華新燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司 茹志鴻 朱瑞崴

液化天然氣(LNG)是將天然氣凈化、深冷液化而成的一種清潔優(yōu)質(zhì)燃料，主要成分為甲烷，另外還含有少量的乙烷和丙烷。來自管網(wǎng)的原料天然氣經(jīng)過過濾、調(diào)壓計量、往復(fù)式活塞壓縮機(jī)增壓、脫酸、脫水、脫汞及重?zé)N后進(jìn)入冷箱逐步冷卻至-162.9℃，最后進(jìn)入儲罐中儲存。LNG體積約為其氣態(tài)體積的 1/600，密度取決于其組分，甲烷含量越高，密度越小。

本改造項目對象為山西運(yùn)城地區(qū)某LNG工廠，日處理天然氣規(guī)模50萬 m3。生產(chǎn)裝置包括原料氣計量系統(tǒng)，原料氣壓縮系統(tǒng)，原料氣脫酸、脫汞、脫水、脫烴系統(tǒng)，液化冷箱系統(tǒng)，LNG儲存及充裝系統(tǒng)，廢水處理系統(tǒng)，冷劑儲存、壓縮系統(tǒng)，BOG回收系統(tǒng)，儀表空氣系統(tǒng)，空壓制氮系統(tǒng)，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，脫鹽水系統(tǒng)，導(dǎo)熱油系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等。自投產(chǎn)運(yùn)行以來，設(shè)備一直處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

LNG生產(chǎn)過程中，天然氣在冷箱中液化所需要的冷量來自離心式冷劑壓縮機(jī)壓縮后的混合冷劑，因此離心式冷劑壓縮機(jī)(以下簡稱冷劑壓縮機(jī))是天然氣液化的核心設(shè)備。該 LNG工廠原有冷劑壓縮機(jī)1臺，額定功率7 600 kW，冷劑經(jīng)兩級壓縮增壓后出口設(shè)計壓力為3.4 MPa，生產(chǎn)中實際的出口壓力為2.76 MPa，即還有較富余的生產(chǎn)能力。因此擬在原項目基礎(chǔ)條件上加以改造，以提升天然氣處理量。

1 項目總體方案

根據(jù)設(shè)備原始設(shè)計參數(shù)，在充分考慮原料氣管網(wǎng)壓力、壓縮機(jī)性能、涼水塔及冷箱換熱效率、凈化系統(tǒng)及公用工程等設(shè)備以及管道實際生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)的情況下，本項目擬增加1套日處理原料氣20萬 m3的液化裝置及其配套設(shè)施。其中，液化工藝采用帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑制冷，優(yōu)點(diǎn)在于只需增加預(yù)冷機(jī)組、冷箱、冷卻器、吸收塔頂預(yù)冷器和涼水塔等裝置，就能使生產(chǎn)能力由50萬m3/d擴(kuò)產(chǎn)至70萬m3/d，改造內(nèi)容相對較少。

工藝區(qū)現(xiàn)有設(shè)備、閥門及管道等的總圖布置合理，各處理單元尚有剩余空間，新增設(shè)備有放置空間。新增冷箱、預(yù)冷機(jī)組露天布置于擴(kuò)建工藝裝置區(qū)。在原廠冷劑壓縮機(jī)級間和末級冷卻器平臺之上新建一層平臺，將原廠冷劑壓縮機(jī)級間和末級冷卻器移至新建平臺，新增冷劑壓縮機(jī)級間和末級預(yù)冷器布置于原平臺上，吸收塔頂冷卻器布置于凈化裝置區(qū)原有平臺上。新增循環(huán)水設(shè)施布置于原液化廠循環(huán)水系統(tǒng)旁現(xiàn)有空地。

2 改造工藝方案

2.1 不同工藝流程比較

天然氣的液化生產(chǎn)主要包括原料天然氣的凈化處理、液化和儲存3個過程。其中原料氣的制冷液化是工藝核心，對投資和運(yùn)行費(fèi)用起決定性作用。該改造項目工藝方案的確定主要是液化工藝流程的確定。常用的制冷工藝流程有階式(級聯(lián)式)循環(huán)制冷、混合冷劑循環(huán)制冷和膨脹機(jī)循環(huán)制冷等 3種流程[1]，不同的工藝流程采用的主要設(shè)備和冷劑也有所不同。其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 不同工藝流程

原廠液化工藝為混合冷劑循環(huán)制冷工藝，如再增加另外1套液化工藝則投資太大，因此本擴(kuò)建項目也采用混合冷劑循環(huán)工藝?；旌侠鋭┭h(huán)制冷工藝分為混合冷劑單循環(huán)制冷工藝(MRC)、混合冷劑雙循環(huán)制冷工藝(DMR)和丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝(C3/MR)3種類型。3種混合冷劑制冷工藝性能比較如表2所示。

表2 3種混合冷劑制冷工藝性能比較

2.2 工藝流程確定

原廠采用的是單循環(huán)混合冷劑制冷工藝，如果再設(shè)置1套相同的制冷工藝，投資較大、新增設(shè)備較多、占地面積也較大，因此選擇采用丙烷預(yù)冷混合冷劑制冷工藝，可在不增加混合冷劑壓縮機(jī)的前提下，僅增加1臺丙烷預(yù)冷機(jī)組，即能實現(xiàn)擴(kuò)產(chǎn)20萬m3/d。

來自廠區(qū)外的原料氣經(jīng)過原廠計量、凈化裝置脫除雜質(zhì)后分為兩路，一路進(jìn)入原廠液化裝置，液化后存儲于原廠LCPM儲罐中；另外一路送入新增液化系統(tǒng)，原料氣在新增冷箱中被冷卻至-60℃后，進(jìn)入原廠重?zé)N分離器。在重?zé)N分離器脫除重?zé)N后的原料氣返回新增冷箱繼續(xù)冷卻至-162.9℃，節(jié)流至0.01 MPa后進(jìn)入原廠LNG儲罐中儲存，工藝流程如圖1所示。

