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液化天然气的工艺流程毕业论文
液化天然气的工艺流程毕业论文
前言
2004年我国建成投运了目前国内规模最大的基本负荷型液化天然气（LNG）工厂，曰处理天然气150万m3，LNG年产量约为43万吨。
该工厂由德国Linde公司提供天然气处理和液化技术，由德国TractebelGasEnginering（TGE）公司提供LNG的储存和灌装配送技术。
工厂的原料气来自附近土哈丘东采油厂的油气田。
生产的LNG灌装在集装箱罐中，通过公路运输到各个接收站，然后，LNG被汽化并经过较短的管线输送给工业和民用客户。
本文对该工厂的工艺流程进行技术分析，以期对国内液化天然气工厂的设计提供一些有益的借鉴。
第一章工厂设计数据
1.1工厂产能及储运要求
工厂为基本负荷型液化天然气生产工厂，每年连续运行时间8000h，液化能力54t／h，操作弹性50％～100％。
LNG储罐容积为30000m3，能满足10天产量的储存。
LNG配送灌装系统每天连续14h灌装100个集装箱罐，其中90％公路运输,。
1.2原料气条件及产品规格
通过管道输送来的原料气来自附近的油气田，原料气组成见表1。
原料气压力范围0.7～1.1MPa，设计压力是O．7MPa，温度范围-15℃～40℃，设计温度是28℃，原料气中水含量（露点）正常为-42℃，最大-10℃。
LNG产品规格见表2，储罐压力0.01MPa，温度为-163℃，在设计的原料气组成下，LNG在162.3℃时液相密度约为486.3kg／m3。
1.3现场环境条件
LNG工厂现场环境条件见表3。
第二章工厂技术分析
基本负荷型日产150万m3LNG液化天然气工厂包括天然气预处理和天然气液化、液化天然气储存和液化天然气配送系统。
从油田来的原料气压力约O．7MPa，用原料气压缩机增压后，采用单乙醇胺（MEA）吸收二氧化碳、分子筛吸附水分，净化后的天然气采用混合冷剂循环致冷（MRC）工艺进行液化，这也是我厂唯一的化学反应，其余都是物理状态的变化，液化的天然气送至LNG储
表1原料气组成
组分
摩尔分数（设计组成）
N2
3.81
CH4
81.02
C2H6
9.99
C3H8
4.10
C4H10
O．93
i&n-C5
O．05
C6+
<0.0021
CO2
O．10
H2+S
0.28+3.2mg／m3
Hg
Nil
表2LNG产品规格
组分
摩尔分数
N2
0.8（最高1.0）
CH4
82.4
C2H6
11.1
C3H8
416
CO2
<50X10-6
H2O
<1X106
其它
1.1
表3LNG工厂现场环境条件
项目
数值
大气压
/MPa
年平均值
0.09972
最大值
0.10096
最小值
0.09418
环境温度
／℃
平均最高
37.1
平均最低
-15.1
设计温度（工艺）／℃
30
最大降雪深度/mm
180
设计降雪负荷（KN/m2）
250
现场海拔（黄海海程）/m
790
相对温度
年平均
43%
年最大
61%
最大风速（m/s）
34
地震强度
中国标准七级
罐贮存。
混合冷剂主要由氮、甲烷、乙烯、丙烷和戊烷组成，混合冷剂压缩机由燃气轮机驱动，燃气轮机的燃料主要来自储罐中的闪蒸气。
天然气与冷剂进行热交换的冷箱采用Linde独特的缠绕管式换热器。
成品贮存在由TGE设计的30000m3单包容式常压双壁金属罐内。
