FLNG驅動方式及熱介質選型技術研究

李恩道，劉淼兒，尹全森

(中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028)

FLNG驅動方式及熱介質選型技術研究

李恩道，劉淼兒，尹全森

(中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028)

天然氣液化冷劑壓縮機驅動是浮式天然氣液化裝置(FLNG)上的核心設備之一。針對FLNG的特點，分析了電驅、燃驅和蒸汽輪機三種常規驅動方式的適應性，并重點量化對比了燃機驅動和蒸汽輪機驅動方案。提出大功率航改型燃氣輪機是FLNG項目的最佳選擇。配以帶壓熱水或蒸汽作為熱介質，系統壓力低、不可燃，更安全，是適合大型FLNG的理想技術方案。

浮式天然氣液化裝置；驅動選型；燃氣輪機；熱介質

0 引 言

浮式天然氣液化裝置(FLNG)是近年來海洋工程界提出的，集海上天然氣的液化、儲存和裝卸為一體的新型浮式生產儲卸裝置(FPSO)。該裝置因為投資低、建造周期短、便于遷移的優點而備受青睞[1]。FLNG目前已成為深水油氣田和大中型邊際油氣田開發領域的研究熱點。驅動設備是浮式液化裝置的核心設備，對設備可靠性、效率等提出了很高的要求，其設備選型非常關鍵。驅動設備的選型涉及FLNG上部的熱平衡工藝，因此驅動設備與熱介質方案密切相關，需要統籌考慮。本文以某FLNG設計的驅動和熱介質選型為例，說明適合浮式生產裝置的驅動設備選型方案。

1 FLNG技術發展現狀

從20世紀70年代早期起，國外就開始對海上液化天然氣(LNG)生產進行研究，特別是近十幾年來掀起了FLNG技術研究熱潮。截至目前，世界上已經有4個FLNG項目進入工程建造階段。殼牌350萬噸/年FLNG項目將于2016年交付使用，馬來西亞石油公司先后上馬120萬噸/年和150萬噸/年兩個FLNG項目。各主要能源供應商都加快了對FLNG的研究速度。各FLNG項目進展狀況如表1所示。

表1 世界上FLNG項目進展現狀

“十一五”期間，國內也開始了FLNG相關關鍵技術的研究。由于FLNG是孤立系統運行，其驅動、發電以及工藝用熱系統之間互相關聯，因此，在驅動設備選型時，一般將熱介質系統考慮在內進行系統的綜合比較。

2 現有驅動與熱介質方案介紹

2.1驅動方案

FLNG上的主要驅動設備用于液化工藝冷劑壓縮機的驅動及發電，其主要特點是功率大、轉速高。同時，由于FLNG上部空間有限、結構復雜、維護和操作空間受限，所以需要體積小、重量輕且更加高效的驅動方式。同時對設備的可靠程度也提出了很高的要求。

對LNG液化工廠而言，制冷壓縮機可用的驅動設備主要有三種，即電動機驅動、蒸汽輪機驅動和燃氣輪機驅動。其中，電機驅動主要用于小型LNG液化裝置，一般直接由外部電網供電進行壓縮機的驅動。對于FLNG，由于缺少外部電源供應，所有電力均來自船上電站，采用蒸汽或燃氣發電，所以，若FLNG項目采用電機驅動，將增加船上電站的規模，增加供電設備。因此，電機方案顯然不是最佳選擇。采用燃氣或蒸汽輪機驅動是適合FLNG裝置的兩種主要的制冷壓縮機驅動方式。本文將對這兩種驅動方式進行比選。

2.2熱介質方案

對于熱介質系統，目前FLNG上可選的熱介質有熱油、蒸汽和熱水三種，這三種介質在已建的浮式生產裝置上均有廣泛的應用，技術成熟。對于FLNG裝置，如果選擇蒸汽輪機驅動，當然蒸汽是最佳的熱介質方案。若選擇燃氣輪機驅動，則系統還需要進一步比選[2]。根據熱介質系統負荷、溫度分布特點及對安全程度要求的不同，最終方案選擇也不相同。

3 方案比選

3.1燃氣輪機驅動方案

傳統陸上LNG液化工廠中所用的燃氣輪機主要為重型燃氣輪機，其主要特點是功率大、可靠性高、技術成熟度高。而航改型燃氣輪機是近幾年興起的新型燃氣輪機，主要從大型飛機的航空發動機改造而成，由于其體積小、重量輕、效率高、可維護性強等優勢而備受追捧[3]。近年來，GE和R-R等公司分別推出了大功率的航改型燃氣輪機產品，比較有代表性的是GE公司的PGT系列航改型燃機和R-R公司的Trent燃機，其主要燃機型號和性能參數如表2所示。

