趙志玲，隋健，張鵬

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

天然氣液化工藝流程及冷劑離心壓縮機(jī)簡介

趙志玲，隋健，張鵬

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

介紹了兩種當(dāng)前國內(nèi)天然氣液化裝置常用的工藝流程，以及針對不同工藝流程所配置的冷劑離心壓縮機(jī)組。

天然氣液化；混合冷劑；冷劑離心壓縮機(jī)組；冷箱；烴泵

0 引言

天然氣在常壓下，當(dāng)冷卻至約-162℃時(shí)，由氣態(tài)變成液態(tài)，稱為液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）。天然氣液化是一低溫過程，目前已經(jīng)成熟的天然氣液化工藝流程有：階式液化流程、混合冷劑液化流程、帶膨脹機(jī)的液化流程。前兩種液化流程是目前國內(nèi)采用較多的液化工藝流程。

1 階式液化流程

階式液化流程也被稱為級聯(lián)式液化流程、復(fù)疊式液化流程。流程中通常由丙烯（或丙烷）、乙烯（或乙烷）、甲烷三級獨(dú)立的制冷系統(tǒng)提供冷量［1］。

目前國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的采用階式液化工藝流程的國產(chǎn)化LNG裝置最大規(guī)模為500萬立方/天，采用的原料是管輸氣。該裝置采用的制冷劑為：丙烯、乙烯、甲烷。在三級獨(dú)立的制冷循環(huán)中，丙烯制冷循環(huán)中含有四個(gè)丙烯蒸發(fā)器，為天然氣、乙烯和甲烷提供冷量；乙烯制冷循環(huán)中含有三個(gè)蒸發(fā)器，為天然氣和甲烷提供冷量；甲烷制冷循環(huán)中含有一個(gè)板翅式換熱器，為天然氣提供冷量。通過七個(gè)蒸發(fā)器，一個(gè)換熱器，天然氣的溫度逐漸降低，直至液化。階式制冷流程簡圖見圖1。

圖1　階式循環(huán)流程簡圖

丙烯制冷循環(huán)中，根據(jù)制冷劑丙烯的設(shè)計(jì)參數(shù)，壓縮機(jī)采用單缸四段壓縮。丙烯經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮到流程所需要的壓力，通過丙烯水凝器冷凝到40℃后，進(jìn)入丙烯凝液收集罐，一部分液態(tài)丙烯經(jīng)過節(jié)流、降壓、降溫進(jìn)入高壓丙烯蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收乙烯、甲烷、天然氣的熱量后汽化，進(jìn)入丙烯壓縮機(jī)第四段入口。余下液態(tài)丙烯一部分經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，進(jìn)入中壓丙烯蒸發(fā)器吸收乙烯、甲烷、天然氣的熱量后汽化，進(jìn)入丙烯壓縮機(jī)第三段入口。余下液態(tài)丙烯的一部分再經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，進(jìn)入低壓丙烯蒸發(fā)器吸收乙烯、甲烷、天然氣的熱量后汽化，進(jìn)入丙烯壓縮機(jī)第二段入口。余下的液態(tài)丙烯經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，全部進(jìn)入低低壓丙烯蒸發(fā)器吸收乙烯、甲烷、天然氣的熱量后汽化，進(jìn)入丙烯壓縮機(jī)第一段入口。整個(gè)丙烯制冷循環(huán)結(jié)束。

在乙烯制冷循環(huán)中，根據(jù)制冷劑乙烯設(shè)計(jì)參數(shù)，乙烯壓縮機(jī)設(shè)計(jì)成兩缸三段壓縮的型式。乙烯經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮并通過乙烯水冷器冷卻到40℃后，依次進(jìn)入丙烯的高壓蒸發(fā)器、中壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器、低低壓蒸發(fā)器進(jìn)行預(yù)冷，最終以液態(tài)形式進(jìn)入乙烯流程，一部乙烯通過節(jié)流、降壓、降溫，在低壓乙烯蒸發(fā)器吸收甲烷、天然氣的熱量后汽化，進(jìn)入乙烯壓縮機(jī)第三段入口。余下液態(tài)乙烯一部分再經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，進(jìn)入中壓乙烯蒸發(fā)器吸收甲烷、天然氣的熱量后汽化，進(jìn)入乙烯壓縮機(jī)第二段入口。余下的液態(tài)乙烯再經(jīng)過節(jié)流、降溫、降壓，全部進(jìn)入低壓乙烯蒸發(fā)器吸收甲烷、天然氣的熱量后汽化，回到乙烯壓縮機(jī)第一段入口。整個(gè)乙烯制冷循環(huán)結(jié)束。經(jīng)過丙烯制冷循環(huán)和乙烯制冷循環(huán)的各級蒸發(fā)器后，天然氣被冷凝成液化天然氣即LNG。

