液化天然氣裝置的液化工藝選擇
時間：2018-10-09 16:22
來源：
作者: 張瑜
隨著 全 球 液 化 天 然 氣（LNG）貿(mào)易的快速發(fā)展，液化工藝的選擇存在挑戰(zhàn)性，尤其是液化天然氣項目的關(guān)鍵因素變得越來越重要，選擇更具通用性且成本效益較好的液化技術(shù)，以滿足嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，是新項目的重點所在。近年來，由于液化裝置的液化工藝選擇對較大運(yùn)載能力和可重復(fù)性的潛在經(jīng)濟(jì)性極為關(guān)注，且一些大型設(shè)施使用多個小運(yùn)載能力組合的解決方案，基礎(chǔ)液化天然氣裝置的液化工藝選擇研究在范圍上有突破。因此，本文介紹了 LNG 生產(chǎn)裝置的概況，并對最常見的液化天然氣液化的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了分析。
LNG 裝置概況
在典型的 LNG 生產(chǎn)裝置中，現(xiàn)場生產(chǎn)流體首先在入口接收設(shè)施中分離，其去除烴液體（冷凝物）和水相，并將原料氣體路徑轉(zhuǎn)到處理路徑。隨后，對氣體進(jìn)行預(yù)處理，以除去任何干擾液化過程的雜質(zhì)或在最終產(chǎn)品中不需要的雜質(zhì)。所要滿足的要求是將硫化氫去除到低于4ppm，二氧化碳為 50ppm，總硫30ppm 以下，水到 0.1ppm，汞為0.01mg/nM3.2。
天 然 氣 凝 析 液 (natural gasliquids, NGL) 也 從 冷 凍 干 燥 天然氣中除去，以滿足 LNG 產(chǎn)品的BTU 要求，并防止液化裝置中的設(shè)備凍結(jié)和隨后堵塞。剩余的氣體主要由甲烷組成，含有小 0.1 mol% 的戊烷和較重的烴， 在 深 冷 段 中 進(jìn) 一 步 冷 卻 至 約160℃（-256 ℉），并被完全液化。對于含氮（N2）含量大于 1mol%的進(jìn)料氣體，N 2 將通過在 LNG 生產(chǎn)裝置中的附加處理進(jìn)行除去，以防止在運(yùn)輸過程中轉(zhuǎn)換。通過調(diào)整所產(chǎn)生的末端閃蒸氣體的數(shù)量，可以滿足規(guī)范的要求。
天然氣液化
廠裝置根據(jù)其規(guī)模和功能可分為基礎(chǔ)設(shè)施、中型、調(diào)峰和小型裝置?；A(chǔ)設(shè)施通常由一個或多個裝置組成，通過海洋運(yùn)輸將天然氣作為液化天然氣供應(yīng)給消費國家。在過去的 40 年里，基礎(chǔ)設(shè)備的液化裝置規(guī)模穩(wěn)步增加，容量超 過 4MtPy， 如 7.8MMtpy 的 單個裝置正在卡塔爾進(jìn)行工作。大型單獨的 LNG 裝置往往會降低總的單位生產(chǎn)成本，有助于使新建項目和棕地項目在市場上更具競爭力。
為了充分認(rèn)識這些大型裝置的成本優(yōu)勢，必須使裝置保持高的可靠性和可用性。此外，設(shè)計必須是穩(wěn)健的，并且應(yīng)反映小型裝置的設(shè)備數(shù)量，以確保實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。天然氣液化液化技術(shù)以制冷循環(huán)為基礎(chǔ)，采用熱、預(yù)處理的進(jìn)料氣體，并通過低溫?fù)Q熱器將其冷卻成液體產(chǎn)物。為了產(chǎn)生 LNG 生產(chǎn)所需的低溫，工作必須通過壓縮進(jìn)入制冷循環(huán)，且必須通過空氣或水冷卻器將熱量從循環(huán)中排除到環(huán)境中。
使用制冷劑冷卻和液化氣體的基本原理是盡可能緊密地匹配進(jìn)料氣體和制冷劑的冷卻 / 加熱曲線，這會使更高效的液化過程，要求每單位 LNG 產(chǎn)生低的功率消耗。觀察典型的氣體液化過程的冷卻曲線，可以看到三個區(qū)域（預(yù)冷、液化和過冷結(jié)束）。這些區(qū)域的特征是沿著該過程具有不同的曲線斜率或特定的熱。所有 LNG 工藝都是為了接近液化氣體的冷卻曲線而設(shè)計的。這是通過使用混合（多組分）制冷劑，多組分和單組分制冷劑循環(huán)的組合， 或多個單一制冷劑，將匹配液化過程的不同區(qū)域 / 階段的冷卻曲線，以實現(xiàn)高制冷效率。
