PRICO?天然氣液化技術(shù)在海上浮式裝置上的應(yīng)用

張躍征 蓋璟權(quán) 江 浩 劉曉剛

博萊克威奇（北京）工程設(shè)計有限公司

與陸上天然氣液化工廠相比，海上浮式天然氣液化（FLNG）裝置具有建設(shè)周期短、便于遷移、可重復(fù)使用和投資低等特點而受到越來越多的關(guān)注并成為行業(yè)熱點。筆者通過對博萊克威奇公司（Вlack& Veatch）開發(fā)PRICO?天然氣液化技術(shù)在FLNG裝置上應(yīng)用的介紹，以期為新建的FLNG裝置提供指導(dǎo)。

1 FLNG液化工藝

1.1 PRICO?SMR天然氣液化技術(shù)

天然氣液化設(shè)備是FLNG裝置的核心設(shè)備，其成本占總安裝成本的30%～50%[1-2]，對整個FLNG裝置運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性影響都較大。FLNG液化裝置由于處在海上作業(yè)下的特殊環(huán)境，首先要實現(xiàn)最基本的天然氣液化功能，其次要在占地面積小、工藝流程簡易、設(shè)備布局緊湊的前體下，達(dá)到在海上生產(chǎn)和船體晃蕩對安全可靠性能提出的要求。與相同規(guī)模的岸上液化天然氣工廠相比，F(xiàn)LNG的投資將減少20%以上，建設(shè)工期將縮短25%[3-7]。

單循環(huán)混合制冷劑液化流程（SMR）是目前中小型LNG裝置廣泛采用的天然氣液化工藝。PRICO?SMR液化技術(shù)以其成熟可靠、流程簡單、設(shè)備數(shù)量少、易于操作等特點使得FLNG裝置實現(xiàn)了工程化。另外，氮膨脹液化工藝也曾被認(rèn)為適用于FLNG裝置，但其相對較低的效率限制了實際應(yīng)用[8]。較低的效率不僅體現(xiàn)在對能耗的影響上，同時會明顯增加占地面積進(jìn)而會增加項目成本。

對于大型LNG裝置采用的基荷型液化工藝，例如丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝（C3-MR）及雙循環(huán)混合制冷劑（DMR）也已經(jīng)在FLNG裝置上使用。通常，工藝越復(fù)雜、設(shè)備越多，占地面積越大。復(fù)雜的流程和較高的成本限制了這些技術(shù)在中小型FLNG上的應(yīng)用。

PRICO?SMR對于大型裝置同樣具有優(yōu)勢。多條生產(chǎn)線的配置可以滿足對LNG產(chǎn)能的要求。采用PRICO?SMR液化技術(shù)的某一大型LNG液化裝置，目前正處于設(shè)計階段。此裝置采用2條氣體預(yù)處理生產(chǎn)線，4條液化生產(chǎn)線。每條液化生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力約為150×104t/a，裝置總的生產(chǎn)能力為600×104t/a。采用多條生產(chǎn)線的配置具有很多優(yōu)勢。當(dāng)其中一條生產(chǎn)線由于生產(chǎn)設(shè)備的原因造成停車后，整個裝置的生產(chǎn)能力降低25%。但是，如果采用一條生產(chǎn)線，整個裝置不得不完全停車。另外，多條生產(chǎn)線的設(shè)計可采用更小的模塊化設(shè)計，進(jìn)一步降低對占地面積的需求。

圖1 PRICO?SMR液化工藝流程圖

PRICO?SMR液化工藝不同于上述其他工藝[9-11]，制冷劑為單循環(huán)系統(tǒng)。其主要的工藝流程如圖1所示：低壓混合冷劑通過冷劑壓縮機(jī)被壓縮到中壓，經(jīng)冷卻器冷卻降溫后，氣相冷劑返回冷劑壓縮機(jī)二段被壓縮到高壓，液相冷劑由冷劑泵加壓后與氣相冷劑混合進(jìn)入致冷劑換熱器。高壓混合冷劑經(jīng)致冷劑換熱器預(yù)冷并節(jié)流返回?fù)Q熱器以提供冷量。天然氣在致冷劑換熱器中被冷卻液化，經(jīng)節(jié)流到儲存壓力后進(jìn)入LNG儲罐。

