液化天然气第三章天然气液化工艺-给

目录第一节天然气的液化流程第二节天然气液化流程的模拟第三节天然气液化装置第四节天然气液化关键设备制冷原理：等熵膨胀制冷（膨胀机）等焓膨胀制冷（节流阀）蒸汽压缩制冷绝热去磁制冷He3-He4稀释制冷脉冲管制冷辐射制冷热电制冷sPsdqdhvdpCpdTTdpdpsTTp0对于等熵过程所以气体等熵膨胀时温度总是降低的。区别于节流过程气体等熵膨胀时，可用表示其微分等熵效应。TdqTdTTdsCpvTpvPp1CpvTPsvTphv1vCpTpsPsTTp等焓节流：气体的微分等熵效应总是大于微分节流效应。因而对于同样的初参数和膨胀压力范围，等熵膨胀的温降比节流膨胀的要大的多。其差值就等于膨胀机的功耗等熵膨胀还可以回收膨胀功，因而可提高气体液化装置循环的经济性。这就是目前小型天然气液化装置中通常采用膨胀机制冷循环而不选用压缩气体的节流膨胀制冷循环的原因。TTPhvCpsh01CpTvsh第一节液化工艺流程以制冷方式分，可分为以下三种方式：级联式液化流程混合制冷剂液化流程带膨胀机的液化流程通常采用的是包括了上述各种液化流程中某些部分的不同组合的复合流程。天然气液化装置：由天然气预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统和消防系统等组成。液化流程是其最重要的组成部分。种类：①基本负荷型液化装置②调峰型液化装置③浮式液化天然气生产储卸装置(FPSO)20世纪60年代最早建设的天然气液化装置，采用当时技术成熟的级联式液化流程；到20世纪70年代又转而采用流程大为简化的混合制冷剂液化流程；20世纪80年代后新建与扩建的基本负荷型天然气液化装置，则几乎无例外地采用丙烷预冷混合制冷剂液化流程。目前，主要是膨胀制冷与混合制冷的混合使用。1、级联式液化流程级联式液化流程也被称为阶式(cascade)液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程，主要应用于基本负荷型天然气液化装置。该液化流程由三级独立制冷循环组成，制冷剂分别为丙烷、乙烯和甲烷。1、级联式液化流程1、级联式液化流程级联式液化流程的优点是：能耗低；制冷剂为纯物质，无配比问题；技术成熟，操作稳定。缺点是：机组多，流程复杂，初始投资大；附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备；管道与控制系统复杂。维护不便。2、混合制冷剂液化流程混合制冷剂液化流程(MRC：MixedRefrigerantCycle)是以C1至C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。MRC既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。自20世纪70年代以来，对于基本负荷型天然气液化装置，广泛采用了各种不同类型的混合制冷剂液化流程。2、混合制冷剂液化流程与级联式液化流程相比，其优点是：机组设备少、流程简单、投资省，投资费用比经典级联式液化流程约低15％～20％；管理方便；混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充。缺点是：能耗较高，比级联式液化流程高10％-20％左右；混合制冷剂的合理配比较困难；流程计算须提供各组分可靠的平衡数据与物性参数，计算困难。混合制冷剂液化流程分为：闭式混合制冷剂液化流程开式混合制冷剂液化流程丙烷预冷混合制冷剂液化流程CII液化流程闭式混合制冷剂液化流程闭式混合制冷剂液化流程（ClosedMixedRefrigerantCycle）的制冷剂循环和天然气液化过程分开，自成一个独立的制冷循环。在混合制冷剂液化流程的换热器中，提供冷量的混合工质的液体蒸发温度随组分的不同而不同，在换热器内的热交换过程是个变温过程．通过合理选择制冷剂，可使冷热流体间的换热温差保持比较低的水平。开式混合制冷剂液化流程开式混合制冷剂液化流程（OpenedMixedRefrigerantCycle）中天然气既是制冷剂，又是需要液化的对象。