甲烷制冷循環(huán)中，根據(jù)制冷劑甲烷設(shè)計(jì)參數(shù)，甲烷壓縮機(jī)設(shè)計(jì)成兩缸三段壓縮的型式。甲烷經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮機(jī)并通過甲烷水冷器冷卻到40℃后，依次進(jìn)入丙烯制冷流程中的的高壓蒸發(fā)器、中壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器、低低壓蒸發(fā)器，乙烯制冷流程中的高壓蒸發(fā)器、中壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器進(jìn)行預(yù)冷，通過這七個(gè)不同溫位的蒸發(fā)器后，高壓氣態(tài)甲烷被冷卻、冷凝，液態(tài)甲烷進(jìn)入甲烷換熱器過冷，再進(jìn)行節(jié)流、降溫、降壓，返回甲烷換熱器，為LNG、甲烷冷劑自身提供冷量，實(shí)現(xiàn)甲烷制冷系統(tǒng)的冷劑循環(huán)。

LNG通過甲烷換熱器過冷后，再經(jīng)過閥門節(jié)流、降壓、降溫后送至LNG儲(chǔ)罐作為LNG產(chǎn)品。

2 混合冷劑液化流程

混合冷劑制冷循環(huán)（Mixed-Refrigeramt Cycle，MRC）是采用C1至C5的碳?xì)浠衔锖蚇2等多組分的混合制冷劑為工質(zhì)，通過流程控制，進(jìn)行逐級冷凝、節(jié)流膨脹、蒸發(fā)，來得到不同溫度水平的制冷量，最終達(dá)到液化天然氣的目的?；旌侠鋭┲评淞鞒桃妶D2。

圖2　混合冷劑循環(huán)流程簡圖

目前國內(nèi)采用混合冷劑液化工藝的LNG項(xiàng)目較多，其中用管輸氣為原料的液化裝置規(guī)模已經(jīng)達(dá)到200萬立方/天以上，比較有代表性的是山東泰安的260萬立方/天LNG裝置和內(nèi)蒙古新圣的200萬立方/天LNG裝置；用煤制天然氣為原料的液化裝置多為30～100萬立方/天的規(guī)模。裝置規(guī)模雖然不同，但是液化流程的原理基本一致。下面以60萬立方/天的LNG裝置為例，對混合冷劑液化流程及流程中的冷劑離心壓縮機(jī)進(jìn)行簡述。

在該液化流程中，采用的制冷工質(zhì)由甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷和N2按一定的比例混合組成。冷劑壓縮機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)需要采用兩段壓縮，冷劑由壓縮機(jī)一段壓縮后，引至段間冷卻器和段間分離器，將冷劑冷卻到40℃左右，并通過分離器將冷卻下來的液態(tài)冷劑分離出來，氣態(tài)冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)二段繼續(xù)壓縮，液態(tài)冷劑通過泵打到壓縮機(jī)最終出口冷卻器，同壓縮機(jī)二段出口的氣態(tài)冷劑混合，一同進(jìn)入出口冷卻器和出口分離器進(jìn)行冷卻和分離，分離出來的氣態(tài)冷劑依次進(jìn)入冷箱的預(yù)冷換熱器段、高壓分離器、液化換熱器段，過冷換熱器段，再經(jīng)過節(jié)流、降壓、降溫后依次返回，為天然氣和冷劑本身提供冷量。分離出來的液態(tài)冷劑通過烴泵打到冷箱的預(yù)冷換熱器段，然后通過節(jié)流與過冷段返回的冷劑混合再返回到冷箱的預(yù)冷段。冷劑完成在冷箱中的制冷循環(huán)后回到冷劑壓縮機(jī)的進(jìn)口分離器，再被吸入到冷劑壓縮機(jī)繼續(xù)壓縮，完成混合冷劑的制冷循環(huán)。天然氣在冷箱的預(yù)冷段和液化段被冷卻、液化，經(jīng)過過冷段過冷后再節(jié)流、降溫、降壓，最后進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐，成為LNG產(chǎn)品。

3 兩種液化流程的區(qū)別

階式制冷的制冷劑基本為純物質(zhì)，無配比問題，各自的制冷流程封閉，冷劑不混合，技術(shù)成熟。混合冷劑的制冷劑由多組分組成，配比控制比較困難，而且冷劑在為天然氣提供冷量的同時(shí)也要通過流程控制為冷劑自身提供冷量，流程計(jì)算需要提供各組分可靠的平衡數(shù)據(jù)與物性參數(shù)，計(jì)算困難。

階式制冷液化流程機(jī)組多，附屬設(shè)備多，流程復(fù)雜，投資費(fèi)用大?；旌侠鋭┮夯鞒虣C(jī)組設(shè)備少，流程簡單，投資費(fèi)用較階式制冷液化流程約少15%～20%左右。

從能耗角度比較，階式制冷循環(huán)的能耗較混合冷劑制冷循環(huán)的能耗低10%～20%左右。

4 結(jié)束語

隨著天然氣液化技術(shù)的不斷發(fā)展，對液化工藝流程的要求也越來越高，高效、低成本、易操作的液化工藝流程將成為天然氣液化技術(shù)發(fā)展趨勢的代表。同時(shí)高可靠性、高效的冷劑離心壓縮機(jī)也是天然氣液化裝置中投資考核的主要指標(biāo)。

［1］林文勝，顧安忠，朱剛.天然氣液化裝置的流程選擇［J］.真空與低溫，2001，2.

［2］顧安忠，魯雪生.天然氣技術(shù)手冊［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

TH45

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.020

1002-6673（2015）02-053-02

2015-01-12

趙志玲（1975-），女，碩士，高級工程師。研究方向：離心壓縮設(shè)計(jì)。