小型可移动式天然气液化装置研发

吴剑峰，孙兆虎中国科学院理化技术研究所2011年6月·北京小型可移动式天然气液化装置研发中国国际液化天然气大会2报告内容1、背景介绍2、技术现状和发展趋势3、主要进展4、今后的主要工作31、背景介绍1、背景介绍4广义“天然气”常规天然气非常规天然气大、中和小规模气田：量大、压力高、单井产量高、稳产期长分散型气井：压力较高、单井产量3-5万Nm3/天油田伴生气：压力较高、单井产量3-5万Nm3/天常规与非常规的划分：赋存状态主要是游离态----常规主要是吸附态----非常规煤层气：吸附在煤层中页岩气：吸附在页岩中1、背景介绍5中国的常规天然气资源总储藏量估算值：38×1012m3探明地质储量(至2001年)：30×1012m3主要集中在：四川、鄂尔多斯、塔里木、柴达木、松辽、准噶尔、土哈、琼东南、莺歌海、东海、渤海湾等11个(陆、海)盆地中。主要特点：陆上气田偏远大量不适合集中管输的分散气井远离陆地的海上气井相当数量的油田伴生气井……主要问题：贮存、运输、调峰……1、立项背景6中国的非常规天然气(煤层气)资源总贮藏量(2000米以浅)估算值：37×1012m3与常规天然气的资源量测算值（38×1012m3）相当，其中60%以上集中在华北地区。煤层气与天然气资源在地域上有良好的互补性，可以成为天然气的战略补充能源。地表井---单井产量低、稳产期短、分散、低压和不稳定井下抽采---不稳定和高含无效成份主要问题：贮存、运输和利用方案……主要特点：1、背景介绍7中国的非常规天然气(页岩气)资源总贮藏量估算值：26×1012m3主要分布区：四川、鄂尔多斯、吐哈、塔里木和准噶尔等合油气盆地主要问题：开釆技术贮存、运输……主要特点：贮藏地层深、复杂单井产量较小1、背景介绍8中国广义天然气资源特点：量虽较大，但以分散型为主！共性问题：采集、运输、贮存资源总储藏量估算值：约100×1012m3常规天然气：38×1012m3煤层气：37×1013m3页岩气：26×1012m31、背景介绍9天然气常规集输方式集中管输集中液化、LNG输运国际上目前的二大主要集输方式：常规技术观念：中国缺气中国的天然气资源状况资源特点开发初期的粗放阶段1、背景介绍分散型天然气/非常规天然气常规集输成本过高发展标准化的小型撬装液化装置就地液化、液体贮运是最高效和灵活的方案换一个思路：10煤层气开发利用的国家战略重点推动：先采气后采煤----地表井“油气重大专项”支持。大力鼓励：瓦斯气的就地利用----井下抽采主要问题：贮存、运输和利用方案……1、背景介绍气源压力低：接近大气压力，少数区块能达到0.2MPa；单井产量小：通常1000~2000m3/天，少数初期能达5000m3/天；产量不稳定：释放过程波动，稳产期短；气源分散：单井的抽采覆盖范围小，需多井在区域内分散抽采，等。煤层气与常规天然气的差异11中联煤山西沁南区块的例子30万方/天产量：300余口井分布在十余平方公里的山地中数十个集气增压子、分站支、干管网总计约百公里长主要问题：投资大、运行维护工作量大、能耗高容易造成部分井报废实际产量/产能较低1、背景介绍10余口典型井----对应1个集气子站以其为基础形成完整技术：多规格化，单套0.5-5.0万方/天可按实际产能变化柔性组合----柔性液化中心LNG槽车集运----虚拟管网为什么选择万方/天的？122、技术现状和发展趋势2、技术现状和发展趋势13制冷技术液化系统设备基本制冷原理压缩机、换热器基础加工工艺工程集成LNG储运制冷液化前处理工艺天然气液化技术2、技术现状和发展趋势：基本状况制冷技术液化工艺流程以制冷技术定名液化技术前处理工艺设备设计、制造技术核心14现有液化循环的技术经济特征比较循环效率技术复杂程度及可靠性一次投资成本复叠循环（Cascade）随着温度级数增加，效率增加多级复叠，多级节流，系统十分复杂，可靠性低高，系统部件多混合工质循环MRC高，优化混合物浓度系统简单，可靠性高低N2膨胀循环效率低，随着增加膨胀级数，效率有所提高流程较简单，但是膨胀机可靠性较差较高单级N2膨胀循环同单级纯工质节流循环一样不适合分布温度热负荷的冷却！！！