FLNG液化冷劑壓縮機和主制冷換熱器關鍵技術的突破

吳堯增 王文祥 洪 毅 柯爾欽乎

中海油研究總院

吳堯增等. FLNG液化冷劑壓縮機和主制冷換熱器關鍵技術的突破.天然氣工業，2016，36（1）：129-136．

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FLNG液化冷劑壓縮機和主制冷換熱器關鍵技術的突破

吳堯增 王文祥 洪 毅 柯爾欽乎

中海油研究總院

吳堯增等. FLNG液化冷劑壓縮機和主制冷換熱器關鍵技術的突破.天然氣工業，2016，36（1）：129-136．

摘 要為解決海上天然氣長距離管輸的問題（成本高和流動安全保障等），FLNG(floating liquefied natural gas)浮式液化天然氣開發技術應運而生。目前，受國內相關行業發展水平的制約，FLNG液化核心設備均需進口，設備價格高、項目投資大。為此，基于目前FLNG主要的液化工藝，分析了國內外液化核心設備（冷劑壓縮機、大型壓縮機驅動器和大型液化換熱器）的運用現狀和關鍵技術——①開停車、火災及變工況下的穩定運行技術；②FLNG晃蕩工況對換熱器性能和安全的影響；③采用改進后的制造技術和制造工藝，滿足FLNG運用的需求；④外部管道及接口補償技術；⑤泄露監測技術，針對性地歸納了其實現國產化的技術需求和發展方向，提出了開發設想和建議：FLNG主要液化核心設備國產化要充分依托國內企業，在設計技術、材料、制造技術上充分借鑒國外技術發展思路，加大企業與項目的聯系程度，充分整合資源突破關鍵技術，加大試驗平臺建設和試驗驗證，實現樣機突破和中試運用，為最終的工程運用和降低項目投資打下基礎。

關鍵詞FLNG 液化核心設備 技術及運用現狀 關鍵技術 國產化 冷劑壓縮機 大型壓縮機驅動器 大型液化換熱器

1 概述

1.1 FLNG開發現狀

隨著氣田開發項目朝著深水、長距離邁進，采用長距離管線輸送天然氣的成本越來越高或成為不可能。為了經濟高效地開發深海氣田，尤其是海洋邊際氣田，國際上提出了浮式液化天然氣（Floating Liquefied Natural Gas，FLNG）的概念，FLNG技術正處于海洋工程領域的最前沿[1-2]。

FLNG是基于陸上LNG的設計、建造、生產技術和經驗開發的，要實現浮式生產運用，還需解決一系列問題：如LNG液化工藝和核心設備的適應性改造；LNG儲罐和船體的合理整合；FLNG安全研究；適合海洋環境的LNG卸料系統設計等[3]。

到目前為止，世界上還沒有真正投產的FLNG項目。最早的兩個項目分別是采用DMR工藝的SHELL Prelude 3.6×106t/a和APCI N2膨脹工藝的Petronas 1.2×106t/a FLNG項目。正是居于這樣的一個現狀，各液化工藝專利廠商正在競相優化和推廣適合FLNG的液化工藝，并希望能夠搶占先機。

1.2 FLNG液化工藝選用

目前在用的液化工藝主要分為2大類（單一冷劑和混合冷劑），5個小類。表1分別列舉了主要液化工藝的特點及技術指標。

由表1可知：

1）目前用于FLNG的液化工藝主要有N2膨脹、DMR和SMR。Cascade和C3MR雖然能耗低，但設備數量多，對船體運動敏感，還沒有FLNG改型設計。

2）SMR單系列處理量小，相對效率低，能耗比DMR大。主要適合陸上及港口小型LNG處理站。

3）N2膨脹雖然能耗也較高，但采用單一N2作為制冷介質，安全性及適應性較高，對于FLNG來說也是一個好的選擇。

4）DMR能耗低，單系列處理量大，設備數量適中，為目前FLNG主推的液化工藝。

對于海上氣田開發來說，一般中、大規模的氣田LNG產量介于1.2×106～4×106t/a，兼顧產能、效率和投資，主要采用N2膨脹和DMR工藝，這從主要在建項目采用的液化工藝方案也得到證實。

