泰安深燃LNG工廠工藝、設備國產化研究

歐大江 劉有民 李多金

深圳市燃氣集團股份有限公司

泰安深燃LNG工廠工藝、設備國產化研究

歐大江 劉有民 李多金

深圳市燃氣集團股份有限公司

泰安深燃LNG工廠首次采用多項國產工藝技術,設備全部實現了國產化。為此,詳細介紹了泰安深燃LNG工廠根據原料天然氣組成特點、供應情況和工廠處理量規模,綜合考慮投資成本、能耗、設備操作的難易程度、設備制作周期等情況。泰安深燃LNG工廠選擇了膨脹機制冷的天然氣液化工藝,因而從工藝、流程和設備方面詳細分析了泰安深燃LNG生產在凈化、液化、儲運及公用工程、儀表自控等方面的技術特點,總結了其在天然氣凈化單元采用醇胺法中的MDEA溶液脫除CO2,采用等壓吸附脫水,采用了活性炭脫汞、脫苯,在天然氣液化單元采用雙膨脹機并聯制冷等技術創新。最后通過與其他LNG工廠天然氣液化流程優缺點的對比,證明了泰安深燃LNG工廠工藝、設備國產化在技術和經濟上的優越性。該研究對以后我國建設同類LNG工廠具有借鑒作用。

LNG 天然氣液化 天然氣凈化 工藝 運行設備 國產化

1 中國LNG產業的發展狀況

20世紀80年代末,中國科學研究院在四川綿陽建了一套LNG實驗裝置[1],20世紀90年代,開封空分設備廠與北京焦化廠合作建成一套LNG裝置;中國科學研究院在吉林油田建成一套LNG裝置,在長慶油田建成一套2 t的LNG裝置。前3種裝置采用小型膨脹制冷工藝,長慶油田LNG裝置采用氣波制冷工藝,但最終都宣告失敗。

20世紀90年代末,上海市為了解決城市燃氣調峰問題,引進了法國索菲公司技術和設備,建成了10 ×104m3/d的LNG工廠,它的氣源來自東海氣田,產品也不外輸,只作為城市調峰,投資為6.2億元。中國石化中原油田LNG工廠是國內首座商業化運行的LNG工廠,2001年9月正式投產運行,與法國索菲公司合作完成技術方案,并從國外進口主要設備,采用了比較先進的丙烷、乙烯復迭制冷工藝,設計處理量30 ×104m3/d,液化能力15×104m3/d[2]。2004年9月,新疆廣匯實業投資有限責任公司LNG工廠投產,設計產量150×104m3/d,應用混合制冷工藝,采用德國林德公司的技術和設備,是目前國內投產的最大的LNG工廠[3]。2005年4月,海南海然高新能源有限公司LNG工廠建成投產,應用單一制冷劑氮氣膨脹制冷,采用加拿大PROPA K的技術和設備,利用海南福山氣田的天然氣,設計產量30×104m3/d。2005年9月,北海新奧燃氣有限公司LNG工廠建成投產,應用單一制冷劑甲烷膨脹制冷,采用美國的技術和設備,利用海上氣田的天然氣,設計產量 15×104m3/d。2007年,江陰天力燃氣有限公司、蘇州華峰液化天然氣有限公司、中國石油西南油氣田分公司等LNG工廠相繼投產,它們都利用長輸管道的高壓能量進行膨脹制冷,因為工藝的限制,它們的產量不是很大,一般小于10×104m3/d。2008年,泰安深燃液化天然氣利用有限公司和青海西寧LNG工廠投產,泰安深燃LNG工廠利用的是管道天然氣,采用單一制冷劑氮氣膨脹制冷,設計產量15×104m3/d,工廠設備全部實現了國產化。

目前在建的LNG工廠主要有四川達州LNG工廠、陜西榆林LNG工廠以及山西的幾個煤層氣液化工廠,其中達州LNG工廠設計產量為100×104m3/ d,榆林LNG工廠設計產量為50×104m3/d,均采用混合制冷技術。現在計劃要建的主要有靖邊LNG工廠、寧夏LNG工廠、晉城LNG工廠和陽城煤層氣液化工程項目等。