除非采用多级膨胀方式，如同多级复叠节流循环一样。2、技术现状和发展趋势：基本状况15天然气液化技术状况各种形式的混合工质（H）MRC循环(N2)膨胀等其他循环形式年代195019601970198019902000新型复叠循环各种带预冷（H）MRC2010复叠循环（制冷）循环占有量（天然气液化分离技术）混合制冷剂制冷循环（MRC）液化流程已成为国际LNG工业绝对主流：目前正在运行的LNG工厂和新建项目，采用MRC和带预冷的MRC（新型复叠）循环技术分别占90％以上和100%，而且发展迅速。2、技术现状和发展趋势：应用状况162、技术现状和发展趋势：MRC技术近年来的发展进一步提高流程的热力学完善度基于现有基础制冷技术效率大幅提高，但流程、硬件更复杂两大主要出发点减化流程、减少设备基于基础制冷技术进步SMRCMRCC3MRCAP-X17LNG工厂按产量分类PlantTypeCapacity(MMscfd/mtpd)LNGfuelingstations0.5-10MiniLNG1-5LNGpeakshaving;flaregas5-20Small-scale1-10Medium-scale10-200Small-scalebaseload50-250Baseloadplants300-1,000*1MMSCFDequals1180Sm3/h.18国际上天然气液化装置的分类基本负荷型(Baseload)：LNG外运调峰型(Peaksaving)：配合管输调峰分散应用型应用方式分：从规模上分：大、中型小型微小型2、技术现状和发展趋势：国外技术状况国际上目前主流技术的集中点正处于发展初期19基本负荷型LNG装置单位能耗2、技术现状和发展趋势：国外技术发展状况约0.5kWh/m3约0.22kWh/m3100万方/天以内小型装置仍在0.4-0.6kWh/m3水平20国内天然气液化20世纪90年代，中科院低温中心采用膨胀机制冷实现天然气液化，该装置液化能力为300L/h前期几个LNG工程均采用国外技术上海调峰装置引进法国成套设备新疆广汇引进德国Linde公司成套设备近年建成若干集中式液化装置日液化量从数万至数十万方多数采用空分制冷的氮气膨胀制冷技术部分采用MRC技术总体来讲，我国在大中型天然气液化方面基础技术储备相当薄弱。大中型装置技术落后至少20年。2、技术现状和发展趋势2、技术现状和发展趋势：国内技术状况宣称比功耗0.35~0.6kWh/Nm3国内部分高校和科研单位：上海交通大学、哈尔滨工业大学以及中国科学院理化技术研究所等21小型、小型撬装针对分散型资源和特殊需求(如海上平台)的正在起步----正在成为热点。美国燃气研究所2003年：最大的2000万方/天研究装置(已转至BP)挪威SINTEF：最大2万方/天试验装置Sheel：正在筹划用于海上平台的10万方/天装置……机会：小型撬装数千~数万方/天级可移动装置适合中国资源特色及未来天然气深度开发尚未有可商业化供应的小型液化装置出现国际大型LNG公司尚未在这方面开展研究我们有研究基础，抓住时机能实现突破国内外技术状况对比及发展对策2、技术现状和发展趋势：现状与对策22现行MRC小型化的几个问题高压专用无油压缩机液化流程的复杂性多种以高压混合工质制冷循环为基础的技术（由于采用高压制冷循环，我们称之为HMRC）由于需要采用特殊制冷压缩机（目前国际上仅有少数厂商能生产）以及液化流程技术的限制仅适用于中、大型天然气液化装置。2、技术现状和发展趋势：现状与对策233、主要进展3、主要进展24总体思路：机理上“实现高效回热”，硬件用常规“普冷”制冷流程：分凝分离循环混合工质：分温区获取了优化的混合工质浓度配比系统控制：提出分级节流措施，实现制冷系统安全可靠工作显著优点：可在80-230K全温区（覆盖了LNG温区）高效、可靠地工作，可采用常规的油润滑空调压缩机（低成本）驱动。