【文章內(nèi)容簡介】 [10]： 圖 混合制冷劑循環(huán) 液化流程中的制冷劑經(jīng)過壓縮機壓縮至高溫高壓后，首先用水進行冷卻，然后進入氣液分離器。氣液相分別進入換熱器 1。液體在熱器 1中過冷．再經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降溫，與后續(xù)流程的返流氣混合后共同為換熱器 1提供冷量，冷卻天然氣、氣態(tài)制冷劑和需過冷的液態(tài)制冷劑。氣態(tài)制冷劑經(jīng)換熱器 l冷卻后進入閃蒸分離器分離成氣相和液相，分別流人換熱器 2，液體經(jīng)過冷和節(jié)流降壓降溫后，與返流氣混合為換熱器 2提供冷量，天然氣進一步降溫，氣相流體也被部分冷凝。換熱器 3中的換熱過程同換 熱器 1和 2。制冷劑在換熱器 3中被冷卻后，在換熱器 4中進行過冷，然后節(jié)流降壓降溫后返回該換熱器，冷卻天然氣和制冷劑。 丙烷預(yù)冷混合制冷劑循環(huán)液化天然氣流程 如 圖 [11]： 100 104Nm3/d 天然氣液化裝置工藝 設(shè)計 7 圖 丙烷預(yù)冷循環(huán) 丙烷預(yù)冷混合制冷液化流程 （簡稱 C3/MRC） 由三部分組成 ，分別是： 混合制冷劑循 環(huán)；丙烷預(yù)冷循環(huán)；天然氣液化回路。在此液化流程中，丙烷預(yù)冷循環(huán)用于預(yù)冷混合制冷劑和天然氣，而混合制冷劑循環(huán)用于深冷和液化天然氣。混合制冷劑循環(huán)如圖所示，混合制冷劑經(jīng)兩級壓縮機壓縮至高壓，首先用水冷卻，帶走一部分熱量，然后通過丙烷預(yù)冷循環(huán)預(yù)冷，預(yù)冷后近入氣液分離器分離成液相和氣相，液相經(jīng)第一換熱器冷卻后，節(jié)流、降溫、降壓，與返流的混合制冷劑混合后，為第一個換熱器提供冷量，冷卻天然氣和從分離器出來的氣相和液相兩股混合制冷劑。氣相制冷劑經(jīng)第一換熱器冷卻后，進入氣液分離器分離成氣相和液相，液相經(jīng)第二個換熱器冷卻后節(jié) 流、降溫、降壓，與返流的混合制冷劑混合后，為第二個換熱器提供冷量，冷卻天然氣和分離器出來的氣相和液相兩股混合制冷劑；從第二換熱器出來的氣相制冷劑，經(jīng)過第三換熱器冷卻后，節(jié)流、降溫后進入第三換熱器，冷卻天然氣和氣相混合制冷劑。 丙烷預(yù)冷循環(huán)如圖所示，丙烷預(yù)冷循環(huán)中，丙烷通過三個溫度級的換熱器，為天然氣和混合制冷劑提供冷量。丙烷經(jīng)壓縮機壓縮至高溫高壓，經(jīng)冷卻水冷卻后流經(jīng)節(jié)流閥降溫降壓，再經(jīng)分離器產(chǎn)生氣液兩相，氣相返回壓縮機，液相分成兩部分，一部分用于冷卻天然氣和制冷劑，另一部分作為后續(xù)流程的制冷劑 [11]。 根據(jù) 具體情況可以減少級數(shù)，簡化流程。 由空氣產(chǎn)品公司 開發(fā)的丙烷預(yù)冷混合制冷劑工藝在液化天然氣工業(yè)中處于主導(dǎo)工藝技術(shù)已經(jīng)有 30多年了 [12]。 天然氣液化技術(shù)的發(fā)展要求液化循環(huán)具有高效、低成本、可靠性好、易操作等特點。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，法國燃氣公司的研究部門開發(fā)了新型的混合制冷劑液化流程，即整體結(jié)合式級聯(lián)型液化流程，簡稱為 CII液化流程。 CII液化流程吸收了國外 LNG技術(shù)最新發(fā)展成果，代表了天然氣液化技術(shù)的發(fā)展趨勢 [13]。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 國內(nèi)外技術(shù) 研究現(xiàn)狀 1941年在美國克利夫蘭建成了世界第一套工業(yè)規(guī)模的 LNG裝置，液化能力為 8500m3/d。從 60年代開始， LNG工業(yè)得到了 迅速 發(fā)展，規(guī)模 愈來愈大 ，基本負荷型液化能力在 104m3/d左右 。