丙烷預冷雙氮膨脹浮式天然氣液化中試裝置的規模分析研究

劉淼兒,李恩道,尹全森,邰曉亮

(中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028)

丙烷預冷雙氮膨脹浮式天然氣液化中試裝置的規模分析研究

劉淼兒,李恩道,尹全森,邰曉亮

(中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028)

以應用于海上的浮式丙烷預冷雙氮膨脹液化裝置為原型，擬建設一套液化中試裝置。為了確定液化中試裝置的規模，提出中試裝置與原型裝置之間宜遵循流程一致性、關鍵控制方式一致性、運動相似性和流態相似性等四項原則。上述原則中，分析表明，對于除關鍵控制方式一致性外，流程一致性、運動相似性和流態相似性對中試裝置的規模沒有直接的影響。為了與原型裝置的關鍵控制方式保持一致，中試裝置的設備選型就顯得非常重要，其中對于確定規模影響較大的關鍵設備為制冷劑壓縮機，而冷箱、壓縮機驅動器、透平膨脹機及丙烷換熱器對規模影響不大。因此，建議中試裝置中壓縮機的型式與浮式天然氣液化裝置保持一致，冷箱中換熱芯體可以考慮采用兩臺并聯的設計方案。

浮式天然氣液化裝置；中試裝置；規模；液化工藝；丙烷預冷；雙氮膨脹

0 引 言

浮式天然氣液化裝置(FLNG)是一種集海上天然氣的液化、儲存、裝卸于一體的新型浮式生產儲卸裝置(FPSO)，具有海上氣田開采投資成本低、開發風險小以及便于遷移、安全性高等特點[1-2]。目前，得到開發的海上氣田一般是較大或近海的天然氣田，而遠岸的深水氣田、中小型氣田以及邊際氣田由于儲量不大或者遠離天然氣供應市場,需要修建很長的海底管線以及相應的岸上處理設施，導致費用昂貴，難以保證盈利。因此，FLNG作為開發海上深水油田、中小型氣田以及邊際油田的有效工具，將成為海上油氣勘探領域的一大亮點[3]。

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，幾個主要能源供應商都加快了對FLNG的研究[4-5]。

國內，中海油從“十一五”開始時就以國家科技重大專項研究課題——“大型FLNG/FLPG、FDPSO關鍵技術研究”課題為契機，開展了與FLNG相關的關鍵技術研究；其中，海上天然氣液化工藝是該課題的重要研究內容之一。在對現有天然氣液化工藝進行比選研究的基礎上，根據海上作業環境的特殊要求，提出了一種適用于我國南海海況條件下的丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝[6-8]。

丙烷預冷技術在天然氣處理終端和國際上大型天然氣液化工廠中(如丙烷預冷混合冷劑液化工藝流程)都已成功應用，氮膨脹制冷技術在空分行業和小型天然氣液化工廠中也應用較多，兩者都屬于成熟的技術。但是課題組提出的丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝流程，在行業內為首次提出的新工藝，目前還沒有工程實例。此前只是從理論上分析了該工藝的可行性，但該液化工藝要走向工程應用須經歷中試過程。因此，在“十二五”期間，針對該天然氣液化工藝，擬通過建立一套液化中試裝置，進行測試驗證，為后續工程應用提供可靠依據。

關于中試裝置的設計，國內一些學者針對化工裝置中試裝置設計思路及有關規范開展過探討與研究[9-11]。但是如何來確定天然氣液化中試裝置的規模，從目前所查到的資料信息來看，尚無明確及成熟的做法可供參考。因此，本文將重點針對丙烷預冷雙氮膨脹液化中試裝置的規模進行分析。

1 建設FLNG中試裝置的目的

浮式天然氣液化裝置是在常規天然氣液化裝置的基礎上發展而來的，但與陸上工廠相比，在海上建設浮式天然氣液化工廠所面臨的技術挑戰更加艱巨。國際上浮式天然氣液化裝置經過幾十年的研究，2011年才開始正式投資建設FLNG工程項目。我國的天然氣液化技術發展較晚，目前還沒有大型的浮式天然氣液化裝置，在該行業積累的經驗有限。因此，我國開發FLNG裝置沒有成熟經驗可以借鑒，需要加強理論和試驗研究，為建設浮式液化裝置奠定基礎。

針對新提出的丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝技術，要能為后續工程應用提供參考依據，至少應達到以下幾項目的。