该技术可以高效地适合于从小到大各种规模的天然气/煤层气液化装置，整个装置紧凑，适宜撬装。制冷技术研究成果常规高压混合工质循环(HMRC)低压混合工质循环(LMRC)3、主要进展：制冷技术新型“深冷混合工质节流制冷技术”2006年度“国家技术发明二等奖”25制冷机与液化系统的最大差别：液化系统存在分布热负荷多元混合工质制冷系统实现高效率的本质机理：利用工质不同压力下的相变潜热差，通过工质组份和浓度设计使循环工质高、低压之间匹配，实现高效回热。分布负荷引入的新问题：不同分布负荷对制冷循环的影响煤层气：相对单一组份天然气：多组份且变化大低压混合工质制冷不同循环流程的适应性不同流程结构不同工质组成和配比3、主要进展：基础问题研究液化技术提出的新问题InternationalJournalofThermalSciences,2004,43(1)，等。26存在不同分布热负荷时此类制冷机的热力循环（液化循环）的优化途径，能够较为准确地确定出优化的压缩机工况、混合工质组成、配比和循环结构。低压混合制冷剂液化流程技术液化循环流程：应用分凝分离效应的气体低温液化分离系统制冷工质：配合不同循环流程结构的工质体系压缩机：油润滑单级压缩机(普遍空调制冷用)多个授权和已申请专利3、主要进展：基础问题研究27CoilVVDH=10–15mm制冷系统换热器侧传热负荷比传统高压混合工质大近3倍！冷箱尺寸：按传统液化技术设计万方级冷箱均在20米以上高度3、主要进展：基础问题研究“低压混合工质制冷”引入的新问题28新型冷箱换热器：微细管道较大倾角绕制传统液化技术冷箱换热器：较大管径小于5度绕管倾角相对规整通道----传热与流动兼顾3、主要进展：基础问题研究冷箱换热器的改进方法以规整园柱绕流来尽量减小流动阻力基本出发点：29不同换热器形式优化结合的高效紧凑的冷箱结构，显著减小了冷箱尺寸和造价3、主要进展：基础问题研究两相流动不均匀性对多元混合工质制冷系统的影响更大----除与传统单组份流换热器相同问题外，更重要的是对循环浓度的更大影响。改善两相流动不均匀性方法传统高压MRC的主要解决方法：牺牲压降结合分配影响两相流动均匀性分配的主要因素：气液比：不同气液比分配难度差别很大适当的均化措施结合不同分配形式和分配器结构上升通道内最低流速：偏相和累积拥塞！变截面积通道等两相流动特性30整体撬装式煤层气液化装置研制煤层气液化处理能力：15000Nm3/天（入口压力.8-1.2MPa）低压混合制冷剂液化流程新型冷箱换热器及结构油润滑螺杆空调压缩机整体撬装结构全风冷……包括冷箱在内液化单元装置整套设备运输状态的布置总图尺寸（长×宽×高）：10×2.5×2.4（米）3、主要进展：实际装置31液化流程示意图3、主要进展：实际装置32车载压缩机设备单元照片含主冷、预冷两套压缩机以及各自空冷器和预冷换热器3、主要进展：实际装置33冷箱的设计、加工和组建工作立式冷箱3、主要进展：实际装置34甲烷循环气系统设计、加工和组建液体稳定罐螺杆增压机稳压罐冷箱冷箱汽化器节流阀流量计精滤油备注：增压压缩机采用变频调速器变频控制尾气入口冷凝器调节阀电磁阀循环气系统流程图3、主要进展：实际装置35循环气增压机组汽化器甲烷循环气系统设计、加工和组建3、主要进展：实际装置36整套液化实验系统的管路连接设备间管路连接3、主要进展：实际装置37采集系统制作液化系统数据显示界面循环气系统数据显示界面3、主要进展：实际装置3838初始温度32℃左右时，经过40分钟后，出LNG。开机灵活，降温速度快！1万方/天撬装液化装置降温曲线图051015202530354045505560-160-140-120-100-80-60-40-200204060T/degCTime/minPhPlLNG液化性能测试研究3、主要进展：实际装置