2 泰安深燃LNG工廠的工藝方案

泰安深燃LNG工廠于2007年3月開始籌備建設,2007年7月開工建設,2008年3月調試投產成功。該工廠從立項、可研、設計、施工、調試到投產僅用了1 a的時間,創造了LNG工廠建設史上新紀錄。該工廠的生產能力為15×104m3/d,除了給深圳燃氣或國內其他用戶供氣外,還可作為泰安市調峰氣源,事故狀態下能保證泰安市居民15 d的用氣量。

2.1 天然氣液化工藝

目前天然氣液化裝置的液化循環主要有復迭式制冷循環、混合冷劑制冷循環和膨脹機制冷循環[4]。

2.1.1 復迭式制冷循環

復迭式制冷循環是一種較經典的制冷循環,又稱“逐級式”或“串級式”,這種循環是由若干個不同低溫下操作的制冷循環復迭組成,一般由以C3H8、C2H4和CH4為制冷劑的3個制冷循環復迭而成,以提供液化所需的冷量。經預處理后的天然氣進入換熱器與C3H8、C2H4和CH4制冷劑進行熱交換,經過冷卻、冷凝,節流到常壓后送入LNG儲罐儲存。該制冷循環能耗低,制冷劑為純物質,操作穩定,但機組多,流程復雜,附屬設備多,需專門儲存各種制冷劑,而且管路和控制系統復雜,操作難度大,維護不便。

2.1.2 混合冷劑制冷循環

混合冷劑制冷循環是1960年發展起來的,它克服了復迭式制冷循環的某些缺點,它采用混合制冷劑、制冷劑壓縮機進行循環制冷。制冷劑是根據要液化的天然氣組分而配制的,由N2、C1～C2碳氫化合物組成。對多組分混合制冷劑進行逐級冷凝、蒸發、節流膨脹得到不同溫度水平的制冷量,可以達到逐步冷卻和液化天然氣的目的。與復迭式制冷循環相比,混合冷劑制冷循環機組少、流程簡單、投資少、管理方便,制冷劑可從天然氣中提取和補充,但能耗略高,混合冷劑的合理配制較為困難。

2.1.3 膨脹機制冷循環

膨脹機制冷循環,是指利用透平膨脹機絕熱膨脹的克勞特循環制冷實現天然氣液化的流程。氣體在膨脹機中膨脹降溫的同時,對外做功,可用于驅動流程中的壓縮機(增壓透平膨脹機的增壓端)。流程中的關鍵設備是透平膨脹機。根據制冷劑的不同,膨脹機制冷循環可分為氮氣膨脹液化流程、氮—甲烷膨脹液化流程、天然氣膨脹流程。這類流程簡單、調節靈活、工作可靠、易啟動、易操作、維護方便,投資省,但能耗略高,氣體換熱面積大。

2.2 泰安深燃LNG工廠的工藝選擇

復迭式制冷由于設備復雜,不適合用于中、小型天然氣液化裝置,即使是對大型天然氣液化裝置,這種流程在國際上目前也很少采用,常常用混合制冷劑制冷來代替[5]。因此,泰安深燃LNG工廠沒有采用復迭式制冷。此外,由于國內沒有成熟的混合制冷劑壓縮機產品,而進口設備訂貨周期長,不能滿足本項目的進度要求,而且混合制冷劑方案要求原料天然氣組分、流量相對穩定,這些都不能滿足本項目的需要,因此也未考慮混合制冷劑的方案,最終泰安深燃LNG工廠選擇了膨脹機制冷。

