泰安深燃LNG工厂工艺、设备国产化研究

摘 要

摘要：泰安深燃LNG工厂首次采用多项国产工艺技术，设备全部实现了国产化。为此，详细介绍了泰安深燃LNG工厂根据原料天然气组成特点、供应情况和工厂处理量规模，综合考虑投资成本、
摘要：泰安深燃LNG工厂首次采用多项国产工艺技术，设备全部实现了国产化。为此，详细介绍了泰安深燃LNG工厂根据原料天然气组成特点、供应情况和工厂处理量规模，综合考虑投资成本、能耗、设备操作的难易程度、设备制作周期等情况。泰安深燃LNG工厂选择了膨胀机制冷的天然气液化工艺，因而从工艺、流程和设备方面详细分析了泰安深燃LNG生产在净化、液化、储运及公用工程、仪表自控等方面的技术特点，总结了其在天然气净化单元采用醇胺法中的MDEA溶液脱除CO2，采用等压吸附脱水，采用了活性炭脱汞、脱苯，在天然气液化单元采用双膨胀机并联制冷等技术创新。最后通过与其他LNG工厂天然气液化流程优缺点的对比，证明了泰安深燃LNG工厂工艺、设备国产化在技术和经济上的优越性。该研究对以后我国建设同类LNG工厂具有借鉴作用。
关键词：LNG天然气液化；天然气净化；工艺；运行设备；国产化
1 中国LNG产业的发展状况
    20世纪80年代末，中国科学研究院在四川绵阳建了一套LNG实验装置[1]，20世纪90年代，开封空分设备厂与北京焦化厂合作建成一套LNG装置；中国科学研究院在吉林油田建成一套LNG装置，在长庆油田建成一套2t的LNG装置。前3种装置采用小型膨胀制冷工艺，长庆油田LNG装置采用气波制冷工艺，但最终都宣告失败。
    20世纪90年代末，上海市为了解决城市燃气调峰问题，引进了法国索菲公司技术和设备，建成了10×104m3/d的LNG工厂，它的气源来自东海气田，产品也不外输，只作为城市调峰，投资为6.2亿元。中国石化中原油田LNG工厂是国内首座商业化运行的LNG工厂，2001年9月正式投产运行，与法国索菲公司合作完成技术方案，并从国外进口主要设备，采用了比较先进的丙烷、乙烯复迭制冷工艺，设计处理量30×104m3/d，液化能力15×104m3/d[2]。2004年9月，新疆广汇实业投资有限责任公司LNG工厂投产，设计产量150×104m3/d，应用混合制冷工艺，采用德国林德公司的技术和设备，是目前国内投产的最大的LNG工厂[3]。2005年4月，海南海然高新能源有限公司LNG工厂建成投产，应用单一制冷剂氮气膨胀制冷，采用加拿大PROPAK的技术和设备，利用海南福山气田的天然气，设计产量30×104m3/d。2005年9月，北海新奥燃气有限公司LNG工厂建成投产，应用单一制冷剂甲烷膨胀制冷，采用美国的技术和设备，利用海上气田的天然气，设计产量15×104m3/d。2007年，江阴天力燃气有限公司、苏州华峰液化天然气有限公司、中国石油西南油气田分公司等LNG工厂相继投产，它们都利用长输管道的高压能量进行膨胀制冷，因为工艺的限制，它们的产量不是很大，一般小于10×104m3/d。2008年，泰安深燃液化天然气利用有限公司和青海西宁LNG工厂投产，泰安深燃LNG工厂利用的是管道天然气，采用单一制冷剂氮气膨胀制冷，设计产量15×104m3/d，工厂设备全部实现了国产化。
    目前在建的LNG工厂主要有四川I达州LNG工厂、陕西榆林LNG工厂以及山西的几个煤层气液化工厂，其中达州LNG工厂设计产量为100×104m3/d，榆林LNG工厂设计产量为50×104m3/d，均采用混合制冷技术。现在计划要建的主要有靖边LNG工厂、宁夏LNG工厂、晋城LNG工厂和阳城煤层气液化工程项目等。
2 泰安深燃LNG工厂的工艺方案
    泰安深燃LNG工厂于2007年3月开始筹备建设，2007年7月开工建设，2008年3月调试投产成功。该工厂从立项、可研、设计、施工、调试到投产仅用了1a的时间，创造了LNG工厂建设史上新纪录。该工厂的生产能力为15×104m3/d，除了给深圳燃气或国内其他用户供气外，还可作为泰安市调峰气源，事故状态下能保证泰安市居民15d的用气量。
