【導讀】芃蝕肂膃薁蠆螁莈蕆蚈襖膁莃蚇羆莆艿螆肈腿薈螅螈蒄螅羀膈蒀螄肅肀莆螃螂芆節(jié)螂裊聿薁螁羇芄蒆袀聿肇莂衿蝿節(jié)羋衿袁肅薇袈肄芁薃袇膆膄葿袆裊荿蒞蒃羈膂芁蒂肀莇薀蒁螀膀蒆薀袂莆莂蕿羄膈羋薈膇羈蚆薇袆芇薂薇罿肀蒈薆肁芅莄薅螁肈芀薄袃芃蕿蚃羅肆蒅螞肈節(jié)莁蟻袇肄莇蟻罿莀芃蝕肂膃薁蠆螁莈蕆蚈襖膁莃蚇羆莆艿螆肈腿薈螅螈蒄螅羀膈蒀螄肅肀莆螃螂芆節(jié)螂裊聿薁螁羇芄蒆袀聿肇莂衿蝿節(jié)羋衿袁肅薇袈肄芁薃袇膆膄葿袆裊荿蒞蒃羈膂芁蒂肀莇薀蒁螀膀蒆薀袂莆莂蕿羄膈羋薈膇羈蚆薇袆芇薂薇罿肀蒈薆肁芅莄薅螁肈芀薄袃芃蕿蚃羅肆蒅螞肈節(jié)莁蟻袇肄莇蟻罿莀芃蝕肂膃薁蠆螁莈蕆蚈襖膁莃蚇羆莆艿螆肈腿薈螅螈蒄螅羀膈蒀螄肅肀莆螃螂芆節(jié)螂裊聿薁螁羇芄蒆袀聿肇莂衿蝿節(jié)羋衿袁肅薇袈肄芁薃袇膆膄葿袆裊荿蒞蒃羈膂芁蒂肀莇薀蒁螀膀蒆薀袂莆莂蕿羄膈羋薈膇羈蚆薇袆芇薂薇罿肀蒈薆肁芅莄薅螁肈芀薄袃芃蕿蚃羅肆蒅螞肈節(jié)莁蟻袇肄莇蟻罿莀芃蝕肂膃薁蠆螁莈蕆蚈襖膁莃蚇羆莆艿螆肈

　　

【正文】 任 公 司 天然氣液化項目可研 通八達，縣、鄉(xiāng)、村之間道路成網，鐵路以京蘭鐵路貫通呼和浩特、包頭、巴彥淖爾市。 由以 上地域資料可以看出本項目所選地理位置地質條件穩(wěn)定、水資源豐富、交通便利，是建設 LNG廠的理想位置，完全滿足投產后生產及營運的需求。 21 XXXXXX 工 程 設 計 咨 詢 有 限 責 任 公 司 天然氣液化項目可研 第三章 建設規(guī)模及總工藝流程 本天然氣液化項目主要原料天然氣資源為長慶氣田生產的天然氣，通過長 烏 臨管道及相應支線輸送至液化廠。因此，天然氣液化廠的氣源是確有保障的。 原料氣組成詳見表 。 表 天然氣組成一覽表 22 XXXXXX 工 程 設 計 咨 詢 有 限 責 任 公 司 天然氣液化項目可研 本項目建設規(guī)模小時處理量 x104Nm3，液化廠每天分三班生產，每班滿負荷運轉時可產液化天然氣 ，按年產 8000h設計。 液化廠的主要功能是對進站的天然氣進行凈化和液化處理，原料氣是長 烏 臨管道的天然氣， C3＋以上的重 烴含量較少，所以該液化廠 的產品只有液化天然氣（ LNG）。 沸點： ℃ （ 10kPa） 分子量： 密度： 453kg/Nm3 熱容： ℃ 低熱值： 36231kJ/Nm3 ：痕量 產量： 200t/d（折合 456m3/d） 本項目建設規(guī)模小時處理量 x104Nm3，液化廠每天分三班生產，每班滿負荷運轉可產液化天然氣 。 本項目采用混合制冷劑（ MRC）制冷工藝。為了減少設備現(xiàn)場安裝工作量，保證安裝質量和易于移動，工藝系統(tǒng)的全部設備將最大程度 23 XXXXXX 工 程 設 計 咨 詢 有 限 責 任 公 司 天然氣液化項目可研 的采用撬裝。在壓縮機的選用中，主要有電驅動壓縮機和燃氣輪機驅動壓縮機，燃氣輪機驅動壓縮機投資大，維修工作量大，故本項目推薦電驅動形式。 本天然氣液化裝置將采用混合制冷劑（ MRC）制冷液化工藝流程，該流程的特點為：運行靈活、適應性強、相 對容易操作和控制、維護方便；流程較簡單、操作比較簡單、能耗低、一次性投資較低。 液化廠的工藝系統(tǒng)主要包括凈化工藝系統(tǒng)、液化工藝系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)。工藝優(yōu)化主要體現(xiàn)在：液化中制冷方式的優(yōu)化和儲存方式的優(yōu)化。 制冷方式的確定 天然氣液化為低溫過程。天然氣液化所需冷量是靠外加制冷循環(huán)來提供，配備的制冷系統(tǒng)就是要使得換熱器達到最小的冷、熱流之溫差，并因此獲得極高的制冷效率。 天然氣液化的制冷系統(tǒng)已非常成熟，常用的工藝有：階式制冷循環(huán)、混合冷劑制冷循環(huán)、膨脹機制冷循環(huán) 。 1）階式制冷循環(huán) 階式制冷循環(huán) 1939 年首先應用于液化天然氣產品，裝于美國的 Cleveland，采用 NH C2H4 為第一、第二級制冷劑。 