針對膨脹機制冷流程,我們對各種方案分別進行了計算,并與國內有關流程進行了比較,主要結果見表1。

表1 LNG制冷流程方案對比表

從表1可以看出,氮氣高壓串聯膨脹制冷能耗較高,而且運行穩定性不如氮氣中壓并聯膨脹制冷好,設備投資相對較高,因此不宜選用。天然氣膨脹制冷和氮—甲烷混合膨脹制冷能耗略低一點,但十分有限,對于本項目這樣規模LNG裝置所節省的電耗很少,帶來的問題是訂貨制造周期長,影響項目進度,設備投資高,而且防火防爆等安全要求高。

氮氣中壓并聯膨脹制冷的方案是膨脹制冷液化流程中能耗指標比較先進的流程,能耗較低,設備投資也低,最重要的是其主要設備都是國內的成熟設備,運行穩定可靠,訂貨制造周期最短,能夠滿足項目進度的需要,而且沒有防火防爆的問題,因此,泰安深燃LNG工廠采用了這種天然氣液化流程方案。

3 泰安深燃LNG工廠技術分析

3.1 天然氣凈化工藝、設備及特點分析

天然氣凈化工藝流程為:天然氣首先進入到CO2吸收塔用MDEA脫出CO2,然后進入到脫硫脫汞塔脫除硫和汞,接著天然氣進入到的等壓吸附脫水塔脫除水,最后進到脫苯塔把苯等重烴雜質脫掉。

泰安深燃LNG天然氣凈化工藝在國內同行業中實現了4個創新:

1)首次采用醇胺法中的MDEA溶液脫除CO2。在LNG處理裝置中,常用的脫除酸性氣體方法有3種:醇胺法、熱鉀堿法和砜胺法。泰安深燃處理的原料天然氣中,CO2含量不高,H2S微量,因此采用醇胺法比較合適。在此之前,國內其他同類裝置大都采用醇胺法中的M EA脫除CO2[6],該技術容易發泡,影響工廠正常生產。泰安深燃LNG天然氣凈化在國內首次采用了MDEA溶液脫除CO2技術,在過去一年多的時間里沒有出現任何發泡現象,裝置運行情況良好。

2)首次采用等壓吸附脫水技術,使得原料氣露點溫度達到-75℃。而常用的脫水吸附法為變壓吸附,在變壓吸附技術中再生氣必須經過處理才能重新使用,增加了運行成本。

3)首次采用了先進的活性炭脫汞技術,一年多來生產運行情況良好。汞含量超標會對鋁制冷箱產生嚴重影響,使冷箱發生爆裂。采用該項技術后,冷箱運行良好,保證了整個生產裝置的穩定運行。

工作扭矩：額定扭矩8.65 kN·m，極限扭矩10 kN·m；角向補償能力：持續1°，瞬時3°；徑向補償能力：持續±9 mm，瞬時±26 mm；軸向補償能力：持續±7 mm，瞬時±20 mm；動平衡：G6.3(2 000 r/min，按ISO1940標準)；扭矩限制：15 kN·m(1±5%)，打滑1 000次后降低不超過15%；工作轉速：額定轉速1 800 r/min，極限轉速2 300 r/min；絕緣電阻：≥10 MΩ(10K VDC)；環境溫度：-40 ℃～+50 ℃；濕度：95%；防腐保護等級：C3H。

4)首次采用了活性炭脫苯技術。以往都是采用異戊烷脫苯,裝置運行成本較高。采用活性炭脫苯技術后可以大大節約生產運行成本。

LNG工廠天然氣凈化部分采用了成都五環新銳化工有限公司的技術和設備,經過一年多的運行實踐,設備運行非常穩定,沒有出現過任何異常情況,其技術在國內第一次應用到LNG的凈化中,效果比以往的凈化方法更好,程控閥也全部采用了成都五環新銳化工有限公司的產品,產品完全可以滿足工藝要求,且具有供貨周期短、價格低、產品配件容易更換等優點。

3.2 天然氣液化工藝、設備及特點分析

天然氣液化工藝采用氮氣膨脹制冷循環,其主要工藝流程為:從凈化單元來的天然氣進到液化單元的冷箱進行冷卻,在冷箱中天然氣被降溫到-138℃后變成0.4 M Pa的LNG。泰安深燃LNG工廠天然氣液化主要技術特點是:

