中心与四川省绵阳燃气集团总公司、中国石油天然气总公司勘探局、吉林油田管理局等单位联合研制的容量为0.3m3/hLNG和容量为0.5m3/hLNG的天然气液化设备;中原石油勘探局建造的国内首座小型生产性质的LNG工厂;以大连气波制冷研究推广中心开发的气波制冷机为核心的丙烷预冷和气波制冷机膨胀制冷、循环压缩的小型天然气液化工艺方案;美国燃气工艺研究院(GTI)研制LNG生产能力为4—40m3/d的小型天然气液化装置和俄罗斯建在CNG加气站和配气站上的小型天然气液化装置等。以下对这些小型天然气液化装置进行分析和归纳。3.1各种小型天然气液化装置(1)天然气液化处理工艺该装置工艺流程如图1所示。在预处理环节,该装置将气田井口高压的天然气(11MPa)加热节流后变成低压天然气(1.0MPa),并进行油、气、水分离,然后用国产分子筛对天然气进行深度脱水和脱二氧化碳处理。在其液化环节以高纯度氮气作为制冷工质,利用气体轴承膨胀机将氮气制冷到-157℃,再在冷箱中通过板翘式换热器与天然气进行换热使天然气温度降到-130℃,然后通过节流阀降温降压至0.35MPa(-145℃)使天然气液化。整个装置由10个撬块组成,全部设备国产化,水、电、制冷工质、原料全部自给,并于1996年12月整体试车成功,各项技术指标均达到或接近设计值,它为边远地区零散天然气的回收和利用开辟了一条途径。(2)膨胀机天然气管线该装置工艺流程如图2所示。在其液化环节,压力为4MPa的预处理天然气经换热器1预冷,通过气液分离器并分离掉重烃,分离后的气体一部分进入膨胀机膨胀降温,降温后作为制冷工质进入换热器2冷却未进入膨胀机的天然气,通过节流阀节流降温后使天然气液化并储存在LNG储罐中。对储罐中自蒸发的LNG通过换热器1和换热器2进行冷量回收后进入管网。(3)mea法脱除co该装置工艺流程如图3所示。在其预处理环节,通过分液罐1除去原料气中的液体,利用过滤器2过滤掉粒径大的液体和固体。过滤后的天然气在脱CO2塔3中用一乙醇胺(MEA)法脱除CO2;脱CO2后的天然气在干燥器4中用分子筛进行脱水处理。在其液化环节,首先利用丙烷制冷循环在中压丙烷换热器5和低压丙烷换热器6中冷却净化后的天然气,然后经节流阀节流降温进人高压天然气分离器8进行气液分离,液相返流冷量回收,产生的气相经乙烯换热器9和中压LNG换热器10冷却,再节流降温进人中压天然气分离器12,气相返流冷量回收,产生的液相进一步经低压LNG换热器13冷却,再次节流后进人低压天然气分离器15,气相返流冷量回收,液相流入LNG储罐16储存。(4)分子筛吸附深度该工艺方案流程如图4所示。在其预处理环节,采用一乙醇胺法(MEA)脱除二氧化碳,分子筛吸附深度脱水。在其液化环节,采用丙烷预冷,将原料气和循环气温度降至-35℃,一部份气体进入单机双级膨胀的气波制冷机膨胀降温,降温后作为制冷工质进入冷箱冷却未进入气波制冷机的气体,然后节流降温进入分离器,气相返流冷量回收,液相储存。(5)高压制冷冷却该装置工艺流程如图5所示。它采用混合制冷剂液化循环,制冷剂用螺杆压缩机压缩,由于在压缩机出口的高压制冷剂含有大量的油,所以制冷剂首先经油分离器除油,随后经后冷却器预冷,预冷除油后的制冷剂从顶端进入多通道铝平板/翘片主换热器冷却,并在主换热器低端经膨胀阀膨胀降温降压为气液两相流体,随后制冷剂作为冷源向上流动通过主换热器冷却高压制冷剂和天然气,使天然气液化。(6)小型液化装置工艺上世纪90年代俄罗斯在列宁格勒州和圣彼得堡市进行小型LNG生产装置建设的试点,由列宁格勒输气公司(ЛЕНТРАСГАЗ)和СИГМА天然气公司协作建设装置,КРИОНОРД公司负责设计,开发了建在CNG加气站和配气站上的小型液化装置(a)建在CNG加气站上的小型液化装置该装置工艺流程如图6所示。在其液化环节,净化原料天然气进入CNG压缩机,加压到18—19MPa,经丙烷冷剂系统预冷到-40℃,再进入主要装有涡流管制冷器等设备的液化工序使天然气降压膨胀液化,液相进入储罐,气相返回原料气。