LNG由罐内液下泵提升送至各装料臂进行集装箱罐的装料。
第三章工艺系统
3.1天然气预处理
从工厂原料气组成可以看出，汞、硫化氢和芳烃的含量已满足净化要求。
因此本装置只考虑脱二氧化碳和水。
按现有的原料气条件，从天然气中去除二氧化碳采用了化学洗涤方法。
MEA洗涤工艺系成熟工艺，不需专利许可费，价廉而可靠，本装置采用了12％（质量浓度）MEA作为洗涤溶剂。
脱水采用分子筛吸附，因为这种方法具有吸附能力强、低水气分压下的高吸附特性等优点，并可同时脱除残余酸性气。
从界区来的低压天然气（原料气）先经原料气过滤分离器除去液滴、固体颗粒，然后经原料气压缩机I级压缩，之后经级间空冷器降温到约40"C，再经级间气液分离器将冷凝水分离出后，经压缩机II级、级间空冷器、级间分离器分别压缩、冷却、分离后，进入二氧化碳洗涤塔，将二氧化碳含量从O．1摩尔分数降低到50×10*体积分数，经分离器后进入压缩机III级压缩，在冷却和分离冷凝水后，去干燥脱水单元。
由于原料气压力太低，为了有效地液化，需要提高天然气的压力，以同时满足二氧化碳洗涤单元和分子筛脱水系统对操作压力的要求。
装置所在厂址系干旱地区，为节省水资源，几乎所有冷却都采用空气冷却，不设置循环冷却水系统。
为了去除原料气内的汞，在原料气压缩机I级下游设计了1个汞吸附器单元，其中包括1个汞吸附器和1台下游过滤器。
下游过滤器用于防止分子筛粉尘进入原料气管线。
原料气从MEA洗涤塔的底部进入，从下向上经过浮阀式塔板，与逆向流动的贫胺溶液接触，贫胺溶液吸收酸性气体，二氧化碳与溶剂中的弱碱反应生成弱键连接的碳酸盐。
在塔顶部，净化气体通过4块附加的塔板，以水洗的方法将其携带的溶剂回收。
由塔顶出来的净化天然气，含有50×10书的二氧化碳和40"C的饱和水。
从洗涤塔底部出来的富胺液回到汽提塔再生。
通过导热油加热和空冷器冷却，二氧化碳被分离，提纯后的贫胺溶液返回洗涤塔。
为减少汽提塔顶部的酸性气体中的姬A含量，塔顶部设置了水洗段乙出塔顶的酸性气体经过空冷器冷却，气体和凝液在凝液罐中分离，酸性气体送至火炬系统排放。
MEA洗涤单元的操作对污染非常敏感，试车前必须用精制水、钾盐溶液和一定比例的MEA溶液依次对系统进行彻底冲洗，以除去油或脂类，避免运行中出现“发泡”现象。
MEA的循环流量必须根据工厂的负荷变化调整，以保持合格的二氧化碳浓度。
MEA的浓度、水平衡、热平衡、塔的压力降和温度都是控制的要点。
泡沫会减少气相与液相之间的接触，从而降低吸收效率，造成二氧化碳超标。
泡沫可能因洗涤液中的固体颗粒和其它杂质造成。
通过机械方式过滤溶液大大减少起泡沫的可能性。
因此设置了可调节流量的侧流过滤器，同时有消泡剂注入设施。
增压单元的冷凝水被送到洗涤单元，以减少公用工程来的补充水。
在线分析仪检查二氧化碳含量，并通过实验室分析来确认在线测量仪的结果。
干燥器为两床吸附单元，循环周期为8h。
天然气在一台吸附器中向下流动，所带的水分被吸附剂吸附，降至在液化单元不结冰的程度。
在此期间另一台吸附器则用再生气体（压缩的LNG储罐闪蒸气）加热及冷却。
再生气体通过换热器由导热油加热，用于再生后由空冷器冷却，然后经再生气分离罐进行气液分离，气体做燃气透平机组的燃料。
两台吸附器由程序控制进行周期性切换操作，吸附和再生的操作压力不同，所以需要一个缓慢的升压或降压过程。
吸附剂的预计寿命最短约为3年。
