天然氣液化技術研究進展及發展趨勢

摘""""" 要：天然氣作為主要的清潔能源，在全球天然氣應用需求日益增長的社會背景下，如何保障天然氣液化技術能夠安全、經濟、有效地的量產，對于加速天然氣的開發與利用和優化能源結構具有至關重要的現實意義。因此，本文通過對傳統液化工藝及改進液化工藝的流程、特點進行簡述，對比分析各種液化技術的優、缺點，提出天然氣液化工藝的優選范圍，并對未來研究思路和優化方向概括總結，為改進天然氣液化工藝提供借鑒。

關" 鍵" 詞：天然氣液化技術； 改進液化工藝； 優選

中圖分類號：TQ026.1"""" 文獻標識碼： A"""" 文章編號： 1004-0935（20202024）0×3-00000429-05×

天然氣與煤炭、石油作為全球消費能源的三大支柱[1-3]，在世界正逐步向2050年的零碳社會轉型以及我國“雙碳”政策的歷史背景下，其高效、清潔、環保的特點以及常規用途的需求量不斷攀升和天然氣資源開發程度的擴大化，必將迎來天然氣產業的指數型增長[4-7]。因此，如何提高液化天然氣技術、加強液化LNG的存儲管理，是保障我國綠色能源發展戰略的現實需求，同樣也是滿足社會安全生產的迫切需要[8-10]。

1" 天然氣液化工藝

1.1" 傳統液化工藝

1.1.1" 膨脹機液化工藝

帶膨脹機的液化工藝是依托原料氣與產生氣之間的自由壓差，通過透平膨脹機絕熱膨脹的克勞德循環制冷來實現天然氣的液化工藝。根據制冷劑的不同，可分為天然氣膨脹制冷、氮氣膨脹制冷和氮氣-甲烷膨脹制冷，這也使該液化工藝對原料氣的壓力要求較高。因此，如何優化透平膨脹劑的冷量，降低能耗，提高系統的液化率則是優化工藝關鍵所在。

常學煜[11]等人在氮氣膨脹制冷的研究中發現，大型液化LNG運輸船會因外界溫度的因素，產生部分蒸發天然氣（BOG），進而使LNG運輸船產生壓力超限問題。因此，提出以LNG比功耗為衡量指標，分別對換熱器BOG出口溫度、BOG一級壓縮機出口壓力、 換熱器氮氣出口溫度等關鍵參數進行優化，根據約束條件來確定相應關鍵參數的取值范圍，采用模式探索法進行模擬優化。結果表明：氮膨脹制冷循環功耗優化至0.051kwh/m3，在提高液化需求的同時，有效地的處理了LNG運輸船BOG再液化的輸量要求。

袁玥[12]針對氮氣膨脹機制冷液化流程中能耗較高的缺點，采用N2+CH4作為混合制冷劑的改進措施，利用HYSYS優化器進行參數優化。在保證流程簡單、設備量少、比功耗低的前提下，得到運行狀態的混合冷劑最優配比為56%CH4+44%CH4。其中液化率為92.1%，比功耗為15.11kW··h/kmol。膨脹機制冷液化流程見圖1。

1.1.2" 級聯式液化工藝

20世紀60年代初，級聯式液化工藝作為傳統的液化天然氣工藝流程，被廣泛應用于我國天然氣液化技術領域中，成為基本負荷型天然氣生產裝置的液化流程之一。其三級獨立制冷系統串聯形成的制冷循環機制，可在低溫、常壓條件下安全、有效、穩定地進行穩定的進行天然氣液化加工工藝，為我國液化天然氣產業的發展起到了積極推進作用，液化流程見圖2。然而，隨著科學技術的飛速發展以及人民生活需求的不斷提升，其液化工藝流程的復雜性、液化裝置的高成本和維護費用的高投入，成了成為了該液化工藝發展的制約因素[13，14]。