(b)建在CNG配气站上的小型液化装置该装置工艺流程如图7所示。在其液化环节,经净化器净化后的原料气分二股,一股输到换热器I,另一股到涡流管制冷器,在换热器I中与涡流管制冷器冷端流出的气体(-60℃)换热后到换热器Ⅱ,在此器中与节流阀ДР-2膨胀制冷与气体换热后温度为-90℃,最后经节流阀ДР-1膨胀冷却到液化温度,流入LNG分离器,并输出LNG产品。经换热器热交换后和涡流管制冷器热端流出的低压天然气与配气站工作后出来的低压气汇合后输给用户。(c)建在CNG加气站和配气站上的联合天然气液化试验装置建在CNG加气站和配气站上的小型液化装置各有优缺点,如在CNG加气站上的小型液化装置,可保证液化率达到40%—50%,但要使用丙烷冷剂系统预冷和压缩机,能耗较大;在配气站上的小型液化装置,不需能耗,但液化率较低。为了克服上述缺点,设计了在CNG加气站和配气站上的联合天然气液化试验装置,该装置工艺流程如图8所示。在其液化流程中,由干线进入配气站高压天然气中分出部分气体,经联结两个站管线输到CNG加气站,先由净化设施进行净化,净化后的气体从点9分二股,一股去换热器II,另一股去涡流管制冷器II,其冷端气流在换热器II中冷却原料气,从中流出的气体在8再分二股,一股去换热器I,另一股去涡流管制冷器I,其冷端气流在换热器I中对原料气进一步冷却,高压原料气输入节流阀II膨胀再制冷,低压原料气经换热器Ⅲ后由点0进入压缩机,将气体压力提高到15—20MPa,高压原料气经Ⅲ、Ⅳ换热器,最后再经节流阀I膨胀制冷,达到生产LNG的温度,由点4入LNG分离器,底部流出LNG产品。涡流管制冷器热端流出低压尾气使用喷射器冷却,本装置所有低压尾气流向配气站,与该站降压后天然气汇合供作商品气。3.2小型天然气液化装置的比较以上介绍的各种小型天然气液化装置各有其特点,我们从液化指标、液化工艺和核心部件、应用领域三个方面,对这些小型天然气液化装置进行了比较,如表1所示。4基本负荷型和调峰型液化装置的相似点小型天然气液化装置的研究是一项系统工程,与基本负荷型和调峰型液化装置相似,主要涉及到三方面的内容:液化流程设计和模拟,液化设备设计和选型,液化装置调试和整改。(1)优化液化流程液化流程的设计要依据气源特性,结合小型天然气液化装置区别于大中型液化装置的特点,即设备简单紧凑、投资省、尺寸小型化、装置撬装化等设计出合适的液化流程,考虑环节冷量的获得方法,如膨胀制冷,节流制冷,冷剂循环等。流程设计好后要应用化工模拟软件,如HYSYS,HYSIM等进行模拟,以获取液化环节各节点的数据和设备的工程数据,为液化装置的设计和选型提供依据,同时可对液化流程进行优化,使所设计的液化流程具有科学性。由国内外小型天然气液化装置的研究进展可看出,小型天然气液化装置的液化流程主要应用低温获得的节流效应,膨胀效应和外加制冷剂循环的方式,由于小型天然气液化装置的特殊性,新的低温理论和技术的发展对其效能会产生影响,如气波制冷机和涡流管制冷器,为此针对小型天然气液化装置的低温理论和技术值得广大低温领域的学者关注。一般地,在对小型天然气液化装置的液化流程进行设计时要考虑以下因素:投资成本、运行费用、装置的简便性和灵活性、液化产品的质量要求和液化能力,其中主要是投资成本和运行费用。(2)液压设计及方案液化设备的设计和选型要结合国内液化设备的现状,立足于使设计的小型天然气液化装置国产化,取得自主知识产权,力求形成商业化规模。(3)硬件故障检验设计的小型天然气液化装置性能如何,是否满足生产需要,设计中是否还存在问题等等,都必须通过整机调试运行后才能检验。调试前应对所需采集的数据进行规划,明确需要采集哪些数据,所需采集数据的数量等,以为验证和整改小型天然气液化装置提供依据。5小型天然气液化装置特点随着我国对环境保护的重视和对高效、清洁能源认识的深入,对LNG的开发和应用程度的提高,小型