1)在天然氣液化單元第一次采用雙膨脹機并聯制冷技術。國外設備耐壓等級比較高,國外工藝流程基本都是采用串聯制冷[7],因為國內設備與國際先進設備在質量方面有一定的差距,針對國內設備的現狀,泰安深燃LNG項目開發了具有自主知識產權的雙膨脹機并聯制冷技術,一舉改變了國產設備不能連續穩定生產LNG的狀況,在LNG裝置國產化的進程中樹立起新的里程碑。自2008年3月LNG裝置投產以來,國產膨脹機、氮壓機等設備運行情況良好,該項技術達到國內先進水平。

2)在天然氣液化單元中,采用了國產分體式冷箱,除具有換熱效果好、熱應力小、流動阻力小等優點外,其運輸、安裝、操作也都比較方便。

3)氮氣循環壓縮機4臺并聯。正常工作時3開1備,可以滿負荷運行,亦可開2臺氮氣壓縮機運轉,產量可以根據市場需求在60%～100%之間進行調節,操作比較靈活。

4)在天然氣回收過程中,采用在國內處于領先水平的變頻BOG壓縮技術,徹底解決了BOG量的不均衡問題,從根本上消除了安全隱患。

天然氣液化部分主要設備是壓縮機、膨脹機和冷箱。這幾種設備在最初建設的幾個LNG工廠中基本上全是靠進口,泰安深燃LNG工廠天然氣液化設備全部實現了國產化,膨脹機是四川簡陽瑞特機械設備有限公司的產品,冷箱是杭州中泰過程設備有限公司的產品,壓縮機是杭州杭氧壓縮機有限公司的產品。膨脹機、冷箱自投產以來運行穩定,性能不亞于進口產品,壓縮機除了一些易損件容易出毛病外,其他完全滿足工藝要求。經過近10 a的發展,通過國內LNG技術人員的研究和摸索,目前LNG設備絕大部分可以國產化,冷箱和膨脹機在四川、大連等地皆可以生產(包括離心和往復式壓縮機)。近期建設的LNG工廠,有不少進口設備已經被國產設備替代。

3.3 儲運及公用工程分析

LNG儲運部分的主要工藝流程為:在冷箱中天然氣被降溫到-138℃后變成0.4 M Pa的LNG,之后LNG進入到LNG儲罐進行帶壓儲存。銷售時啟動LNG裝車泵進行裝車外運。泰安深燃LNG工廠在LNG儲運及公用工程部分主要采用了以下技術:

1)選用了8個相互獨立的LNG儲罐進行儲存。在LNG生產裝置中,一般采用單LNG儲罐或者子母罐[8],但兩種罐的造價都較高。泰安深燃LNG工藝采用了8個150 m3的LNG儲罐,這種罐在國內比較成熟,加工周期短,價格比較合理。把8個150 m3的LNG儲罐放在一起進行儲存,既滿足了生產要求,8個儲罐還可以相互切換,在流程上非常靈便。

2)工藝閥門全部是國產的,包括低溫閥門。雖然國產閥門和國外知名品牌比較起來有一定差距,但仍能滿足工藝要求。

3)在國內首次采用雙溫位導熱油爐技術,提高了導熱油爐的利用率,減少了一次性投資。如果采用常規的做法,至少需要兩臺能提供不同溫位的導熱油爐。

LNG儲罐選用的是張家港中集圣達因低溫裝備有限公司的產品,導熱油爐采用的是上海大震鍋爐股份企業有限公司的產品,低溫閥門是四川空分設備集團的產品。這些產品的共同特點是:產品成熟、供貨周期短,價格便宜,運行穩定、更換配件方便。

