吳堯增 王文祥 洪 毅 柯爾欽乎

中海油研究總院

吳堯增等. FLNG液化冷劑壓縮機(jī)和主制冷換熱器關(guān)鍵技術(shù)的突破.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：129-136．

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FLNG液化冷劑壓縮機(jī)和主制冷換熱器關(guān)鍵技術(shù)的突破

吳堯增 王文祥 洪 毅 柯爾欽乎

中海油研究總院

吳堯增等. FLNG液化冷劑壓縮機(jī)和主制冷換熱器關(guān)鍵技術(shù)的突破.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：129-136．

摘 要為解決海上天然氣長距離管輸?shù)膯栴}（成本高和流動安全保障等），F(xiàn)LNG(floating liquefied natural gas)浮式液化天然氣開發(fā)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，受國內(nèi)相關(guān)行業(yè)發(fā)展水平的制約，F(xiàn)LNG液化核心設(shè)備均需進(jìn)口，設(shè)備價格高、項(xiàng)目投資大。為此，基于目前FLNG主要的液化工藝，分析了國內(nèi)外液化核心設(shè)備（冷劑壓縮機(jī)、大型壓縮機(jī)驅(qū)動器和大型液化換熱器）的運(yùn)用現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)——①開停車、火災(zāi)及變工況下的穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)；②FLNG晃蕩工況對換熱器性能和安全的影響；③采用改進(jìn)后的制造技術(shù)和制造工藝，滿足FLNG運(yùn)用的需求；④外部管道及接口補(bǔ)償技術(shù)；⑤泄露監(jiān)測技術(shù)，針對性地歸納了其實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的技術(shù)需求和發(fā)展方向，提出了開發(fā)設(shè)想和建議：FLNG主要液化核心設(shè)備國產(chǎn)化要充分依托國內(nèi)企業(yè)，在設(shè)計(jì)技術(shù)、材料、制造技術(shù)上充分借鑒國外技術(shù)發(fā)展思路，加大企業(yè)與項(xiàng)目的聯(lián)系程度，充分整合資源突破關(guān)鍵技術(shù)，加大試驗(yàn)平臺建設(shè)和試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)突破和中試運(yùn)用，為最終的工程運(yùn)用和降低項(xiàng)目投資打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞FLNG 液化核心設(shè)備 技術(shù)及運(yùn)用現(xiàn)狀 關(guān)鍵技術(shù) 國產(chǎn)化 冷劑壓縮機(jī) 大型壓縮機(jī)驅(qū)動器 大型液化換熱器

1 概述

1.1 FLNG開發(fā)現(xiàn)狀

隨著氣田開發(fā)項(xiàng)目朝著深水、長距離邁進(jìn)，采用長距離管線輸送天然氣的成本越來越高或成為不可能。為了經(jīng)濟(jì)高效地開發(fā)深海氣田，尤其是海洋邊際氣田，國際上提出了浮式液化天然氣（Floating Liquefied Natural Gas，F(xiàn)LNG）的概念，F(xiàn)LNG技術(shù)正處于海洋工程領(lǐng)域的最前沿[1-2]。

FLNG是基于陸上LNG的設(shè)計(jì)、建造、生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)開發(fā)的，要實(shí)現(xiàn)浮式生產(chǎn)運(yùn)用，還需解決一系列問題：如LNG液化工藝和核心設(shè)備的適應(yīng)性改造；LNG儲罐和船體的合理整合；FLNG安全研究；適合海洋環(huán)境的LNG卸料系統(tǒng)設(shè)計(jì)等[3]。

到目前為止，世界上還沒有真正投產(chǎn)的FLNG項(xiàng)目。最早的兩個項(xiàng)目分別是采用DMR工藝的SHELL Prelude 3.6×106t/a和APCI N2膨脹工藝的Petronas 1.2×106t/a FLNG項(xiàng)目。正是居于這樣的一個現(xiàn)狀，各液化工藝專利廠商正在競相優(yōu)化和推廣適合FLNG的液化工藝，并希望能夠搶占先機(jī)。

1.2 FLNG液化工藝選用

目前在用的液化工藝主要分為2大類（單一冷劑和混合冷劑），5個小類。表1分別列舉了主要液化工藝的特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)。

由表1可知：

1）目前用于FLNG的液化工藝主要有N2膨脹、DMR和SMR。Cascade和C3MR雖然能耗低，但設(shè)備數(shù)量多，對船體運(yùn)動敏感，還沒有FLNG改型設(shè)計(jì)。