NCY 并盡量減少能耗，同時保持制冷級的數(shù)量合理。對于已經(jīng)開發(fā)的許多液化過程來說，主要的區(qū)別在于所使用的制冷循環(huán)類型。這些過程大致分為兩組：混合制冷劑過程和級聯(lián)液化過程（使用純組分作為制冷劑）。這里不考慮基于膨脹的過程，因為這些通常用于小型 LNG、調(diào)峰和浮動LNG（FLNG）。典型的級聯(lián)液化過程減少了不可逆的熱交換損失，通過利用含有制冷劑在不同恒定溫度下蒸發(fā)的幾種制冷循環(huán)。級聯(lián)循環(huán)在操作上是靈活的，因為每個制冷劑回路可以單獨控制，這避免了需要用制冷劑組合物追蹤進(jìn)料組合物或接觸風(fēng)險曲線。然而，級聯(lián)技術(shù)的缺點是與設(shè)備計數(shù)相關(guān)的資本投資相對較高。
設(shè)備數(shù)量與總投資成本之間的關(guān)系并不總是直接的。混合制冷劑（MR）循環(huán)涉及使用精心選擇的制冷劑混合物（通常是輕烴和 N 2 的混合物）連續(xù)冷卻天然氣流，可以模擬天然氣從環(huán)境到低溫的冷卻曲線。相關(guān)人員已經(jīng)評估了基于單混合制冷劑（SMR）和雙混合制冷劑（DMR）循環(huán)的陸上液化技術(shù)。SMR 工藝除了降低設(shè)備計數(shù)外，還具有操作簡單和靈活性的好處。
然而，它比 DMR 循環(huán)的效率低，這更好地將整個混合制冷劑沸騰曲線與進(jìn)料冷凝曲線相匹配。多種具有混合制冷劑的一個或兩個循環(huán)的雙級冷卻循環(huán)已經(jīng)得到開發(fā)。 丙烷預(yù)冷混合制冷劑 （C 3 MR）循 環(huán) 是 應(yīng) 用 最 廣 的 液 化 技 術(shù)， 與SMR 和基于膨脹機(jī)的系統(tǒng)相比，具有更有效的設(shè)備設(shè)計和更低的功率。與簡單的配置相比，這種修改的缺點是較高的工藝復(fù)雜性和更高的處理設(shè)備計數(shù)。
用于基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)
大多數(shù) LNG 裝置的基礎(chǔ)設(shè)施具有兩個或三個制冷回路，在較寬的溫度范圍內(nèi)冷卻液化天然氣流。對于這些過程中的每一個過程，在過程的配置中存在若干選項，這些選項將影響容量和整體吸引力。過程中的這些變化來自特定的燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動裝置和低溫?fù)Q熱器。丙烷預(yù)冷混合制冷劑（C 3 MR）工藝。
這種液化循環(huán)由空氣產(chǎn)品和化學(xué)品公司（APCI）開發(fā)，由多級丙烷（C 3 ）預(yù)冷系統(tǒng)組成，接著使用氮氣、甲烷、乙烷和丙烷的 MR系統(tǒng)進(jìn)行液化。APCI C 3 MR 工藝，其熱效率超過 93%，是專有的螺旋纏繞式熱交換器（SWWE）。使用并聯(lián)制冷劑壓縮機(jī) / 驅(qū)動裝置來設(shè)計大于 5MtPy 的大容量裝置，雖然增加了設(shè)備的數(shù)量，但也減少了設(shè)備的規(guī)模，因此可以刺激設(shè)備供應(yīng)商之間的競爭。
此外，LNG 裝置可以使用并行壓縮機(jī)流，有效性可高達(dá) 95%。優(yōu)化的級聯(lián)工藝。優(yōu)化的級聯(lián)過程，由康菲公司提供，使用多個丙烷、乙烯和甲烷制冷回路來平衡制冷負(fù)荷。這個過程圍繞著“兩裝置 合 一 ”（two-train-in-one）的概念來設(shè)計，以提高可靠性。最為顯著的特點是具有平行的壓縮線和 Frame 5 變速燃?xì)廨啓C(jī)。這將產(chǎn)生較高的有效性，且容易操作?；旌狭黧w級聯(lián)（MFC）過程。這項技術(shù)由 LIDE/StATORE 技術(shù)聯(lián)盟開發(fā)，是一個典型的級聯(lián)過程，通過三個獨立的 MR 循環(huán)，來預(yù)冷、液化和冷卻天然氣。與級聯(lián)相比，效率較高，因為 MRS 允許更接近溫度的方法。 然而， 在所有三個循環(huán)中，功率不同，與級聯(lián)過程不同。
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