PRICO?天然氣液化技術在海上浮式裝置上的應用

張躍征 蓋璟權 江 浩 劉曉剛

博萊克威奇（北京）工程設計有限公司

與陸上天然氣液化工廠相比，海上浮式天然氣液化（FLNG）裝置具有建設周期短、便于遷移、可重復使用和投資低等特點而受到越來越多的關注并成為行業熱點。筆者通過對博萊克威奇公司（Вlack& Veatch）開發PRICO?天然氣液化技術在FLNG裝置上應用的介紹，以期為新建的FLNG裝置提供指導。

1 FLNG液化工藝

1.1 PRICO?SMR天然氣液化技術

天然氣液化設備是FLNG裝置的核心設備，其成本占總安裝成本的30%～50%[1-2]，對整個FLNG裝置運行的安全性和經濟性影響都較大。FLNG液化裝置由于處在海上作業下的特殊環境，首先要實現最基本的天然氣液化功能，其次要在占地面積小、工藝流程簡易、設備布局緊湊的前體下，達到在海上生產和船體晃蕩對安全可靠性能提出的要求。與相同規模的岸上液化天然氣工廠相比，FLNG的投資將減少20%以上，建設工期將縮短25%[3-7]。

單循環混合制冷劑液化流程（SMR）是目前中小型LNG裝置廣泛采用的天然氣液化工藝。PRICO?SMR液化技術以其成熟可靠、流程簡單、設備數量少、易于操作等特點使得FLNG裝置實現了工程化。另外，氮膨脹液化工藝也曾被認為適用于FLNG裝置，但其相對較低的效率限制了實際應用[8]。較低的效率不僅體現在對能耗的影響上，同時會明顯增加占地面積進而會增加項目成本。

對于大型LNG裝置采用的基荷型液化工藝，例如丙烷預冷混合制冷劑液化工藝（C3-MR）及雙循環混合制冷劑（DMR）也已經在FLNG裝置上使用。通常，工藝越復雜、設備越多，占地面積越大。復雜的流程和較高的成本限制了這些技術在中小型FLNG上的應用。

PRICO?SMR對于大型裝置同樣具有優勢。多條生產線的配置可以滿足對LNG產能的要求。采用PRICO?SMR液化技術的某一大型LNG液化裝置，目前正處于設計階段。此裝置采用2條氣體預處理生產線，4條液化生產線。每條液化生產線的生產能力約為150×104t/a，裝置總的生產能力為600×104t/a。采用多條生產線的配置具有很多優勢。當其中一條生產線由于生產設備的原因造成停車后，整個裝置的生產能力降低25%。但是，如果采用一條生產線，整個裝置不得不完全停車。另外，多條生產線的設計可采用更小的模塊化設計，進一步降低對占地面積的需求。

圖1 PRICO?SMR液化工藝流程圖

PRICO?SMR液化工藝不同于上述其他工藝[9-11]，制冷劑為單循環系統。其主要的工藝流程如圖1所示：低壓混合冷劑通過冷劑壓縮機被壓縮到中壓，經冷卻器冷卻降溫后，氣相冷劑返回冷劑壓縮機二段被壓縮到高壓，液相冷劑由冷劑泵加壓后與氣相冷劑混合進入致冷劑換熱器。高壓混合冷劑經致冷劑換熱器預冷并節流返回換熱器以提供冷量。天然氣在致冷劑換熱器中被冷卻液化，經節流到儲存壓力后進入LNG儲罐。

1.2 主要設備

冷箱（制冷劑換熱器）是制冷劑系統的一個關鍵設備[12-13]。PRICO?SMR技術采用的冷箱不同于其他技術的冷箱，不含任何其他閥門、設備或非焊接的接口，減小了冷箱內部泄漏的幾率。板翅式冷劑換熱器已經在廣泛的使用過程中證明其在日常使用過程中不需要特別維護，且其在浮式生產儲油卸油裝置（FPSO）中有十分成熟的應用。

冷劑壓縮機是天然氣液化裝置中另一個關鍵設備，為兩段離心式單體壓縮機。與雙體壓縮機相比，其具有體積小、結構簡單的特點。當需要進行維修時，不需要將連接壓縮機的管線斷開就可將機芯抽出。同時，在PRICO?SMR工藝中，設有密封氣回收系統以回收冷劑壓縮機密封氣，減少冷劑損失。同時，在FLNG裝置上，壓縮機采用了輕便的航改型燃氣輪機進行驅動，其比工業輪機效率提高了25%，并在海上有廣泛的應用[14]。

1.3 原料氣的靈活性

復雜多樣的原料氣組成是天然氣液化裝置所面臨的一個主要挑戰[15]。原料氣來源有時由多個管網供給并且變化很大，C5＋重組分需脫除以免凍堵冷箱。同時，惰性氣體如二氧化碳（CO2）和氮氣（N2）的脫除也應在設計中加以考慮。

相對于岸上天然氣液化裝置，FLNG裝置具有便于遷移的優勢。當被開采氣田枯竭或者不再具備開采的價值后，可遷移至下一個氣田以提高天然氣液化裝置建設的經濟性，但這同時也對液化工藝對原料氣的適應性提出了要求。PRICO?SMR液化工藝對原料氣有較大的適應性，可以根據不同的原料氣組成情況，在其基礎工藝上加以改進和輔以其他流程，來處理不同的原料氣工況[16]。表1列出了幾個典型的LNG工廠根據其原料氣的特點采用PRICO?技術并進行優化以得到解決方案。