針對針對于此類問題，王勇[15]等人結合法國某燃氣公司新型級聯式天然氣液化流程調峰裝置的生產運行參數，提出將冷箱采用高效釬焊板翅式換熱器，利用HYSYS軟件對該LNG調峰站進行溫度和壓力的模擬計算，計算模型見圖3。結果表明：在保證低能耗和高制冷循環效率的前提下，計算參數與運行參數吻合度較高，為級聯式液化工藝的優化提供了理論支撐。

在液化循環工藝方面，中原油田[16]對三級制冷循環進行了改進，提出丙烷-乙烯-節流的制冷工藝方案，去掉了三級甲烷制冷循環，在保證液化工藝標準的前提下，有效地的減低降低了生產投資成本，為優化制冷工藝提供了良好的借鑒基礎。

1.1.3" 混合制冷液化工藝（MRC）

該液化工藝是基于C1-～C5及N2等部分或所有組分混合作為制冷劑的制冷液化工藝。混合制冷劑依次通過增壓、冷凝、冷卻、節流降溫，達到對天然氣液化制冷的效果，常見的有以下幾種：

MRC較級聯式液化工藝操作簡單、經濟成本低、混合原料氣可直接用于液化天然氣制冷，但混合制冷機劑的合理配比難以控制，且操作系統的要求高，同時還需知道混合組分的物性參數和平衡數據才能有效計算流程[17，18]。因此，混合劑的最優配比是此類工藝的研究熱點。張磊[19]基于優化理論和?分析理論，通過分析不同原料氣組分和壓力條件下的混合制冷劑組成配比變化規律，以流程比功耗為目標函數，提出 C3-MR、SMR 的制冷劑最優混合配比，配比方案見表1、表2。利用HYSYS進行模擬計算，結果表明 C3-MR 的流程比功耗降低5.87%，SMR 降低 4.07%，說明該優化方案可有效提高液化流程，降低能耗。

宋平平[20]以最小比功耗為目標函數，選用 Peng-Robinson 模型，對SMR、DMR進行制冷劑的配比優化，配比方案見表3、表4。通過 HYSYS 模擬計算發現，SMR能耗 降低18.38%，DMR 降低16.72%。

1.2" 改進液化工藝

21 世紀以來，各國在降低能耗、經濟投資以及綠色能源戰略的歷史背景下，在級聯式液化工藝、混合制冷液化工藝等的基礎上提出了諸多液化工藝改進措施。

1.2.1" 雙循環混合制冷液化工藝（DMR）

該液化工藝是利用混合制冷劑在天然氣預冷流程中，將其從常溫預冷至-40 ℃，再利用制冷劑進一步將天然氣循環冷卻至-160 ℃。但DMR因操作工況復雜、冷劑介質多相共存，因此需要對循環運行參數、混合物配比進行優化，以期望達到提高液化技術效率，降低能耗的目標，常見的改進方法大體有如下幾種[21]：

（1） Tealarc-DMR技術

采用預冷-液化雙循環機制，鋁制板翅式換熱器進行預冷流程，重組分混合冷劑包含乙烷、丙烷及丁烷；繞管式換熱器進行液化流程，輕組分混合冷劑包含甲烷、乙烷及氮氣。

（2）"""""" 2）Shell-DMR技術

采用預冷換熱-深冷換熱二階混合制冷劑循環機制，將壓縮驅動機并聯配置于每個循環之中，在有效提高循環液化效率的同時，還提供了電動機驅動配置連續功率的較寬選擇范圍，解決了丙烷壓縮機的瓶頸問題。