1.2 主要設(shè)備

冷箱（制冷劑換熱器）是制冷劑系統(tǒng)的一個關(guān)鍵設(shè)備[12-13]。PRICO?SMR技術(shù)采用的冷箱不同于其他技術(shù)的冷箱，不含任何其他閥門、設(shè)備或非焊接的接口，減小了冷箱內(nèi)部泄漏的幾率。板翅式冷劑換熱器已經(jīng)在廣泛的使用過程中證明其在日常使用過程中不需要特別維護(hù)，且其在浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（FPSO）中有十分成熟的應(yīng)用。

冷劑壓縮機(jī)是天然氣液化裝置中另一個關(guān)鍵設(shè)備，為兩段離心式單體壓縮機(jī)。與雙體壓縮機(jī)相比，其具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單的特點。當(dāng)需要進(jìn)行維修時，不需要將連接壓縮機(jī)的管線斷開就可將機(jī)芯抽出。同時，在PRICO?SMR工藝中，設(shè)有密封氣回收系統(tǒng)以回收冷劑壓縮機(jī)密封氣，減少冷劑損失。同時，在FLNG裝置上，壓縮機(jī)采用了輕便的航改型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行驅(qū)動，其比工業(yè)輪機(jī)效率提高了25%，并在海上有廣泛的應(yīng)用[14]。

1.3 原料氣的靈活性

復(fù)雜多樣的原料氣組成是天然氣液化裝置所面臨的一個主要挑戰(zhàn)[15]。原料氣來源有時由多個管網(wǎng)供給并且變化很大，C5＋重組分需脫除以免凍堵冷箱。同時，惰性氣體如二氧化碳（CO2）和氮氣（N2）的脫除也應(yīng)在設(shè)計中加以考慮。

相對于岸上天然氣液化裝置，F(xiàn)LNG裝置具有便于遷移的優(yōu)勢。當(dāng)被開采氣田枯竭或者不再具備開采的價值后，可遷移至下一個氣田以提高天然氣液化裝置建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，但這同時也對液化工藝對原料氣的適應(yīng)性提出了要求。PRICO?SMR液化工藝對原料氣有較大的適應(yīng)性，可以根據(jù)不同的原料氣組成情況，在其基礎(chǔ)工藝上加以改進(jìn)和輔以其他流程，來處理不同的原料氣工況[16]。表1列出了幾個典型的LNG工廠根據(jù)其原料氣的特點采用PRICO?技術(shù)并進(jìn)行優(yōu)化以得到解決方案。

1.4 易于操作

PRICO?SMR液化工藝流程簡短、裝置設(shè)備數(shù)量少、操作簡單。通過分散控制系統(tǒng)（DCS）控制液相冷劑閥門，改變液相冷劑進(jìn)入冷箱的流量即可實現(xiàn)對冷劑組分的調(diào)節(jié)。

海上天氣變化要求FLNG裝置具有較短的開停車時間。當(dāng)天氣影響到海上生產(chǎn)時，要求液化裝置能夠快速停車，反之則要求液化裝置能夠快速開車。采用PRICO?SMR液化工藝的裝置，當(dāng)液化裝置停車時，低溫介質(zhì)能夠滯留在冷箱底部內(nèi)保冷，縮短再次開車的時間。

2 FLNG裝置設(shè)備布置

由于FLNG液化裝置甲板空間有限，建在甲板上的天然氣液化裝置對設(shè)備數(shù)量、重量和占地面積要求嚴(yán)格。相對于陸上天然氣液化裝置，F(xiàn)LNG裝置要求設(shè)備數(shù)量盡量少，重量盡量輕，占地面積盡量小[17]。各種天然氣液化工藝的設(shè)備數(shù)量對比如表2所示。

PPRICO?SMR液化工藝可采用單條或多條生產(chǎn)線配置來滿足對產(chǎn)能的變化要求。同時，設(shè)備布置還會根據(jù)氣源位置、電力配置、冷卻水使用是否有限制、LNG裝卸/出口方案等要求的不同而變化（表3）。FLNG裝置可自建輔助系統(tǒng)或者依靠建在碼頭上的設(shè)施提供。PRICO?液化工藝在FLNG裝置的設(shè)計上采用了模塊化設(shè)計，各工藝模塊根據(jù)質(zhì)優(yōu)價廉的原則在全球范圍內(nèi)選擇供應(yīng)商進(jìn)行建造以縮短項目整體建造安裝周期[19]。

LNG儲存也是FLNG裝置需要考慮的問題。LNG儲罐可以布置在FLNG裝置甲板下，然后定期通過LNG運(yùn)輸船轉(zhuǎn)運(yùn)出去。也可以在FLNG裝置附近停泊LNG運(yùn)輸船以接受FLNG裝置生產(chǎn)的LNG產(chǎn)品。LNG儲存設(shè)施的容量取決于LNG的產(chǎn)量、海況條件、運(yùn)輸船的數(shù)量及大小，其設(shè)計原則是在保證穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，盡可能提高LNG運(yùn)輸船的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。