2）SMR單系列處理量小，相對效率低，能耗比DMR大。主要適合陸上及港口小型LNG處理站。

3）N2膨脹雖然能耗也較高，但采用單一N2作為制冷介質(zhì)，安全性及適應(yīng)性較高，對于FLNG來說也是一個好的選擇。

4）DMR能耗低，單系列處理量大，設(shè)備數(shù)量適中，為目前FLNG主推的液化工藝。

對于海上氣田開發(fā)來說，一般中、大規(guī)模的氣田L(fēng)NG產(chǎn)量介于1.2×106～4×106t/a，兼顧產(chǎn)能、效率和投資，主要采用N2膨脹和DMR工藝，這從主要在建項(xiàng)目采用的液化工藝方案也得到證實(shí)。

表1 主要液化工藝的技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2 液化核心設(shè)備及國產(chǎn)化

LNG液化工藝都是通過一定的制冷循環(huán)來實(shí)現(xiàn)天然氣液化的，其核心設(shè)備主要包括冷劑壓縮機(jī)、大型壓縮機(jī)驅(qū)動器及大型液化換熱器。

2.1 冷劑壓縮機(jī)

2.1.1 國內(nèi)外技術(shù)及運(yùn)用現(xiàn)狀

為滿足LNG運(yùn)用的需求，國外廠商如GE、Dresser-Rand和Siemens都針對壓縮機(jī)大型化、高參數(shù)等特點(diǎn)開展了壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在提高壓縮機(jī)效率方面做了大量的實(shí)踐。GE公司為世界上首個FLNG項(xiàng)目Prelude[3]提供4臺DMR混劑壓縮機(jī)。

國內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)仍屬于發(fā)展的初期，LNG規(guī)模介于0.1×106～1.2×106t/a，與國外大型LNG工廠規(guī)模（已達(dá)到10×106t/a）相比差距較大。沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司以MCL、BCL壓縮機(jī)系列為基礎(chǔ)開發(fā)了1.2×106t/a以下包括氮?dú)馀蛎洝我换靹?、混合冷劑、階梯制冷等多種液化工藝配套用壓縮機(jī)[4]。西安陜鼓動力股份有限公司近年來也針對LNG項(xiàng)目開發(fā)了100×104m3的天然氣冷劑壓縮機(jī)，開發(fā)了滿足API617 及PTC10要求的LNG專用閉式試驗(yàn)裝置，取得了一定的業(yè)績。

國外壓縮機(jī)廠商經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)水平整體較高，機(jī)組規(guī)模很大，表2列出了目前國際上大型LNG壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的最新技術(shù)指標(biāo)和國內(nèi)已建最大規(guī)模機(jī)組的估計(jì)參數(shù)。

從表2可以看到對于大型、高參數(shù)化LNG的運(yùn)用，國內(nèi)機(jī)組運(yùn)用的規(guī)模與國外仍存在一定的差距。

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

LNG液化設(shè)備中最重要的就是冷劑壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的性能對LNG整體性能和液化效率起著決定性的作用。由于LNG需要一定的產(chǎn)能才具備經(jīng)濟(jì)性，這就意味著壓縮機(jī)需大型化。處理低溫循環(huán)工況，將面臨高流速（大的相對馬赫數(shù)）、復(fù)雜的級間進(jìn)氣、大跨距長軸設(shè)計(jì)、保持較高的效率和適應(yīng)期間等問題，給壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了較大的挑戰(zhàn)。表3列出了需重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)要求。

表2 國內(nèi)外LNG壓縮機(jī)最新技術(shù)指標(biāo)對比表

表3 LNG壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析表

2.1.3 國產(chǎn)化

2.1.3.1 需求分析

根據(jù)1.2節(jié)結(jié)論，目前主要采用的APCI-DMR 和N2膨脹工藝，其單系列能力為（1.2～1.8）×106t/a，典型的壓縮機(jī)選型參數(shù)如表4、5所示。

WMR壓縮機(jī)包括LP1、HP1、HP2三缸，由同一燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動，軸功率約為31 MW；CMR壓縮機(jī)包括LP2、MP2兩缸，由同一燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動，軸功率約為31 MW。從DMR工藝配套壓縮機(jī)參數(shù)可知：為降低壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)難度并提高效率，盡量不采用大壓比設(shè)計(jì)，WMR每缸壓比為1.9～2.7，CMR每缸壓比為1.5～4.3。