表1 主要液化工藝的技術指標統計表

2 液化核心設備及國產化

LNG液化工藝都是通過一定的制冷循環來實現天然氣液化的，其核心設備主要包括冷劑壓縮機、大型壓縮機驅動器及大型液化換熱器。

2.1 冷劑壓縮機

2.1.1 國內外技術及運用現狀

為滿足LNG運用的需求，國外廠商如GE、Dresser-Rand和Siemens都針對壓縮機大型化、高參數等特點開展了壓縮機的優化設計，并在提高壓縮機效率方面做了大量的實踐。GE公司為世界上首個FLNG項目Prelude[3]提供4臺DMR混劑壓縮機。

國內LNG產業仍屬于發展的初期，LNG規模介于0.1×106～1.2×106t/a，與國外大型LNG工廠規模（已達到10×106t/a）相比差距較大。沈陽鼓風機集團股份有限公司以MCL、BCL壓縮機系列為基礎開發了1.2×106t/a以下包括氮氣膨脹、單一混劑、混合冷劑、階梯制冷等多種液化工藝配套用壓縮機[4]。西安陜鼓動力股份有限公司近年來也針對LNG項目開發了100×104m3的天然氣冷劑壓縮機，開發了滿足API617 及PTC10要求的LNG專用閉式試驗裝置，取得了一定的業績。

國外壓縮機廠商經過多年的發展，技術水平整體較高，機組規模很大，表2列出了目前國際上大型LNG壓縮機設計的最新技術指標和國內已建最大規模機組的估計參數。

從表2可以看到對于大型、高參數化LNG的運用，國內機組運用的規模與國外仍存在一定的差距。

2.1.2 關鍵技術

LNG液化設備中最重要的就是冷劑壓縮機，壓縮機的性能對LNG整體性能和液化效率起著決定性的作用。由于LNG需要一定的產能才具備經濟性，這就意味著壓縮機需大型化。處理低溫循環工況，將面臨高流速（大的相對馬赫數）、復雜的級間進氣、大跨距長軸設計、保持較高的效率和適應期間等問題，給壓縮機的設計帶來了較大的挑戰。表3列出了需重點關注的關鍵技術要求。

表2 國內外LNG壓縮機最新技術指標對比表

表3 LNG壓縮機關鍵技術分析表

2.1.3 國產化

2.1.3.1 需求分析

根據1.2節結論，目前主要采用的APCI-DMR 和N2膨脹工藝，其單系列能力為（1.2～1.8）×106t/a，典型的壓縮機選型參數如表4、5所示。

WMR壓縮機包括LP1、HP1、HP2三缸，由同一燃氣輪機驅動，軸功率約為31 MW；CMR壓縮機包括LP2、MP2兩缸，由同一燃氣輪機驅動，軸功率約為31 MW。從DMR工藝配套壓縮機參數可知：為降低壓縮機的設計難度并提高效率，盡量不采用大壓比設計，WMR每缸壓比為1.9～2.7，CMR每缸壓比為1.5～4.3。

對比表4～6可以看出：

國內已供貨的大型LNG壓縮機的主要指標如表6項目①～④壓縮機單缸的實際入口體積流量為27 253～57 832 m3/h，對應單缸壓比為3.1～4.5，單缸軸功率為7～24.15 MW，已經可以滿足DMR中HP1、MP2、HP2單缸壓縮機的增壓要求（實際體積流量為15 555～23 514 m3/h，對應壓比為1.5～2.1，軸功率為7～10.8 MW）；有低溫運用業績，因而在材質選擇上也沒有太大的差別。

表4 混劑壓縮機選型參數表（DMR/單系列1.8×106t/a）[1]

表5 APCI N2壓縮機選型參數表（N2膨脹/單系列1.8×106t/a）[1]

表6 國內一些大型項目的壓縮機參數表[3]

DMR中LP1、LP2壓縮機，實際入口體積流量為74 088 m3/h、76 696 m3/h，壓比為2.7、4.3，單缸軸功率為14 MW、24 MW，規格大，目前國內還沒有這類壓縮機業績，如表6項目①中由于采用的是級聯Cascade液化工藝，多股流進入壓縮機，機組實際體積流量為75 306～87 043 m3/h，雖然很大，但并不是單股流的流量，采用的是側流設計。表6項目④雖然單缸實際流量最大，但也未達到LP1、LP2的要求。但這并不意味著沒有機型可以處理這么大的流量，只是不屬于LNG行業，從機組本身看表6項目⑤壓縮機就已經和LP1、LP2的要求相當。

對于N2膨脹壓縮機，實際體積流量為27 483 m3/h，對應總壓比為4.3，總軸功率為30 MW，表6項目④從增壓指標上已能滿足要求，但在使用溫度上還未達到低溫要求，需要壓縮機在選材、低溫應力處理等方面改進設計。