丙烷预冷混合制冷剂液化流程丙烷预冷混合制冷剂液化流程（C3/MRC：PropaneMixedRefrigerantCycle），结合了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，流程既高效又简单。所以自20世纪70年代以来，这类液化流程在基本负荷型天然气液化装置中得到了广泛的应用，目前世界上80％以上的基本负荷型天然气液化装置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。液化流程三部分：混合制冷剂循环；丙烷预冷循环；天然气液化回路。丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气。丙烷预冷循环混合制冷剂循环：APCI丙烷预冷天然气液化流程：在丙烷预冷循环中、从丙烷换热器来的高、中、低压的丙烷，用一个压缩机压缩，压缩后先用水进行预冷，然后经节流降温、降压后，为天然气和混合制冷剂提供冷量。CII液化流程法国燃气公司的研究部门开发了新型的混合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程(IntegralIncorporatedCascade)，简称为CII液化流程。代表NG液化技术的发展趋势，具有低成本、可靠性好、易于操作等优点。在上海建造的CII液化流程是我国第一座调峰型天然气液化装置中所采用的流程。CII液化流程的主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三个部分。整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循环两部分。CII流程具有如下特点：流程精简、设备少。CII液化流程出于降低设备投资和建设费用的考虑，简化了预冷制冷机组的设计。在流程中增加了分馏塔，将混合制冷剂分馏为重组分(以丁烷和戊烷为主)和轻组分(以氮、甲烷、乙烷为主)两部分、重组分冷却、节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合制冷剂；轻组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝、过冷天然气。冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器，体积小，便于安装。整体式冷箱结构紧凑，分为上下两部分天然气在冷箱内由环境温度却至-160℃左右液体。3、带膨胀机的液化流程带膨胀机液化流程(ExpanderCycle)是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程，气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机。当管路输来的进入装置的原料气与离开液化装置的商品气有“自由”压差时，液化过程就可能不要“从外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置的天然气液化。流程的关键设备是透平膨胀机。根据制冷剂的不同，可分为氮气膨胀液化流程和天然气膨胀液化流程。这类流程的优点：流程简单、调节灵活、工作可靠、易起动、易操作、维护方便；用天然气本身为工质时，省去专门生产、运输、储存制冷剂的费用；缺点：送入装置的气流须全部深度干燥；回流压力低．换热面积大，设备金属投入量大；受低压用户多少的限制；液化率低，如再循环，则再增加循环压缩机后，功耗大大增加。由于带膨胀机的液化流程操作比较简单，投资适中，特别适用于液化能力较小的调峰型天然气液化装置。1）天然气膨胀液化流程对于这类流程，为了能得到较大的液化量，在流程中增加了一台压缩机，这种流程称为带循环压缩机的天然气膨胀液化流程，其缺点是流程功耗大。上面所示的天然气直接膨胀液化流程属于开式循环，即高压的原料气经冷却、膨胀制冷与回收冷量后，低压天然气直接(或经增压达到所需的压力)作为商品气去配气管网。