對比表4～6可以看出：

國內(nèi)已供貨的大型LNG壓縮機(jī)的主要指標(biāo)如表6項(xiàng)目①～④壓縮機(jī)單缸的實(shí)際入口體積流量為27 253～57 832 m3/h，對應(yīng)單缸壓比為3.1～4.5，單缸軸功率為7～24.15 MW，已經(jīng)可以滿足DMR中HP1、MP2、HP2單缸壓縮機(jī)的增壓要求（實(shí)際體積流量為15 555～23 514 m3/h，對應(yīng)壓比為1.5～2.1，軸功率為7～10.8 MW）；有低溫運(yùn)用業(yè)績，因而在材質(zhì)選擇上也沒有太大的差別。

表4 混劑壓縮機(jī)選型參數(shù)表（DMR/單系列1.8×106t/a）[1]

表5 APCI N2壓縮機(jī)選型參數(shù)表（N2膨脹/單系列1.8×106t/a）[1]

表6 國內(nèi)一些大型項(xiàng)目的壓縮機(jī)參數(shù)表[3]

DMR中LP1、LP2壓縮機(jī)，實(shí)際入口體積流量為74 088 m3/h、76 696 m3/h，壓比為2.7、4.3，單缸軸功率為14 MW、24 MW，規(guī)格大，目前國內(nèi)還沒有這類壓縮機(jī)業(yè)績，如表6項(xiàng)目①中由于采用的是級聯(lián)Cascade液化工藝，多股流進(jìn)入壓縮機(jī)，機(jī)組實(shí)際體積流量為75 306～87 043 m3/h，雖然很大，但并不是單股流的流量，采用的是側(cè)流設(shè)計(jì)。表6項(xiàng)目④雖然單缸實(shí)際流量最大，但也未達(dá)到LP1、LP2的要求。但這并不意味著沒有機(jī)型可以處理這么大的流量，只是不屬于LNG行業(yè)，從機(jī)組本身看表6項(xiàng)目⑤壓縮機(jī)就已經(jīng)和LP1、LP2的要求相當(dāng)。

對于N2膨脹壓縮機(jī)，實(shí)際體積流量為27 483 m3/h，對應(yīng)總壓比為4.3，總軸功率為30 MW，表6項(xiàng)目④從增壓指標(biāo)上已能滿足要求，但在使用溫度上還未達(dá)到低溫要求，需要壓縮機(jī)在選材、低溫應(yīng)力處理等方面改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1.3.2 國產(chǎn)化方向

1）根據(jù)需求分析，規(guī)格上重點(diǎn)開發(fā)單系列產(chǎn)能在1.2×106～1.8×106t/a LNG的壓縮機(jī)方案，如對于DMR工藝還需開發(fā)LP1、LP2規(guī)格機(jī)組。

2）重點(diǎn)研究短跨距、高效率機(jī)組。

3）壓縮機(jī)采用橇裝，減少設(shè)備尺寸重量。

4）FLNG船體運(yùn)動工況下的壓縮機(jī)適應(yīng)性分析。

5）滿足FLNG海洋環(huán)境的設(shè)備材質(zhì)及防護(hù)研究。

6）開發(fā)滿足API617和ASME PTC-10要求的壓縮機(jī)閉式試驗(yàn)裝置。

2.2 大型壓縮機(jī)驅(qū)動器

2.2.1 國內(nèi)外技術(shù)及運(yùn)用現(xiàn)狀

壓縮機(jī)驅(qū)動器主要有以下3類：蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和電機(jī)。目前國外在設(shè)計(jì)、在建FLNG項(xiàng)目使用的驅(qū)動器主要技術(shù)及運(yùn)用現(xiàn)狀見表7。

受發(fā)電機(jī)組規(guī)格的制約，中大型FLNG一般不適宜采用電驅(qū)方案。受國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展水平的制約，至今未形成完整的國產(chǎn)工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)體系，F(xiàn)LNG驅(qū)動器要么只能用電驅(qū)方案，要么只能采用進(jìn)口燃?xì)廨啓C(jī)方案。

2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

對于進(jìn)口燃?xì)廨啓C(jī)而言，經(jīng)過多年的發(fā)展，在技術(shù)成熟度和可靠性上有了較大的提升，關(guān)鍵問題是分析其在FLNG的適應(yīng)性。主要關(guān)注以下關(guān)鍵技術(shù)：

1）采用船用機(jī)型設(shè)計(jì)，減小機(jī)組尺寸重量。

2）根據(jù)船體的運(yùn)動性能，設(shè)計(jì)并保證燃機(jī)轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的運(yùn)動穩(wěn)性。

