小型LNG液化工藝影響因素研究

柳亭

【摘 要】目前在我國天然氣資源開發的過程中，在新井試氣、邊遠井開采、煤層氣開發等方面，因缺乏地面配套工程，開發利用困難。為回收利用這部分能源，小型LNG裝置因其具有體積小、開停靈活、轉移方便的優勢而備受關注。本文針對小型LNG裝置，對單循環混合冷劑（SMR）制冷工藝進行研究，分析各工藝因素對天然氣液化能耗的影響，分析影響規律，降低液化能耗，指導制冷液化工藝參數的優化。

【關鍵詞】零散氣回收；小型LNG；單循環混合冷劑制冷；SMR；影響因素分析；液化能耗

1 小型LNG液化工藝研究的意義

近年來，我國天然氣的開發和利用取得了突飛猛進的發展，但同時也存在較多的問題亟需解決。首先在新井試采評價過程中，由于無完善的地面配套系統，存在大量天然氣的放空。其次我國的天然氣資源分布分散，單井產氣量小，油氣田的邊遠地區存在著大量零散的天然氣資源，開發利用困難。利用LNG體積小、儲存和運輸效率高的特點，開發小型LNG液化裝置，既可回收天然氣資源，又能保護環境，小型LNG液化裝置具有廣闊的發展前景。在此背景下，進行小型LNG液化工藝的研究，開展天然氣液化能耗相關的影響因素分析，指導制冷液化工藝的優化具有重要意義。本文從橇裝化、拆裝方便、開停靈活、液化能耗等方便統一考慮，針對單循環混合冷劑（SMR）制冷工藝進行研究。

2 天然氣液化工藝影響因素研究及分析

2.1 單循環混合冷劑制冷工藝主要流程

單循環混合冷劑制冷工藝將多種冷劑組分按一定比例混合，根據蒸發溫度的不同，不同組分在同一冷箱內不同層位蒸發，達到多級制冷的目的，具有工藝流程相對簡單、投資較省、運行費用低等優點。

其主要流程為：經過凈化處理后的天然氣，通過LNG冷箱與制冷劑換熱，利用制冷劑提供的冷量降低溫度，之后進入分離器對重烴進行分離，氣相返回冷箱進一步降低溫度后進入LNG儲罐儲存。混合制冷劑壓縮機出口的冷劑首先經冷卻器冷卻，之后進入LNG冷箱，利用低溫端的冷劑提供的冷量進行預冷，然后通過節流閥節流降壓降溫后，返回冷箱為原料氣及高溫端的冷劑提供冷量，經換熱提高溫度后返回混合制冷劑壓縮機進行升壓，重新開始制冷循環。

2.2 基礎數據

本文以國內某氣田氣井生產的天然氣經過凈化、脫水處理后的組分為基礎進行研究，詳細見下表所示：

表1 天然氣組分表

序號 組分 組成（mol%）

1 N2 1.47

2 H2 0.01

3 C1 94.19

4 C2 3.02

5 C3 0.69

6 i-C4 0.14

7 n-C4 0.13

8 i-C5 0.13

9 n-C5 0.06

10 n-C6 0.05

11 n-C7 0.05

12 n-C8 0.04

13 n-C9 0.02

14 共計 100

2.3 計算模型

本文采用Aspen HYSYS工藝計算軟件，選用SRK計算模型，按照圖1中常規的單循環混合冷劑工藝流程搭建了計算模型。因本文研究的是小型LNG液化工藝，面向的主要為零散天然氣回收，因此液化氣量取5×104Nm3/d。模型采用五組分混合冷劑進行計算。

2.4 影響因素分析

單位天然氣的液化能耗是LNG工程關注的重點，也是評價天然氣液化工藝的關鍵指標。對于單循環混合冷劑制冷工藝來說，制冷液化部分的能耗主要為混合冷劑壓縮機的電耗。本文以混合冷劑壓縮機的電功率為評價指標，在混合冷劑組分配比均調整為最優的基礎上，對各工藝參數進行分析，其影響因素主要包括如下幾點：