表2 部分航改型燃氣輪機參數

GE航改型驅動燃機功率范圍可達44 MW。在Petronas在建的FLNG項目中已經采用了該種型號的燃氣輪機。R-R公司的航改型燃氣輪機產品用于機械驅動的相對功率會略大，功率范圍為15～50 MW。

以200萬噸/年的FLNG液化裝置為例，采用雙混合冷劑液化工藝，經工藝優化計算，其預冷段壓縮機的軸功率約27 MW，液化段冷劑壓縮機軸功率約41 MW。為充分利用燃機尾氣的余熱，降低系統能耗，FLNG采用余熱回收鍋爐，回收燃機尾氣的余熱，用于FLNG上部工藝系統。因此，燃氣輪機驅動的FLNG上部工藝流程如圖1所示。

圖1 燃氣輪機驅動方案系統流程圖Fig.1 Flow chart of the gas turbine driving system

壓縮機與燃氣輪機之間采用直連方式，驅動設備的功率至少為設備功率的105%。根據壓縮機的功率等級，分別選擇合適型號的重型燃機和航改型燃機。選型燃機的主要技術參數如表3和表4所示。

表3 預冷冷劑壓縮機燃氣輪機選型

表4 液化冷劑壓縮機燃氣輪機選型

從技術參數對比可以看出，傳統重型燃機在FLNG上應用并不具有優勢。與航改型燃機相比，其效率低、尺寸大、重量大。而且重型燃機的轉子部分不能直接拆卸，大修過程均要在現場進行，不利于FLNG的連續生產運行。所以，目前世界范圍內規劃的FLNG項目中尚未有重型燃機驅動的先例。

3.2 蒸汽輪機驅動方案

工業蒸汽機是歷史最悠久的驅動設備，其技術成熟、可靠性高，對燃料氣壓力和組分有很強的適應性，可以降低燃料氣壓縮功耗。蒸汽輪機的功率范圍寬，對于各功率等級的壓縮機，蒸汽輪機均可實現與壓縮機的1∶1配置。蒸汽輪機的主要缺點在于效率較低。因此，在現代陸上LNG液化工廠，蒸汽輪機驅動逐漸被更高效、可靠的燃氣輪機驅動方式所取代。

但對于FLNG，60 MW以上功率范圍內還沒有航改型燃氣輪機的成熟產品,而單臺蒸汽輪機即可滿足功率要求，且技術成熟、操作簡單、可使用低壓燃料氣，減少燃料氣壓縮模塊，還可避免在液化模塊區內設置燃燒單元。因此，世界上第一艘FLNG——殼牌Prelude項目采用了蒸汽輪機驅動。

在蒸汽輪機方案中，顯然將蒸汽作為FLNG的系統熱介質是最佳方案。蒸汽可以直接從輪機中選擇合適的位置抽出，不需要配備額外的鍋爐，其系統流程圖如圖2所示。選型方案如表5所示。

圖2 蒸汽輪機驅動方案系統流程圖Fig.2 Flow chart of steam turbine driving system

選擇8.83 MPa(表壓)中高壓蒸汽，進氣溫度535 ℃。中間工藝用熱負荷抽氣壓力0.49 MPa，抽氣溫度200 ℃。

表5 冷劑壓縮機蒸汽輪機驅動選型方案

3.3 驅動方案比較

對200萬噸/年FLNG裝置的蒸汽輪機驅動方案選型后，對燃機驅動和蒸汽輪機驅動方案進行對比，如表6所示。

結合表6從工藝角度分析，蒸汽驅動方案對燃料氣的壓力要求不高，但其效率低、燃料消耗量大、開車時間長，而且蒸汽輪機乏汽的凝結過程需要大量海水進行冷卻，要增加大型海水冷卻器。從設備方面分析，蒸汽輪機驅動方案的整個驅動設備體積大、重量大，需要大型燃氣鍋爐及蒸汽發生器等設備，增加FLNG的設備數量和重量。

雖然航改型燃氣輪機的采購成本及維護費用比重型燃機和蒸汽輪機略高，但它高效節能的特點將在生產過程中大幅降低運行成本，提高技術經濟性。因此，對于FLNG項目，航改型燃氣輪機是最佳的驅動設備。