據(jù)資料介紹，各 個 國 家 目前 投產(chǎn)的 LNG裝置已達 150多套， LNG出口總量已超過 106t/a 。 國外的液化裝置規(guī)模大、工藝復(fù)雜、設(shè)備多、投資高， 多 采用級聯(lián)式制冷和混合冷劑制冷工藝，目前 這 兩種類型的裝置都在投產(chǎn) 運行，新投產(chǎn)設(shè)計的主要是混合冷劑制冷工藝 ，研究的主要目的在于降低液化能耗 [14]。 制冷工藝從階式制冷 循環(huán) 改進到混合冷劑制冷循環(huán)， 現(xiàn)在 又有 CII2新工藝 ，該工藝既具有純組分循環(huán)的優(yōu)點， 比 如簡單、無相分離和易于控制，又 具備 混合冷劑制冷循環(huán)的 一些 優(yōu)點， 例 如天然氣和制冷劑制冷溫位配合較好、功效高、設(shè)備少等優(yōu)點。 法國 Axens公司與法國石油研究所 (IFP)合作，共同開發(fā)的一種先進的天然氣液化新工藝 ——Liquefin首次工業(yè)化， 此 工藝為 LNG市場奠定了基礎(chǔ)。其生產(chǎn)能力較通用的方法高 15%20%，生產(chǎn)成本 降 低 了 25%左右 。使用 Liquefin法之后，每單元液化裝置產(chǎn)量可達 600104t/y以上。采用 Liquefin工藝生產(chǎn) LNG的費用每噸可降低 25%左右 。該工藝 的主要優(yōu)點是使用了翅片式換熱器和熱力學(xué)優(yōu)化后的工藝，可建設(shè)超大容量的液化裝置。 Axens已經(jīng)給 歐洲 、 亞洲 、 美國 等幾個主要地區(qū)提出使用 此 工藝的建議 。 IFP和 Axens開發(fā)的 Liquefin工藝的安全 性 、環(huán)保 性 、實用 性 及創(chuàng)新 性 已被世界認可， 而且 該工藝 還 獲得了化學(xué)工程師學(xué)會授予的 “工程優(yōu)秀獎 ” 。美國德克薩斯大學(xué)工程實驗站，開發(fā)了一種新型 的 天然氣液化 技術(shù) — GTL技術(shù)已申請 了 專利。 與國外相比，由于我國天然氣資源分布的特點以及我國資源的使用情況，我國目前天然氣液化裝置的研究與探索多還是以小型 LNG 液化裝置為目標。 早在上世紀 60年代，國家科委就制訂了 LNG發(fā)展規(guī)劃， 60 年代中期完成了工業(yè)性試驗，四川石油管理局威遠化工廠擁有國內(nèi)最早的天然氣深冷分離及液化的工業(yè)生產(chǎn)裝置，除生產(chǎn) He 外，還生產(chǎn) LNG。 1991 年該廠為航天部提供 30t LNG 作為火箭試驗燃料 [15]。 我國天然氣液化工業(yè)經(jīng)過多年來的探索，正處于加速發(fā)展的過程中，以下列舉了比較有代表性的幾個投入到生產(chǎn)中的裝置，有的現(xiàn)在還在繼續(xù)運行，有的由于種種原因，中途被迫停產(chǎn)。 ⑴ 上海燃氣管網(wǎng)公司 LNG站。上海燃氣管網(wǎng)公司 LNG站于 1999年底建成投產(chǎn)，采用了法國索 菲工程公司的混合制冷劑循環(huán)（ MRC）工藝，總投資約為 5億元人民幣。設(shè)計液化能力為 174m3 LNG/d（相當(dāng)于 10104m3 天然氣 /d），氣化能力為 120 m3 LNG / h（相當(dāng)于 104m3 天然氣 /h）。建設(shè) LNG站的目的是作為事故備用站。在氣源中斷時，該站可提供上海市 10天的用氣量，以此保證天然氣的連續(xù)供應(yīng)。 ⑵ 河南中原綠能高科有限責(zé)任公司。中原油田 LNG生產(chǎn)廠于 1999年 1月開始籌建，100 104Nm3/d 天然氣液化裝置工藝 設(shè)計 9 該裝置充分利用了中原油田文 23氣井特有的 12MPa氣井氣的高壓能量 ,采用先復(fù)疊制冷后節(jié)流膨脹的生產(chǎn)工藝 ，設(shè)計日處理天然氣 30104m3，生產(chǎn) LNG15104m3，總投資為 億元人民幣。中原綠能 LNG產(chǎn)品主要銷往北京、 開封、濟南、濰坊、淄博、商丘等地區(qū)，最遠銷往福建，并在濰坊、淄博等地區(qū)同當(dāng)?shù)厝細馄髽I(yè)合資建立氣化站等相關(guān)設(shè)施。