（1）原料氣的液化壓力

（2）進裝置的原料氣溫度

（3）混合冷劑壓縮機的吸入及排出壓力

（4）混合冷劑進入冷箱前的溫度

以上影響因素中，原料氣和混合冷劑進入冷箱的溫度越低，原料氣液化所需的冷量越少，制冷能耗越低，但實際工程中因水冷或空冷等冷卻方式的限制，其受環境溫度的影響較大，不是影響液化能耗的主要變量。因此，本文僅針對原料氣液化壓力、混合冷劑壓縮機的吸入及排出壓力進行研究分析。

2.5 原料氣液化壓力的影響規律研究

原料氣的壓力對液化工藝有一定影響，壓力越高，越有利于液化，按照經驗，天然氣液化所需的經濟液化壓力一般高于其臨界壓力4.4MPa，通常在5.0MPa左右，當原料氣有壓力能可利用時，可盡量提高其液化壓力，降低制冷機組能耗，但通常情況下，原料氣通過壓縮機增壓后進入LNG裝置進行液化，液化壓力越高，增壓能耗越高，不能無限制地提高液化壓力。因此研究原料氣液化壓力對能耗的影響規律是有必要的，本文選取3.5MPa～5.5MPa的壓力范圍，在確定的原料氣及混合冷劑溫度、混合冷劑壓縮機吸入及排出壓力的前提下，僅針對不同的原料氣壓力，通過調整混合冷劑組分找到最佳配比，得到不同液化壓力下的制冷機組能耗。

由分析計算可以得出以下規律：

（1）原料氣液化壓力越高，天然氣液化所需的制冷能耗越低。

（2）當原料氣液化壓力超過4.0MPa左右時，隨著原料氣壓力的提高，制冷機組能耗下降的趨勢逐漸減緩。

（3）以本文研究的5×104Nm3/d LNG裝置為例，電價以0.81元/ kW·h計算，原料氣壓力為5MPa較3.5MPa工況，年運行成本可節省約44.8萬元。

2.6混合冷劑壓縮機排出壓力影響規律研究

混合冷劑壓縮機的吸入及排出壓力，主要影響混合冷劑的配比，從而影響混合冷劑的總體流量及制冷機組的能耗。在實際工程中，冷劑壓縮機的吸入壓力通常控制在微正壓，對制冷能耗的影響不大，本文暫按0.17MPa考慮，通過設定不同的混合冷劑壓縮機排出壓力，調整混合冷劑配比，計算單位液化能耗，分析混合冷劑壓縮機的排出壓力對工藝的影響。

由上述計算可得：

（1）在2.5MPa～4.0MPa的區間范圍內，雖然冷劑壓縮機的排壓升高，但其對應的混合冷劑單位制冷量高，冷劑壓縮機的排量逐漸減少，天然氣的單位液化能耗逐漸降低。

（2）在4.0MPa～4.5MPa的區間范圍內，隨冷劑壓縮機的排壓升高，冷劑壓縮機排量增大，天然氣的單位液化能耗也增大。

（3）冷劑壓縮機的排壓為4.0MPa時，單位天然氣液化能耗最低。該工況與2.5MPa排壓相比，年運行成本可節約9.8萬元。

3 結論

本文通過對單循環混合冷劑制冷工藝進行研究，分析各工藝因素對天然氣液化能耗的影響，得到如下結論：

（1）在天然氣液化過程中，原料氣的液化壓力及混合冷劑壓縮機的排出壓力是影響液化能耗的關鍵因素：

a、通過本文的建模計算，原料氣壓力越高，單位液化能耗越低。超過4.0MPa后，制冷機組能耗下降的趨勢逐漸減緩。

b、在五組份單循環混合冷劑制冷工藝中，冷劑壓縮機的排壓為4.0MPa時，單位天然氣液化能耗最低。

（2）計算分析發現，對于小型LNG裝置，混合冷劑壓縮機的排壓對液化能耗的影響不大，運行成本降低有限，實際工程中可重點考慮冷劑壓縮機系統的設備及管線費用。

而原料氣壓力對液化能耗的影響較大，實際工程中應予以關注，并結合天然氣來源處的壓力體系及高壓帶來的設備管線投資增加，綜合考慮確定最優液化壓力。

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（作者單位：中石化石油工程設計有限公司）