液化天然氣裝置的液化工藝選擇
時間：2018-10-09 16:22
來源：
作者: 張瑜
隨著 全 球 液 化 天 然 氣（LNG）貿易的快速發展，液化工藝的選擇存在挑戰性，尤其是液化天然氣項目的關鍵因素變得越來越重要，選擇更具通用性且成本效益較好的液化技術，以滿足嚴格的環保排放標準的要求，是新項目的重點所在。近年來，由于液化裝置的液化工藝選擇對較大運載能力和可重復性的潛在經濟性極為關注，且一些大型設施使用多個小運載能力組合的解決方案，基礎液化天然氣裝置的液化工藝選擇研究在范圍上有突破。因此，本文介紹了 LNG 生產裝置的概況，并對最常見的液化天然氣液化的基礎設施進行了分析。
LNG 裝置概況
在典型的 LNG 生產裝置中，現場生產流體首先在入口接收設施中分離，其去除烴液體（冷凝物）和水相，并將原料氣體路徑轉到處理路徑。隨后，對氣體進行預處理，以除去任何干擾液化過程的雜質或在最終產品中不需要的雜質。所要滿足的要求是將硫化氫去除到低于4ppm，二氧化碳為 50ppm，總硫30ppm 以下，水到 0.1ppm，汞為0.01mg/nM3.2。
天 然 氣 凝 析 液 (natural gasliquids, NGL) 也 從 冷 凍 干 燥 天然氣中除去，以滿足 LNG 產品的BTU 要求，并防止液化裝置中的設備凍結和隨后堵塞。剩余的氣體主要由甲烷組成，含有小 0.1 mol% 的戊烷和較重的烴， 在 深 冷 段 中 進 一 步 冷 卻 至 約160℃（-256 ℉），并被完全液化。對于含氮（N2）含量大于 1mol%的進料氣體，N 2 將通過在 LNG 生產裝置中的附加處理進行除去，以防止在運輸過程中轉換。通過調整所產生的末端閃蒸氣體的數量，可以滿足規范的要求。
天然氣液化
廠裝置根據其規模和功能可分為基礎設施、中型、調峰和小型裝置。基礎設施通常由一個或多個裝置組成，通過海洋運輸將天然氣作為液化天然氣供應給消費國家。在過去的 40 年里，基礎設備的液化裝置規模穩步增加，容量超 過 4MtPy， 如 7.8MMtpy 的 單個裝置正在卡塔爾進行工作。大型單獨的 LNG 裝置往往會降低總的單位生產成本，有助于使新建項目和棕地項目在市場上更具競爭力。
為了充分認識這些大型裝置的成本優勢，必須使裝置保持高的可靠性和可用性。此外，設計必須是穩健的，并且應反映小型裝置的設備數量，以確保實現規模經濟。天然氣液化液化技術以制冷循環為基礎，采用熱、預處理的進料氣體，并通過低溫換熱器將其冷卻成液體產物。為了產生 LNG 生產所需的低溫，工作必須通過壓縮進入制冷循環，且必須通過空氣或水冷卻器將熱量從循環中排除到環境中。
使用制冷劑冷卻和液化氣體的基本原理是盡可能緊密地匹配進料氣體和制冷劑的冷卻 / 加熱曲線，這會使更高效的液化過程，要求每單位 LNG 產生低的功率消耗。觀察典型的氣體液化過程的冷卻曲線，可以看到三個區域（預冷、液化和過冷結束）。這些區域的特征是沿著該過程具有不同的曲線斜率或特定的熱。所有 LNG 工藝都是為了接近液化氣體的冷卻曲線而設計的。這是通過使用混合（多組分）制冷劑，多組分和單組分制冷劑循環的組合， 或多個單一制冷劑，將匹配液化過程的不同區域 / 階段的冷卻曲線，以實現高制冷效率。
NCY 并盡量減少能耗，同時保持制冷級的數量合理。對于已經開發的許多液化過程來說，主要的區別在于所使用的制冷循環類型。這些過程大致分為兩組：混合制冷劑過程和級聯液化過程（使用純組分作為制冷劑）。這里不考慮基于膨脹的過程，因為這些通常用于小型 LNG、調峰和浮動LNG（FLNG）。典型的級聯液化過程減少了不可逆的熱交換損失，通過利用含有制冷劑在不同恒定溫度下蒸發的幾種制冷循環。級聯循環在操作上是靈活的，因為每個制冷劑回路可以單獨控制，這避免了需要用制冷劑組合物追蹤進料組合物或接觸風險曲線。然而，級聯技術的缺點是與設備計數相關的資本投資相對較高。
設備數量與總投資成本之間的關系并不總是直接的。混合制冷劑（MR）循環涉及使用精心選擇的制冷劑混合物（通常是輕烴和 N 2 的混合物）連續冷卻天然氣流，可以模擬天然氣從環境到低溫的冷卻曲線。相關人員已經評估了基于單混合制冷劑（SMR）和雙混合制冷劑（DMR）循環的陸上液化技術。SMR 工藝除了降低設備計數外，還具有操作簡單和靈活性的好處。
然而，它比 DMR 循環的效率低，這更好地將整個混合制冷劑沸騰曲線與進料冷凝曲線相匹配。多種具有混合制冷劑的一個或兩個循環的雙級冷卻循環已經得到開發。 丙烷預冷混合制冷劑 （C 3 MR）循 環 是 應 用 最 廣 的 液 化 技 術， 與SMR 和基于膨脹機的系統相比，具有更有效的設備設計和更低的功率。與簡單的配置相比，這種修改的缺點是較高的工藝復雜性和更高的處理設備計數。
用于基礎設施的技術
大多數 LNG 裝置的基礎設施具有兩個或三個制冷回路，在較寬的溫度范圍內冷卻液化天然氣流。對于這些過程中的每一個過程，在過程的配置中存在若干選項，這些選項將影響容量和整體吸引力。過程中的這些變化來自特定的燃氣輪機驅動裝置和低溫換熱器。丙烷預冷混合制冷劑（C 3 MR）工藝。
這種液化循環由空氣產品和化學品公司（APCI）開發，由多級丙烷（C 3 ）預冷系統組成，接著使用氮氣、甲烷、乙烷和丙烷的 MR系統進行液化。APCI C 3 MR 工藝，其熱效率超過 93%，是專有的螺旋纏繞式熱交換器（SWWE）。使用并聯制冷劑壓縮機 / 驅動裝置來設計大于 5MtPy 的大容量裝置，雖然增加了設備的數量，但也減少了設備的規模，因此可以刺激設備供應商之間的競爭。
此外，LNG 裝置可以使用并行壓縮機流，有效性可高達 95%。優化的級聯工藝。優化的級聯過程，由康菲公司提供，使用多個丙烷、乙烯和甲烷制冷回路來平衡制冷負荷。這個過程圍繞著“兩裝置 合 一 ”（two-train-in-one）的概念來設計，以提高可靠性。最為顯著的特點是具有平行的壓縮線和 Frame 5 變速燃氣輪機。這將產生較高的有效性，且容易操作。混合流體級聯（MFC）過程。這項技術由 LIDE/StATORE 技術聯盟開發，是一個典型的級聯過程，通過三個獨立的 MR 循環，來預冷、液化和冷卻天然氣。與級聯相比，效率較高，因為 MRS 允許更接近溫度的方法。 然而， 在所有三個循環中，功率不同，與級聯過程不同。
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