3.4 儀表自動控制及電氣

泰安深燃LNG工廠儀表自控部分采用了先進的DCS數據集中控制技術,全廠的操作都可集中在中心控制室來完成,大大提高了工廠的自動化水平,為工廠的安、穩、長、滿、優運行提供了可靠保證。在國內最初建設的幾個LNG生產裝置中,自控系統基本上都是采用國外的技術和設備,而該項目采用了國內浙江中控技術有限公司的技術和設備,同樣滿足了生產的需要,在自控系統的國產化過程中往前邁出了一大步;儀表自控部分采用的壓力表、溫度計、液位計、壓力變送器、溫度變送器、常溫調節閥、特別是低溫調節閥等全部為國內產品,基本上都能滿足工藝要求。變送器用的是西儀橫河有限公司的產品,低溫調節閥用的是無錫工裝閥門制造有限公司的產品,這些產品反應靈敏,穩定可靠,已具有和進口產品同樣的特性和能力。

泰安深燃LNG工廠高低壓配電柜、電容柜、變壓器、各種電纜等電氣設備也都采用國內產品,這些產品比較成熟,性能穩定,可直接替代進口產品。

4 結論

泰安深燃LNG工廠在國內首次采用多項工藝技術,設備全部實現了國產化,自2008年3月16日運行以來情況良好,已達到國內先進水平,天然氣液化流程無論在技術上還是經濟上都是非常可行的。泰安深燃LNG工廠的成功建設及連續平穩運行,對國內LNG產業的發展起到積極的推動作用,對未來建設同類LNG工廠具有一定的借鑒作用。

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[3]馬文蘭.新疆廣匯LNG工廠的建設與發展[J].城市燃氣, 2003,34(7):9-11.

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A study of domestic technologiesand equipmentsapplied in the Tai’an Shenran LNG Plant

Ou Dajiang,Liu Youm in,Li Duojin
(Shenzhen Gas Group Corporation L td.,Shenzhen 518040,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 1,pp.101-104,1/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The Tai’an Shenran LNG p lant p rimarily adop tsmany domestic technologies fo r its LNG p rocess and its app lied equipments are allmade in China.This paper firstmakes a detailed introduction to how this p lant chooses the expansion refrigeration fo r natural gas liquefaction p rocess acco rding to the compositions of feedstock natural gas,the supp ly condition,and the p rocessing capacity, and taking into accountmany facto rs including the investment cost,energy consump tion,operational flexibility,order p roduction cycleof equipments,and so on.Then,in aspectsof technology,p rocessand equipments,etc.,technical characteristics are analyzed of purification,liquefaction,sto rage and transpo rtation,utility system,and autocontrol instrument.Technical innovations are summarized as follow s:the CO2removal by the MDEA solution in the Oxyamine p rocess,adsorp tion dehydration by the isopiestic method, and mercury&benzene removal by the activated carbon in the purification unit,and dual-expander in parallel in the liquefaction unit. Finally,in comparison w ith the advantages and disadvantages of the liquefaction p rocess in other LNG p lants,this paper pointsout the technical and economical superioritiesof the app lied domestic technologies and equipments in the Tai’an Shenran LNG Plant.This study p rovides reference for similar LNG p lants in China.

LNG,liquefaction p rocess,natural gas purification,technology,running equipment,localization

歐大江,1958年生,高級經濟師;深圳市燃氣集團股份有限公司總經理、董事;主要從事城市燃氣運營管理。地址: (518040)廣東省深圳市深南中路6021號喜年中心B座。電話:(0755)83478866,13502828116。E-mail:odj@szgas.com.cn

歐大江等.泰安深燃LNG工廠工藝、設備國產化研究.天然氣工業,2010,30(1):101-104.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.01.029

(修改回稿日期 2009-11-28 編輯 何 明)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.001.029

Ou Dajiang,senior economist,was born in 1958.He is CEO and generalmanager of Shenzhen Gas Group Corpo ration L td.He is mainly engaged in operation and management of urban gas system.

Add:Block B,Building Xinian Centre,No.6021,M iddle Shennan Rd.,Shenzhen 518040,P.R.China

Tel:+86-755-8347 8866Mobile:+86-13502828116E-mail:odj@szgas.com.cn