表6 燃氣輪機與蒸汽輪機驅動方案比較

注：*1 Nm3即在0 ℃，1個標準大氣壓的標準狀況下1 m3,燃料氣熱值按39.7 MJ/Nm3計算；**GE航改燃氣輪機可用率統計；***數值基于挪威船級社(DNV)2009年發布的OREDA數據。

4 熱介質系統

FLNG主要工藝裝置典型氣源下熱用戶及介質溫度需求如表7所示。相應的熱量根據原料氣組分不同差距很大，需要進行詳細的工藝模擬計算。

從表7可以看出，分子篩加熱器所需加熱溫度較高，這是為了保證原料氣的脫水質量，同時還要考慮FLNG上部再生氣的物料平衡。對于這部分熱量一般可采用直接由余熱回收裝置加熱天然氣滿足工藝需求，從而降低整體熱介質系統的設計和操作溫度，其他熱用戶由熱介質系統考慮。

表7 FLNG主工藝熱介質溫度需求

常用的三種熱介質性能比較如表8所示。

表8 熱介質特性比較

從表8可以看出，在三種常用的熱介質中，熱油更適用于小型熱介質系統，溫度需求高于220 ℃的場合，但會增加FLNG上部火災危險性，影響裝置的安全性。蒸汽系統因為在換熱過程中存在相變，有著更強的換熱效率和載熱能力，通常用于大規模的熱介質系統。但蒸汽系統有熱損失大、補水量較大的缺點。

對于FLNG裝置，發展閉環式的帶壓熱水系統更有優勢，相對蒸汽系統省去了鍋筒和過熱器，操作更簡單，不需要連續補充淡水和化學藥劑。與熱油系統相比，水的比熱更大、黏度更低，需要的換熱器體積小、重量輕。且水是不可燃介質，增強了熱介質系統在工藝單元中的安全性，有著更好的應用前景。

另一方面，現行的LNG運輸船及浮式LNG儲存系統大多采用GTT公司的薄膜型液艙技術。根據船級社規范，該技術船體內部的加熱介質目前設計均為蒸汽。

5 結 語

航改型燃氣輪機的效率高、重量輕、體積小、可靠性高，是最適合FLNG的驅動設備。研究表明，采用航改型燃氣輪機作為驅動方式，比蒸汽輪機驅動方案可節省燃料氣20%以上，同時可大大降低對海水的使用，減輕海水取水系統的負荷。對于FLNG的熱介質，采用帶壓熱水或蒸汽系統更具優勢，系統安全性更佳，能夠降低換熱器的尺寸和重量，也容易滿足工藝用熱需求。

[1] 巨永林，顧妍，李秋英. 浮式LNG生產儲卸裝置關鍵設計技術對比分析[J].化工學報，2009，60(S1)：27.

[2] Bunnag M, Amarutanon N, Nitayaphan S, et al. FLNG development: strategic approaches to new growth challenges[C]. International Petroleum Technology Conference,2011:14548.

[3] Pek B, van der Velde H. A high capacity floating LNG design[C]. International Conference & Exhibition on Liquefied Natural Gas,2013.

[4] 陳南嶺. 導熱油加熱與蒸汽加熱在節能方面的比較[J]. 化工進展，2006,25(z1):429.

StudyonDriverandHeatMediumSelectionforFLNG

LI En-dao, LIU Miao-er, YIN Quan-sen

(Research&DevelopmentCenterofCNOOCGas&PowerGroup,Beijing100028,China)

Refrigerant compressor driver is a key equipment for floating natural gas liquefaction unit (FLNG). Three kinds of conventional driving solutions, including electric motor, gas turbine and steam turbine are analyzed according to the characteristics of FLNG liquefaction process. By detailedly comparing the gas turbine and steam turbine schemes, it is found that the high-power aero-derivative gas turbine is the best choice for FLNG projects. And for heat medium solution, hot water or steam has the property of low pressure, non combustible features. Thus we can get the ideal selection for large-scale FLNG projects.

floating natural gas liquefaction unit; driver selection; gas turbine; heat medium

U674.13+3.3

A

2095-7297(2015)04-0225-05

2015-05-16

國家科技重大專項(2011ZX05026-006-01)

李恩道(1986—)，男，工程師，主要從事天然氣液化設備及浮式天然氣液化技術研發設計工作。