04-液化天然气技术(LNG)-第四章-天然气液化技术

液化天然气技术第四章天然气液化技术LNG的生产分为3个步骤：原料气预处理

液化

储存。图4.1典型的LNG生产工艺装置图第一节天然气液化工艺级联式循环；混合制冷剂液化流程；膨胀机制冷液化流程；液氮液化天然气流程；CII液化流程（整体结合式级联型液化流程Integral-Incorporated-Cascade）。天然气液化是一个低温过程。天然气液化工艺有：一般，对基本负荷型液化装置采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程，对调峰型液化装置采用带膨胀机的液化流程和混合制冷剂液化流程。一、级联式循环

经典的级联式循环由三个单独的制冷循环（丙烷、乙烯、甲烷）串接而成（3个温度水平）。为使实际级间操作温度尽可能贴近原料气的冷却曲线，减少熵增，提高效率，用9个温度水平（丙烷段、乙烯段、甲烷段各3个）代替3个温度水平（丙烷段-38℃、乙烯段-85℃、甲烷段-160℃）。天然气3温度水平和9温度水平的级联式循环冷却曲线，如下所示：图4.2三温度水平级联式循环的冷却曲线图4.3九温度水平级联式循环的天然气冷却曲线丙烷（大气压下沸点-42.3℃）乙烯（大气压下沸点-104℃）甲烷（大气压下沸点-162℃）每个制冷剂循环中均含有三个换热器。

图4.4级联式液化流程示意图第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量；第二级乙稀制冷循环为天然气和甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量。级联式液化流程⑴能耗低;⑵制冷剂为纯物质，没有配比问题，操作稳定;⑶技术成熟，压缩机的喘震减少。⑴机组多，流程复杂;⑵附属设备多;⑶管道与控制系统复杂、维护不便。

优点

缺点二、混合制冷剂液化流程（MRC：Mixed-RefrigerantCycle）

MRC以C1至C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。

MRC既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。自20世纪70年代以来，对于基本负荷型天然气液化装置，广泛采用了各种不同类型的混合制冷剂液化流程。组分氮甲烷乙烯丙烷丁烷戊烷体积，%0～320～3234～4412～208～153～8表4-1混合制冷剂的一般组成与级联式液化流程相比混合制冷剂液化流程优点是：⑴机组设备少，只需一台循环压缩机，流程简单，投资省，投资费用比经典级联式液化流程约低15%-20%；⑵管理方便；⑶混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充。缺点是：⑴能耗较高，比级联式液化流程高10%-20%左右；⑵混合制冷剂的合理配比较为困难。1.无预冷的混合制冷剂液化流程图4.5无预冷的混合制冷剂天然气液化流程

混合制冷剂经压缩至高压，首先用水冷却，带走一部分热量，预冷后进入气相分离器S1，分离成气相和液相。

液相经预冷换热器E1冷却后节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为预冷换热器E1提供冷量。

气相制冷剂经预冷换热器E1冷却后，进入气液分离器S2,分离成气相和液相。1.无预冷的混合制冷剂液化流程图4.5无预冷的混合制冷剂天然气液化流程

液相经主换热器E2冷却后节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后为主换热器E2提供冷量。

从主换热器E2出来的气相制冷剂，经过过冷换热器E3冷却后节流、降温，进入过冷换热器E3，冷却天然气和气相混合制冷剂。1.无预冷的混合制冷剂液化流程图4.5无预冷的混合制冷剂天然气液化流程

预处理后的天然气依次经过预冷换热器E1、主换热器E2和过冷换热器E3，经历了一个冷却、冷凝和过冷的过程，相态由气相变为液相。

过冷换热器E3出口的高压液态天然气，经节流阀节流降压至储存压力，温度相应地降低至储存温度，液态天然气部分汽化进入两相区，注入LNG储罐。MRC循环的主要特点：（1）由于MRC循环采用单一的多组分制冷剂，因此，只需要一台循环压缩机，而不像级联式制冷循环那样需要多台制冷压缩机，仅此一项就使得MRC循环设备投资大大降低。（2）MRC循环的加热曲线可与天然气原料的冷却曲线较好地匹配，因此，可大大减少制冷功率。（3）使用一台集成换热器（即MRC主换热器），在设备费用和易于制造方面也具有显著优势。（4）利用节流阀降压可以减少LNG产品的蒸发损失，采用制冷压缩机的级间分离器，可减少压缩机的操作功率。2.丙烷预冷混合冷剂制天然气液化流程带丙烷预冷的混合冷剂制冷循环，简称C3/MRC工艺，是在MRC工艺基础上开发出来的新一代液化工艺，也可视其为对传统的级联式循环的改进。C3/MRC循环采用丙烷预冷（或者氨制冷预冷）与混合制冷剂（N2+C1-C4）联合作用方式。图4.6带丙烷预冷的MRC循环（主循环）