（3） Axens-LiquefinTM-DMR技術

采用二階混合制冷劑循環機制，利用相同規格驅動機帶動壓縮機，通過板翅式換熱器（PFHE）完成天然氣常溫到深冷液化的循環流程。因PFHE單位體積的熱交換面積大、壓降小，可有效地解決可有效的解決壓縮機高能耗問題，降低液化設備要求和經濟成本。在DMR液化單元的功耗過高的問題上，肖榮鴿[23]等人采用HYSYS建立DMR液化流程優化計算模型（見圖4），以系統最小功耗為目標函數，混合制冷劑的壓力和配比為決策變量，基于減小各換熱器內平均換熱溫差來進行液化流程的優化模擬。結果表明：在保證99.5%的高天然氣液化率的前提下，優化后天然氣摩爾流量為3 378.5 kmol/h，LNG摩爾流量3 259.5 kmol/h，單位質量天然氣的液化功耗為271 kW/t，?效率為45.4%，能耗較未優化前明顯降低。

1.2.2" AP-XTM液化工藝

2001年，APCI公司在C3-MR的基礎上加以改進，開發出AP-XTM液化工藝，并注冊專利。AP-XTM技術可在無需并聯丙烷和制冷壓縮設備的前提下，實現將單條生產線產量提升至500-～800萬噸t/a年。該技術充分保留混合制冷劑液化工藝中原料氣組分和溫度變化靈活高效的特點，利用氮膨脹機制冷系統進行LNG 的深冷循環，降低了丙烷和混合制冷劑壓縮機的要求，不但拓寬了C3-MR循環，也提高了LNG產能[22]。

目前，在天然氣液化工藝和凝液回收工藝的集成技術中，大規模液化流程工藝的節能減排具有很大研究潛力。因此，王少婧[24]等人從增強液化天然氣能力集成與設備共用水平的角度出發，基于提高流程集合度原則，提出一種基于大型AP-XTM液化流程，見圖5。通過耦合天然氣液化技術和氣體過冷GSP技術，有效解決液化流程單位功耗高的問題，同時降低了經濟成本。模擬和分析結果表明，改進后的AP-XTM液化流程單位功耗降低至0.45 kW··h/kg LNG，且依據熱力學分析、?分析和經濟性分析發現，該集成工藝較單產系統相比，具有良好的經濟效益和較高的性能優勢.

1.2.3" 級聯混合制冷液化工藝（MFC）

挪威國家石油公司和林德（Statoil-Linde）結合級聯式液化工藝和MFC工藝的優點，首先提出基于混合組分的三制冷循環流程機制。該工藝在預冷循環中對乙烷-丙烷混合物進行壓縮，再分別由海水冷卻器CW1和板翅式換熱器E1A進行液化、深冷流程，其中一部分經節流、穩壓后在E1A中制冷，另一部分則在板翅式換熱器E1B中進一步深冷，在使深冷換熱器中溫度更為接近的同時，達到優化換熱器表面和功率的效果。因其可適應于低溫冷卻水、液化制冷技術成熟以及適合貧LNG產品，被首次成功應用于挪威Snohvit年產430萬噸的LNG項目

中[22，25]。級聯混合制冷液化工藝簡化流程如圖6。

其中：預冷循環階段：乙烷、丙烷；液化循環階段：甲烷、乙烷、丙烷；深冷循環階段：甲烷、乙烷、氮。

1.2.4" 單循環單壓混合制冷液化工藝（PRICO）

PRICO工藝由美國Blackamp;Veath公司改進開發而成，其原理是將混合制冷劑（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氮）加入單一制冷劑中進行循環，經壓縮、冷卻、部分冷凝、分離后為深冷換熱器提供冷量，進而進行天然氣的液化制冷工藝。該工藝包括單循環混合制冷系統和單循環壓縮系統，因其對冷劑組分不敏感，冷劑補充量低且液化效率較高，同時對原料氣組分要求彈性大，因此具有良好的適用性和經濟性。在我國鄂爾多斯和珠海LNG的液化裝置規模分別為100萬m3/天d和60萬m3/天d。但該工藝的熱函曲線和理論曲線存在偏差，所以液化能耗略高[26，-27]。

另外，相對于陸地天然氣液化裝置，FLNG所處地理環境特殊，易受外界影響因素產生波動，同時，天然氣液化裝置作為FLNG的核心設備，在船體面積受限的先決條件下，如何在保證液化天然氣量產前提下，最大限度地最大限度的簡化液化流程、優化設備布局等，是國內外學者研究的主要方向。