產(chǎn)品全部通過 LNG罐車運輸。 ⑶ 新疆廣匯 LNG項目。新疆廣匯 LNG項目的氣源來自吐哈油田。設(shè)計液化能力為150104m3/d 天然氣。該項目一期工程原計劃于 2020年 9月完工，產(chǎn)品將通過火車和汽車把 LNG 運輸?shù)饺珖茉淳o缺的地區(qū)，對國家 “西氣東輸 ”主干管網(wǎng)以外的廣闊市場 供氣。市場目標主要有如下三個： ① 閩東南地區(qū)，即從福州至廈門沿鐵路的 14 個城市； ② 以江西景德鎮(zhèn)為中心輻射湖南、湖北等華中地區(qū)； ③ 華北及新疆天山北坡經(jīng)濟帶部分地區(qū)。 ⑷ 吉林油田 500L撬裝式 LNG生產(chǎn)裝置。吉林油田 500L撬裝式 LNG生產(chǎn)裝置設(shè)計天然氣處理能力為 650m3/ h， LNG產(chǎn)量為 500L / h，采用氣體軸承膨脹機氮氣循環(huán)制冷回收 LNG工藝?？偼顿Y 1000多萬元。由于氣體軸承膨脹機加工制造、檢測手段技術(shù)不過關(guān)，歷經(jīng)多次改造。同時，由于吉林油田進行機構(gòu)重組，導(dǎo)致對該裝置的所有權(quán)混亂，沒有單位對該裝置 進行管理和維護，致使該裝置停產(chǎn)。 ⑸ 四川綿陽燃氣公司 LNG生產(chǎn)裝置。四川綿陽燃氣公司 LNG生產(chǎn)裝置采用膨脹制冷循環(huán)，靠氣井氣的高壓來進行運轉(zhuǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力為 LNG/ h。由于井壁塌陷，氣源壓力下降，導(dǎo)致處理量變小。并且由于沒有下游用戶，生產(chǎn)的 LNG沒有市場，缺乏資金投入，該裝置運行一段時間后被迫停產(chǎn)。 ⑹ 陜北氣田 LNG示范工廠。陜北氣田 LNG示范工廠于 1999年 1月建成投運，該裝置采用了大連理工大學(xué)的專利技術(shù) 氣波制冷技術(shù)。設(shè)計日處理天然氣 104m3，LNG產(chǎn)量 16t/d。由于在凈化工藝 方面設(shè)計不夠合理，在運行中存在 CO2 脫除不夠徹底等問題。該裝置僅僅運行了幾個月就被迫停產(chǎn)廢棄。 ⑺ 廣東 LNG工程項目。廣東 LNG工程建設(shè)分兩期進行。一期工程設(shè)置兩座 104m3 儲罐，計劃 2020 年底投產(chǎn)，每年進口 LNG 300104t，二期再增加一座約 10104m3 的儲罐，計劃 2020 年投產(chǎn)，每年增加進口 LNG 200104t。供氣范圍覆蓋珠江三角洲和香港地區(qū)。該接收終端 LNG 由澳大利亞的 ALNG 集團提供，期限為 25 年。 隨著海南?？?、重慶建南、陜西西安等地 LNG 項目及深圳大鵬灣、福建湄洲灣和山東青島等地 LNG 接收終端的建成及投入使用，我國的 LNG 工業(yè)必將迎來一個快速發(fā)展的高潮 [16]。 我國的天然氣液化技術(shù)雖然起步較晚，但是發(fā)展很快。為了適應(yīng)我國已經(jīng)面臨大規(guī)模開發(fā)利用天然氣的新形勢，盡快改變國內(nèi)在 LNG 產(chǎn)業(yè)上的薄弱環(huán)節(jié)，我們應(yīng)緊跟當(dāng)前天然氣液化流程追求簡便、高效的發(fā)展趨勢，綜合考慮各種天然氣液化流程的技術(shù)特點，研究出適合我國國情的新型天然氣液化流程。故對天然氣液化流程的模擬西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 與優(yōu)化的深入研究，對我國 LNG 事業(yè)的發(fā)展，可提供理論的指導(dǎo)。 天然氣液化技術(shù)發(fā)展趨勢 當(dāng)今大型 LNG液化工藝的研究的主要方向一是提高現(xiàn)有流程的效率，降低液化能耗；二是研發(fā)新型的或改進型的液化流程。 安全第一 始終是 LNG設(shè)施設(shè)計、施工和操作的基本原則。世界 LNG工業(yè)總的發(fā)展趨勢是：在保證安全性的前提下，LNG生產(chǎn)線向大型化發(fā)展，降低能耗，提高效率，提高有效性，增強 LNG價格在能源價格中的競爭能力。 ① 設(shè)計 設(shè)計人員不斷致力于改進設(shè)計手段，提高設(shè)計質(zhì)量，改進技術(shù)參數(shù)，正確選擇液化工藝和設(shè)備，實現(xiàn)費用節(jié)約。在工藝設(shè)計方面，優(yōu)化工藝布置，采用分析方法和預(yù)演技術(shù)，確定 LNG設(shè)施最 佳投資和能耗指標；采用計算機技術(shù)，對 LNG裝置的操作和維護進行自動化管理和監(jiān)控。 ② 實現(xiàn) LNG系統(tǒng)的優(yōu)化 LNG工作者不但致力于實現(xiàn)液化工藝和設(shè)備選擇的優(yōu)化，還為實現(xiàn)整個 LNG系統(tǒng)的優(yōu)化而進行著不斷的探索。如輸入輸出站的儲罐容量、海運效率和速度、氣候條件和 LNG季節(jié)性需求、原料供應(yīng)等，都對 LNG生產(chǎn)有影響，必須對所有變量或參數(shù)進行優(yōu)化，獲得最佳效果。 ③ 提高裝置的有效性和可靠性 提高裝置的有效性和可靠性是降低 LNG費用的重要途徑。裝置停機，包括計劃停機和非計劃停機，對裝置的有效工作時間有很大影響，如何將計劃 停機和非計劃停機控制到最低水平，一直是人們研究的課題之一。 ④ 延長裝置的使用壽命 延長裝置的使用壽命能降低 LNG費用。一些易磨易損元件，如軸承和密封件，對裝置維修次數(shù)和維修時間以及裝置的壽命有很大影響，是研究的主要對象。其他研究技術(shù)有工藝和環(huán)境造成設(shè)備腐蝕的探測和防護、較理想的隔熱材料和隔熱措施等。 ⑤ LNG生產(chǎn)線向大型化發(fā)展 人們認識到 ,發(fā)展規(guī)模經(jīng)濟，擴大 LNG生產(chǎn)線生產(chǎn)能力，減少 LNG生產(chǎn)線數(shù)量，可以進一步降低能耗，降低 LNG生產(chǎn)成本。 設(shè)計研究內(nèi)容和方法 在 本次畢業(yè)設(shè)計 過程中，我主要 完成的 內(nèi)容如 下： ① 查找相關(guān)資料，清楚地了解國內(nèi)外天然氣液化現(xiàn)狀；通過查閱相關(guān)的外文文獻對天然氣液化技術(shù)和現(xiàn)狀有進一步的認識。 100 104Nm3/d 天然氣液化裝置工藝 設(shè)計 11 ② 查找天然氣進液化裝置前各組分凈化應(yīng)達到的標準，根據(jù)標準和題目里組分的含量選擇合適的天然氣預(yù)處理工藝 。 ③ 確定合理的液化方案、液化收率以及主要工藝參數(shù)后，借助計算機流程模擬技術(shù)完成 MRC工藝的物料衡算和能量衡算。 ④ 在物料衡算和能量衡算的基礎(chǔ)上，完成 MRC工藝過程中的主要設(shè)備計算和選型以及校核。 ⑤ 根據(jù)以上的流程中所用的裝置設(shè)備和計算結(jié)果畫出 PFD工藝流程圖，最終按照設(shè)備的放置情況畫出合理的平面布置圖。 ⑥ 翻譯外文，編輯文本，完成畢業(yè)設(shè)計論文，準備畢業(yè)設(shè)計答辯。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 2 設(shè)計基礎(chǔ)資料 設(shè)計規(guī)模 LNG裝置有小型、中型、大型 LNG裝置之分。 表 LNG規(guī)模比較 小型 LNG裝置 中型 LNG裝置 大型 LNG裝置 產(chǎn)量 ≤ 70000t/a ≤ 106t/d ≥ 106t/d 采用的工藝 膨脹機循環(huán)或 MRC循環(huán) [17] 改進的 MRC循環(huán) 帶預(yù)冷的 MRC循環(huán) 本設(shè)計中的原料氣處理量是 100104Nm3/d，也即 104t/a，屬于中型。 天然氣的組成及邊界條件 （ 1）天然氣處理量： 100104Nm3/d； （ 2）原料氣溫度：大約 30℃ ； （ 3）原料氣壓力： 4000KPa； （ 4）原料天然氣組成（干基） ； 表 原料天然氣組成 分子式 C1 C2 C3 nC4+ iC4+ C5+ H2S CO2 N2 分率， mol/mol