图4.7丙烷预冷循环

高压丙烷中压丙烷低压丙烷

丙烷预冷混合制冷剂液化流程主要由三个循环组成：两个闭式制冷循环，即丙烷压缩制冷循环和混合制冷剂循环；一个开式循环，即天然气液化流程。

丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气。3.混合制冷剂对液化流程参数的影响：组分氮甲烷乙烯丙烷丁烷戊烷体积，%0～320～3234～4412～208～153～8表4-1混合制冷剂的一般组成混合制冷剂的氮含量由天然气所需要的过冷度确定，也应随着天然气中氮含量的增加而增加。一般而言，当待液化的天然气平均相对分子质量较高时，混合制冷剂的相对分子质量也应随之升高，即当天然气中重组分乙烷、丙烷、丁烷等增加时，混合制冷剂中重组分乙烷和丙烷的含量也要随之增加。混合制冷剂组成对液化流程参数的影响：

（1）CH4液化率（2）N2比功耗（3）C2H4比功耗（4）C3H8比功耗存在极值点混合制冷剂压力对液化流程参数的影响天然气液化率与功耗都随着高压混合制冷剂压力的升高而降低。天然气液化率与功耗都随着低压混合制冷剂压力的升高而降低。三、膨胀机制冷液化流程

（1）天然气膨胀液化流程——采用天然气膨胀制冷的循环，又称开式膨胀机循环；

利用原料气管道中的高压天然气，在制冷循环膨胀机中等熵膨胀，获得的低温用于液化另一股天然气。（2）氮膨胀液化流程——采用N2（或N2—CH4混合物）膨胀制冷工艺流程，又称闭式膨胀机循环。（1）原料气压力为4.0MPa。（2）液化温度约为180K。（3）原料气脱水后分为两股，约80%进入制冷支路。（4）膨胀到约1.3MPa。（5）20%作为待液化气体经进一步纯化后进入冷箱。

1—脱水器2—脱CO2塔3—水冷却箱4—返回气压缩机5、6、7—换热器8—过冷器9—储槽

10—膨胀机11—压缩机12—分离器图4.8天然气膨胀机液化流程图

1.天然气膨胀液化流程液化率低，适用于天然气高压80%用于制冷20%待液化气天然气膨胀液化流程优缺点：优点：⑴流程简单、调节灵活、工作可靠、易启动、易操作、维护方便；⑵用天然气本身为工质时，省去专门生产、运输、储存冷冻剂的费用。缺点：⑴送入装置的气流需全部深度干燥；⑵回流压力低，传热面积大，设备金属投入量大；⑶受低压用户多少的限制；⑷液化率低，如再循环，则在增加循环压缩机后，功耗大大增加。2.氮气膨胀机制冷液化流程

氮膨胀液化流程是利用透平膨胀机制冷原理，以N2（或N2—CH4混合物）为介质，进行密闭循环制冷。氮气膨胀机制冷液化流程

2—预处理装置1、4、5—换热器3—C+2以上重烃分离器6—氮气提塔7—氮气膨胀机8—N2-CH4分离塔9—循环压缩机氮膨胀液化流程优缺点：优点：(1)启动快，热态启动1~2小时即可获得满负荷产品；(2)制冷剂采用单组分气体，为不同组分的原料气操作提供了灵活性；(3)操作安全，放空不会引起火灾或爆炸危险：(4)氮膨胀循环流程简化、设备紧凑、造价低。缺点：但能耗比混合制冷剂高40%左右。

二级氮膨胀液化流程是经典氮膨胀液化流程的一种变形，其后为了降低膨胀机的功耗，采用N2-CH4混合气体代替纯N2，发展了N2-CH4膨胀液化流程。3.其它膨胀液化流程

带膨胀机的液化流程中，由于换热器的传热温差太大，从而使流程的㶲损很大，为了降低流程的㶲损，可采取以下措施：（1）采用预冷方法，对制冷剂进行预冷。（2）提高进入透平膨胀机气流的压力，并降低其温度。（3）将带膨胀机液化流程与其它液化流程（例如混合制冷剂液化流程）结合起来使用。注：当系统由任意状态可逆的变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以全部转换为任何其他能量形式的那部分能量，称为㶲。可称为可用能、有效能。带丙烷预冷的天然气膨胀液化流程

l、3、5、6、7一换热器2、4一丙烷换热器8一水冷却器9一压缩机10一制动压缩机11一膨胀机12、13、14一分离器原料气用两级丙烷压缩制冷循环对天然气进行预冷后，进入膨胀机11进行膨胀。

膨胀后的天然气进入分离器12，产生的气相天然气返流，为换热器1、3、5、6提供冷量；

产生的液相经节流后，与原料天然气混合进入分离器13；

产生的气相流体为换热器1、3、5、6、7提供冷量，产生的液体经节流降压后进入分离器14，产生的LNG进入储槽。

我们可以在氮气用户附近设置天然气液化站，利用液氮的低温冷能来液化天然气。高压天然气管道内天然气经预冷器被来自液化器的氮气冷却到-122℃后，再进入液化器被来自液氮储罐的液氮冷却到-162℃，液氮经液化器、预冷器后，再经空温换热器复热至常温，进入氮气管道。图4.11液氮液化天然气的流程四、液氮液化天然气的流程

