大型FLNG裝置上部模塊混合制冷劑液化工藝的適應性評價分析

王 清，李玉星,謝 彬,喻西崇

[1. 中海油研究總院，北京100027；2. 中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東青島266580]

大型FLNG裝置上部模塊混合制冷劑液化工藝的適應性評價分析

王 清1，李玉星2,謝 彬1,喻西崇1

[1. 中海油研究總院，北京100027；2. 中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東青島266580]

對于大型浮式液化石油氣(FLNG)裝置，液化工藝是整套裝置非常關鍵的技術之一。混合制冷劑液化工藝具有流程簡單、設備少、效率高、功耗小等優點，已廣泛應用于陸上液化工廠，且將用于海上FLNG裝置。混合制冷劑可細分成不同的工藝，不同的液化工藝具有不同的特點和適用范圍。利用HYSYS軟件對不同進料流量、甲烷組分比例和重組分比例下的三種混合制冷劑工藝進行了模擬，對比了三種流程的能耗與設備特征，分析了適用于不同液化能力浮式裝置的工藝流程。結果表明：在天然氣進氣流量為65 000 m3/d的條件下，丙烷預冷混合制冷劑循環(C3MR)壓縮機比功耗為0.330 9，雙混合制冷劑循環(DMR)比功耗為0.225 4，單混合制冷劑循環(SMR)比功耗為0.245 1；C3MR流程關鍵設備數量最多，DMR次之，SMR設備最少；C3MR所需的制冷劑量最大，SMR最小；隨著原料氣中甲烷含量的變化，C3MR比功耗的變化最大，DMR、SMR比功耗變化較小。

FLNG； 混合制冷劑工藝； 敏感性分析； 海上適應性

0 引 言

海洋中天然氣資源十分豐富，隨著對海上深水氣田的不斷開發，新型油氣田生產裝置浮式液化天然氣船(FLNG，又稱FPSO-LNG)的發展越來越受到重視。目前，FLNG 應用于深水油氣田開發只是一種新的工程方案，世界上還沒有正式投入運行的FLNG，但眾多石油大公司(如Shell、ABB Lummus Global、SBM等)都在致力于 FLNG 液化工藝和新船型的開發[1]。目前，世界上處于概念設計階段的FLNG項目共有16個，即將進入工程實施的FLNG項目有14個，其中有2個FLNG裝置處在建造階段，分別是Shell作為作業者的Prelude FLNG裝置和馬來西亞國家石油公司作為作業者的Kanowit FLNG裝置。Prelude FLNG裝置采用法國TECHNIP公司的雙混合制冷劑液化工藝，年處理天然氣規模為50億方，液化天然氣(LNG)產量為年產350萬噸，目前正在韓國三星重工建造，預計2016年底在澳大利亞的Prelude氣田投產運行；Kanowit FLNG裝置采用雙氮膨脹液化工藝，年處理天然氣規模為20億立方米，LNG產量為年產120萬噸，目前正在韓國大宇造船廠建造，預計2015年底在馬來西亞的Kanowit氣田投產運行。從調研的國際上FLNG液化工藝來看，級聯式工藝、混合制冷劑(MR)工藝及膨脹制冷三種基本類型的液化工藝都有采用[2-4]；其中，混合制冷劑工藝因其具有效率高、功耗小、流程簡單、設備少等優點而比較適合海上特殊的作業環境。目前，常見的混合制冷劑液化循環有丙烷預冷混合制冷劑循環(C3MR)、雙混合制冷劑循環(DMR)和單混合制冷劑循環(SMR)。國外的Sunrise項目設計的生產裝置采用了Shell的雙混合制冷劑液化流程[5]；博萊克·威奇公司現已開發的幾個海上項目采用了單混合制冷劑PRICO流程[6]。國內的海上天然氣液化技術起步較晚，尚處于研究階段。本文借助HYSYS軟件，對三種常見的混合制冷劑液化流程進行模擬、敏感性分析和海上適應性評價，為國內開發和應用海上天然氣液化裝置提供理論支持。

1 三種常見的混合制冷劑液化流程介紹

本文采用HYSYS軟件分別對三種混合制冷劑循環進行穩態模擬，并在此基礎上進行入口流量、組分敏感性分析及海上適用性評價。HYSYS是一種常用的石油化工工藝流程模擬軟件，主要用于石油天然氣工程設計計算分析和油田地面工程建設設計。

圖1是丙烷預冷混合制冷劑液化工藝流程圖。該流程主要包括丙烷預冷循環和混合制冷劑循環。丙烷預冷循環用于預冷天然氣和混合制冷劑，混合制冷劑循環則用于深冷和液化天然氣。

圖1 丙烷預冷混合制冷劑液化工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of propane pre-cooled mixed refrigerant process

圖2給出了雙混合制冷劑液化工藝流程圖。該流程有兩個獨立的制冷循環，一個用于天然氣和混合制冷劑的預冷，另一個用于天然氣最終的冷卻和液化(混合制冷劑循環)。與C3MR流程十分相似，只是它的預冷采用的是混合制冷劑，而不是純凈的丙烷。

