2010 年中国燃气调峰与管道维护技术研讨会论文集：天然气液化工艺流程综述
2010年中国燃气调峰与管道维护技术研讨会论文集《燃气与热力》杂志编辑出版。 ·178·天然气液化工艺概述 杨雪婷、阮家林（杭州富思达实业集团有限公司） 摘要：阐述了天然气液化的主要工艺流程以及各工艺的特点和应用范围。介绍了国内引进的几种典型的混合制冷天然气液化装置，并简要讨论了LNG技术的发展趋势。关键词：液化天然气工艺组织；特征;使用范围；液化天然气开发。液化天然气因其环保性而成为替代其他燃料的最佳材料。其应用领域将拓展至发电、汽车燃气、工业燃气、城市居民燃气等领域。 、化工气体、冷能综合利用。全球液化天然气贸易的快速发展，促使液化天然气产业规模不断扩大，液化天然气工厂数量倍增。目前，已有16个国家建设了30余座天然气液化厂，已建成或即将建设的生产线共计82条。单条生产线最大生产能力达到780×104t/a。预计到2012年，世界天然气液化能力将达到（4~5）×108t/a。 1 国内外天然气液化主要工艺流程介绍 液化是LNG生产的核心。目前，天然气液化行业成熟的工艺路线主要有三类：复叠制冷工艺、膨胀制冷工艺和混合工质制冷工艺。 1.1 级制冷工艺 复叠液化工艺是液化天然气最早采用的工艺。自 20 世纪 60 年代以来，它已广泛应用于基本负荷天然气液化厂。典型的复叠制冷循环一般由三个以丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的独立制冷系统串联组成，每个系统都有一个压缩机组。净化后的原天然气在三个制冷循环冷却器中逐渐冷却、冷凝、液化和过冷。经过节流减压后得到低温常压液态天然气产品。复叠制冷工艺技术成熟。制冷系统和天然气液化系统相互独立。各个系统之间的影响很小。制冷剂是纯净物质，不存在配比问题。系统运行稳定、良好。同时，设计合理的级联循环通常是液化循环中消耗最少的能量。然而，在此过程中，制冷循环的每个阶段都需要单独的压缩机和制冷剂存储设备。设备投资成本高，工艺复杂，管道和控制系统复杂，维护不方便。图1.典型复叠制冷过程示意图。国内中原油田2001年建成的15×104m3/d LNG装置引进法国索菲公司技术，采用复叠制冷工艺。但由于原天然气压力高达12MPa，需要高压节约。由于流动制冷效应，省去了CH4制冷循环阶段。 1.2 膨胀过程 基于膨胀制冷循环的天然气液化过程是利用透平膨胀机进行等熵膨胀以达到冷却目的的过程。在运行频繁、需要快速启停的调峰装置中，扩容过程得到了很好的利用。
根据制冷剂的不同，膨胀制冷循环分为天然气膨胀制冷工艺、氮气膨胀制冷工艺和氮气-甲烷膨胀制冷工艺。原料气LNG 图2 典型膨胀制冷工艺流程图 2010中国燃气调峰与管道维护技术研讨会论文集 《燃气与热力》杂志编辑出版·180·天然气膨胀制冷循环利用原料天然气的压力天然气本身的膨胀作用是提供天然气液化所需的冷却能力。该工艺特别适用于天然气输送压力较高，但实际使用压力较低，中间需要减压的气源情况。最适合调峰装置。该工艺简单，不需要用于制冷剂生产、运输和储存的特殊设备。投资成本低，经营灵活。采用该工艺的系统的液化率主要取决于膨胀比和膨胀效率。因此，该工艺方法无法获得较低的温度、足够的循环气量和液化率。同时，膨胀机的工作性能受原料气压力和成分变化的影响。规模更大，对系统的安全性要求更高。陕北气田LNG示范工程是采用天然气膨胀制冷循环的装置。氮气膨胀过程简单、紧凑。该装置启动快、运行灵活、适应性强、操作控制方便。但能耗相对较高。与氮气膨胀工艺相比，氮气-甲烷膨胀工艺具有工艺简单、设备投资低的优点。其能耗也比氮气膨胀工艺低3%~5%。装置操作灵活性高，对气源变化不太敏感。具有良好的适应性，为国内用户面临的大范围送风量变化提供了良好的解决方案。特别有利于装置长期运行中实际单位能耗的控制。
