張廣斌

【摘? 要】天然氣制冷液化處理是LNG站的關(guān)鍵工藝。本文主要針對油氣田撬裝LNG站采取制冷液化工藝比選，對氮氣膨脹制冷、混合冷劑制冷、丙烷預(yù)冷+混合制冷劑液化工藝進(jìn)行綜合分析和比較，以期為其他同類工程項目更好的選擇制冷處理工藝提供一定參考。

【關(guān)鍵詞】油田伴生氣;制冷液化;單循環(huán)冷劑混合制冷;技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

0引言

擬在位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)塔里木盆地中北部，塔克拉瑪干大沙漠北緣沙漠腹地，某油氣田建設(shè)LNG站一座，15萬方/天LNG生產(chǎn)裝置，采用撬裝化設(shè)計，包括天然氣凈化、天然氣液化、LNG儲存、冷劑儲存及相關(guān)配套輔助工程。氣源來自拉油站分離器分離出的未經(jīng)處理油田伴生氣。

1 LNG制冷工藝

在天然氣液化過程中，制冷方式是決定工藝是否合理的關(guān)鍵，目前在工業(yè)上用于天然氣液化的制冷工藝根據(jù)其制冷方式，可以分為膨脹制冷和冷劑制冷，其中冷劑制冷又可以分為多級冷劑串級制冷、氮氣膨脹制冷、混合冷劑制冷。

1.1 氮氣膨脹制冷工藝

氮氣膨脹制冷工藝主要利用高壓氮氣冷劑通過透平膨脹機(jī)的循環(huán)制冷來實現(xiàn)天然氣的液化。氮氣在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時，能輸出功，可用于驅(qū)動流程中的壓縮機(jī)。低壓的氮氣首先通過氮氣增壓機(jī)一級壓縮并冷卻至常溫，再分別通過兩臺膨脹壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮并冷卻至常溫。然后高壓氮氣分別流經(jīng)冷箱的中低溫流道被冷卻至中溫和低溫，然后分別進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹降溫，之后分別進(jìn)入冷箱為天然氣和高壓氮氣制冷。最后兩股氮氣匯集后重新進(jìn)入氮氣壓縮機(jī)增壓進(jìn)行循環(huán)。

工藝特點：流程簡單，系統(tǒng)緊湊，運(yùn)行靈活，易于操作和控制，安全性高。由于蒸發(fā)溫度單一，能耗較大，運(yùn)行成本非常高。目前該工藝僅在少數(shù)調(diào)峰型小規(guī)模裝置使用。

1.2 單循環(huán)冷劑混合制冷工藝

天然氣通過LNG冷箱與制冷劑換熱，利用制冷劑提供的冷量降低溫度，之后進(jìn)入分離器對液態(tài)烴進(jìn)行分離處理，氣相返回冷箱進(jìn)一步降低溫度后進(jìn)入LNG儲罐儲存?；旌现评鋭嚎s機(jī)出口的冷劑首先經(jīng)冷卻器冷卻，之后進(jìn)入LNG冷箱，利用低溫端的冷劑提供的冷量進(jìn)行預(yù)冷，然后通過節(jié)流閥節(jié)流降壓降溫后，返回冷箱為原料氣及高溫端的冷劑提供冷量，經(jīng)換熱提高溫度后返回混合制冷劑壓縮機(jī)進(jìn)行升壓，重新開始制冷循環(huán)。工藝特點：工藝流程簡單，設(shè)備少，占地小，投資少，維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用較低;混合冷劑為多組分，冷劑的合理配比較為困難，主要應(yīng)用于中小規(guī)模的天然氣液化裝置。

1.3 丙烷預(yù)冷+混合制冷劑液化工藝

天然氣先經(jīng)過丙烷預(yù)冷，然后進(jìn)入冷箱用混合制冷劑進(jìn)一步冷卻并液化。低壓混合制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，先用水冷卻，然后流經(jīng)丙烷換熱器降溫冷卻后，進(jìn)入冷箱進(jìn)一步降低溫度，之后經(jīng)J-T閥節(jié)流降溫，返回冷箱為天然氣、高溫端混合冷劑提供冷量。換熱后，低壓混合制冷劑返回混合冷劑壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，重新開始制冷循環(huán)。工藝流程見圖3：工藝特點：流程比級聯(lián)式制冷簡單，比單級混合冷劑制冷復(fù)雜，操作彈性大，效率和能耗介于級聯(lián)式和混合冷劑制冷之間。機(jī)組設(shè)備略顯復(fù)雜，主要應(yīng)用于中大規(guī)模的天然氣液化裝置。

