CN101787314A - 紧凑式天然气液化浮式生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效紧凑式天然气液化浮式生产工艺，属于化工与低温技术领域。采用模块化设计，液化流程由丙烷预冷循环、双氮气膨胀制冷循环、天然气脱重烃、液化管路组成，其中，丙烷循环用于预冷天然气和氮气制冷剂，双氮气膨胀制冷循环用于深冷和液化天然气，重烃分离是利用液化过程中的冷量实现的。本发明适用于海上液化天然气的生产，具有防止船体晃动对液化工艺影响的性能。

Description

紧凑式天然气液化浮式生产工艺
技术领域
本发明涉及一种液化天然气(LNG)的生产工艺，特别是，通过利用液化过程中的冷量实现重烃分离和液化工艺的模块化设计，同时通过采用丙烷预冷的双氮膨胀设计及流程运行参数的优化，提高了工艺的效率、处理能力及海上适应性，较好地适用于海洋环境LNG生产。
背景技术
我国近海天然气资源丰富，总地质资源量约为5.9万亿立方米。然而，我国海上天然气资源分散，广泛分布于珠江口盆地、莺歌海盆地、琼东南盆地、东海陆架盆地和渤海湾盆地，且其中相当一部分为深海气田、边际小气田和低品味天然气资源。对于这些气源，若采用传统的海洋固定平台或者海底管道等方式，多数气田则会因成本或技术限制而无法投入开采。采用液化天然气浮式生产储卸装置(LNG-FPSO)，可以根据海上天然气田的生产状况灵活配置，在船上液化天然气，再运至目的地，具有便于迁移、可重复使用、生产效率高等优点，这对促进我国海域尤其是深海气田、小型气田开发，充分利用油气资源具有重要意义。
作为LNG-FPSO的核心之一，液化工艺的设计将对工程的基建成本、运行费用、运行可靠性及安全性产生很大的影响。同时，由于海上作业的特殊环境，对工艺方案提出了如下要求：(1)流程简单、设备紧凑、占地少、满足海上的安装需要；(2)液化流程对不同产地的天然气适应性要强，热效率要高；(3)安全可靠，船体的运动不会明显地影响其性能。(4)在面临恶劣天气时能快速停机，移动至另一生产位置后能迅速开机；(5)生产自动化程度高，装置运行可靠性强。在天然气被液化前，要把重烃脱除掉，否则，重烃可能冻结而堵塞设备。在陆上液化天然气厂中，重烃一般是在预处理工艺中采用蒸馏法进行预脱除，而且为了回收液化石油气(LPG)，一般采用脱乙烷塔和液化气塔来实现，余下少量的重烃通常在低温区中的一个或多个分离器中去除，但蒸馏塔的流程复杂、占地面积大而且不易安装，海上适用性较差。因此，陆上的现有天然气液化流程一般不能直接用于LNG-FPSO中，液化天然气的浮式生产作为一种新技术，目前国内外鲜见相关的报道，更没有真正实施的海上LNG生产项目。
发明内容
为克服已有天然气液化技术海上适用性较差及常规氮膨胀工艺处理能力小、效率低的缺陷，本发明的目的是提出一种紧凑式天然气液化浮式生产工艺，通过利用液化过程中的冷量实现重烃分离、液化工艺的模块化设计及流程运行参数的优化，能很好地适用于海洋环境的LNG生产。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：利用两个分离器和一个精馏塔实现重烃分离，分离装置完全在液化单元中，可充分利用液化过程中的冷量，分离出的重烃进罐储存，待运到陆上后再进行凝液稳定处理，具体是由海底采出的天然气首先进入预处理单元，去除其中的泥沙、水、酸性气体、汞、苯等杂质后进入液化单元，液化单元由丙烷预冷循环、氮气膨胀制冷循环、天然气脱重烃、液化管路组成。
在丙烷预冷循环中，丙烷经压缩机增压至1.6MPa左右，经水冷却器带走部分热量使丙烷全部液化，再经过节流阀温度降为-36℃，用来预冷天然气和氮气制冷剂。
在氮膨胀制冷循环中，高压氮气在换热冷箱中被丙烷预冷至-33℃后分为两股，一股直接进入膨胀机膨胀，另一股进入换热冷箱被低压氮气进一步预冷至-85℃后进入膨胀机膨胀，膨胀后的两股低压氮气返流分别冷却高压氮气制冷剂和天然气，然后依次经过膨胀机增压器和氮气压缩机压缩至8MPa，每级压缩后都由水冷器冷却，压缩后的两股高压氮气混合后进入换热冷箱被丙烷预冷，开始下一轮循环。
在天然气脱重烃和液化管路中，预处理后的天然气在换热冷箱中被丙烷预冷到-30℃后进入重烃分离单元。在重烃分离单元中，天然气进入一级分离器进行气液分离，分离后液体直接进入精馏塔中部，气体进入换热冷箱被低压氮气进一步冷却至-65℃后进入分离器进行气液分离，分离后液体直接进入精馏塔顶部，气体进入换热冷箱被低压氮气进一步冷却至-151℃使之全部液化并过冷，再经节流阀节流降温至-160℃，其中约7％的液体气化，气液混合物进入LNG缓冲罐进行气液分离，分离后液体进入LNG储罐储存，气体从缓冲灌顶排出后可作为天然气冷却法脱水的冷源，复热后可作为预处理***中吸收塔的再生气，最后进入燃料气管网作为燃料或发电使用。精馏塔底部产品经节流阀降压至1.0MPa，然后经水冷器换热至35℃进入LPG缓冲罐进行气液分离，分离后气体可作为燃料使用，液体进入LPG储罐储存，该LPG产品含有较多的C5以上组分，需经陆上设施进一步处理才能作为合格的产品。