1.3 混合制冷工艺 混合制冷工艺是由 20 世纪 60 年代末的复叠制冷工艺发展而来。多采用C1～C5碳氢化合物、N2等五种以上多元混合制冷剂作为工质来替代复叠。制冷过程中多种纯成分。制冷剂成分根据原料气体的成分和压力确定。它利用多组分混合物中重组分先缩合，轻组分后缩合的特点。依次经过冷凝、分离、节流、蒸发，得到不同温度等级的制冷剂。数量。 ① PRICO工艺 在该工艺中，混合制冷剂首先被压缩并分为气相和液相，但只有一个压力水平。气液两相高压制冷剂在冷箱入口处混合，自上而下经过换热器，以与LNG基本相同的温度流出。经控制阀减压后，返回热交换器，向上流动并汽化，提供冷量，然后返回压缩段，完成闭路循环。与所有其他正在使用的液化工艺相比，PRICO 工艺只有一台压缩机和一台冷箱。工艺简单、投资成本低、控制方便、运行可靠，对不同成分的原料气适应性强。国内鄂尔多斯100×104m3、珠海60×104m3 LNG装置均采用该液化工艺。 ②CII()工艺 上海浦东建成的国内首套调峰天然气液化装置采用的工艺是法国索菲公司开发的CII工艺。这是该工艺首次工业化应用，也是国内首次引进。一套混合制冷剂工艺设备。
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CII工艺流程简单，在一定程度上减少了设备投资。该装置的具体能耗与单级混合制冷剂工艺进行了比较。 2010年中国燃气调峰与管道维护技术研讨会论文集由《燃气与热力》杂志社编辑出版。 ·181·减少了。该工艺采用整体冷箱结构。优化设计的高效板翅式换热器在冷箱内并联布置，使设备布局更加紧凑。同时，冷箱的模块化设计也节省了设备建设成本。 。图3 简化单级混合工质制冷工艺流程图 1、6、7、13.气液分离器 2.低压压缩机 3、5.冷却器 4.高压压缩机 5.分馏塔 9、10、11节流阀 12.冷箱图4 CII液化工艺 2010年中国燃气调峰与管道维护技术研讨会论文集《燃气与热力》杂志编辑出版。 · 182 · ③ 多级单混合工质工艺（LIMUM） 林德公司进口的新疆广汇150×104m3 LNG装置采用LINDE公司的LIMUM液化工艺，混合工质压缩机为燃气轮机驱动离心式压缩机，换热器为绕管式热交换器。此过程中，换热器内冷流和热流的温度曲线更加匹配，降低了装置的能耗。这是国内引进的最大的采用混合制冷剂技术的LNG装置。它的建设、调试，特别是运行经验将有助于我们了解和消化混合制冷剂技术。
图5 多级混合工质制冷工艺简化流程图 ④ C3/MR C3/MR是基本负荷装置中最常用的液化循环，也是目前LNG行业的主导工艺。该工艺的高温段使用丙烷作为制冷剂，将原料气体和混合制冷剂预冷在几个不同的温度水平。低温段采用不同压力等级的混合制冷剂依次液化原料气。该工艺结合了复叠制冷和一般混合制冷的优点。工艺流程相对简单，效率较高，运行成本较低。 ⑤ 与C3MR工艺相比，Shell-DMR工艺在预冷段采用混合制冷剂循环，采用乙烷、丙烷和少量甲烷、丁烷的混合物作为预冷段制冷剂。天然气预冷温度达到-40℃，工艺所需设备更少，更加灵活，可在较宽的工况范围内运行。目前，该工艺已首次应用于俄罗斯萨哈林液化天然气项目。 ⑥2003年在日本召开的世界天然气大会上，法国Axens公司与法国石油学会联合推出了《2010年中国天然气调峰与管道维护技术研讨会论文集》，由《天然气与热力》杂志编辑出版。 ·183·中国液化天然气工艺首次亮相。与普通液化工艺相比，该工艺具有以下特点： 图6 C3/MR工艺流程图 图7 双混合工质工艺流程图 图8 工艺流程图 2010年中国燃气调峰与管道维护技术研讨会论文编辑出版《气体与热力》杂志。 · 184 · 一。预冻段采用混合制冷剂代替丙烷，使预冷段加热-冷却焓曲线更接近。 b.预冻段与液化段的转折点由-30℃降至-60~-80℃。在这样的低温条件下，混合制冷剂完全冷凝，没有相分离。
