PRICO液化工藝在珠海LNG裝置中的應用

中海石油廣東液化天然氣有限公司 張煒森

近年來，國內LNG產業快速發展，先后有數個LNG工廠建成投產，其中液化工藝多以引進國外專利技術為主，而最具有代表性的是Black&Veatch公司閉式單循環混合制冷PRICO液化工藝。

珠海LNG裝置是中國海洋石油總公司的第一套天然氣液化裝置，在國內首次采用了PRICO液化工藝。該項目于2008年12月順利投產，天然氣年處理量2億m3，日處理量60萬m3，日產LNG約350 t。

1 PRICO工藝技術特點

PRICO工藝是由美國Black&Veatch公司1950年開發并不斷改進而成，采用了單循環混合制冷劑和單循環壓縮系統，冷箱采用板翅式換熱器。迄今為止，該工藝已成功運用到數十套基荷和調峰裝置中，液化裝置單線生產規模從8萬m3/d到500萬m3/d。

PRICO液化工藝的主要特點是：

(1)采用單級制冷系統，流程簡單，操作控制可靠；

(2)對冷劑組分的變化不敏感，對不同組份原料氣具有較強的彈性和適應性；

(3)開停車速度快，需要補充冷劑量少，具有較高的效率；

(4)設備數量少，布置緊湊，造價和操作費用低。

2 珠海LNG裝置流程

珠海LNG裝置采用了一個PRICO閉式制冷循環，冷劑經壓縮、部分冷凝、冷卻、膨脹，然后與天然氣換熱并提供冷量。制冷劑由氮氣、甲烷、乙烯、丙烷和異戊烷的混合物組成，流程如圖1所示。

圖1 珠海LNG裝置流程示意

來自冷箱(E-0501)頂部的低壓氣相冷劑，經冷劑壓縮機(C-0501)一段壓縮后，進入壓縮機一段的段間冷卻器，再經段間分離器(V-0502)進行氣液分離，氣相冷劑進入壓縮機二段壓縮，液相冷劑經多級離心泵(P-0501)增壓后與壓縮機二段出口高壓氣相冷劑混合，混合冷劑進入壓縮機二段的段間冷卻器，部分冷凝的冷劑在出口分離器(V-0503)中進一步分離，被分離后的氣相冷劑憑借自身的壓力進入冷箱，液相冷劑經多級離心泵(P-0502)增壓后進入冷箱與氣相冷劑匯合。

高壓混合冷劑向下流過冷箱，在底部流出時已全部冷凝，然后流經冷劑J-T閥減壓并部分蒸發，使混合冷劑的溫度進一步降低，冷下來的低壓冷劑重新進入冷箱底部向上流動吸收原料氣和高壓混合冷劑的熱量。低壓冷劑最后從冷箱頂部高于其露點溫度流出進入冷劑吸入罐(V-0501)，然后再進入冷劑壓縮機完成混合冷劑的循環。預處理后的原料天然氣由頂部進入冷箱，在冷卻到大約-48 ℃時引出冷箱進入重烴分離器(V-0504)，分離重烴后的原料氣返回冷箱后繼續向下流動，-152 ℃的LNG自冷箱底部流出，經產品J-T閥節流降溫至-161 ℃進入LNG儲罐。

3 珠海LNG裝置運行情況

3.1 冷箱積液及操作

板翅式冷箱積液是指由于大量重冷劑聚集在冷箱底部，導致冷箱不能建立正常降溫梯度，裝置產能顯著降低的現象。冷箱積液主要是在重冷劑添加不當或裝置緊急停車情況下發生，一旦冷箱出現積液現象，必須及時排除。

冷箱操作過程中出現積液時，將出現冷箱底部逐漸回溫，頂部逐漸降溫，整體溫度趨于一致，冷劑流道壓差增大，冷劑分離罐液位持續下降等現象。此時可保持冷劑J-T閥和產品J-T閥較小開度，通過減小或關閉來自冷劑泵(P-0502)的重冷劑泵入量，增大天然氣流量或混合冷劑中氣相組份比例的方法，使冷箱底部聚集的過量重冷劑逐漸汽化，直至冷箱底部出現降溫趨勢，頂部出現回溫趨勢，最后建立起合理的溫度梯度后，方可進行冷箱的正常升負荷操作。