2.1.3.2 國產化方向

1）根據需求分析，規格上重點開發單系列產能在1.2×106～1.8×106t/a LNG的壓縮機方案，如對于DMR工藝還需開發LP1、LP2規格機組。

2）重點研究短跨距、高效率機組。

3）壓縮機采用橇裝，減少設備尺寸重量。

4）FLNG船體運動工況下的壓縮機適應性分析。

5）滿足FLNG海洋環境的設備材質及防護研究。

6）開發滿足API617和ASME PTC-10要求的壓縮機閉式試驗裝置。

2.2 大型壓縮機驅動器

2.2.1 國內外技術及運用現狀

壓縮機驅動器主要有以下3類：蒸汽輪機、燃氣輪機和電機。目前國外在設計、在建FLNG項目使用的驅動器主要技術及運用現狀見表7。

受發電機組規格的制約，中大型FLNG一般不適宜采用電驅方案。受國內燃氣輪機發展水平的制約，至今未形成完整的國產工業用燃氣輪機體系，FLNG驅動器要么只能用電驅方案，要么只能采用進口燃氣輪機方案。

2.2.2 關鍵技術

對于進口燃氣輪機而言，經過多年的發展，在技術成熟度和可靠性上有了較大的提升，關鍵問題是分析其在FLNG的適應性。主要關注以下關鍵技術：

1）采用船用機型設計，減小機組尺寸重量。

2）根據船體的運動性能，設計并保證燃機轉子—軸承系統的運動穩性。

3）FLNG能耗為重要考慮因素，在經濟可行的原則下盡量提高燃機效率。

4）采用模塊化設計和大修換機技術，降低機組的運維成本。

2.2.3 國產化

2.2.3.1 需求分析

LNG液化能力受驅動器的能力限制，制冷循環的設計必須按照可用的燃機功率進行設計。表8列出了FLNG常用燃氣輪機與液化工藝（APCI DMR和N2膨脹）產能的匹配情況。

表7 國外LNG壓縮機驅動器主要技術和運用現狀統計表[1]

表8 燃氣輪機與LNG產能的匹配表[1]

從表8可知：在常用的1.4×106～3.6×106t/a LNG產能需求內，燃氣輪機的功率規格需求分別為ISO 額定功率34 MW、43 MW和50 MW，也就是說FLNG應重點發展這3個檔級的機組。

2.2.3.2 國產化方向

根據我國燃氣輪機驅動壓縮機的發展現狀，僅在2013年“西氣東輸”項目上使用過ISO額定功率25 MW國產化燃驅壓縮機組[11]，驅動器由中船703所設計和配套。采用ISO額定功率25 MW機組作為LNG的驅動器，也僅能滿足單線1.2×106t/a以下的LNG產能需求。

如果要與工藝包（DMR、N2）達到最好的匹配，則應該發展更高功率等級的機組。發展思路上可以借鑒國外燃氣輪機發展的成功經驗，如以ISO額定功率25 MW機組為原型，通過改進壓氣機和動力透平的設計，向上模化到ISO 額定功率34 MW、43 MW 和50 MW等級，以滿足經濟驅動的要求。在此基礎上重點開展與國內有LNG業務的油氣公司和工藝包廠商合作，爭取開發出樣機以及LNG燃驅壓縮機組聯機測試和驗證裝置。

2.3 大型液化換熱器

2.3.1國內外技術及運用現狀

大型液化換熱器主要功能是實現對天然氣的預冷和液化，主要分為繞管式和板翅式換熱器，可適用于多股流換熱，單位體積換熱面積很大，設備緊湊，技術及運用現狀見表9。

表9 液化換熱器技術及運用現狀表

2.3.2 關鍵技術

由于國內廠商對FLNG系統性的研究不足，主要考慮增加安全和提高性能的關鍵技術[16]。

1）開停車、火災及變工況下的穩定運行技術。

2）FLNG晃蕩工況對換熱器性能和安全的影響。

3）采用改進后的制造技術和制造工藝，滿足FLNG運用的需求。

4）外部管道及接口補償技術。

5）泄露監測技術。

2.3.3 國產化

2.3.3.1 需求分析

表10、11分別列出了不同換熱器的類型和規格，從表10、11可知：對于常用的1.8×106t/a單線產能需求，無論是DMR還是N2膨脹工藝，預冷/主冷/過冷段均采用了繞管式換熱器，直徑為3.2～4.8 m，長度介于20.0～40.3 m，接近了國外目前能夠制造的最大換熱器尺寸（直徑約為5 m，長度為45 m）。對于N2膨脹工藝中過程氣N2之間的換熱采用了板翅式換熱器，由于不存在兩相流問題，采用板翅式換熱器安全性和經濟性較好。由于設計溫度較低，均采用了常見的鋁和不銹鋼材料。

