天然氣液化C3/MRC工藝研究

汪宏偉 龍增兵 劉家洪 李 龍 張 藝

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,四川 成都 610041

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天然氣液化C3/MRC工藝研究

汪宏偉 龍增兵 劉家洪 李 龍 張 藝

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,四川 成都 610041

帶丙烷預冷的混合冷劑制冷天然氣液化工藝(C3/MRC工藝)結合了級聯式液化流程和混合冷劑液化流程的優點,即高效、簡單,但目前我國尚無該工藝的技術應用,故開展了天然氣液化 C3/MRC 工藝研究。在介紹C3/MRC工藝流程的基礎上,對冷劑壓縮機控制方式及壓縮機出口冷劑冷卻方式進行了研究,歸納了C3/MRC工藝的技術特點。研究表明，C3/MRC工藝適用于水源豐富地區的大型LNG工廠建設。通過開展該工藝研究,力圖打破國外技術壟斷,推動我國LNG工業的發展。

C3/MRC工藝;天然氣液化工藝;基荷型液化裝置;變頻控制;冷卻方式

0 前言

1 C3/MRC工藝流程

C3/MRC工藝流程由三部分組成:天然氣預冷、脫重烴、液化及過冷，丙烷制冷循環，混合冷劑制冷劑循環。

圖1 C3/MRC工藝流程

1.1 天然氣預冷、脫重烴、液化及過冷

1.2 丙烷制冷循環

丙烷制冷循環的作用主要有三方面:為天然氣液化裝置40～-35 ℃的凈化天然氣和混合冷劑提供冷量,并大幅降低繞管式換熱器造價;為混合冷劑壓縮機分擔設備電功率,以實現液化裝置的大型化;顯著降低分子篩脫水裝置負荷。工藝流程如下:不同壓力及溫度等級的氣態丙烷分別進入丙烷壓縮機,增壓至1.4 MPa后,經丙烷冷卻器冷卻至43 ℃,然后再進入丙烷冷凝器冷凝,溫度降至39 ℃后進入丙烷凝液罐,從丙烷凝液罐出來的液態丙烷經丙烷過冷器過冷至35 ℃后分兩路分別與混合冷劑和天然氣換熱。

丙烷冷劑按照先后順序串聯進入高壓丙烷蒸發器A/B、中壓丙烷蒸發器A/B、低壓丙烷蒸發器A/B、低低壓丙烷蒸發器A/B,以上8臺丙烷蒸發器在不同操作壓力下分別對天然氣和混合冷劑實現20、0、-20、-35 ℃階梯式降溫。蒸發器中的液態丙烷吸熱后汽化,然后進入丙烷壓縮機各級入口分離器過濾分離液滴,最后進入各級丙烷壓縮機入口,完成整個丙烷制冷循環。

1.3 混合冷劑制冷循環

從繞管式換熱器底部出來的-38 ℃、0.2 MPa低壓氣態混合冷劑首先進入混合冷劑壓縮機入口吸入罐進行氣液分離,以防混合冷劑液滴進入壓縮機。經分液后的低壓氣態冷劑進入混合冷劑壓縮機的一級入口壓縮到約1.5 MPa,經壓縮機級間冷卻器冷卻至40 ℃,然后進入混合冷劑壓縮機二級壓縮至4.5 MPa,經二級冷器冷卻至40 ℃,進入丙烷制冷系統,依次經高壓丙烷蒸發器、中壓丙烷蒸發器、低壓丙烷蒸發器、低低壓丙烷蒸發器冷卻冷凝至-35 ℃后進入MR高壓分離罐。分離后的液相混合冷劑進入繞管式換熱器底部,經繞管式換熱器冷卻至-120 ℃,然后經J-T閥節流至380 kPa·a、-123 ℃,最后返回低壓氣相混合冷劑,經繞管式換熱器,為天然氣液化和氣相混合冷劑及液相冷劑自身提供冷量。分離出的高壓氣相混合冷劑冷卻至-160 ℃左右,然后經J-T閥節流至400 kPa.a、-163 ℃,最后返回液相混合冷劑,經繞管式換熱器,為LNG的過冷及高壓氣相冷劑自身的冷凝提供冷量,實現混合冷劑制冷循環[8-11]。

2 冷劑壓縮機控制方式

2.1 丙烷壓縮機控制方式

丙烷壓縮機的控制方式可分為帶變頻調速方式與軟啟動且不帶變頻調速方式,采用何種控制方式應結合壓縮機組的工藝介質特性、運行能耗、投資以及啟動方式等綜合考慮。

從運行能耗方面考慮,因丙烷壓縮機的出口壓力取決于丙烷的冷凝溫度,因而可充分利用項目所在地不同季節氣溫差異大的氣候特點,根據各季循環水溫度的變化,采用變頻器調節丙烷壓縮機出口壓力,從而節省壓縮機電耗,同時,也有利于調節負荷及降低壓縮機的啟動電流。表1為丙烷壓縮機在我國北方地區某項目原料氣滿負荷運行時,不同月份循環水溫度變化對丙烷壓縮機月平均軸功率的模擬計算數據。

