天然氣液化工廠工藝技術及設備國產化概述

侯君龍

摘 要：結合泰安LNG工廠的建設情況，介紹國內外天然氣液化產業的發展狀況。討論混合冷劑制冷工藝，并對幾種混合冷劑制冷工藝進行比較和分析。簡述國產化的工藝技術和設備突破的關鍵技術和取得的成果。

關鍵詞：天然氣液化；LNG；混合冷劑制冷；工藝；設備；國產化

Abstract：Based on the construction of Taian LNG project， the development of natural gas liquefaction industry at home and abroad is introduced.The refrigeration process of mixed refrigerant was discussed， and the comparison and analysis of several cooling processes were made.The key technologies and achievements of localized process technology and equipment breakthrough are briefly described.

Keywords：natural gas liquefaction；LNG；mixed coolant refrigeration；technology；equipment；domesticated

1 國內外天然氣液化產業發展概況

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG），主要成分是甲烷，還有少量的乙烷、丙烷、氮或天然氣中常見的其他組分。被公認是地球上最干凈的化石能源。無色、無味、無毒且無腐蝕性，其體積約為同量氣態天然氣體積的1/625，液化天然氣的質量僅為同體積水的45%左右。據國際燃氣聯盟預測，2030年天然氣在世界一次能源結構中所占比重將上升到28%，最遲將在21世紀上半葉超過石油，成為世界第一大能源[1]。國際能源署認為LNG將成為天然氣需求增長的主力，預測2035年世界液化天然氣貿易將占天然氣貿易總額的一半[2]。據此預測，天然氣液化產業將有巨大的發展潛力。

1.1 國外天然氣液化產業的發展狀況

19世紀，邁克爾.法拉第在實驗室首次制備LNG；1873年，卡爾文.林德制造了第一臺壓縮制冷設備；1917年，美國西弗吉尼亞，第一座LNG試驗工廠建成；1941年，美國俄亥俄克利夫蘭，第一座商業化工廠建成；1959年第一艘LNG運輸船“甲烷先鋒號”投入使用；至今LNG貿易占據世界出口天然氣總貿易量不斷增加。卡塔爾曾于去年7月宣布將大幅增產液化天然氣產量，由年產7700萬噸提升至2024年的1億噸。國外天然氣液化產業將蓬勃發展，天然氣液化工藝技術不斷增強。

1.2 國內天然氣液化產業的發展狀況

90年代初，四川、吉林石化投建2座LNG裝置，生產能力分別為0.3 m3/h、0.5 m3/h（中科院）；90年代中期，長慶石油勘探局，示范性LNG工廠，日處理量3萬m3，開發陜北氣田邊遠單井；但以上技術最終都宣告失敗。90年代末，東海天然氣開發，上海調峰站引進法國索菲公司技術和設備，日處理量10萬m3；2001年，中原石油勘探局與法國索菲公司合作，從國外進口主要設備，建設國內第一座生產型LNG裝置，日處理15萬m3；2014年，昆侖能源泰安LNG項目建成投產，日處理量260萬m3，據了解，這是國內第一個具有完全自主知識產權和單套液化生產能力最大的天然氣液化項目，專家表示，此項目LNG裝置壓縮機組打破了國外技術壟斷，標志著中國石油在天然氣液化領域取得重大突破。

2 泰安LNG工廠工藝技術分析

2011年4月，國家能源局、中石油確定山東泰安LNG工廠建設為天然氣液化裝置國產化研發依托工程。本項目工藝流程采用中國寰球工程公司自主知識產權的雙級（循環）混合冷劑制冷（DMR）技術。

2.1 天然氣液化工藝技術

天然氣液化裝置液化換熱循環主要有級聯式制冷循環、混合冷劑制冷循環和膨脹機制冷循環。國外天然氣液化工藝技術研究起步早，有著豐富的實踐經驗，長期主導著天然氣液化技術市場，其主要工藝及專利商[3]見表1。本文以泰安LNG項目為例，主要分析混合冷劑制冷循環。

混合冷劑制冷循環主要分為單級混合制冷工藝（SMR）、雙級混合制冷工藝（DMR）、丙烷預冷混合制冷工藝（C3/MRC）。

2.2 三種混合冷劑制冷循環工藝參數比較

其工藝流程參數比較[4]如表2。

分析表2可知，單級混合制冷工藝（SMR）能耗最大，要比雙級混合制冷工藝（DMR）高出13.4%。雙級混合制冷工藝（DMR）與丙烷預冷混合制冷工藝（C3/MRC）能耗相差很小，只有0.3%。

2.3 DMR跟C3/MRC制冷工藝造價和運行費用分析

天然氣預處理和壓縮單元均采用相同的工藝方法，造價和運行費用相同，在此不做討論。天然氣液化單元的費用主要為壓縮機和換熱器的費用，假設丙烷壓縮機采用三級壓縮，其每一級的壓縮天然氣量不相等，進氣溫度為低溫氣體，壓縮機機體必須選擇低溫材質；雙級混合冷劑壓縮機采用兩級壓縮，常溫進氣，這就使丙烷預冷混合冷劑壓縮機的造價高于混合冷劑壓縮機。丙烷預冷的換熱器需要三臺蒸發器，采用繞管式換熱器，造成其體積大，占地面積大、重量大（如圖3）；而雙級混合冷劑制冷采用真空釬焊鋁制板翅式換熱器，集中布置在冷箱內部，體積小，占地面積小，造價低（如圖4）。雙級混合制冷工藝跟丙烷預冷混合制冷工藝都采用了預冷和深冷兩套制冷循環系統，但后者采用了三級的丙烷預冷，造成其壓縮機和換熱器之間管路復雜，控制系統也會更加繁瑣，導致造價增多。通過以上各方面的分析，對中小型液化裝置來說，雙級混合冷劑制冷工藝更有優勢。