液化段和過冷段采用混合冷劑制冷循環(huán)的方式提供冷量，分別制冷原料氣和混合冷劑，這樣的方式工藝流程相對簡單，效率更高，運(yùn)行費(fèi)用較低。

3 主要設(shè)備選型

3.1 壓縮機(jī)

3.1.1 壓縮機(jī)種類

壓縮機(jī)的種類主要有往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)。

往復(fù)式壓縮機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，但其外形尺寸龐大笨重，且排量較小，主要適用于小排量，高壓或超高壓條件。

離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，可以直接與驅(qū)動機(jī)聯(lián)運(yùn)便于調(diào)節(jié)流量和節(jié)能，易實現(xiàn)自控。其缺點(diǎn)是壓力較低，熱效率較低，流量過小時會產(chǎn)生喘振。離心式壓縮機(jī)適用于大流量、中低壓條件。

螺桿式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，體積小、易損件少、振動小、容積效率高，壽命長，維護(hù)管理簡單，接近于等溫壓縮，即使在高壓縮比時也可以使用單級壓縮，對設(shè)備基礎(chǔ)要求簡單。缺點(diǎn)是潤滑油系統(tǒng)比較復(fù)雜，油耗量較大，一般來說其電耗也較大；噪聲較大，轉(zhuǎn)子加工精度要求高。螺桿式壓縮機(jī)適用于入口天然氣帶液、中低壓力及中小排氣量，常在制冷過程中使用。

根據(jù)本擴(kuò)建項目的工況特點(diǎn)，丙烷預(yù)冷壓縮機(jī)擬選用螺桿式壓縮機(jī)，采用國產(chǎn)設(shè)備。

3.1.2 丙烷預(yù)冷壓縮機(jī)驅(qū)動方式

丙烷預(yù)冷壓縮機(jī)的驅(qū)動形式可分為燃?xì)馔钙?、蒸汽透平和電機(jī)驅(qū)動[2]。若采用燃?xì)馔钙?，?yōu)點(diǎn)是燃?xì)庀穆实?，但維修費(fèi)用高，并且尾氣不能被很好利用，綜合能耗較大。若采用蒸汽透平，缺點(diǎn)是蒸汽供應(yīng)可靠性低，在蒸汽氣源不能及時穩(wěn)定提供的情況下，會影響本擴(kuò)建項目正常生產(chǎn)，而且自建蒸汽鍋爐投資大。若采用電機(jī)驅(qū)動，有操作簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、檢修維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)，但是其電機(jī)功率大，起動受電力供應(yīng)的影響，對電網(wǎng)容量要求高，能量綜合利用率低。

經(jīng)過多方比較和論證，本擴(kuò)建項目的螺桿式壓縮機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動方式。

3.2 冷箱

冷箱內(nèi)的換熱器分為板翅式換熱器和繞管式換熱器兩種。兩種換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表3 兩種換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)

通過綜合比較，冷箱內(nèi)的換熱器選擇板翅式換熱器。

3.3 冷卻器

本項目所用到的冷卻器主要是丙烷預(yù)冷壓縮機(jī)組冷卻器。其冷卻方式有空冷和水冷兩種。空冷維護(hù)費(fèi)用為水冷的20%～30%，使用壽命長，但占地面積大，造價高，且出口溫度不能低于空氣溫度。水冷可以得到較低的溫度，占地面積小且耗電?。蝗秉c(diǎn)是受地理環(huán)境影響，對周圍水源有污染，且工業(yè)廢水腐蝕性強(qiáng)，需要處理維護(hù)的費(fèi)用高。

本擴(kuò)建項目位于山西省運(yùn)城市，年平均氣溫為13.5℃，年總降水量為550 mm。綜合考慮，丙烷預(yù)冷壓縮機(jī)采用水冷。

本項目生產(chǎn)用水主要為工藝循環(huán)冷卻用水補(bǔ)水，增加軟化水處理裝1套，新增部分并入原廠循 環(huán)水系統(tǒng)。

4 效益分析

本項目改造完成后，該 LNG工廠的生產(chǎn)規(guī)模從日處理量50萬m3增加至70萬m3，每年預(yù)計增加天然氣處理量 6 660萬 m3，LNG產(chǎn)量增加約48 743.21 t。從整個產(chǎn)量提高過程的經(jīng)濟(jì)活動分析中可知，天然氣在液化加工過程中雖然增加了電量消耗和物料消耗，但大大節(jié)省了單位產(chǎn)量的人工成本、管理費(fèi)用及其他費(fèi)用，從而降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的利潤空間。

產(chǎn)能擴(kuò)建后增加的原料氣處理量的余能，可以代替煤作為燃料，每年可節(jié)省標(biāo)煤600 t。不僅減少了向大氣中排放的甲烷量，還減少排放了CO261.2 t和煤煙塵10 t。

5 結(jié)語

LNG生產(chǎn)產(chǎn)能的擴(kuò)建項目擴(kuò)大了原廠的生產(chǎn)規(guī)模，為應(yīng)急調(diào)峰提供可靠氣源，解決了運(yùn)城市季節(jié)調(diào)峰和日調(diào)峰問題，確保了城市安全正常供氣。如推廣至類似項目使用，不僅可使本地區(qū)資源得到合理充分利用，也有利于減少大氣污染，保護(hù)環(huán)境，符合我國發(fā)展節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的基本國策。

參考規(guī)范：

[1] 中石化上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2018.

[2] 化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)定: HG/T 20570-1995[S].