换热管道非常简单、紧凑。两个循环之间的功率平衡易于控制，可以使用两台相同的燃气轮机为两级提供相同的功率。同时，制冷剂的用量可以显着减少，在某些情况下制冷剂与LNG的摩尔比可以低于1。混合制冷剂在预冻段完全液化，导致功率需求更低。 c.冷箱采用PFHE布局。设备布局非常紧凑。 PFHE 两侧的压降较低，使过程更加高效。采用PFHE结合独特的工艺，使得整个液化段的加热和冷却焓曲线非常接近，提高了热力效率。据该公司介绍，通过该工艺生产LNG的成本每吨可降低25%。系列装置配备两台标准燃气轮机，年产液化天然气600×104吨。该技术已趋于成熟，具备产业化的条件。 2010年在伊朗南帕尔斯LNG项目投入使用。 ⑦MFC工艺林德公司开发的混合制冷剂复叠工艺（MFC）综合了混合制冷剂工艺和复叠工艺的优点。该系统具有三个制冷循环，每个制冷循环均采用混合制冷剂，使热流与冷流的温度曲线匹配更加理想，装置效率和单条生产线规模得到进一步提高。系统预冷段采用板翅式换热器，后续液化段和过冷段采用盘管式换热器。该工艺首先应用于挪威北部430×104t/a LNG项目。
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图9 混合工质复叠制冷工艺简化流程图 ⑧ AP-X工艺 2010年中国燃气调峰与管道维护技术研讨会论文集《燃气与热力》杂志编辑出版。 · 185 · 该工艺是APCI公司开发的C3/MRC工艺改进，扩大单线产能，该工艺包括三个制冷循环：丙烷制冷用于预冷混合制冷剂循环，为自然冷却提供冷量。气体液化、氮气膨胀制冷循环提供过冷的冷量。与丙烷预冷工艺相比，减少了丙烷和混合制冷剂的消耗。 2008年卡塔尔拟建的二期工程4号、5号生产线已采用该工艺，单条生产线产能780×104吨/年。图10 AP-X工艺流程图 2 工艺流程选择及发展趋势 天然气液化工艺流程的选择是其项目建设的关键环节。液化工艺及相关设备配置对装置的效率和成本具有决定性影响。 。国内以液化天然气销售为目的的液化天然气工厂需要追求过程中的高效率、低能耗和低投资，从而降低产品生产成本，增强市场竞争力。这就需要对工艺流程进行合理的分析和评价。液化工艺及设备的选择应综合考虑工艺系统及设备经验、可靠性、工艺效率、资金投入、能源成本消耗等指标。天然气消费量的增长必然促进液化天然气行业的发展。天然气液化技术的不断发展，进一步推动全球LNG装置向大型化发展。
由于我国天然气资源和技术条件的限制，目前国内LNG装置均为中小型装置，LNG技术大多局限于扩建工艺，能耗高、规模小、效率差。纵观LNG产业的发展，我们认识到LNG装置大型化的发展趋势，认识到发展天然气液化技术的必要性。自2008年3月起，采用我公司的并联双温区膨胀制冷技术和等压干燥技术。山东泰安天然气液化项目脱水技术成功投产后，我公司不断加大天然气液化技术的人力、物力投入，不断吸收国外先进的液化天然气技术，对原有的各种膨胀制冷进行改进2010年中国燃气调峰与管道维护技术研讨会论文集
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