3 泰安LNG工廠工藝技術攻克的難題

本項目從天然氣深度凈化、液化、BOG處理等，整個裝置全部采用自主技術，需要根據項目具體原料及環境氣候條件進行具體的工藝流程模擬計算，分析多種工況的結果，合理確定工藝流程，采用自主開發的優化方法獲得最優工藝及設備參數，確定工藝控制方案，做到安全可靠，節能環保，經濟可行。

3.1 創新形成雙循環混合冷劑專用配方

通過數值模擬試驗，發現了由氮氣和C1～C5烴類介質組合形成的混合冷劑在不同配比及壓力等條件下對液化能耗的影響規律，創新形成自適應原料氣和環境變化的雙循環混合冷劑專用配方，解決了原料氣組分和運行負荷變化對產品質量和運行能耗的適應性難題。

3.2 解決了重烴凍堵、氮氣分離、能量優化的技術難題

集成天然氣液化、烴分離、重烴及氮氣脫除等工藝過程，共用冷源和換熱設備、溫位合理匹配，替代傳統的分別采用制冷和換熱設備的工藝，用冷劑替代外加熱源實現能量高效利用，解決了重烴凍堵、氮氣分離、能量優化的技術難題。

3.3 解決了流程和設備工藝參數的優化難題

創新應用基于遺傳算法的優化方法，采用全局搜索、多參數同步優化替代單點搜索、單參數優化，降低工藝能耗10 %以上，解決了流程和設備工藝參數的優化難題。

4 泰安LNG工廠國產化設備突破的關鍵技術和取得成果

本項目主要承擔冷劑壓縮機、驅動電機、BOG壓縮機、冷箱、DCS、低溫閥門六大關鍵設備國產化研發任務。

4.1 冷劑壓縮機

突破的關鍵技術：國內首臺套大型筒型、最大軸功率達16465kW，機組效率達85%以上的壓縮機。以完全三維粘性分析和氣動試驗為基礎，對過流部件定常、非定常、可壓縮紊流流動進行高精度數值分析，研制出高馬赫數、大流量系數、高能頭系數的線元素三元葉輪與流變形排氣蝸室，提高了系列模型級的效率，減少了葉輪級數、增大了操作范圍，效率提高5個百分點，解決了國產冷劑壓縮機的設計和制造難題。成果：較國外同類產品節約投資20%，縮短制造周期4個月以上。

運行情況：該設備自2014年8月投入正常生產，8月22日裝置產出合格產品，總體運行良好。

4.2 驅動電機

突破的關鍵技術：采取變頻器的方式控制電機，實現了冷劑壓縮機電機最大輸出功率20000kW。

成果：突破了傳統意義上采用國產液力耦合器啟動電機的最大功率僅為2000kW的技術瓶頸。

4.3 BOG壓縮機

突破的關鍵技術：采用-196度的超低溫球墨鑄鐵材料和密封結構，為國內首臺套超低溫迷宮壓縮機制造工藝。發現了多曲面相貫復雜空間的低溫集中區及其溫度場分布規律，研制了低溫隔冷結構，用中間冷媒將冷量引導至壓縮機潤滑油冷卻系統，避免了低溫部件冷量通過中體傳遞到常溫部件，同時實現了冷能循環利用，提高了整機效率，降低綜合能耗5.4%，解決了立式迷宮低溫蒸發氣壓縮機的國產化設計制造難題。

成果：較國外同類產品節約投資40%，縮短制造周期3個月以上。

4.4冷箱

突破的關鍵技術：在大尺寸、介質均布、多股流傳熱和高壓板翅式換熱器真空釬焊等方面取得突破。以“先分配后混合”的注液封條兩相流均布分配結構，替代傳統的折流式、孔板式、噴管式“先混合后分配”的結構，實現氣、液分層注入，避免了氣液兩相不規則竄動，解決了板翅式換熱器兩相流偏流的難題。國際上首次實現雙循環混合冷劑液化工藝集成高效率板翅式換熱器的工業應用。

成果：較國外同類產品節約投資20%，縮短制造周期3個月以上。

運行情況：結構緊湊、單位體積傳熱面積大、冷損失小、設備制造一次成型、設備質量可靠。

4.5 低溫閥門

突破的關鍵技術：成功研制-196度低溫2寸及以下低溫球閥、6寸及以下低溫閘閥和截止閥。

成果：實現低溫球閥、閘閥和截止閥的國產化，打破西方技術壟斷。

4.6 分布式控制系統（DCS）

突破的關鍵技術：260MHz主頻設計功率小于5W，掉電保持數據時間突破3個月，工藝狀態和連鎖與實際狀態基本實現零偏差。

成果：為國產DCS系統應用于大型LNG液化裝備夯實了基礎。

5 結束語

綜上所述，我國已經實現天然氣液化工藝技術及關鍵設備國產化，打破了西方技術壟斷，工藝技術得到較大發展，設備性能大幅提高，從而使整體天然氣液化項目投資減少，建設周期縮短，促進了LNG產業的發展。盼望泰安LNG工廠的建設和發展能給其它LNG工廠帶來借鑒。

參考文獻：

[1]中國能源發展戰略研究組.中國能源發展研究（上冊）[M].北京：清華大學出版社，2013.

[2]IEA.Are We Entering a Golden Age of Gas？[R].Paris：WEO，2011.

[3]林暢等.大型天然氣液化技術與裝置建設現狀與發展[J].化工進展，2014（11）.

[4]李青平等.天然氣液化制冷工藝比較與選擇[J].煤氣與熱力，2012（9）.