張躍征[28]等人基于以上因素考慮，結合PRICO- SMR流程靈活簡潔、工藝設備少等特點，利用模塊化設計，對PRICO-SMR部分關鍵設備進行優化，設計出世界首個集處理、液化、儲存、裝卸為一體的浮式天然氣液化裝置（Exmar FLNG），工藝流程見圖7。該工藝基于PRICO-SMR核心液化裝置的設計和設備的采購、調試及開車服務，利用自身燃料氣系統驅動制冷壓縮機，有效地規避了有效的規避了部分不必要設備在船體晃動中產生的氣液分布不均現象。設備性能測試結果表明：原料氣中甲烷占比約為89%，C2以上組分含量占比超過15%。

2" 天然氣液化工藝的對比和優選

由表5可知[28]：

1）若考慮經濟成本和操作的難易程度，可選擇膨脹機、MRC液化工藝，因二者在液化循環系統中減少了附屬設備，克服了其他系統的復雜性，操作簡單易行，對于操作頻繁、調峰響應迅速的小型天然氣液化廠，膨脹機液化制冷工藝效果更佳。

2） 若原料氣組成成分較為復雜，可考慮使用適應性強、液化效率較高的AP-XTM、PRICO 液化工藝其中PRICO對冷劑組分變化敏感度低，對多組分原料氣具有較強的彈性和適應性。且補充冷劑量少，效率較高。

由上表可知[28]：

（1）若考慮經濟成本和操作的難易程度，可選擇膨脹機、MRC液化工藝，因二者在液化循環系統中減少了附屬設備，克服了其他系統的復雜性，操作簡單易行，對于操作頻繁、調峰響應迅速的小型天然氣液化廠，膨脹機液化制冷工藝效果更佳。（2） 若原料氣組成成分較為復雜，可考慮使用適應性強、液化效率較高的AP-XTM、PRICO 液化工藝其中PRICO對冷劑組分變化敏感度低，對多組分原料氣具有較強的彈性和適應性。且補充冷劑量少，效率較高。（33）若考慮外界環境對液化流程的影響，DMR、MFC 技術可通過調整工藝流程參數及混合制冷劑混合制冷機的組分比，來完成液化制冷的預冷循環和深冷循環，具有良好的多變環境適應力。

（4）若天然氣源壓力較高，則可以選用級聯式液化工藝，且無需考慮混合制冷劑最優配比，但缺點在于附屬設備較多，維護成本高。

3" 結 論（結束語）

伴隨著科學技術的不斷發展，化工流程模擬軟件也得到了飛速發展，這也使得天然氣液化技術在不斷地改進在不斷的改進和完善。通過上述研究分析可以發現，目前的液化流程工藝以混合制冷液化和多種循環模式結合為主，因此，混合制冷劑的最優配比及如何降低多循環模式結合下的能耗問題、減少流程設備降低經濟成本將是主要研究方向。

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Research progress and development trend of

natural gas liquefaction technology

LI Ying1， YAN Xiao-jin2

（1. School of Xi’an Shiyou and College of Petroleum Engineering， Shaanxi Xi’an 710075，China；

2. PipeChina Construction Project Management Sub-Company， Hebei Langfang 065000，China）

Abstract：" Natural gas is the main clean energy. Under the social background of increasing demand for global natural gas applications， how to ensure the safe， economical and effective mass production of natural gas liquefaction technology is of great practical significance for accelerating the development and utilization of natural gas and optimizing the energy structure. Therefore， this paper briefly describes the process and characteristics of traditional liquefaction process and improved liquefaction process， compares and analyzes the advantages and disadvantages of various liquefaction technologies， puts forward the optimal range of natural gas liquefaction process， and summarizes the future research ideas and optimization directions， so as to provide reference for improving natural gas liquefaction process.

Key words：" Natural gas liquefaction technology;" Improved liquefaction process;" Optimization