2.1 天然气液化工艺
    目前天然气液化装置的液化循环主要有复迭式制冷循环、混合冷剂制冷循环和膨胀机制冷循环[4]。
2.1.1复迭式制冷循环
    复迭式制冷循环是一种较经典的制冷循环，又称“逐级式”或“串级式”，这种循环是由若干个不同低温下操作的制冷循环复迭组成，一般由以C3H8、C2H4和CH4为制冷剂的3个制冷循环复迭而成，以提供液化所需的冷量。经预处理后的天然气进入换热器与C3H8、C2H4和CH4制冷剂进行热交换，经过冷却、冷凝，节流到常压后送入LNG储罐储存。该制冷循环能耗低，制冷剂为纯物质，操作稳定，但机组多，流程复杂，附属设备多，需专门储存各种制冷剂，而且管路和控制系统复杂，操作难度大，维护不便。
2.1.2混合冷剂制冷循环
    混合冷剂制冷循环是1960年发展起来的，它克服了复迭式制冷循环的某些缺点，它采用混合制冷剂、制冷剂压缩机进行循环制冷。制冷剂是根据要液化的天然气组分而配制的，由N2、C1～C2碳氢化合物组成。对多组分混合制冷剂进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，可以达到逐步冷却和液化天然气的目的。与复迭式制冷循环相比，混合冷剂制冷循环机组少、流程简单、投资少、管理方便，制冷剂可从天然气中提取和补充，但能耗略高，混合冷剂的合理配制较为困难。
2.1.3膨胀机制冷循环
    膨胀机制冷循环，是指利用透平膨胀机绝热膨胀的克劳特循环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，对外做功，可用于驱动流程中的压缩机(增压透平膨胀机的增压端)。流程中的关键设备是透平膨胀机。根据制冷剂的不同，膨胀机制冷循环可分为氮气膨胀液化流程、氮-甲烷膨胀液化流程、天然气膨胀流程。这类流程简单、调节灵活、工作可靠、易启动、易操作、维护方便，投资省，但能耗略高，气体换热面积大。
2.2 泰安深燃LNG工厂的工艺选择
    复迭式制冷由于设备复杂，不适合用于中、小型天然气液化装置，即使是对大型天然气液化装置，这种流程在国际上目前也很少采用，常常用混合制冷剂制冷来代替[5]。因此，泰安深燃LNG工厂没有采用复迭式制冷。此外，由于国内没有成熟的混合制冷剂压缩机产品，而进口设备订货周期长，不能满足本项目的进度要求，而且混合制冷剂方案要求原料天然气组分、流量相对稳定，这些都不能满足本项目的需要，因此也未考虑混合制冷剂的方案，最终泰安深燃LNG工厂选择了膨胀机制冷。
    针对膨胀机制冷流程，我们对各种方案分别进行了计算，并与国内有关流程进行了比较，主要结果见表1。
表1 LNG制冷流程方案对比表
流程方案
天然气膨胀制冷
氮-甲烷混合膨胀制冷
氮高压串联膨胀制冷
氮中压并联膨胀制冷
LNG产量104m3·d-1
15
15
15
15
制冷压机轴功率/kW
2878.1
2873.3
2996.7
2885.4
预冷冰机轴功率/kW
52.4
52.4
52.4
52.4
单位制冷工艺能耗/kWh
0.4690
0.4681
0.4878
0.4700
主要设备订货来源
国内
国内，但膨胀机无成熟产品
国内
国内
最长设备订货周期/mon
6～8
6～8
5～6
5
长期运行可靠性
较可靠
较可靠
串联透平运行易出故障
较可靠
设备投资预算
压缩机、膨胀机约高出40%
压缩机、膨胀机约高出40%
膨胀机约高出20%
以此方案为比较基础
制冷系统安全性要求
要求高，需防火、防爆
要求高，需防火、防爆
无防火、防爆要求
无防火、防爆要求
从表1可以看出，氮气高压串联膨胀制冷能耗较高，而且运行稳定性不如氮气中压并联膨胀制冷好，设备投资相对较高，因此不宜选用。天然气膨胀制冷和氮-甲烷混合膨胀制冷能耗略低一点，但十分有限，对于本项目这样规模LNG装置所节省的电耗很少，带来的问题是订货制造周期长，影响项目进度，设备投资高，而且防火防爆等安全要求高。