通过在线分析仪检查水含量，并通过实验室分析来确认在线水测量仪的结果。
在允许气体进入液化单元前，水含量应低于0．5×10书。
加热初期及冷却末期对再生气体的需要量会发生变化，去燃气透平机组的燃料气的压力控制就显得很重要。
3.2天然气的液化及混合冷剂系统
3.2.1天然气的液化
天然气的液化采用Linde公司先进的混合冷剂循环（MRc）技术，其特点是用1种混合冷剂代替多种单冷剂的分别压缩循环，压缩设备少，仅用l台压缩机组，并对冷凝、分离和膨胀的级数进行了工艺优化。
通过预处理系统，天然气中的二氧化碳和水的含量达标后，天然气进入工艺冷区，冷区由集成在1个壳中的3个螺旋缠绕式换热器和几个气液分离器组成。
天然气首先在预冷器中预冷却（原料气仅仅接近液化条件），并在原料气重烃分离器中除去可能存在的重烃组分：
然后依次进入液化器冷凝和过冷器过冷到一155~C。
过冷器温度由通过调节用作燃气透平机组运行所需的燃料气的储罐闪蒸气量来控制的。
液化的冷量由多组分混合冷剂的循环提供，混合冷剂由氮、甲烷、乙烯、丙烷和戊烷组成。
天然气流量调节的原则是给装置输送尽可能多的天然气，以便通过MRC提供的冷量进行液化。
但是实际上没有那么多的原料气而是根据压缩机一段的压力和压缩机的负荷来调节LNG的进气量。
在天然气经过节流膨胀阀进入LNG储罐之前，天然气流量是根据此阀后的液化天然气的温度（做为LNG正确液化的衡量尺度）来进行调节的，因此，这个膨胀阀就成为输送到装置中的天然气的间接流量控制器。
通过调节该阀，就可以改变LNG储罐中闪蒸气的量。
这样，天然气的输入流量与液化量之间有了平衡的控制。
3.2.2冷剂循环
冷剂从冷箱壳程侧下部排出，其温度稍高于饱和状态的温度。
冷剂首先通过压缩机I级入口分离器，然后经冷剂循环压缩机I级压缩，再经空冷器冷却，部分气体被冷凝。
气体和液体一起进入压缩机II级进口分离罐中分离，循环气在压缩机II级进一步压缩：
分离出的液体由MRC泵送到循环压缩机II级出口空冷器的进口，与II级出口气体混合。
经空冷器冷却后，气体和凝液在循环压缩机III级入口分离器中分离。
分离出的气体经III级压缩后，经空冷器冷却，重组分被冷凝，气液在循环高压分离罐中分离。
此罐同时用作循环冷剂重组分的缓冲罐。
循环高压分离罐的液体流入III级入口分离器，全部的液态烃流入预冷器预冷，然后经．卜T阀节流膨胀后，为天然气的预冷提供冷量。
从循环高压分离罐出来的循环气在预冷器中也被冷却到相同的温度，部分冷凝后进入到MRC分离器，从该分离器出来的液体在液化器中冷却，然后经J—T阀膨胀后用来为液化器提供冷量。
而分离出来的气体则在液化器中冷凝，在过冷器中过冷，并经J-T阀之后为天然气的过冷提供最终冷量。
膨胀后的循环气流，在低温螺旋缠绕管式换热器的预冷器、液化器和过冷器共用壳程中复热，经I级入口分离器返回到循环压缩机I级吸入侧。
3.2.3冷剂贮存和补充
为补充循环压缩机的气体密封系统造成的冷剂系统循环气体的损失，设有冷剂补充配置系统。
冷剂各组分的补充量根据冷剂在线组成分析测量数据、冷区的温度情况进行调整，并经计量加入系统。
填充时应避免冷剂的填充量过多而超出设计值，实际填充量要依据实际的管线和设备的体积值进行重新计算，以对理论设计量进行校正。
每一个填充步骤完成后，都必须确认气体的组分状态。
3.3液化天然气储存及灌装系统
LNG自液化装置进入LNG低温储罐，进罐管线从储罐顶部进入储罐。