圖2 雙混合制冷劑液化工藝流程圖Fig. 2 Flow chart of double mixed refrigerant process

圖3給出了單混合制冷劑液化工藝流程。該流程采用了一個簡單的閉式制冷循環，混合制冷劑經壓縮、部分冷凝、冷卻、節流后，與天然氣換熱并提供冷量。

圖3 單混合制冷劑液化工藝流程圖Fig. 3 Flow chart of single mixed refrigerant process

2 三種混合制冷劑液化流程敏感性分析

2.1 模擬分析基礎參數

經脫酸、脫水單元后的天然氣流量為65 000 m3/d，其余物性參數如表1、表2所示。

表1預處理后天然氣壓力、溫度與LNG存儲狀態的壓力、溫度參數

Table 1 Pressure and temperature of pretreated natural gas and LNG storage condition

表2 預處理后天然氣組分數據表(物質的量分數)

2.2 三種流程敏感性分析

2.2.1 進料流量的影響

模擬中，只改變流程的進料流量，流程中操作參數及制冷劑流量保持不變，以軟件模擬是否成功為依據來判斷流程的適用性。表3～5分別為對C3MR流程、DMR流程、SMR流程的流量變化適用性分析結果。

表3 C3MR流程流量變化適用性分析

表4 對DMR流程流量變化適用性分析

表5 SMR流程流量變化適用性分析

從以上三個表中可以看出，在操作參數及制冷劑流量不變的情況下，C3MR液化流程進料流量最大可以增加4%，最小可減小20%；對于DMR液化流程，進料流量最大可以增加4%，最小可減小6%；對于SMR液化流程，進料流量最大可以增加2%，最小可減小22%。因此，若流程的操作參數及制冷劑流量不變，三個流程進料流量的可調范圍都比較有限，流程對流量變化的適用性較差。

2.2.2 天然氣中甲烷含量的影響

天然氣中甲烷含量是指預處理后天然氣中甲烷的物質的量分數。分析計算中，改變甲烷的含量，甲烷和乙烷的物質的量分數總和保持不變。天然氣中甲烷含量對C3MR、DMR和SMR三個流程性能的影響分別見圖4～6。

從圖4可以看出，對于C3MR流程，當天然氣的溫度、壓力和流量不變時，隨著甲烷含量的增加，其流量增大，壓縮機功耗增大。天然氣預冷到相同溫度所需冷量減小，所以要求預冷冷箱中預冷天然氣的冷量減小，綜合作用使其流量略有減小，壓縮機功耗也略有減小。由于進入液化單元的天然氣增量較大使流程總功耗增大，但同時LNG產量增大，綜合作用使比功耗略有減小。

從圖5可以看出，對于DMR流程，當天然氣的溫度、壓力和流量不變時，隨著甲烷含量的增加，乙烷含量減小，深冷混合制冷循環要提供更多的冷量，預冷冷箱中預冷制冷劑冷量減小。壓縮機總功耗增加，但同時LNG產量增大，綜合作用使比功耗略有減小。

圖4 天然氣中甲烷含量對C3MR流程性能的影響Fig. 4 Influence of methane content in natural gas on process performance in C3MR

圖5 天然氣中甲烷含量對DMR流程性能的影響Fig. 5 Influence of methane content in natural gas on process performance in DMR

圖6 天然氣中甲烷含量對SMR流程性能的影響Fig. 6 Influence of methane content in natural gas on process performance in SMR

從圖6可以看出，對于SMR流程，當天然氣的溫度、壓力和流量不變時，甲烷含量增加，乙烷含量減小，混合制冷劑流量略有減小，壓縮機功耗也略有減小。同時LNG產量增大，則比功耗減小。

2.2.3 天然氣中重組分含量的影響

表6 天然氣中重烴含量對C3MR流程參數的影響

表7 天然氣中重烴含量對DMR流程參數的影響

表8 天然氣中重烴含量對SMR流程參數的影響

從表6可以看出，對于C3MR流程，當天然氣的溫度、壓力和流量不變，重烴含量增加，輕烴含量減小時，深冷制冷劑的流量減小，MR壓縮機功耗減小。預冷制冷劑的流量略有減小，丙烷壓縮機功耗減小。進入液化單元的天然氣量減小使流程總功耗減小，但同時LNG也產量減小，綜合作用使得比功耗略有增加。

從表7可以看出，對于DMR流程，當天然氣的溫度、壓力和流量不變時，重烴含量增加，輕烴含量減小，深冷制冷劑的流量減小，壓縮機功耗減小，預冷冷箱中預冷制冷劑提供的冷量增大。進入液化單元的天然氣量減小使流程總功耗減小，同時LNG產量增加，使得比功耗略有降低。

從表8可以看出，對于SMR流程，當天然氣的溫度、壓力和流量不變時，重烴含量增加，輕烴含量減小，混合冷劑的流量減小，壓縮機功耗減小。但同時LNG產量減小，綜合作用使得比功耗增大。

