LNG工廠的工藝設計探討

摘 要

摘要：結合工程實例，探討了LNG工廠的工藝系統(原料氣分配及壓縮系統，脫碳、脫水、純化及脫汞系統，液化系統及儲存和裝車系統)及流程。關鍵詞：天然氣液化；脫碳；脫水；純化；脫汞；氮-甲烷膨
摘要：結合工程實例，探討了LNG工廠的工藝系統(原料氣分配及壓縮系統，脫碳、脫水、純化及脫汞系統，液化系統及儲存和裝車系統)及流程。
關鍵詞：天然氣液化；脫碳；脫水；純化；脫汞；氮-甲烷膨脹液化
Discussion on Process Design of LNG Plant
ZHANG Yijun，CHENG Yupai
Abstract：The process systems such as raw material gas distribution and compression system，decarbonizition system，dehydration system，purification system，demercuration system，liquefaction system，storage system and loading system as well as the process flow of LNG plant are discussed with an engineering case.
Key words：natural gas liquefaction；decarbonizition；dehydration；purification；deinercuration；nitrogen and methane expanding liquefaction
1 概述
    天然氣是一種優質潔凈的燃料，在能源、交通等領域具有很好的前景，天然氣的液化和儲存是其開發利用的一項關鍵技術。液化天然氣(LNG)產業是高科技的系統工程，已形成了一個工業鏈。30年來，LNG產業作為世界上一門新興工業在飛速發展，目前仍保持著強勁的勢頭。我國有豐富的天然氣資源，但大規模開發利用天然氣，尤其是開發和應用LNG技術起步很晚。我國已進入LNG建設的高峰期，故LNG的工藝設計、建設及運營可能出現一系列問題，需要我們探索和研究[1]。本文通過工程實例對LNG工廠的工藝設計進行探討。
2 LNG工廠工藝系統及流程
    陜西省燃氣設計院于2008年初承接了一個日處理天然氣60×104m3/d的LNG工廠設計項目，該項目完全采用國內設備和國內技術，氣源來自陜京輸氣管道和蘭銀輸氣管道。冬季氣源壓力為2.0～2.5MPa，夏季氣源壓力為3.0～3.5MPa，氣源溫度為5～40℃。氣源的主要組分為甲烷，還含有N2、C02、H2S、烷烴類及苯類等。
    本液化工程項目的主要工藝系統(按工藝流程的先后順序)有：原料氣分配系統、原料氣壓縮系統、脫碳系統、脫水系統、純化系統、脫汞系統、液化系統、儲存系統和裝車系統。輔助系統有放散系統、儀表風系統、PSA制氮及液氮氣化系統、循環水系統和蒸汽系統。
3 原料氣分配及壓縮系統
    原料氣來自銀川門站，進入工廠后，首先進入原料氣分配系統，經分配站調壓計量后分為兩路，一路進入廠區鍋爐房、制冷站房、加熱爐、廚房；另一路進入分離器進行氣水分離，再進入天然氣壓縮機，增壓至5.0MPa。
4 脫碳、脫水、純化及脫汞系統
    為了滿足低溫工作狀態的要求，天然氣經脫碳系統凈化后C02體積分數應低于50×10-6，H2S體積分數應低于4×10-6；經脫水系統后水體積分數應低于1×10-6；經純化系統凈化后芳香烴類體積分數應為1×10-6～10×10-6。
    來自壓縮機的天然氣經氣液分離器和過濾器后進入吸收塔底部，與來自塔頂的N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液逆流接觸，C02和H2S被MDEA溶液吸收。凈化后的天然氣在吸收塔上部被洗滌冷卻后，經塔頂高效除污器進行除污，之后進入凈化冷卻器降溫至40℃，再經凈化分離器分離水分及雜質后進入脫水系統[2]。N-甲基二乙醇胺吸收法(即MDEA+活化劑)脫碳工藝兼有物理吸收和化學吸收的特點，具有C02回收率高、能耗低等優點。
    從脫碳系統出來的天然氣進入分子篩干燥器，采用4A液化天然氣專用分子篩吸附脫除天然氣中的水分，水分體積分數小于1×10-6后，進入干粉過濾器去除粉塵，之后進入純化和脫汞系統。
   從脫水系統出來的干燥天然氣進入純化器，采用活性炭吸附脫除芳香烴后，經過濾器脫除粉塵。然后，自上而下通過脫汞吸附器床層，采用浸硫煤基活性炭吸附脫除天然氣中的汞[3]，使其含量小于10mg/m3。再經過濾器脫除粉塵后，進入液化系統。
5 天然氣液化系統
   ① 液化原理
   液化系統采用氟利昂預冷和氮-甲烷膨脹液化流程提供天然氣液化需要的冷量，采用低溫工藝將天然氣液化，進入LNG子母罐儲存并通過LNG槽車外運。
   氟利昂預冷和氮-甲烷膨脹液化流程結合了級聯式液化流程和膨脹機液化流程的優點，流程高效簡單。在此液化流程中，氟利昂預冷循環用于預冷氮-甲烷和天然氣，而氮-甲烷循環用于深冷和液化天然氣。
   氮-甲烷膨脹液化流程是純氮膨脹制冷循環的一種改進。為了降低能耗，采用氮-甲烷混合氣體代替純N2。氮-甲烷膨脹液化流程具有起動時間短、流程簡單、控制容易、制冷劑測定及計算方便等優點。由于縮小了冷端換熱溫差，氮-甲烷膨脹液化流程比純氮膨脹液化流程減少10%～20%的能耗。氮-甲烷膨脹液化工藝克服了階式制冷循環工藝機組多、流程復雜、附屬設備多、管道與控制系統復雜等缺點，也解決了混合制冷劑工藝能耗較高、混合制冷劑合理配比困難及流程計算困難等問題。故氮-甲烷膨脹液化工藝特別適合中小型的天然氣液化裝置。
   ② 液化流程[4]
   氮-甲烷膨脹液化系統由天然氣液化系統和氮-甲烷制冷系統兩部分組成。
    氮-甲烷膨脹液化流程見圖1。在天然氣液化系統中，經過預處理裝置脫酸、脫水后的天然氣，經換熱器2冷卻后，在氣液分離器3中進行氣液分離，其中的氣相流入換熱器4冷卻液化，在換熱器5中過冷，節流降壓后進入儲罐；液相進入換熱器2內吸熱氣化后再進入天然氣管道。在氮-甲烷制冷系統中，制冷劑氮-甲烷經循環壓縮機10和制動壓縮機7壓縮到工作壓力后，經水冷卻器8冷卻，進入換熱器2，被冷卻到透平膨脹機的入口溫度。一部分制冷劑進入透平膨脹機6，膨脹到循環壓縮機的入口壓力，與返流制冷劑混合后，作為換熱器4的冷源，回收的膨脹功用于驅動制動壓縮機；另外一部分制冷劑經換熱器4和5冷凝和過冷后，經節流閥節流、降溫后返流，為換熱器5提供冷量。
 