2.3.3.2 國產化方向

從國內換熱器廠家的制造能力看（表9）：制造出表11中滿足N2膨脹工藝中過程N2換熱需求的板翅式換熱器（Middle economizer）是沒有問題的。但正如關鍵技術要求的那樣，需要針對FLNG運用環境，在安全和性能上做進一步的適應性研究。

目前還不完全具備制造直徑介于4～5 m的繞管式換熱器的能力。換熱器大型化以后，需要掌握關鍵設計、制造、試驗和檢驗技術，如開展更大的中心筒結構和強度的設計；復合管板和連接型式的設計；大型換熱器的繞制、載荷分配和焊接技術；適合大型換熱器的超長無縫鋁管的選型、焊接/彎曲等性能試驗技術；還需要升級繞管機及相應制造、檢驗設備的能力。

表10 換熱器類型和規格表（DMR/單系列1.8×106t/a）

表11 換熱器類型和規格（N2膨脹/單系列1.8×106t/a）

為加快換熱器在FLNG中的運用，建議通過數值模擬和試驗平臺（如六自由度晃蕩平臺）的建設以驗證換熱器的各項性能，并通過樣機制造和中試為換熱器的設計、制造和操作提供堅實的基礎。

3 開發設想

從國內廠家的實際情況出發，如果之前所述冷劑壓縮機和主制冷換熱器的關鍵技術及國產化建議得以實現，預計可實現如下規模LNG液化裝置的運用(表12）。

表12 關于國產化設備的開發設想表

4 建議

FLNG主要液化核心設備國產化要充分依托國內企業，在設計技術、材料、制造技術上充分借鑒國外技術發展思路，加大企業與項目的聯系程度，充分整合資源突破關鍵技術，加大試驗平臺建設和試驗驗證，實現樣機突破和中試運用，為最終的工程運用和降低項目投資打下基礎。

參 考 文 獻

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（修改回稿日期 2015-12-10 編輯 何 明）

Key FLNG liquefaction technologies for refrigerant compressors and main cryogenic heat exchangers

Wu Yaozeng, Wang Wenxiang, Hong Yi, Keer Qinhu
(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.129-136， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:For the purpose of solving the problems in long-distance offshore pipeline transmission (e.g. high cost and flow assurance), floating liquefied natural gas (FLNG) technology was developed. Due to limited technical levels in China, however, the key FLNG liquefaction equipments have to be imported, so the equipments are expensive and the project investment is high. In this paper, analysis was performed on domestic core liquefaction equipments (including refrigerant compressor, large-scale compressor driver and main cryogenic heat exchanger) in terms of their application status and key technologies based on current FLNG liquefaction technologies. The key technologies include stable operation technologies for startup, shutdown, fire and variable working conditions, the effect of FLNG sloshing on the performance and safety of heat exchangers, the improved manufacturing technologies and process which should conform to the FLNG application, compensation technologies of outer pipes and interfaces, and leakage monitoring technologies. Then, the technical requirements and development directions of localization were summarized, and development ideas and suggestions were proposed. The localization of core FLNG liquefaction equipments should be sufficiently dependent on domestic enterprises, referring to foreign technical ideas in terms of design, materials and manufacturing. It is necessary to strengthen the communication between enterprises and projects, integrate resources sufficiently to realize technical breakthrough, and increase experimental platform construction and experimental verification so as to realize prototype breakthrough and pass the tests for field application. This technology provides the basis for the ultimate engineering application and project investment reduction.

Keywords:FLNG; Core liquefaction equipment; Technology and application status; Key technology; Localization; Refrigerant compressor; Large-scale compressor driver; Main cryogenic heat exchanger

作者簡介：吳堯增，1981年生，工程師；主要從事海洋工程設計及設備選型工作。地址：（100028）北京市朝陽區太陽宮南街6號。電話：（010）84522735。ORCID:0000-0002-8635-7902。E-mail:wuyz@cnooc.com.cn

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.017