【正文】 ...................... 26 單級(jí)天然氣膨脹天然氣液化流程 ................................................... 26 雙級(jí)天然氣膨脹天然氣液化流程 ................................................... 28 膨脹機(jī)制冷的模擬條件 .................................................................................. 30 天然氣膨脹制冷模擬結(jié)果 ........................................................................... 30 單級(jí)天然氣膨脹制冷天然氣液化流程模擬結(jié)果 ........................... 30 雙級(jí)天然氣膨脹制冷天然氣液化流程模擬結(jié)果 ........................... 31 第 6 章 利用管道壓差的天然氣液化工藝流程選擇 ................................................ 34 天然氣液化工藝流程選擇原則 ................................................................... 34 混合冷劑制冷和膨脹機(jī)制冷對(duì)比分析 ....................................................... 34 兩種液化流程能耗對(duì)比 ................................................................... 34 兩種液化流程設(shè)備 參數(shù)對(duì)比 ........................................................... 35 液化工藝流程選擇結(jié)果 ............................................................................... 37 第 7 章 結(jié) 論 ........................................................................................................ 38 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................. 39 附錄 A 附錄內(nèi)容名稱 ................................................................................................ 41 致 謝 ................................................................................................................ 42 中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 研究的目的和意義 隨著國(guó)內(nèi)天然氣使用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，工業(yè)用氣及城市居民用氣安全保障問題也變得愈發(fā)重要。而近年來，全國(guó)各地許多城市都發(fā)生天然 氣供應(yīng)短缺的“氣荒”現(xiàn)象，且有愈演愈烈之勢(shì)，這無疑為工業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來極大的困擾和不便。這些問題的出現(xiàn)，雖然主要原因是能源供應(yīng)中天然氣供需失衡，但也充分暴露了城市供氣系統(tǒng)缺乏足夠的調(diào)峰能力。目前我國(guó)城市供氣系統(tǒng)基本是上游氣源與下游用戶之間的簡(jiǎn)單管道輸送系統(tǒng)，管道輸氣壓力和流量幾乎是固定的，上游供多少，下游用多少，中間沒有任何積蓄和緩沖的能力。一旦由于季節(jié)和氣候原因短期內(nèi)居民用氣量增大，超出管網(wǎng)供氣能力，就會(huì)出現(xiàn)“氣荒”。即使在一些天然氣資源豐富的省份，一些城市也同樣出現(xiàn)“氣荒”。 