3）FLNG能耗為重要考慮因素，在經(jīng)濟(jì)可行的原則下盡量提高燃機(jī)效率。

4）采用模塊化設(shè)計(jì)和大修換機(jī)技術(shù)，降低機(jī)組的運(yùn)維成本。

2.2.3 國產(chǎn)化

2.2.3.1 需求分析

LNG液化能力受驅(qū)動器的能力限制，制冷循環(huán)的設(shè)計(jì)必須按照可用的燃機(jī)功率進(jìn)行設(shè)計(jì)。表8列出了FLNG常用燃?xì)廨啓C(jī)與液化工藝（APCI DMR和N2膨脹）產(chǎn)能的匹配情況。

表7 國外LNG壓縮機(jī)驅(qū)動器主要技術(shù)和運(yùn)用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表[1]

表8 燃?xì)廨啓C(jī)與LNG產(chǎn)能的匹配表[1]

從表8可知：在常用的1.4×106～3.6×106t/a LNG產(chǎn)能需求內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)的功率規(guī)格需求分別為ISO 額定功率34 MW、43 MW和50 MW，也就是說FLNG應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展這3個檔級的機(jī)組。

2.2.3.2 國產(chǎn)化方向

根據(jù)我國燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，僅在2013年“西氣東輸”項(xiàng)目上使用過ISO額定功率25 MW國產(chǎn)化燃驅(qū)壓縮機(jī)組[11]，驅(qū)動器由中船703所設(shè)計(jì)和配套。采用ISO額定功率25 MW機(jī)組作為LNG的驅(qū)動器，也僅能滿足單線1.2×106t/a以下的LNG產(chǎn)能需求。

如果要與工藝包（DMR、N2）達(dá)到最好的匹配，則應(yīng)該發(fā)展更高功率等級的機(jī)組。發(fā)展思路上可以借鑒國外燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，如以ISO額定功率25 MW機(jī)組為原型，通過改進(jìn)壓氣機(jī)和動力透平的設(shè)計(jì)，向上模化到ISO 額定功率34 MW、43 MW 和50 MW等級，以滿足經(jīng)濟(jì)驅(qū)動的要求。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)開展與國內(nèi)有LNG業(yè)務(wù)的油氣公司和工藝包廠商合作，爭取開發(fā)出樣機(jī)以及LNG燃驅(qū)壓縮機(jī)組聯(lián)機(jī)測試和驗(yàn)證裝置。

2.3 大型液化換熱器

2.3.1國內(nèi)外技術(shù)及運(yùn)用現(xiàn)狀

大型液化換熱器主要功能是實(shí)現(xiàn)對天然氣的預(yù)冷和液化，主要分為繞管式和板翅式換熱器，可適用于多股流換熱，單位體積換熱面積很大，設(shè)備緊湊，技術(shù)及運(yùn)用現(xiàn)狀見表9。

表9 液化換熱器技術(shù)及運(yùn)用現(xiàn)狀表

2.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

由于國內(nèi)廠商對FLNG系統(tǒng)性的研究不足，主要考慮增加安全和提高性能的關(guān)鍵技術(shù)[16]。

1）開停車、火災(zāi)及變工況下的穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)。

2）FLNG晃蕩工況對換熱器性能和安全的影響。

3）采用改進(jìn)后的制造技術(shù)和制造工藝，滿足FLNG運(yùn)用的需求。

4）外部管道及接口補(bǔ)償技術(shù)。

5）泄露監(jiān)測技術(shù)。

2.3.3 國產(chǎn)化

2.3.3.1 需求分析

表10、11分別列出了不同換熱器的類型和規(guī)格，從表10、11可知：對于常用的1.8×106t/a單線產(chǎn)能需求，無論是DMR還是N2膨脹工藝，預(yù)冷/主冷/過冷段均采用了繞管式換熱器，直徑為3.2～4.8 m，長度介于20.0～40.3 m，接近了國外目前能夠制造的最大換熱器尺寸（直徑約為5 m，長度為45 m）。對于N2膨脹工藝中過程氣N2之間的換熱采用了板翅式換熱器，由于不存在兩相流問題，采用板翅式換熱器安全性和經(jīng)濟(jì)性較好。由于設(shè)計(jì)溫度較低，均采用了常見的鋁和不銹鋼材料。