冷箱積液和冷劑壓縮機的防喘振系統密切相關，應避免壓縮機入口壓力過高運行，重冷劑的添加不宜過早過快。

3.2 冷劑補充與損失

正常生產過程中，冷劑的補充量很小，主要是以輕組份氮氣、甲烷和乙烯為主，其中氮氣和甲烷是工廠自產，不需外購。由于原料氣組份的變化，珠海LNG裝置冷劑系統補充的甲烷組份中混有大量的乙烷，整個混合冷劑系統乙烷的摩爾分數約占3%，乙烷的增加使混合冷劑的組份配比偏離了設計值，使壓縮機功耗略有升高，但可認為對整個液化系統基本無影響，可近似的將乙烷等同于乙烯使用。

冷劑的大量損失主要發生在裝置停車后的重啟開車階段。裝置停車后，受壓縮機喘振控制系統的要求，壓縮機高壓冷劑側和低壓冷劑側實現均壓，壓縮機入口壓力急劇增加，在裝置重啟開車前，需進行必要的冷劑排放直至壓縮機入口壓力值降至允許的范圍。冷劑排放將導致大量的外購乙烯損失，冷劑排放的多少主要受驅動壓縮機設備對啟動轉矩及壓縮機自身保護措施要求的限制，珠海LNG裝置冷劑壓縮機由燃氣輪機驅動，其允許啟動的條件是入口壓力小于1 MPa。

3.3 升降負荷調整

受上游供氣量變化的影響，珠海LNG裝置負荷經常調整，但PRICO液化工藝對裝置的升降負荷調整有非常強的適應能力，對原料氣組份變化及冷劑組份變化不敏感，初始開車和冷態開車速度快，操作相對簡單。

當裝置長時間處于低負荷狀態運行時，可將冷劑J-T閥開大，使冷劑壓縮機防喘振控制閥處于關閉或小開度狀態，適當提高混合冷劑中輕組份的摩爾分數，能使LNG產品處于深冷狀態，這樣BOG產生量大大減少，BOG壓縮機不需投用，從而降低了裝置能耗。

3.4 燃氣輪機驅動冷劑壓縮機

珠海LNG裝置采用了西門子SGT-200-2S型雙軸燃氣輪機驅動STC-SV型多級離心式冷劑壓縮機，燃氣輪機ISO工況額定輸出功率為7.68 MW，尾氣排放設置余熱回收系統供天然氣預處理單元使用，動力透平轉速7 600～11 000 r/min可調。

生產實踐表明，燃氣輪機對裝置的負荷調整適應性強，穩定性高，運行成本較低。但燃氣輪機受環境溫度變化導致軸端輸出功率明顯變化的特性給整個冷劑循環系統的穩定運行造成了不利影響，生產操作人員不得不因此頻繁調整冷劑循環量或生產負荷。

另外，燃氣輪機的維護成本和技術難度相對較高，不利于小型LNG工廠的運營維護，珠海LNG裝置燃氣輪機存在高負荷狀態下燃燒不穩定問題，直接導致了裝置至今不能在高環境溫度下滿負荷生產的困局。

4 結束語

PRICO液化工藝以其自身先天優點在國內各型LNG裝置中得到了廣泛應用，其關鍵設備采取的模塊化設計，可以非常方便的進行放大、縮小來得到工廠所需要的產能，非常適合于中小型基荷和調峰型LNG工廠。

珠海LNG裝置經過3年的生產實踐，已掌握了 PRICO液化工藝的核心技術，對裝置的操作和運行規律有了深刻的理解。針對裝置生產過程中出現的各類問題，珠海 LNG工廠進行了多項技術改造工作，取得了顯著效果。