經典階式制冷循環(huán)由三個獨立的制冷系統(tǒng)組成。 第一級采用丙烷做制冷劑，經過凈化的天然氣在丙烷冷卻器中冷卻到 35～40℃ ，分離出戊烷以上的重烴后進入第二級冷卻。由丙烷冷卻器中蒸發(fā)出來的丙烷氣體經壓縮機增壓，水冷卻器冷卻后重新液 24 XXXXXX 工 程 設 計 咨 詢 有 限 責 任 公 司 天 然氣液化項目可研 化，并循環(huán)到丙烷冷卻器。第二級采用乙烯做制冷劑，天然氣在第二級中被冷卻到 80～ 100℃ ，并被液化后進入第三級冷卻。乙烷或乙烯冷卻器蒸發(fā)出來的氣體經過增壓、水冷后，在并在丙烷冷卻器中冷卻、液化，循環(huán)到乙烷或乙烯冷卻器。第三級采用甲烷做制冷劑，液化天然氣在甲烷冷卻器中被過冷到 150～ 160℃ ，然后通過節(jié)流閥降壓，溫度降到 162℃ 后，用泵輸送到 LNG 貯槽。甲烷冷卻器中蒸發(fā)出來的氣體經增壓、水冷后，在丙烷冷卻器中冷卻、在乙烯冷卻器中液化后，循環(huán)到甲烷冷卻器。 經典階式制冷循環(huán)，包含幾 個相對獨立、相互串聯(lián)的冷卻階段，由于制冷劑一般使用多級壓縮機壓縮，因而在每個冷卻階段中，制冷劑可在幾個壓力下蒸發(fā)，分成幾個溫度等級冷卻天然氣，各個壓力下蒸發(fā)的制冷劑進入相應的壓縮機級壓縮。各冷卻階段僅制冷劑不同，操作過程基本相似。從發(fā)展來看，最初興建 LNG 裝置時就用階式制冷循環(huán)的著眼點是：能耗最低，技術成熟，無需改變即可移植用于 LNG 生產。隨著發(fā)展要求而陸續(xù)興建新的 LNG 裝置，這時經典的階式制冷循環(huán)就暴露出它固有的缺點： 1）經典的階式制冷循環(huán)由三個獨立的丙烷、乙烯、甲烷制冷循環(huán)復迭而成。 機組多（三 臺壓縮機）、冷劑用量大、級間管路連接復雜，導致造價高昂； 2）為使實際級間操作溫度盡可能與原料天然氣的冷卻曲線（ QT 曲線）貼近，以減少熵增，提高效率，如圖 ，用 9 個溫度水平（丙烷、乙烯、甲烷段各 3 個）代替 3 溫度水平（丙烷段 38℃ 、乙烯段 85℃ 、甲烷段 160℃ ）。如此以來，效率提高了，但流程十分復雜。 3）需要相當一部分資金購置和貯存制冷劑。 25 XXXXXX 工 程 設 計 咨 詢 有 限 責 任 公 司 天然氣液化項目可研 2）混合冷劑循環(huán) 有鑒于階式制冷循環(huán)裝置復雜、投資高，為此開發(fā)了混合制冷循環(huán)（ Mixed Refrigerant Cycle， MRC）。用一種制冷劑（一般是烴類混合物，如 N C1～C5 等），其 QT 曲線與原料天然氣接近一致。 利用混合物部分冷凝的特點來達到所需的不同溫度水平，既保留了階式制冷循環(huán)的優(yōu)點，而且又只有 1 臺壓縮機，使流程大于簡化，造價也可降低。 從原則上講，由 N C1～ C5 等組成的混合物，其組成比例應依照原料天然氣組成、工藝流程、工藝壓力而異。一旦確定后組成不易調整，即使能作到這 一點，要使整個液化過程（從常溫到 162℃ ）都按冷卻曲線來提供所要求的冷量則是很困難的，充其量只能局部或一部分作到貼近原料天然氣的 QT 曲線。因此 MRC 的流程是簡單了，但它的效率要比 9 個溫度水平的階式制冷循環(huán)低。 既然調節(jié)混合冷劑的組成比例使整個液化過程按冷卻曲線提供所需的冷量是困難的，那么合乎邏輯的推論是采用折中的辦法，分段來實現(xiàn)供給所需的冷量，以期液化過程的熵增降至最小。 因而，在混合冷劑循環(huán)的基礎上，發(fā)展成有丙烷預冷的 MRC 工藝，簡稱C3/MRC 工藝，它的效率接近階式循環(huán)。 此法的原理 是分兩段供給冷量：高溫段用丙烷壓縮制冷，按 3 個溫度水平預冷原料天然氣到～ 40℃ ；低溫段的換熱采用兩種方式 ——高壓的混合冷劑與較高溫度的原料氣換熱，低壓的混合冷劑與較低溫度的原料氣換熱。