2.3.3.2 國產(chǎn)化方向

從國內(nèi)換熱器廠家的制造能力看（表9）：制造出表11中滿足N2膨脹工藝中過程N(yùn)2換熱需求的板翅式換熱器（Middle economizer）是沒有問題的。但正如關(guān)鍵技術(shù)要求的那樣，需要針對FLNG運(yùn)用環(huán)境，在安全和性能上做進(jìn)一步的適應(yīng)性研究。

目前還不完全具備制造直徑介于4～5 m的繞管式換熱器的能力。換熱器大型化以后，需要掌握關(guān)鍵設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和檢驗(yàn)技術(shù)，如開展更大的中心筒結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)；復(fù)合管板和連接型式的設(shè)計(jì)；大型換熱器的繞制、載荷分配和焊接技術(shù)；適合大型換熱器的超長無縫鋁管的選型、焊接/彎曲等性能試驗(yàn)技術(shù)；還需要升級繞管機(jī)及相應(yīng)制造、檢驗(yàn)設(shè)備的能力。

表10 換熱器類型和規(guī)格表（DMR/單系列1.8×106t/a）

表11 換熱器類型和規(guī)格（N2膨脹/單系列1.8×106t/a）

為加快換熱器在FLNG中的運(yùn)用，建議通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)平臺（如六自由度晃蕩平臺）的建設(shè)以驗(yàn)證換熱器的各項(xiàng)性能，并通過樣機(jī)制造和中試為換熱器的設(shè)計(jì)、制造和操作提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 開發(fā)設(shè)想

從國內(nèi)廠家的實(shí)際情況出發(fā)，如果之前所述冷劑壓縮機(jī)和主制冷換熱器的關(guān)鍵技術(shù)及國產(chǎn)化建議得以實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)如下規(guī)模LNG液化裝置的運(yùn)用(表12）。

表12 關(guān)于國產(chǎn)化設(shè)備的開發(fā)設(shè)想表

4 建議

FLNG主要液化核心設(shè)備國產(chǎn)化要充分依托國內(nèi)企業(yè)，在設(shè)計(jì)技術(shù)、材料、制造技術(shù)上充分借鑒國外技術(shù)發(fā)展思路，加大企業(yè)與項(xiàng)目的聯(lián)系程度，充分整合資源突破關(guān)鍵技術(shù)，加大試驗(yàn)平臺建設(shè)和試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)突破和中試運(yùn)用，為最終的工程運(yùn)用和降低項(xiàng)目投資打下基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（修改回稿日期 2015-12-10 編輯 何 明）

Key FLNG liquefaction technologies for refrigerant compressors and main cryogenic heat exchangers

Wu Yaozeng, Wang Wenxiang, Hong Yi, Keer Qinhu
(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.129-136， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:For the purpose of solving the problems in long-distance offshore pipeline transmission (e.g. high cost and flow assurance), floating liquefied natural gas (FLNG) technology was developed. Due to limited technical levels in China, however, the key FLNG liquefaction equipments have to be imported, so the equipments are expensive and the project investment is high. In this paper, analysis was performed on domestic core liquefaction equipments (including refrigerant compressor, large-scale compressor driver and main cryogenic heat exchanger) in terms of their application status and key technologies based on current FLNG liquefaction technologies. The key technologies include stable operation technologies for startup, shutdown, fire and variable working conditions, the effect of FLNG sloshing on the performance and safety of heat exchangers, the improved manufacturing technologies and process which should conform to the FLNG application, compensation technologies of outer pipes and interfaces, and leakage monitoring technologies. Then, the technical requirements and development directions of localization were summarized, and development ideas and suggestions were proposed. The localization of core FLNG liquefaction equipments should be sufficiently dependent on domestic enterprises, referring to foreign technical ideas in terms of design, materials and manufacturing. It is necessary to strengthen the communication between enterprises and projects, integrate resources sufficiently to realize technical breakthrough, and increase experimental platform construction and experimental verification so as to realize prototype breakthrough and pass the tests for field application. This technology provides the basis for the ultimate engineering application and project investment reduction.

Keywords:FLNG; Core liquefaction equipment; Technology and application status; Key technology; Localization; Refrigerant compressor; Large-scale compressor driver; Main cryogenic heat exchanger

作者簡介：吳堯增，1981年生，工程師；主要從事海洋工程設(shè)計(jì)及設(shè)備選型工作。地址：（100028）北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號。電話：（010）84522735。ORCID:0000-0002-8635-7902。E-mail:wuyz@cnooc.com.cn

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.017