1.4 易于操作

PRICO?SMR液化工藝流程簡短、裝置設備數量少、操作簡單。通過分散控制系統（DCS）控制液相冷劑閥門，改變液相冷劑進入冷箱的流量即可實現對冷劑組分的調節。

海上天氣變化要求FLNG裝置具有較短的開停車時間。當天氣影響到海上生產時，要求液化裝置能夠快速停車，反之則要求液化裝置能夠快速開車。采用PRICO?SMR液化工藝的裝置，當液化裝置停車時，低溫介質能夠滯留在冷箱底部內保冷，縮短再次開車的時間。

2 FLNG裝置設備布置

由于FLNG液化裝置甲板空間有限，建在甲板上的天然氣液化裝置對設備數量、重量和占地面積要求嚴格。相對于陸上天然氣液化裝置，FLNG裝置要求設備數量盡量少，重量盡量輕，占地面積盡量小[17]。各種天然氣液化工藝的設備數量對比如表2所示。

PPRICO?SMR液化工藝可采用單條或多條生產線配置來滿足對產能的變化要求。同時，設備布置還會根據氣源位置、電力配置、冷卻水使用是否有限制、LNG裝卸/出口方案等要求的不同而變化（表3）。FLNG裝置可自建輔助系統或者依靠建在碼頭上的設施提供。PRICO?液化工藝在FLNG裝置的設計上采用了模塊化設計，各工藝模塊根據質優價廉的原則在全球范圍內選擇供應商進行建造以縮短項目整體建造安裝周期[19]。

LNG儲存也是FLNG裝置需要考慮的問題。LNG儲罐可以布置在FLNG裝置甲板下，然后定期通過LNG運輸船轉運出去。也可以在FLNG裝置附近停泊LNG運輸船以接受FLNG裝置生產的LNG產品。LNG儲存設施的容量取決于LNG的產量、海況條件、運輸船的數量及大小，其設計原則是在保證穩定生產的前提下，盡可能提高LNG運輸船的運營經濟性。

表1 典型PRICO?LNG工廠特點及解決方案表

表2 各天然氣液化工藝的設備數量對比表[18]

表3 FLNG裝置設備布局表

3 FLNG裝置——Exmar FLNG

Exmar FLNG裝置為非自航駁船，集合了天然氣處理、天然氣液化、LNG儲存和裝卸功能。由博萊克威奇公司（Вlack & Veatch）提供PRICO?SMR液化工藝專利、上述液化核心裝置的設計和設備采購、現場調試和開車服務。該裝置可將200×104m3/d天然氣轉化為液態天然氣（約500 000 t/a），并已于2016年9月完成72 h性能考核。Exmar FLNG工藝流程如圖2所示。

Exmar FLNG裝置甲板上部工藝裝置包含了可將原料氣中二氧化碳及水脫除的預處理單元。Exmar FLNG裝置所生產的LNG將會被臨時儲存在甲板下總容積為16 000 m3的3個儲罐中。LNG最終將會被LNG運輸船轉運至用戶處。LNG儲存及裝卸過程中產生的閃蒸氣（ВOG）會被用作燃料氣或者根據實際生產情況再液化為LNG。同時，Exmar FLNG裝置設計有公用工程及冷劑補充系統。整個Exmar FLNG裝置的設計與建造完全符合船級社的相關規范和規定。

冷劑壓縮機由燃氣輪機驅動，所需燃料由Exmar FLNG裝置自身的燃料氣系統提供。燃料氣系統同時也為裝置內發電機提供燃料以滿足裝置電力需求。Exmar FLNG裝置配備了3臺雙燃料發電機為裝置提供穩定可靠的電力。

Exmar FLNG裝置根據自身工藝特點，根據脫酸氣單元及脫水單元的功能采用了模塊化設計，縮短了裝置的建設周期，減少了設計及施工中的接口，降低了施工風險。此外，基于FLNG裝置的特點所做的設計也在本裝置中得到應用。例如，為了減少液體在分離設備中劇烈晃蕩而增加的擋板，酸氣脫除單元中采用填料塔代替板式塔以避免板式塔在海上工況中由于晃動而可能產生的氣液分布不均現象。

圖2 Exmar FLNG工藝流程簡圖

FLNG裝置便于遷移及重復使用的優勢，決定了其適用于原料氣組成變化大的處理要求。在Exmar FLNG裝置的性能測試中，原料氣中甲烷含量大約為89%，C2及以上組分含量超過了15%，與設計值甲烷含量為94%有較大偏差。通過集中控制系統（DCS）根據原料氣組成及壓力變化調節冷劑組成配比，而不需要向系統中添加額外冷劑。通過調整裝置的運行參數，提高LNG產品中乙烷、丙烷及丁烷的含量，避免了由于重烴系統的超負荷而導致的火炬泄放。PRICO?SMR天然氣液化工藝的這種靈活處理能力，不需對管道及設備做任何修改。

4 結束語

工藝簡單、靈活高效的天然氣液化技術使得FLNG從概念設計階段實現了工程化。隨著工程化技術的逐漸成熟和岸上LNG項目的減少，FLNG獲得了更多的發展空間。PRICO?SMR天然氣液化技術憑借其工藝流程簡短、裝置設備數量少、操作簡單等特點走在了FLNG的前端，為海洋石油伴生氣處理、邊際氣田和深海氣田開發利用提供了一種新的既安全又經濟的解決方案。

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