(1) 驗證工藝流程的合理性。

通過中試試驗，首先需驗證該液化流程的流程結構設計是否合理，其次通過試驗數據與理論模擬計算的比較，驗證理論模擬的準確性以及流程參數選擇的合理性。圖1所示為該丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝的流程[6-8]。

(2) 驗證關鍵控制方式。

流程的控制方式合理與否是一套裝置能否正常運行的關鍵，中試裝置的建立應能驗證該流程目前設計的控制方案的合理性，最終確定出合理的控制方案，提高裝置的自動化程度。

該流程的主要控制方案包括天然氣節流閥的控制、丙烷制冷系統的控制、氮氣膨脹和增壓系統的控制、氮氣壓縮機的控制以及制冷系統和天然氣的聯動控制。

(3) 操作程序的經驗積累。

天然氣液化裝置建設完成后能否順利投產運營，受操作人員的調試能力和運營能力決定。目前國內的天然氣液化裝置還沒有采用丙烷預冷的氮氣膨脹流程，缺乏該流程的液化裝置的調試和運行經驗。要通過該中試裝置的調試和運行，積累裝置的調試方法，熟悉開停車和變工況的操作程序，為研究浮式液化裝置奠定良好基礎。

(4) 海上工況適應性研究。

采用丙烷預冷的氮膨脹流程的液化裝置能否適應海上工況，關鍵在于工藝設備能否適應海上工況，工藝流程布置能否滿足浮式液化裝置的要求。需要驗證的設備主要有液化冷箱、丙烷換熱器和丙烷冷凝器，研究在晃動條件下的換熱性能以及穩定性，同時驗證為保證浮式液化裝置的穩定運行而增加的輔助操作和控制手段。

2 中試裝置規模的縮比原則

為了實現上述試驗目的，中試裝置與原型裝置需在以下幾個方面保持相似性或一致性：

(1) 流程結構一致性。

工藝流程一致是中試裝置驗證的基礎，即中試裝置仍然采用丙烷預冷雙氮膨脹制冷工藝。由于規模的影響，中試裝置中工藝參數的選取和原型裝置之間可能會存在一些不同之處，但仍應以不影響原工藝的驗證為原則。

圖1 丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝流程Fig.1 Flow chart of the propane pre-cooling and dual-nitrogen-expansion sub-cooling liquefaction process

(2) 關鍵控制方式一致性。

對于一套裝置來說，控制方式無疑是整個裝置的核心所在，它關系到整個裝置的安全、穩定運行。因此，為了驗證原設計的合理性，應盡量保持中試裝置的關鍵控制方式與原設計一致，這樣才能將在中試裝置上得到的操作調試經驗更好地應用到原型裝置上。

(3) 運動相似性。

浮式裝置的運動特性是它與陸上固定裝置最大的不同之處。通過試驗裝置真實恰當地反映實際船舶上部設施運動狀況是運動相似縮比原則的關鍵。

針對模型試驗，在相似性原理中已經整理出一套無量綱量即相似準則數，它們代表不同物理量的相似。實際試驗中各種相似準則并不同等重要，通常采用起主要作用的相似準則，忽略影響較小的相似準則。在此船體晃蕩慣性力是主要的影響因素，因此在船舶相似原理上一般采用弗勞德準則。

(4) 流態相似性。

流態相似性主要針對管路中或設備中氣液兩相流的流態。在規?？s比中，由于壓力、管徑和設備尺寸的變化，維持流態的相似性對于壓降和換熱判別具有指導意義。

3 影響中試裝置規模的因素分析

如果中試裝置與原型裝置之間滿足以上四項縮比原則，則通過中試裝置得到研究結果，就基本可達到前面所提出的試驗目的。因此，可根據縮比原則，來研究和確定中試裝置的合理規模。

3.1 流程結構相似性對規模的影響

流程結構相似，表明兩套裝置的流程從外形結構上應該保持一致或者相近。原型裝置的流程為丙烷預冷雙氮膨脹，有三個制冷循環；中試裝置也應該與之一致。當然，受氣體組分、環境、公用工程配套設施等條件的限制，中試裝置一些輔助流程可能與原流程不一致。因此，從流程結構相似性來看，只要中試裝置的主體流程與原設計保持一致，就可以滿足該原則。從中可以看出該原則對中試裝置規模并沒有直接的影響。