表1 丙烷壓縮機各月運行數據

月份循環水溫度/℃丙烷冷凝溫度/℃丙烷壓縮機出口壓力/MPa丙烷壓縮機月平均軸功率/kW年平均軸功率/kW115250.95304215250.95304315250.95304418301.06208522341.146359626381.236804728401.327200826381.236804922341.1463591018301.062081115250.953041215250.953046038 注:表1數據為50×104t/a天然氣液化廠丙烷制冷負荷數據。

從投資方面考慮,本文對丙烷壓縮機組兩種控制方式進行了對比,結果見表2。

表2 丙烷壓縮機組控制方式比較

控制方式啟動電流投資/萬元機組年平均軸功率/kW壓縮機運行年電費/萬元壓縮機組可比工程投資+15年運行費用折現/萬元帶變頻調速1倍額定電流160060382656.7219692.26軟啟動且不帶變頻調速3倍額定電流1007200316821674.08 注:表2中數據為50×104t/a天然氣液化廠丙烷制冷負荷數據,年運行按8000h計算。

由表1～2可見,在工廠原料氣滿負荷運行時,通過采用變頻調速,丙烷壓縮機功率可由7 200 kW降低至6 038 kW,壓縮機年運行電費減少511萬元,3.5年即可收回變頻器成本;壓縮機組可比工程投資+15年運行費用折現少1 981.82萬元。故丙烷壓縮機采用變頻調速的控制方式具有較好的經濟效益。

2.2 混合冷劑壓縮機控制方式

3 壓縮機出口冷劑冷卻方式

C3/MRC液化工藝共有兩臺制冷壓縮機:丙烷壓縮機和混合冷劑壓縮機。工藝過程中需要對壓縮后的丙烷和混合冷劑進行冷卻,冷卻方式有三種:空冷冷卻;水冷卻;空冷+水冷卻。

空冷與水冷相比,空冷的運行能耗低,且無水消耗,但空冷器本身投資較高,且占地面積大,另外空冷器存在噪音較大、轉動設備較多、故障率高等問題。

通過模擬計算可知,若兩臺制冷壓縮機出口均采用水冷方式進行冷卻,丙烷壓縮機出口工藝氣冷卻所需循環水量約為2 280 m3/h(年平均數據),混合冷劑壓縮機出口工藝氣所需循環水用量為1 050 m3/h(年平均數據)。

對于丙烷制冷循環系統,由表1可知,丙烷的冷凝溫度與丙烷壓縮機出口壓力緊密相關,根據項目所在地氣候條件,若采用空冷方式冷凝冷卻丙烷介質,丙烷冷凝的溫度需要達到50 ℃,需增大丙烷壓縮機出口壓力至1.7 MPa,相比水冷方式,壓縮機能耗將增加1 200 kW,年增電費528萬元。同時,因丙烷循環量大,空冷器投資大,這樣將無法體現C3/MRC工藝的優越性,故丙烷制冷循環系統采用循環水冷卻方式。

綜上所述,為節省投資、降低裝置能耗、提高裝置的操作負荷,并結合工程項目所在地循環水的依托條件,丙烷制冷循環系統推薦采用水冷卻方式,以保證丙烷在夏季高溫時段能冷凝;混合冷劑制冷循環系統推薦采用空冷+水冷卻方式,混合冷劑經水冷卻器降溫后,再由丙烷預冷系統降溫。

4 C3/MRC工藝特點

1)受制于冷劑壓縮機的制造能力不足和低壓混合冷劑管道尺寸變大(DN 1 200以上)等因素的制約,單循環MRC工藝天然氣液化能力通常在60×104t/a以內較為經濟,而C3/MRC工藝采用了丙烷制冷循環和混合冷劑制冷循環,巨型燃驅壓縮機及繞管式換熱器可使LNG單線產能提升至350×104t/a,單位LNG生產成本顯著下降。故該工藝成為全球大型LNG裝置最受推薦的天然氣液化工藝方案之一。

3)高效蒸發器和繞管式換熱器均為壓力容器,較板翅式換熱器堅固耐用,承壓能力強,裝置運行壽命大幅延長。

5 結論

通過對C3/MRC工藝流程的介紹及對冷劑壓縮機控制方式、壓縮機出口冷劑冷卻方式的研究,得出如下結論:

2)丙烷壓縮機采用變頻調速的控制方式,可提高裝置對不同季節氣溫波動巨大的適應性,避免環境溫度對混合冷劑制冷循環的影響,使得裝置運行更平穩。

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2016-03-19

中國石油吉林吉港50×104t/a天然氣液化廠工程項目(S 2012-2 C)

汪宏偉(1982-),男,四川成都人,工程師,碩士,從事天然氣預處理、凈化、液化等工程設計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.007