1.4 多級冷劑串級制冷工藝（級聯(lián)式液化工藝）

多級冷劑串級制冷是利用不同冷劑不同的蒸發(fā)溫度采用串級冷凝，一般一級為丙烷，制冷到-30℃，二級為乙烯，制冷到-90℃，三級為甲烷，制冷到-162℃。

工藝特點：熱效率高，能耗低，制冷劑為純物質(zhì)，無配比問題，系統(tǒng)較為獨立，容易調(diào)節(jié);機(jī)械設(shè)備多、流程和控制系統(tǒng)復(fù)雜、投資高，操作維護(hù)不便，主要應(yīng)用于大規(guī)模天然氣液化裝置。

1.5 天然氣膨脹制冷工藝

膨脹制冷適用高壓天然氣的液化，利用高壓原料氣的壓力勢能，對天然氣進(jìn)行膨脹制冷或配以輔助冷劑預(yù)冷后進(jìn)行膨脹制冷。工藝特點：工藝流程簡單，對于高壓原料氣來說操作成本較低，對于壓力低的工況必須增壓，將低壓的天然氣增壓后循環(huán)使用，從而增加了運(yùn)行成本和投資，另外由于膨脹制冷工藝一次液化率較低，能耗較高，膨脹機(jī)工作性能受原料氣壓力和組成變化影響大，目前已很少應(yīng)用。

2 制冷工藝方案選擇

2.2 工藝比選

2.2.1 工藝特點對比

不同制冷工藝的特點見表2。

多級串級制冷工藝流程復(fù)雜，不適合小規(guī)模的液化裝置;本工程原料氣來氣壓力低，不適用于天然氣膨脹制冷。而氮氣膨脹制冷、單循環(huán)混合冷劑制冷、丙烷+混合冷劑制冷，均適用于本工程液化裝置，且各有優(yōu)缺點。故選用三種工藝方案進(jìn)行對比，具體對比見表3。

2.2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析按照年操作330天計算，年運(yùn)行消耗電價按照0.45 元/kWh 計算;做三種液化工藝的具體經(jīng)濟(jì)技術(shù)性分析。三種制冷方案分別從一次性投資、運(yùn)行費(fèi)用等方面考慮，進(jìn)行方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性分析，具體見表4。

（1）氮氣膨脹制冷費(fèi)用現(xiàn)值最高;

（2）丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝流程復(fù)雜，設(shè)備多，操作維護(hù)工作量大;

（3）因新疆某油氣田電價較低，丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝節(jié)能效果不明顯，總費(fèi)用現(xiàn)值僅低于單循環(huán)冷劑制冷工藝方案107萬元。

3 結(jié)論

單循環(huán)冷劑制冷工藝與氮氣膨脹制冷工藝相比，雖然投產(chǎn)過程中冷劑配比略繁瑣，但其能耗較低，生產(chǎn)成本較低，且適應(yīng)于撬裝化裝置。同時兩方案的一次投資基本相當(dāng)。丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝與單循環(huán)冷劑制冷工藝相比，工藝雖節(jié)省能耗，但增加丙烷循環(huán)系統(tǒng)及配套工程需增加建設(shè)投資，同時丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝流程復(fù)雜，設(shè)備多，操作維護(hù)工作量大;且新疆某油氣田電價為0.45元/kWh，使丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝節(jié)能效果不明顯，丙烷預(yù)冷+混合冷劑制冷工藝總費(fèi)用現(xiàn)值僅低于單循環(huán)冷劑制冷工藝方案107萬元。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧安忠.液化天然氣技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：77-83.

[2] 李青平等 天然氣液化制冷工藝比較與選擇? 煤氣與熱力 2012第32 卷第9 期

（作者單位：中石化石油工程設(shè)計有限公司）