3.2 流態相似性對規模的影響

在丙烷預冷雙氮膨脹循環流程的管路系統中，丙烷釜式換熱器的天然氣通道及冷箱中板翅換熱器天然氣通道存在兩相流動，需要考慮流態對流動和換熱的影響；其余管道或通道內均為單相流體，無需考慮兩相流動問題。

無論是釜式換熱器還是板翅式換熱器，實際上天然氣通道都是由多個通道并聯構成的。裝置規模的大小主要體現在通道并聯的多少。因此，從單個流體通道來看，大、小裝置流態完全可以做到一致，甚至雷諾數都可以做到相近。因此，流態相似性并不影響中試裝置規模的確定。

3.3 運動相似性對規模的影響

對于原型裝置FLNG來說，裝置的工藝性能主要受垂蕩、橫搖和縱搖三個自由度的影響。其中垂蕩主要對含液相(全液相或者兩相，氣相對加速度不敏感)的非水平管道或者通道(如冷箱內流體通道)有影響，由于船體存在向上或者向下的加速度，從而導致這些管道或通道中的流體運動發生變化，使其工藝參數(如壓力變化、截面持液率變化)或性能發生偏離。與之類似，橫搖和縱搖則對含液相的非垂直管道或者通道有影響；此外，橫搖和縱搖還對那些有自由液面的設備操作有影響，如分離器等設備在晃動工況下液面不穩，可能導致控制系統接收錯誤的液位信號。

從以上分析可知，運動相似性考察的是中試裝置搖擺臺的性能是否能準確模擬FLNG設備在海況條件下的運動狀態，它與裝置的液化規模并沒有直接關系。

3.4 控制方式相似性對規模的影響

控制方式的設計合理性是試驗驗證的主要內容，因此在中試裝置設計中，應盡量保持關鍵點的控制方式與原設計一致?？刂品绞脚c設備型式的關系最為密切。有些設備，其類型不同，則控制方式大不相同，如對壓縮機而言，離心式壓縮機與往復式壓縮機在流量的調節方式和喘振系統的控制要求上就完全不同。當然也有些設備，雖然設備類型不同，但其控制方式基本相似，如空冷換熱器和海水換熱器。

對于丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝流程來說，關鍵控制方式包括：離心壓縮機和透平膨脹壓縮機的防喘振控制；離心壓縮機轉速與進出口壓力和流量的連鎖控制；節流閥等關鍵流量調節閥開度與溫度、壓力和流量等參數的連鎖控制等。因此，這些設備型式和設備布置應盡量與原設計一致，這樣才能有效驗證裝置和設備的開停車方式、流程的控制方式、系統能耗性能、冷劑補充方式和裝置負荷調整等關鍵點。

而設備類型與裝置的規模密切相關，如制冷劑壓縮機，大、中型液化工廠均選用離心壓縮機，而一些小型或微型裝置就只能選擇往復式或者螺桿式壓縮機。對于壓縮機驅動形式，同樣也存在類似的規模與選型上的限制。

綜上所述，流程的一致性、運動方式的相似性和流態的相似性對規模選擇沒有直接限制，只需在在實驗裝置和晃動平臺的設計中細致考慮即可，但是控制方式的相似性則對規模選擇有直接的影響，具體體現在其中主要設備的選型。下面分析關鍵設備選型對規模選擇的影響。

(1) 制冷劑壓縮機。

大型液化工藝中，丙烷及兩級氮膨脹制冷系統均采用離心式壓縮機，如在中試裝置中要保持與原型裝置類似的型式，則在工藝參數相同的條件下，丙烷及兩臺氮氣壓縮機都存在最小處理量，根據壓縮機的最小處理量可確定中試裝置的最小規模。如對于本中試裝置的工藝參數，若丙烷壓縮機欲選用離心式壓縮機，則裝置規模需為53×104Nm3/d(1 Nm3即在0℃,1個標準大氣壓的標準狀態下1 m3)；從氮氣壓縮機選型來看，液化段壓縮機的最小流量對應裝置規模為2.1×104Nm3/d，過冷段壓縮機的最小流量對應裝置規模為4.9×104Nm3/d。