表1 典型PRICO?LNG工廠特點及解決方案表

表2 各天然氣液化工藝的設(shè)備數(shù)量對比表[18]

表3 FLNG裝置設(shè)備布局表

3 FLNG裝置——Exmar FLNG

Exmar FLNG裝置為非自航駁船，集合了天然氣處理、天然氣液化、LNG儲存和裝卸功能。由博萊克威奇公司（Вlack & Veatch）提供PRICO?SMR液化工藝專利、上述液化核心裝置的設(shè)計和設(shè)備采購、現(xiàn)場調(diào)試和開車服務(wù)。該裝置可將200×104m3/d天然氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)天然氣（約500 000 t/a），并已于2016年9月完成72 h性能考核。Exmar FLNG工藝流程如圖2所示。

Exmar FLNG裝置甲板上部工藝裝置包含了可將原料氣中二氧化碳及水脫除的預(yù)處理單元。Exmar FLNG裝置所生產(chǎn)的LNG將會被臨時儲存在甲板下總?cè)莘e為16 000 m3的3個儲罐中。LNG最終將會被LNG運(yùn)輸船轉(zhuǎn)運(yùn)至用戶處。LNG儲存及裝卸過程中產(chǎn)生的閃蒸氣（ВOG）會被用作燃料氣或者根據(jù)實際生產(chǎn)情況再液化為LNG。同時，Exmar FLNG裝置設(shè)計有公用工程及冷劑補(bǔ)充系統(tǒng)。整個Exmar FLNG裝置的設(shè)計與建造完全符合船級社的相關(guān)規(guī)范和規(guī)定。

冷劑壓縮機(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動，所需燃料由Exmar FLNG裝置自身的燃料氣系統(tǒng)提供。燃料氣系統(tǒng)同時也為裝置內(nèi)發(fā)電機(jī)提供燃料以滿足裝置電力需求。Exmar FLNG裝置配備了3臺雙燃料發(fā)電機(jī)為裝置提供穩(wěn)定可靠的電力。

Exmar FLNG裝置根據(jù)自身工藝特點，根據(jù)脫酸氣單元及脫水單元的功能采用了模塊化設(shè)計，縮短了裝置的建設(shè)周期，減少了設(shè)計及施工中的接口，降低了施工風(fēng)險。此外，基于FLNG裝置的特點所做的設(shè)計也在本裝置中得到應(yīng)用。例如，為了減少液體在分離設(shè)備中劇烈晃蕩而增加的擋板，酸氣脫除單元中采用填料塔代替板式塔以避免板式塔在海上工況中由于晃動而可能產(chǎn)生的氣液分布不均現(xiàn)象。

圖2 Exmar FLNG工藝流程簡圖

FLNG裝置便于遷移及重復(fù)使用的優(yōu)勢，決定了其適用于原料氣組成變化大的處理要求。在Exmar FLNG裝置的性能測試中，原料氣中甲烷含量大約為89%，C2及以上組分含量超過了15%，與設(shè)計值甲烷含量為94%有較大偏差。通過集中控制系統(tǒng)（DCS）根據(jù)原料氣組成及壓力變化調(diào)節(jié)冷劑組成配比，而不需要向系統(tǒng)中添加額外冷劑。通過調(diào)整裝置的運(yùn)行參數(shù)，提高LNG產(chǎn)品中乙烷、丙烷及丁烷的含量，避免了由于重?zé)N系統(tǒng)的超負(fù)荷而導(dǎo)致的火炬泄放。PRICO?SMR天然氣液化工藝的這種靈活處理能力，不需對管道及設(shè)備做任何修改。

4 結(jié)束語

工藝簡單、靈活高效的天然氣液化技術(shù)使得FLNG從概念設(shè)計階段實現(xiàn)了工程化。隨著工程化技術(shù)的逐漸成熟和岸上LNG項目的減少，F(xiàn)LNG獲得了更多的發(fā)展空間。PRICO?SMR天然氣液化技術(shù)憑借其工藝流程簡短、裝置設(shè)備數(shù)量少、操作簡單等特點走在了FLNG的前端，為海洋石油伴生氣處理、邊際氣田和深海氣田開發(fā)利用提供了一種新的既安全又經(jīng)濟(jì)的解決方案。

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