要解決這種供氣過程中出 現(xiàn)的問題，就必須對(duì)天然氣消耗進(jìn)行調(diào)峰處理，以緩解供氣不平衡現(xiàn)象。建立液化天然氣 (LNG)調(diào)峰工廠是調(diào)峰的一種有效手段，在國(guó)外已經(jīng)普遍應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有一些調(diào)峰液化天然氣工廠在運(yùn)行。 LNG 調(diào)峰廠具有占地少，投資省，儲(chǔ)氣量大等優(yōu)點(diǎn)，只要增加低溫儲(chǔ)罐就可以增加儲(chǔ)量。建成后不僅可以起到調(diào)峰作用，還可以利用 LNG 能用槽車運(yùn)送的特點(diǎn)，將天然氣供到周邊無管網(wǎng)地區(qū)，擴(kuò)大天然氣供氣范圍。 國(guó)外對(duì)天然氣液化工藝研究進(jìn)行得比較早，西方國(guó)家在七十年代開始大規(guī)模利用天然氣的同時(shí)，就在天然氣管網(wǎng)附近建設(shè)天然氣液化工廠，作為城市燃?xì)?供應(yīng)的補(bǔ)充和安全保障。而我國(guó)對(duì)天然氣液化工藝研究相對(duì)較晚，對(duì)液化天然氣的利用也正處于起步階段。然而，我國(guó)能源消費(fèi)量巨大，現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)不足以滿足目前以及未來的天然氣供應(yīng)需求，這種嚴(yán)峻形勢(shì)也給我國(guó)液化天然氣工業(yè)的發(fā)展帶來了機(jī)遇。因此，我們有必要對(duì)天然氣液化工藝進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為我國(guó)液化天然氣工業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐和保障，促使我國(guó)液化天然氣工業(yè)健康快速發(fā)展。 目前的天然氣液化工藝，包括級(jí)聯(lián)式液化工藝、混合冷劑天然氣液化工藝和膨脹機(jī)制冷天然氣液化工藝。在實(shí)際操作中，如何選擇適當(dāng)?shù)囊夯に嚵鞒?，需要根?jù)實(shí)際情 況來進(jìn)行選擇。 目前，對(duì)于 小型 調(diào)峰型天然氣液化工廠， 一般使用混合冷劑制冷液化流程或膨脹機(jī)制冷液化流程。當(dāng) 在城市管網(wǎng)供氣中具有管道壓力差時(shí)， 就有可能利用原料氣管道中的高壓天然氣在膨脹機(jī)中等熵膨脹到輸氣管道壓力而使天然氣液化，這樣就不需要消耗動(dòng)力。因此， 通過 對(duì)利用管道壓差的第 1章 緒論 2 天然氣液化工藝進(jìn)行研究 來選擇適當(dāng)?shù)囊夯鞒?，可以?duì)調(diào)峰型天然氣液化工藝的設(shè)計(jì)起到理論上的指導(dǎo)作用。 天然氣液化技術(shù)概述 天然氣液化 ，即是 在常壓下 將天然氣冷卻到 大約 161℃ 左右使其變?yōu)橐后w。天然氣液化工藝可能不同，但是其冷凝過程是一樣 的。首先，將濕天然氣經(jīng)過預(yù)處理脫除二氧化碳、硫化氫、水等雜質(zhì)，再將預(yù)處理后的天然氣預(yù)冷到大約 35℃除去重組分，防止重組分在低溫下凍結(jié)堵塞設(shè)備和管道。脫除重組分的天然氣再被進(jìn)一步冷卻到大約 161℃成為液化天然氣，再送入液化天然氣存儲(chǔ)罐。 這就是天然氣液化的液化基本原理。 天然氣液化工藝流程按照制冷方式不同，可以分為 以下三種方式：級(jí)聯(lián)式液化流程、混合制冷劑液化流程、帶膨脹機(jī)的液化 流程 [1]。 按照用途分類則可以分為基本負(fù)荷型天然氣液化裝置和調(diào)峰型天然氣液化裝置。 級(jí)聯(lián)式液化流程制冷原理是經(jīng)預(yù)處理后的原料氣經(jīng)過丙 烷、乙烯、甲烷三種制冷劑的三個(gè)制冷循環(huán)逐級(jí)降溫、液化。 該制冷工藝的特點(diǎn)是所需換熱器面積小，能耗也低。但是由于三個(gè)制冷循環(huán)都都需要獨(dú)立的壓縮機(jī)以及制冷劑存儲(chǔ)設(shè)備，故而所需機(jī)械設(shè)備多投資大，流程復(fù)雜 ，致使 設(shè)備維護(hù)不便 。 混合冷劑制冷流程 是以 C1 至 C5 的碳?xì)浠衔锛?N2 等五種以上的多組分混合制冷劑為工質(zhì)，利用其重組分先冷凝，輕組分后冷凝的特點(diǎn)，逐級(jí)冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣的目的。 