(2) 冷箱。

原型裝置中冷箱結構為板翅式換熱器。板翅式換熱器在國內的技術已很成熟，生產廠家很多,有杭氧、杭州中泰、蘇州三川、川空和開空等。限于加工設施，單臺板翅式換熱器換熱面積有限，為了達到換熱效果通常采用多臺并聯的形式，而且每臺冷箱內又有多臺板翅換熱器芯體并聯。板翅換熱器芯體內流量分配是否均勻是關系到流程可靠性的關鍵因素，也應該是實驗驗證的關鍵點之一。但是在實驗裝置中不可能設置與原設計同樣數量的板翅芯體。為了驗證板翅并聯在均配方面的性能，需要人為設置至少兩臺換熱芯體進行并聯，但是板翅換熱器本身不會對規模選擇有大的影響。

(3) 壓縮機驅動設備。

總的來說，目前國產燃氣輪機還達不到原設計負荷裝置內壓縮機組的驅動要求，原型裝置擬采用進口燃氣輪機。對于小規模的中試裝置，驅動設備無法選到合適的燃氣輪機，實驗方案不得不做出調整。但是，與壓縮機控制方式相比，驅動設備的控制不與流程中的工藝參數直接相關，其控制相對獨立，對流程控制方式的影響較小。

(4) 透平膨脹壓縮機。

原型裝置選用國內低溫軸流膨脹機(離心式增壓機)，中試裝置的膨脹機選型力求與原設計一致。由于實驗裝置規模較小，透平膨脹壓縮機的最小選型也會影響到裝置規模的選擇。調查表明，2×104Nm3/d規模的膨脹機從市場上可以獲取。

(5) 丙烷預冷換熱器。

與原型裝置一致，中試裝置也采用板翅式蒸發式換熱器，不影響規模的確定。

4 結 語

本文以應用于南海海況下丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝的FLNG為原型，分析了中試裝置的試驗目的和規模縮比原則，并分析了影響中試裝置規模的各種因素，得到結論如下：

(1) 為了合理驗證丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝，中試裝置與原型裝置之間宜遵守流程一致性、關鍵控制方式一致性、運動相似性以及流態相似性等原則。

(2) 通過對中試裝置規模的影響因素分析表明，流程的相似性、運動相似性和流態相似性對中試裝置的規模沒有直接的影響，影響中試裝置的關鍵因素在于為了保持關鍵控制方式一致性方面的設備選型。

(3) 對中試裝置規模影響較大的關鍵設備為制冷劑壓縮機，其他設備如冷箱、透平膨脹機、壓縮機驅動器和丙烷預冷換熱器對規模影響不大。因此，建議中試裝置的制冷劑壓縮機與原型裝置保持一致，且冷箱中至少采用兩個換熱芯體并聯。

本文雖然僅針對丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝來分析液化中試裝置的規模，但該分析思路也可供類似的化工中試裝置的規模研究提供參考。

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StudyonthePilotPlant’sCapacityofFloatingLiquefiedNaturalGasProcessedbyPropanePre-CoolingandDual-Nitrogen-ExpansionSub-Cooling

LIU Miao-er, LI En-dao, YIN Quan-sen, TAI Xiao-liang

(Research&DevelopmentCenterofCNOOCGas&PowerGroup,Beijing100028,China)

Based on the propane pre-cooling and dual-nitrogen-expansion sub-cooling (C3-DN2) process used for floating liquefied natural gas production, storage and offloading unit (LNG-FPSO), a pilot unit will be built to test the rationality of process configuration and key control modes， and to study the operability and flexibility of its application in offshore cases. In order to define the capacity, the pilot unit should keep the consistency of process configurations and key control modes, and the similarity of moving and flow regime with LNG-FPSO. The factors affecting the capacity of the pilot unit are further investigated, and the results show that the type of key equipment to keep the consistency of key control mode greatly impacts the capacity, and the other factors have less influence. Among the main devices, the refrigerant compressor should be considered the most carefully when defining the capacity of the pilot unit, and others such as cold box, driver, turbine expander and the heat exchanger for C3 are less important. Therefore, it is better to select the same type of refrigerant compressor in the pilot as that in the LNG-FPSO, and to design two plate-fin heat exchangers in parallel in the cold box.

floating liquefied natural gas system; pilot unit; capacity; liquefaction process；propane pre-cooling; dual-nitrogen-expansion sub-cooling

2015-05-16

國家科技重大專項(2011ZX05026-006)

劉淼兒(1973—)，男，博士，高級工程師，主要從事天然氣液化及液化天然氣儲存、運輸與利用方面的研究。

TB657.8

A

2095-7297(2015)03-0152-05