进料可以注入储罐上部，也可以注入储罐下部，或采用上部和液下同时进行的方式。
上或下进料由操作员根据储罐内的液体密度和温度条件而定。
保证进罐LNG和储罐内LNG能够充分地混合，避免储罐内液相产生分层，防止“翻滚”现象发生，保证低温储罐运行的稳定性和安全性。
储罐设置了液位、压力和温度测量仪表，储罐的保护系统经安全控制系统与DCS相接。
储罐发生高液位或高压力时，储罐的进料阀会自动关闭。
LNG储罐的不同液位高度，不仅布置了温度计，还配置了密度计来监测，防止液体在储罐内可能发生的“翻滚”现象。
LNG储罐内装备两台立式离心潜液泵（其中1台备用），通过泵筒安装于储罐底部。
LNG泵处于连续运转状态，并通过泵上的回流管线，将储罐内的LNG从储罐进液管线重新注入储罐内，起到循环、混合储罐内LNG的作用，减小LNG分层现象的发生：
同时保持储罐内外工艺管线始终处于冷却状态，便于工艺操作的正常运行。
LNG经低温储罐内的LNG泵输送至LNG汽车、低温集装箱罐，气相返回线与储罐内气相空间相连通，以平衡装车时汽车罐车和集装箱罐内的压力，提高装车速度和液相充满率。
在非装车时间，通过储罐和装车设施之间的LNG循环管道，保持装车设备和管道的冷却，有利于装车设施在装车时迅速启动。
低温储罐由于与外界交换热量、储罐内LNG泵散热、LNG装载和储罐内LNG的自然对流等原因而产生的蒸发气体以及因装车设施闪蒸、置换产生的蒸发气体，由闪蒸气压缩机处理，用做再生气和燃气透平机组的燃料气。
同时为了控制储罐在运行时因操作事故、外界环境变化和储罐内蒸气压变化等原因而产生的正、负压，储罐配有泄放去火炬系统的压力控制阀和排放去大气的安全阀。
为防止储罐负压，还设置了真空阀。
在正常运行或紧急事故状态下，自LNG储罐、天然气净化、液化装置和装车设施来的放空气体，经集液罐进入火炬燃烧。
LNG工厂生产时，以11lm3／h的流量将LNG连续送入储罐。
储罐内安装了两台LNG液下泵，每台设计流量320m3／h，一开一备，用于泵送灌装。
液下泵安置于罐内泵柱上，配有底阀。
每台泵设有返回到罐内的回流管线，在停止灌装时可用来维持泵的最小流量。
至汽车罐车和集装箱罐灌装站的灌装线，始终由少量的LNG进行循环以维持系统的冷态。
汽车罐车经过地磅称重、计量后驶到灌装点，罐车上的气液接口与灌装臂的气液接口手工连接。
开始时，LNG进入温度较高的罐车立刻汽化，产生的气体经灌装臂气相回流管返回到储罐中。
冷罐后，灌装流量可增加到最大值。
累计流量达到设定值时，控制阀切断，自动停止灌装。
罐车与灌装臂手工卸开，经地磅称量后，罐车驶离站区。
集装箱罐的灌装系统的操作程序与汽车罐车相同。
两者差异仅在于，汽车罐车为自身移动，集装箱罐在灌装区内采用平板拖车作为移动工具。
灌装后，汽车罐车随车运出厂外，集装箱罐由平板拖车运至位于厂内的铁路线旁，由龙门吊将集装箱就位至火车各车皮上。
1个汽车罐车或集装箱罐的灌装全过程大约需112h，灌装站的设计能力为16h内灌装完容积40m3的汽车罐车或集装箱罐100个。
灌装站由6个集装箱罐灌装臂、3个汽车罐车灌装臂和1个机动罐车灌装软管组成。
3.4燃料气系统
LNG储罐的闪蒸气经闪蒸气压缩机压缩、空冷器冷却，做为干燥单元的再生气，最后送至燃气透平机组作为燃料气。
为保证燃料气压力，从原料气压缩机II级之后引出一股气体作为补充的燃料气。
3.5导热油系统
导热油系统向装置提供两个温度级别的工艺热量。