若将回收冷量后的低压天然气用压缩机增压后与原料气相同的压力后，返回至原料气中开始下一个循环，则这类循环属于闭式循环。2）氮气膨胀液化流程该液化流程由原料气液化回路和两级N2膨胀液化循环组成与混合制冷剂液化流程相比，氮气膨胀液化流程（N2Cycle）较为简化、紧凑，造价略低。起动快，热态起动1-2h即可获得满负荷产品，运行灵活，适应性强，易于操作和控制，安全性好，放空不会引起火灾或爆炸危险。制冷剂采用单组分气体。但其能耗要比混合制冷剂液化流程高40％左右。3）氮-甲烷膨胀液化流程为了降低膨胀机的功耗，采用N2-CH4混合气体代替纯N2，发展了N2-CH4膨胀液化流程，与混合制冷剂液化流程相比较，氮-甲烷膨胀液化流程有起动时间短、流程简单、控制容易、混合制冷剂测定及计算方便等优点。由于缩小了冷端换热温差，它比纯氮膨胀液化流程节省10％～20％的动力消耗。液化流程：由天然气液化系统与N2-CH4制冷系统两个各自独立的部分组成，其它膨胀液化流程带膨胀机的液化流程出入换热器的传热温差太大，从而使流程的用损很大，为了降低流程的用损，可采取以下措施：采用预冷方法、对制冷剂进行预冷。提高进入透平膨胀机气流的压力，并降低其温度：将带膨胀机液化流程与其它液化流程(例如混合制冷剂液化流程)结合起来使用。带丙烷预冷的天然气膨胀液化流程国外液化工艺的最新发展CII-2工艺原理流程图第二节天然气液化流程的模拟即对液化流程进行稳态的热力和物料衡算，确定液化流程各节点的热力参数以及液化流程的重要性能指标，既是对液化流程进行系统分析的重要手段，也是天然气液化流程参数优化分析的基础。模拟计算出的性能指标可以直观地反映出流程性能的好坏，其中功耗是一个重要的指标参数。工具：HYSYS软件是加拿大HYPROTECH公司开发的油气加工处理模拟软件，该软件可以解决大多数复杂问题，且使用方便。因其具有较高的精度和较强的功能而在国际范围内得到了广泛的应用。PROII：是SIMSIC公司开发的流程模拟软件。各个设备模块设计由设备入口的物流参数以及设备参数，通过物流衡算方程、热量衡算方程和设备约束方程，最终得到设备出口处的物流参数，这些物流参数包括流体的流量F、温度T、压力P、摩尔分率、焓值H和熵值S等基本热力参数。气液分离器模块物流混合器模块节流阀模块压缩机模块膨胀机模块多股流换热器模块气液分离器模块气液分离器是液化流程中的一个关键设备。流程中气液分离器分离出的液相冷却后，进入节流阀产生温降，为换热器提供冷量；分离出的气相，为后续流程提供制冷剂。调用气液闪蒸函数，计算出口状态两股流的气相和液相流量和各自的摩尔分数。调用焓、熵的计算程序，得到经气液分离后的气相和液相的焓、熵值。气液分离器F2,P2,T2,z2,H2,S2F3,P3,T3,z3,H3,S3F1,P1,T1,z1,H1,S1物流混合器模块液化天然气流程中，混合器作用是混合换热器中节流阀节流降温后的流体与后续流程返回的制冷剂，它有两方面的作用：①使制冷剂循环利用；②返回的制冷剂温度仍较低，可为高温级换热器提供冷量，从而使低温级低压制冷剂的冷量得到充分的利用。物流混合器F1,P1,T1,z1,H1,S1F2,P2,T2,z2,H2,S2F3,P3,T3,z3,H3,S3物流混合器模块1）据能量和物料平衡得到混合气出口状态的焓值和流量；2）求得出口物流的摩尔分数；3）调用（P，H）闪蒸程序，求解混合器出口温度；4）调用相平衡计算程序，得到出口状态的相应参数；5）计算出口状态下的熵值。节流阀模块该模块计算物流经节流阀后的热力参数。由于节流过程物流流速大、时间短，可认为是一等焓过程。根据等焓条件，利用闪蒸程序确定物流节流后的温度、气液相流量和焓、熵值。节流阀F1,P1,T1,z1,H1,S1F2,P2,T2,z2,H2,S21）物料平衡；2）调用闪蒸程序，求解节流阀出口温度；3）调用相平衡计算程序得到出口状态下的相应参数；4）计算出口状态下的熵值。压缩机模块天然气液化流程中所用的压缩机，从结构上可以分为离心式压缩机和轴流式压缩机。压缩机是液化流程中必不可少的设备。在流程中，它最重要的作用是压缩制冷剂，为后续流程中各节流阀降压、降温作准备。压缩机p