    氮气中压并联膨胀制冷的方案是膨胀制冷液化流程中能耗指标比较先进的流程，能耗较低，设备投资也低，最重要的是其主要设备都是国内的成熟设备，运行稳定可靠，订货制造周期最短，能够满足项目进度的需要，而且没有防火防爆的问题，因此，泰安深燃LNG工厂采用了这种天然气液化流程方案。
3 泰安深燃LNG工厂技术分析
    泰安深燃LNG工厂采用氮气膨胀制冷循环，包括天然气净化系统、天然气液化系统、氮气循环制冷系统、LNG、LPG储存及装车系统、DCS数据集中控制系统、ESD紧急停车系统、火气系统、监控系统、电气系统、导热油供热系统、循环水系统、消防系统等12部分，共有静设备130余台，动设备60余台，工艺阀门1300余个，数据控制点890余个。主要工艺流程为：3MPa的天然气经计量后首先进入到净化单元脱出二氧化碳、硫、汞、水、苯等杂质，然后进入到液化单元的冷箱进行冷却，在冷箱中天然气被降温到-138℃后变成0.4MPa的LNG，之后LNG进入到LNG储罐进行带压储存，销售时启动LNG装车泵进行装车外运。
3.1 天然气净化工艺、设备及特点分析
    天然气净化工艺流程为：天然气首先进入到CO2吸收塔用MDEA脱出CO2，然后进入到脱硫脱汞塔脱除硫和汞，接着天然气进入到的等压吸附脱水塔脱除水，最后进到脱苯塔把苯等重烃杂质脱掉。
    泰安深燃LNG天然气净化工艺在国内同行业中实现了4个创新：
    1) 首次采用醇胺法中的MDEA溶液脱除CO2。在LNG处理装置中，常用的脱除酸性气体方法有3种：醇胺法、热钾碱法和砜胺法。泰安深燃处理的原料天然气中，CO2含量不高，H2S微量，因此采用醇胺法比较合适。在此之前，国内其他同类装置大都采用醇胺法中的MEA脱除CO2[6]，该技术容易发泡，影响工厂正常生产。泰安深燃LNG天然气净化在国内首次采用了MDEA溶液脱除CO2技术，在过去一年多的时间里没有出现任何发泡现象，装置运行情况良好。
    2) 首次采用等压吸附脱水技术，使得原料气露点温度达到-75℃。而常用的脱水吸附法为变压吸附，在变压吸附技术中再生气必须经过处理才能重新使用，增加了运行成本。
    3) 首次采用了先进的活性炭脱汞技术，一年多来生产运行情况良好。汞含量超标会对铝制冷箱产生严重影响，使冷箱发生爆裂。采用该项技术后，冷箱运行良好，保证了整个生产装置的稳定运行。
    4) 首次采用了活性炭脱苯技术。以往都是采用异戊烷脱苯，装置运行成本较高。采用活性炭脱苯技术后可以大大节约生产运行成本。
    LNG工厂天然气净化部分采用了成都五环新锐化工有限公司的技术和设备，经过一年多的运行实践，设备运行非常稳定，没有出现过任何异常情况，其技术在国内第一次应用到LNG的净化中，效果比以往的净化方法更好，程控阀也全部采用了成都五环新锐化工有限公司的产品，产品完全可以满足工艺要求，且具有供货周期短、价格低、产品配件容易更换等优点。
3.2 天然气液化工艺、设备及特点分析
    天然气液化工艺采用氮气膨胀制冷循环，其主要工艺流程为：从净化单元来的天然气进到液化单元的冷箱进行冷却，在冷箱中天然气被降温到-138℃后变成0.4MPa的LNG。泰安深燃LNG工厂天然气液化主要技术特点是：
    1) 在天然气液化单元第一次采用双膨胀机并联制冷技术。国外设备耐压等级比较高，国外工艺流程基本都是采用串联制冷[7]，因为国内设备与国际先进设备在质量方面有一定的差距，针对国内设备的现状，泰安深燃LNG项目开发了具有自主知识产权的双膨胀机并联制冷技术，一举改变了国产设备不能连续稳定生产LNG的状况，在LNG装置国产化的进程中树立起新的里程碑。自2008年3月LNG装置投产以来，国产膨胀机、氮压机等设备运行情况良好，该项技术达到国内先进水平。
    2) 在天然气液化单元中，采用了国产分体式冷箱，除具有换热效果好、热应力小、流动阻力小等优点外，其运输、安装、操作也都比较方便。