與級(jí)聯(lián)式液化流程相比，其優(yōu)點(diǎn)為：設(shè)備少，流程簡(jiǎn)單，投資省。其缺點(diǎn)是能耗較高，并且混合制冷 劑配比比較困難，流程計(jì)算比較困難。 帶膨脹機(jī)的天然氣液化流程，其原理是通過透平膨脹機(jī)進(jìn)行等熵膨脹從而達(dá)到降溫 目的 [2]。當(dāng) 一定壓力的氣體在透平膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹對(duì)外做功而消耗氣體本身的內(nèi)能，從而使氣體自身強(qiáng)烈地冷卻而達(dá)到制冷的目的。 膨脹機(jī)制冷主要采用以下三種循環(huán)：天然氣直接膨脹制冷、氮膨脹制冷、氮?dú)?甲烷混合膨脹制冷。膨脹機(jī)制冷的優(yōu)點(diǎn)是開停車比較方便，故而比較適合用于調(diào)峰型天然氣液化裝置；但是膨脹機(jī)制冷液化率低，能耗高，對(duì)進(jìn)入膨脹機(jī)的氣體干燥度要求較高。 基本負(fù)荷型天然氣液化裝置是指生產(chǎn)的液化天然氣供當(dāng)?shù)?使用或者外運(yùn)的大型液化裝置。此類裝置 的生產(chǎn)容量穩(wěn)步上升，是因?yàn)榇笕萘垦b置經(jīng)濟(jì)性較好，且現(xiàn)代 LNG 裝置應(yīng)用了比以往更大的設(shè)備 [7,8]。 基本負(fù)荷型液化裝置的液化和存儲(chǔ)連中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 3 續(xù)進(jìn)行，裝置的液化能力 一般在 106m3/d 以上?；矩?fù)荷型天然氣液化裝置由天然氣預(yù)處理流程、液化流程、儲(chǔ)存系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、裝卸設(shè)施和消防系統(tǒng)等組成，是一個(gè)發(fā)雜龐大的系統(tǒng)工程，投資高達(dá)數(shù)十億美元 [9]。 調(diào)峰型天然氣液化裝置 指為調(diào)峰負(fù)荷或補(bǔ)充冬季燃料供應(yīng)的天然氣液化裝置，通常將低峰負(fù)荷時(shí)過剩的天然氣液化儲(chǔ)存，在高峰時(shí)或緊急情況下再汽化使用 [10]。調(diào)峰型天然氣液化裝置液化能力較小，但是其儲(chǔ)存能力比較大，一般建在城市附近。 國(guó)內(nèi)外天然氣液化技術(shù)發(fā)展 現(xiàn)狀及趨勢(shì) 國(guó)內(nèi)天然氣液化工藝發(fā)展 現(xiàn)狀 我國(guó) LNG 工業(yè)起步較晚，但是通過國(guó)內(nèi)科研人員的努力，我們?cè)诟鞣矫姘ㄒ夯夹g(shù)、流程裝置等各方面都已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，也自主開發(fā)了一些液化工藝流程。但是與國(guó)外相比，我們還存在一定差距，譬如流程效率相對(duì)較低，設(shè)備可靠性還有待提高等。到目前為止，我國(guó)已經(jīng)建成各類 小型 LNG 裝置 30 多座，另外還有 30 多座在建或擬建 LNG 項(xiàng)目。在已建成的 LNG 裝置中，級(jí)聯(lián) 式、混合冷劑制冷、膨脹機(jī)制冷三種工藝流程均有。 在我國(guó)已建成投產(chǎn)的 LNG 工廠中，采用國(guó)外技術(shù)和國(guó)內(nèi)技術(shù)均有。國(guó)外技術(shù)主要采用美國(guó) Salof、 ACPI,以及德國(guó)的 Linder 和法國(guó)的 Sofe 等。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)技術(shù)則有河南中原綠能高科、中科院理化技術(shù)研究所、成都深冷空分設(shè)備工程有限公司等的流程工藝。 在國(guó)內(nèi)已建的天然氣液化裝置中具有代表性的有 [3]： ⑴ 上海燃?xì)馓烊粴庖夯b置 1999 年，上海建造了國(guó)內(nèi)第一座日處理量為 10 104m3 的調(diào)峰型天然氣液化裝置。該裝置由法國(guó)索菲燃?xì)夤驹O(shè) 計(jì)，采用 CII 液化流程。 ⑵ 河南中原綠能高科液化天然氣裝置 2020 年，中原石油勘探局建造了一座日處理量為 15 104m3 的天然氣液化裝置，該裝置采用丙烷和乙烯為制冷劑的級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)。 ⑶ 新疆廣匯天然氣液化裝置 2020 年，新疆廣匯實(shí)業(yè)一座日處理量為 150 104m3 的大型天然氣液化裝置，該裝置采用 LINDE 混合冷劑閉式循環(huán)制冷技術(shù)。 該工藝流程主要包括液化和制冷第 1章 緒論 4 循環(huán)兩個(gè)過程，混合冷劑由甲烷、乙烯、丙烷、戊烷和氮?dú)饨M成，混合冷劑壓縮機(jī)由燃?xì)馔钙津?qū)動(dòng) 。 ⑷ 蘇州 華峰天然氣液化裝置 2020 年投運(yùn)成功的日處理量為 7 104m3 蘇州華峰天然氣液化裝置，由蘇州制氧機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造， 采用高效天然氣膨脹制冷液化工藝，與 傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)式和混合冷劑制冷循環(huán)相比，具有能耗很小，操作簡(jiǎn)單，啟動(dòng)出液快等優(yōu)點(diǎn)。 國(guó)外天然氣液化工藝發(fā)展 現(xiàn)狀 國(guó)外的液化天然氣裝置一般采用級(jí)聯(lián)式制冷和混合制冷工藝流程，今年來新投產(chǎn)運(yùn)行的天然氣液化裝置則多采用混合制冷天然氣液化流程。天然氣液化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是液化循環(huán)高效率、低投資、可靠性高、操 作簡(jiǎn)單 [4~6]。 目前，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出一些成熟、高效的天然氣液化新工藝流程，有的已經(jīng)在實(shí)際運(yùn)用中得到廣泛應(yīng)用。 ⑴ Liquefin 工藝 在 2020 于日本舉行的世界氣體大會(huì)上，由法國(guó) Axens 公司與法國(guó)石油研究所合作開發(fā)的 Liquefin 液化天然氣工藝首次亮相 。該工藝預(yù)冷凍段用混合制冷劑代替丙烷，使預(yù)冷段加熱與冷卻焓曲線較為接近， 預(yù)冷凍段與液化段之間轉(zhuǎn)折點(diǎn)從30℃降至 60℃～ 80℃，在這樣低溫度條件下，混合制冷劑完全冷凝，不需要相分離， 使換熱管線十分簡(jiǎn)單與緊湊。兩個(gè)循 環(huán)之間動(dòng)力平衡易控制，可使用兩臺(tái)相同的燃?xì)廨啓C(jī)為兩段提供同樣動(dòng)力。同時(shí)，制冷劑用量可明顯降低，在某些情況下制冷劑與 LNG 的摩爾比可低于 1。另外，該冷箱采用 PFHE 布局，設(shè)備布置緊湊， PFHE 兩側(cè)壓力降較低，使該工藝效率較高。據(jù)該公司稱，該工藝生產(chǎn) LNG 的費(fèi)用每噸可降低 25%，帶有 2 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)馔钙降?Liquefin 工藝的系列裝置，每年能生產(chǎn) 600 萬噸的液化天然氣。 該技術(shù)目前已趨于成熟，具備實(shí)施工業(yè)化條件。 ⑵ APX 工藝 該工藝是 APCI 公司對(duì) C3/MRC 工藝的改 進(jìn)，以擴(kuò)大單線生產(chǎn)能力，它包括三個(gè)制冷循環(huán)：丙烷制冷用于預(yù)冷混合冷劑循環(huán)提供天然氣液化的冷量，氮膨脹制冷循環(huán)提供過冷用冷量。相比丙烷預(yù)冷工藝，減少了丙烷和混合冷劑的用量。 該工藝已在卡塔爾計(jì)劃 2020 年建成的 QatargasⅡ項(xiàng)目的 4 號(hào)和 5 號(hào)生產(chǎn)線上被采用，單生產(chǎn)線能力 780 萬噸 /年。 中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 5 ⑶ ShellDMR 工藝流程 ShellDMR 工藝的預(yù)冷段采用混合制冷劑循環(huán)，采用乙烷、丙烷與少量甲烷、丁烷混合物為預(yù)冷段制冷劑，天然氣預(yù)冷溫度達(dá)到 40℃， 該工藝設(shè)備減少，靈活性更大，可在寬范圍操作條件下運(yùn)行。目前，該工藝已在俄羅斯薩哈林 LNG 項(xiàng)目中得到首次應(yīng)用。 ⑷ GTI 研制的 MNGL 工藝 2020年，美國(guó)能源部資助美國(guó)燃?xì)夤に囇芯吭?(GTI)研制 LNG生產(chǎn)能力為 4~40 104m3