充分體現(xiàn)了熱力學上的特性，從而使效率得以最大限度的提高。 26 XXXXXX 工 程 設 計 咨 詢 有 限 責 任 公 司 天然氣液化項目可研 3）膨脹機制冷循環(huán) 膨脹機制冷循環(huán)是指利用高壓制冷劑通過透平膨脹機絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷來實現(xiàn)天然氣的液化。氣體 在膨脹機中膨脹降溫的同時，能輸出功，可用于驅動流程中的壓縮機。 根據制冷劑的不同，膨脹機制冷循環(huán)可分為：氮膨脹機制冷循環(huán)、氮 甲烷膨脹機制冷循環(huán)、天然氣膨脹制冷循環(huán)。 與階式制冷循環(huán)和混合冷劑制冷循環(huán)工藝相比，氮氣膨脹循環(huán)流程非常簡單、緊湊，造價略低。 起動快，熱態(tài)起動 2～ 4 小時即可獲得滿負荷產品，運行靈活，適應性強，易于操作和控制，安全性好，放空不會引起火災或爆炸危險。制冷劑采用單組分氣體，因而消除了像混合冷劑制冷循環(huán)工藝那樣的分離和存儲制冷劑的麻煩，也避免了由此帶來的安全問題，使液化冷箱的更簡化 和緊湊。但能耗要比混合冷劑液化流程高 40%左右。 為了降低膨脹機制冷循環(huán)的功耗，采用 N2CH4 雙組分混合氣體代替純 N2，發(fā)展了 N2CH4膨脹機制冷循環(huán)。與混合冷劑循環(huán)相比， N2CH4膨脹機制冷循環(huán)具有起動時間短、流程簡單、控制容易、制冷劑測定和計算方便等優(yōu)點。同時由于縮小了冷端換熱溫差，它要比純氮膨脹機制冷循環(huán)節(jié)省電耗，但是投資相對較高。 N2CH4 膨脹機制冷循環(huán)的液化流程由天然氣液化系統(tǒng)與 N2CH4 膨脹機制冷系統(tǒng)兩個各自獨立的部分組成。在天然氣液化系統(tǒng)中，經過預處理裝置脫酸氣、脫水后的天然氣 ，經預冷器冷卻后，在氣液分離器中分離重烴，氣相部分進入液化器進行液化，在過冷器中進行過冷，節(jié)流降壓后進入 LNG 貯槽。 27 XXXXXX 工 程 設 計 咨 詢 有 限 責 任 公 司 天然氣液化項目可研 在 N2CH4制冷系統(tǒng)中，制冷劑 N2CH4 經循環(huán)壓縮機和增壓機（制動壓縮機）壓縮到工作壓力，經水冷卻器冷卻后，進入預冷器被冷卻到膨脹機的入口溫度。一部分制冷劑進入膨脹機膨脹到循環(huán)壓縮機的入口壓力，與返流制冷劑混合后，作為液化器的冷源，回收 的膨脹功用于驅動增壓機；另外一部分制冷劑經液化器和過冷器冷凝和過冷后，經節(jié)流閥節(jié)流降溫后返流，為過冷器提供冷量。 膨脹機制冷流程中，由于換熱器的傳熱溫差很大，可采用預冷的方法對制冷劑和天然氣進行預冷，則液化過程的能耗可大幅度降低。 從上面的對比可看出級聯(lián)式制冷循環(huán)能耗最低，效率最高，但是系統(tǒng)的復雜程度最高，所以級聯(lián)式制冷循環(huán)逐漸被混合制冷劑制冷循環(huán)代替。帶膨脹機的制冷循環(huán)雖然復雜程度最低，但是比功耗最高，運行成本最高，經濟性不好，而且使用了較多高速轉動機械，降低了可靠性，和其它制冷循環(huán)比不具有優(yōu)勢。而混 合制冷劑制冷循環(huán)具有流程簡單、適應性強、操作運行比較容易的優(yōu)點，且功耗相對較低，目前被廣泛采用。 因此本工程推薦采用混合制冷劑制冷循環(huán)工藝，液化能耗較低，對于本工程，裝置電耗低于 kWh/Nm3LNG。且液化冷箱中無高速轉動機械，液化冷箱的維護量幾乎為零。 液化天然氣 LNG在常壓下沸點大約為 162℃ ，目前對于 LNG的儲存大約存在兩種工藝，一種是常壓低溫儲存；另一種是帶壓子母罐儲存，對兩種儲存工藝對比列舉如下： 1）常壓低溫儲存 28 XXXXXX 工 程 設 計 咨 詢 有 限 責 任 公 司 天然氣液化項目可研 LNG 常壓儲存是采用常壓拱頂低溫儲罐儲存 LNG，儲罐為平底拱蓋、立式雙層壁結構，外罐底板鋪設在平臺上，