2.2.4 海上適應性分析

對三種混合制冷劑液化方案進行比較，并分析其海上適應性。表9對比了三個流程在相同液化率條件下的性能參數。

從表9可以看出，在進口原料氣壓力、溫度、流量保持一定的情況下，當三種混合制冷劑液化流程的液化率相同時，C3MR流程壓縮機總功耗最大，DMR流程總功耗最小。在關鍵設備數量上，C3MR流程設備最多，DMR流程次之，SMR流程設備最少。在制冷劑流量上，C3MR所需的制冷劑儲存量最大，DMR流程次之，SMR流程儲存量最小。

表10給出了三種液化工藝流程的比功耗隨著天然氣中甲烷含量變化而變化的趨勢，從而比較三種液化流程對原料氣組分變化的敏感性。

表9 三種液化方案的比較

表10 三種液化方案甲烷含量敏感性的比較

從表10可以看出，三種混合制冷劑液化流程中，隨著原料氣中甲烷含量的變化，C3MR流程的比功耗變化比DMR、SMR的比功耗變化大，相對來說，C3MR對原料氣組分的變化更敏感。

3 結 論

通過對三個混合制冷劑流程的敏感性分析和海上適應性評價，可以得到以下結論：

(1) C3MR流程雖然在陸上LNG工廠應用廣泛，但由于其大量制冷劑的使用和丙烷的儲存，所需設備較多，比功耗相對較大，對原料氣組分的變化比較敏感，應用于海上天然氣液化的優勢并不明顯。

(2) 對于DMR流程，它的設備較少，結構緊湊，比功耗小，液化率高，對原料氣組分的變化不敏感，靈活性更大，熱效率高，比較適合應用于海上FLNG液化裝置。

(3) 對于SMR流程，由于其設備最少、流程簡單、關鍵設備采取模塊化設計、投資成本低、操作費用低、對原料氣組分的變化不敏感等優點，所以是浮式裝置比較理想的流程。

通過對三種混合制冷劑液化工藝進行模擬、分析和比較，雖然得出DMR和SMR應用于海上FLNG裝置更具優勢的結論，但該結論是在一定原料氣入口條件的前提下得出的。目前尚不能定論采用哪種流程更好，當遇到不同生產規模、海況條件時還需要進一步論證分析，同時需要通過方案設計及設備選型來進行經濟分析，最終提出適合于不同生產規模、海況條件下的FLNG液化工藝。

[1] Danielsen H K， Andreassen G．The commercial advantages and limitations: onshore versus offshore LNG import facilities[C]． OTC, 2009: 19551．

[2] 王保慶．天然氣液化工藝技術比較分析[J]．天然氣工業，2009，29(1)： 111.

[3] 朱建魯，李玉星，王武昌，等．海上天然氣液化工藝流程優選[J]．天然氣工業，2012, 32(3): 98．

[4] 朱建魯，李玉星，王武昌，等．CO2預冷雙氮膨脹天然氣液化工藝的海上適應性分析[J]．天然氣工業， 2012, 32(4): 89．

[5] 李兆慈．海上小型天然氣液化裝置研究[C]．2008年第四屆中國LNG衛星站專題研討會論文集, 2008： 67．

[6] Javid H，Brian C．Development of floating LNG production units with modular/scalable SMR processes[C]． OTC, 2011: 21976.

AdaptabilityEvaluationofMixedRefrigerantLiquefactionProcessforLargeScaleFLNGTopside

WANG Qing1, LI Yu-xing2, XIE Bin1, YU Xi-chong1

[1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China； 2.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong266580,China]

As one of the key technologies of the whole device for large scale floating liquid natural gas (FLNG) equipment, liquefaction process is mainly dominated by foreign companies at present. Mixed refrigerant liquefaction process has the advantages of simple process, less equipments, high efficiency and lower power consumption, so it has been widely applied to liquefaction plant on land. It will also be adopted in the offshore FLNG which is about to put into production firstly in the world. Mixed refrigerant liquefaction process can be divided into different types of processes, and different liquefaction processes have different characteristics and scope of application. HYSYS software is used to simulate the three mixed refrigerant cycles under various conditions of feed flow, methane component ratio and heavy components ratio. Energy consumption and device features of different processes are compared. Processes which are suited to different liquefaction capacities are analyzed. The results show that, the ratios of power consumption of propane pre-cooled mixed refrigerant (C3MR), double mixed refrigerant (DMR) and single mixed refrigerant (SMR) are 0.330 9, 0.225 4 and 0.245 1 respectively in the condition of 65 000 m3/d natural gas inflow. Mixed refrigeration process which has the largest number of key equipments is C3MR, followed by the DMR, and the minimum is SMR. C3MR requires the most refrigeration while SMR requires the least. With the change of methane content in the feed gas, the ratio of power consumption of C3MR changes the most, while those of DMR and SMR change less.

FLNG; mixed refrigerant liquefaction process; sensitivity analysis; offshore adaptability

U473.2+1

A

2095-7297(2014)01-0042-08

2014-02-21

國家科技重大專項(2011ZX05026-006)

王清(1987—)，女，碩士，主要從事海上FLNG液化工藝方面的研究。