    3) 氮气循环压缩机4台并联。正常工作时3开1备，可以满负荷运行，亦可开2台氮气压缩机运转，产量可以根据市场需求在60%～100%之间进行调节，操作比较灵活。
    4) 在天然气回收过程中，采用在国内处于领先水平的变频BOG压缩技术，彻底解决了BOG量的不均衡问题，从根本上消除了安全隐患。
    天然气液化部分主要设备是压缩机、膨胀机和冷箱。这几种设备在最初建设的几个LNG工厂中基本上全是靠进口，泰安深燃LNG工厂天然气液化设备全部实现了国产化，膨胀机是四川简阳瑞特机械设备有限公司的产品，冷箱是杭州中泰过程设备有限公司的产品，压缩机是杭州杭氧压缩机有限公司的产品。膨胀机、冷箱自投产以来运行稳定，性能不亚于进口产品，压缩机除了一些易损件容易出毛病外，其他完全满足工艺要求。经过近10a的发展，通过国内LNG技术人员的研究和摸索，目前LNG设备绝大部分可以国产化，冷箱和膨胀机在四川、大连等地皆可以生产(包括离心和往复式压缩机)。近期建设的LNG工厂，有不少进口设备已经被国产设备替代。
3.3 储运及公用工程分析
    LNG储运部分的主要工艺流程为：在冷箱中天然气被降温到-138℃后变成0.4MPa的LNG，之后LNG进入到LNG储罐进行带压储存。销售时启动LNG装车泵进行装车外运。泰安深燃LNG工厂在LNG储运及公用工程部分主要采用了以下技术：
    1) 选用了8个相互独立的LNG储罐进行储存。在LNG生产装置中，一般采用单LNG储罐或者子母罐[8]，但两种罐的造价都较高。泰安深燃LNG工艺采用了8个150m3的LNG储罐，这种罐在国内比较成熟，加工周期短，价格比较合理。把8个150m3的LNG储罐放在一起进行储存，既满足了生产要求，8个储罐还可以相互切换，在流程上非常灵便。
    2) 工艺阀门全部是国产的，包括低温阀门。虽然国产阀门和国外知名品牌比较起来有一定差距，但仍能满足工艺要求。
    3) 在国内首次采用双温位导热油炉技术，提高了导热油炉的利用率，减少了一次性投资。如果采用常规的做法，至少需要两台能提供不同温位的导热油炉。
    LNG储罐选用的是张家港中集圣达因低温装备有限公司的产品，导热油炉采用的是上海大震锅炉股份企业有限公司的产品，低温阀门是四川空分设备集团的产品。这些产品的共同特点是：产品成熟、供货周期短，价格便宜，运行稳定、更换配件方便。
3.4 仪表自动控制及电气
    泰安深燃LNG工厂仪表自控部分采用了先进的DCS数据集中控制技术，全厂的操作都可集中在中心控制室来完成，大大提高了工厂的自动化水平，为工厂的安、稳、长、满、优运行提供了可靠保证。在国内最初建设的几个LNG生产装置中，自控系统基本上都是采用国外的技术和设备，而该项目采用了国内浙江中控技术有限公司的技术和设备，同样满足了生产的需要，在自控系统的国产化过程中往前迈出了一大步；仪表自控部分采用的压力表、温度计、液位计、压力变送器、温度变送器、常温调节阀、特别是低温调节阀等全部为国内产品，基本上都能满足工艺要求。变送器用的是西仪横河有限公司的产品，低温调节阀用的是无锡工装阀门制造有限公司的产品，这些产品反应灵敏，稳定可靠，已具有和进口产品同样的特性和能力。
    泰安深燃LNG工厂高低压配电柜、电容柜、变压器、各种电缆等电气设备也都采用国内产品，这些产品比较成熟，性能稳定，可直接替代进口产品。
4 结论
    泰安深燃LNG工厂在国内首次采用多项工艺技术，设备全部实现了国产化，自2008年3月16日运行以来情况良好，已达到国内先进水平，天然气液化流程无论在技术上还是经济上都是非常可行的。泰安深燃LNG工厂的成功建设及连续平稳运行，对国内LNG产业的发展起到积极的推动作用，对未来建设同类LNG工厂具有一定的借鉴作用。
参考文献
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(本文作者：欧大江 刘有民 李多金 深圳市燃气集团股份有限公司)