导热油在系统内保持稳定流动。
流经两个循环系统：
1个中温循环系统和1个高温循环系统。
热量由安装在燃气透平机组废气排放烟囱内的热油加热器（废热回收系统）提供。
为保证冬季正常启动，导热油系统有电伴热设施。
为充分利用液化天然气储罐的闪蒸气，利用闪蒸气作为干燥单元的再生气和燃气透平机组的燃料，由燃气透平机组来驱动循环冷冻压缩机。
干燥单元的热源和脱二氧化碳单元的热源是燃气透平机组排放的尾气余热，故不设蒸汽系统。
由于投资控制以及目前尚无能量回收的用户，现有燃气透平机组排放尾气不设能量回收装置，但部分利用了尾气的余热，即回收了部分能量。
3.6火炬系统
设有两个火炬系统，热火炬系统处理暖气体，冷火炬系统处理冷流体。
采用在线自动点火系统，当火炬有排放燃气时，自动点燃，火炬点燃后长明灯熄灭。
这套带有流量计算机的控制系统可自动记录火炬的排放量、长明灯的燃料量和密封气体的用气量。
可对整个火炬系统提供具体可靠的数据。
火炬地点及高度要考虑燃烧时热辐射的影响、允许热辐射值的取值以及允许的压
力降。
第四章主要设备
工厂的关键设备主要有冷箱、大型低温储罐、低温泵、离心式压缩机、往复式压缩机和燃气透平机组。
这些设备及LNG储罐的低温材料都使用引进产品。
其它大部分设备、材料立足于国内供应。
4.1冷箱
使用了Linde公司设计制造的缠绕管式换热器。
多层小直径的铝合金管缠绕于一管柱上，作为管程：
出管程的众多的管子与管板相焊。
物流出管板后就进入壳程，而多台换热器则采用1个共用的外壳作为壳程，立式状似一塔设备，故也称之为“冷塔”。
冷塔总高约为40000mm，从工艺功能上分为预冷、液化和过冷3段。
各段高度／内径分别为13470／2550、15540／2550和11305／1600mm，做为超限设备，3段运至现场后拼焊成一体。
4.2液化天然气储罐
考虑本液化天然气工厂处理天然气的能力及液化产品量，依据国内外成熟的LNG低温储存技术、本项目的储存要求和特点以及厂址的地理环境，采用了常压低温、吊顶双壁单包容金属罐，降低了投资。
在适用规范方面，除必须满足国内基本防火规范外，主要采用了美国NFPA259A液化天然气（LNG）生产、贮存和装运标准。
LNG储罐采用了APl26202Q标准，贮存容量：
30000m3；设计压力：
一5×104／150×104MPa（-5／150mbar）：
设计温度：
-165~C／50~C：
外形尺寸：
41000mm×24200mm（内罐），43500mm×27000mm（外罐）：
材料：
ASTMA553I（内罐），16MnDR（外罐）：
保温材料：
泡沫玻璃砖（罐底）、珍珠岩混凝土（承重圈）、珍珠岩（罐壁）和矿物棉（吊顶）。
结束语
目前，国内对LNG相关技术的掌握取得了长足的进步，但与国外相比仍有很大差距，主要是对液化技术和大型低温储罐以及相羌设备的掌握。
天然气液化技术本身并不复杂，国内也可以通过流程模拟软件进行比较准确的计算，但进行工业规模化、全流程的设计仍有许多困难，加强对全流程的工艺控制理解和对设备性能的了解，使工艺流程、设备选型和过程控制技术三者很好地结合，也许是提高工艺流程设计水平的关键。
参考文献
[1]敬加强、梁光川、蒋宏业.液化天然气技术问答.化学工业出版社
[2]郭揆常.液化天然气（LNG）应用与安全.中国石化出版社
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