6 儲存和裝車系統
    液化后的LNG進入LNG儲罐儲存，儲存能力按7d的產量確定，選用有效容積為1750m3的LNG儲罐2座，當1座LNG儲罐進液時，另1座LNG儲罐裝車。
    進液：來自液化系統的LNG通過充裝管道，經過充裝緊急切斷閥、頂部或底部進液閥進入子罐。在高高液位連鎖或液化單位連鎖的情況下，充裝緊急切斷閥將迅速自動關閉。
    出液和裝車：子罐內的LNG通過低溫泵輸送，經過截止閥和出液緊急切斷閥進入槽車。在火氣關斷閥連鎖的情況下，出液緊急切斷閥將迅速自動關閉。
    該液化裝置的LNG產量為512m3/d，每天裝車操作按8h計算，配置80m3/h的外置式離心泵2臺(1用1備)，LNG裝車位3個，可實現3臺槽車同時裝車。
7 結語
    本項目從2008年初開始設計，到2009年6月施工調試結束，歷時1年半。目前該LNG液化工廠已經安全投入生產，產量基本達到設計要求，具有良好的社會效益和經濟效益。
參考文獻：
[1] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等.液化天然氣技術[M].北京：機械工業出版社，2003：62.
[2] 張朋波，王兆銀，張興興，等.天然氣液化預處理工藝流程[J].煤氣與熱力，2009，29(9)：B05-B07.
[3] 張林松，楊光，趙萬鵬，等.天然氣液化廠站脫汞的探討[J].煤氣與熱力，2008，28(8)：B10-B12.
[4] 顧安忠，魯雪生.液化天然氣技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2010：82.
 
(本文作者：張懿君 程玉排 陜西省燃氣設計院 陜西西安 710043)