建于上海的LNG事故调峰站是我国第一座调峰型LNG装置。调峰LNG装置的工作过程：由市区1.5MPa天然气管网送至LNG调峰站的天然气，首先进行过滤、计量并加压至5MPa，然后进入预处理系统，用MEA法脱CO2

、H2S，用分子筛脱水，再经液化流程液化，液化后的天然气储存在20,000m3LNG储槽内。该LNG装置的主要性能指标如下：①储槽容积20,000m3

；

②储槽日蒸发率0.08%；③液化能力

165m3LNG/d；

④气化能力120m3LNG/h。五、CII液化流程（整体结合式级联型液化流程）该LNG事故调峰站的流程由法国燃气公司设计开发的整体结合式级联型液化流程（IntegralIncorporatedCascade），简称为CII液化流程。该流程主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三部分。

整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循环两部分。

1—分馏塔2—冷箱3—低压压缩机4—高压压缩机5、6、7、8—气液分离器9、10、11—节流阀

12、13—冷却器五、CII液化流程CII循环具有如下特点：（1）流程精简，设备少。CII液化流程出于降低设备投资和建设费用的考虑，简化了预冷制冷剂组的设计。在流程中增加了分馏塔，将混合制冷剂分馏为重组分（以丁烷和戊烷为主）和轻组分（以氮、甲烷、乙烷为主）两部分。重组分冷却、节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合制冷剂；轻组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝、过冷天然气。（2）冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器，体积小，便于安装。（3）压缩机和驱动机的形式简单、可靠、降低了投资与维护费用。六、各种流程的技术经济比较

取级联式循环的典型能耗为0.33kWh/kg，并将其设定为1。循环模式与级联式循环的相对能耗级联式循环1.00单级混合制冷循环1.25丙烷预冷混合制冷循环1.15多级混合制冷循环1.05单膨胀机循环2.00丙烷预冷单级膨胀机循环1.70双膨胀机循环1.70表4-2各种液化循环效率比较指标级联式MRC膨胀机效率高中/高低复杂程度高中低换热器类型板翘式板翘式或绕管式板翘式换热器面积小大小适应性高中高开停方便中低高表4-3各种液化循环特性比较第二节液化天然气流程实例20世纪70年代，APCI（美国空气液化公司）发展了丙烷制冷混合制冷剂液化流程。并在大型的LNG工厂得到了广泛应用。用丙烷将天然气从40℃预冷至-30℃；混合制冷剂循环再把天然气从-30℃过冷到-160℃。一、丙烷预冷-混合制冷剂制冷的基本负荷型液化装置下图是首次采用这种液化流程的天然气液化装置的流程简图，于1973年建于文莱，该厂共有五套这样的装置，每套液化能力为424.5

104m3/d。1—再生塔2—吸收塔3、18—高压丙烷换热器4—水分离器5、6—干燥器7、17—中压丙烷换热器8、10—低压丙烷换热器9—重烃回收器10—C1分离器11—C2分离器12—C3分离器13—C4分离器14—低温换热器15—气液分离器19、21—水冷却器20、22—制冷剂压缩机

文莱天然气液化装置流程一、丙烷预冷-混合制冷剂制冷的基本负荷型液化装置

基本流程：

原料气经脱除水分和重烃后，通过两条直径为710mm的输气管道送入厂内。采用环丁砜法吸收脱除原料气中的CO2及H2S；然后，先将原料气冷却至21℃左右，使约70%的水分被冷凝分离出来，再用分子筛深度脱水。

此后，天然气经重烃回收塔分离重烃，并用丙烷预冷到-34℃，在4MPa压力下进入混合制冷剂循环的低温换热器，在其中被冷却、液化和过冷。过冷后的液化天然气送入储槽。二、级联式液化天然气装置

2001年，我国第一座小型的基本负荷型天然气液化装置在中原油田试运行成功，生产的液化天然气通过槽车运输的方式，供应给燃气供应商。

该液化装置生产LNG的能力为15×104m3/d，原料气压力为12MPa，温度为30℃，甲烷的摩尔分数在93.35%~95.83%之间。1—分离器2—过滤器3—脱CO2塔4—干燥器5—中压丙烷换热器6—低压丙烷换热器7、11、14—节流阀8—高压天然气分离器9—乙烯换热器10—中压LNG换热器12—中压天然气分离器13—低压LNG换热器15—低压天然气分离器16—LNG储槽图4.14中原油田天然气液化装置示意图

原料气先后进入原料分离器1（除液）、过滤器2（除尘）、脱CO2塔3（MEA法）、分子筛干燥器4（脱水）。1—分离器2—过滤器3—脱CO2塔4—干燥器5—中压丙烷换热器6—低压丙烷换热器7、11、14—节流阀8—高压天然气分离器9—乙烯换热器10—中压LNG换热器12—中压天然气分离器13—低压LNG换热器15—低压天然气分离器16—LNG储槽净化后的天然气，首先利用丙烷制冷循环经换热器5、6冷却，节流降温进入分离器8进行气液分离。

液相返流冷量回收，气相利用乙烯制冷循环经换热器9、10冷却，节流降温进入分离器12进行气液分离。1—分离器2—过滤器3—脱CO2塔4—干燥器5—中压丙烷换热器6—低压丙烷换