根据本流程的特点，把液化工艺分为换热冷箱模块、重烃分离模块、流体动力模块和产品储存等四个模块进行设计。
此流程是在现有氮膨胀制冷循环工艺的基础上，采用丙烷预冷的双氮膨胀设计并利用根据能量消耗最低为目标对流程中氮气高压压力、氮气低压压力、氮气膨胀前温度、天然气节流前温度等参数进行了必选，提高了氮膨胀工艺的处理能力及效率，本工艺的处理能力可达到300万吨/年，液化率93％，比功耗为0.42kWh/Nm3，远优于普通的氮气膨胀液化工艺。
为保证装置在晃动条件下安全可靠的运行，对设备的选型及安装提出了以下要求：流程中所需氮气压缩机的压比较大，推荐选用离心式压缩机，而且结构紧凑、质量轻、占地面积小、运行平稳，适用于海洋环境；流程中氮气循环量较大，膨胀机推荐选用透平膨胀机，而且尺寸小、工作稳定，对海上工况的适应性较好；板翅式换热器结构紧凑、性能稳定，是目前液化天然气厂普遍使用的一种换热器。分离器应该安装在船体的中轴线上，以减少船体晃动对分离效果的影响。
本发明的有益效果是：采用丙烷预冷的双氮膨胀设计，重烃分离单元充分的利用了液化过程中的冷量实现重烃分离、液化工艺的模块化设计及流程运行参数的优化，减少了预处理单元的负荷。其中，水冷器可以利用海水进行冷却循环。液化工艺的模块化设计可以使设备紧凑，便于安装。液化单元中主循环为氮循环，氮气可以通过氮气发生器制取，不需要储存，而且各***之间的安全距离可以适当缩短，使占地面积减少；而且循环中氮气始终处于气相，几乎不受船体运动的影响，而且氮膨胀循环流程与使用易燃制冷剂技术的流程更加安全；由于流程阀件少、设备少，而且为单一制冷剂，减少了很多辅助设备的启动时间，不需要制冷剂配比等操作，控制简单而且开车、停车迅速。丙烷预冷循环可以有效地利用丙烷汽化潜热，降低流程的能耗。较好的解决现有液化技术海上适用性较差及常规氮膨胀工艺处理能力小、效率低的缺陷。该流程对天然气的组成、温度、压力等条件不敏感，比功耗、液化率等技术指标均符合要求。
附图说明
图1是本发明的液化工艺流程图。
图2是液化工艺的换热冷箱模块示意图。
图3是液化工艺的重烃分离模块示意图。
图4是液化工艺的流体动力模块示意图。
图5是液化工艺的产品储存模块示意图。
图中，1-第一换热冷箱，2-第二换热冷箱，3-第三换热冷箱，4-第四换热冷箱，5-LNG节流阀，6-LNG缓冲罐，7-LNG储罐，8-丙烷一级压缩机，9-第一水冷器，10-丙烷二级压缩机，11-第二水冷器，12-丙烷节流阀，13-高温氮循环膨胀机增压器，14-低温氮循环膨胀机增压器，15-第三水冷器，16-第四水冷器，17-高温氮循环一级压缩机，18-低温氮循环一级压缩机，19-第五水冷器，20-第六水冷器，21-高温氮循环二级膨胀机，22-低温氮循环二级膨胀机，23-第七水冷器，24-第八水冷器，25-氮混合器，26-氮分流器，27-高温氮循环膨胀机，28-低温氮循环膨胀机，29-第一分离器，30-第二分离器，31-精馏塔，32-天然气混合器，33-重烃节流阀，34-第九水冷器，35-LPG缓冲罐，36-LPG储罐，51～59-天然气物流，60～61-丙烷物流，62～70-氮气物流。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
如图1所示，假定预处理后的天然气压力为5.0MPa，温度为34.5℃，液化流程由丙烷预冷循环、双氮气胀制冷循环、天然气脱重烃、液化管路组成。
在丙烷预冷循环中，丙烷由丙烷压缩机8、10压缩至1.6MPa，每级压缩后都经过水冷器9、11冷却到35℃，丙烷全部液化，再经过丙烷节流阀12降压至0.13MPa，温度降至-36℃，此时丙烷为气液两相，进入换热冷箱1预冷天然气和氮气制冷剂。
在氮膨胀制冷循环中，高压氮气经换热冷箱1预冷至-33℃后被氮分流器26分为两股，一股直接经氮气膨胀机27膨胀并向膨胀机增压器13输出轴功，压力降为1.1MPa，温度降为-122.0℃，然后依次进入换热冷箱3、2、1，用来冷却天然气和另一股氮气，复热后依次经膨胀机增压器13和氮气压缩机17、21压缩至8.0MPa，每级压缩后都经过水冷器15、19、23冷却到35℃；另一股氮气进入换热冷箱2被预冷至-65℃，进入换热冷箱3被冷却到-85℃，再经过氮气膨胀机28膨胀并向膨胀机增压器14输出轴功，压力降为1.4MPa，温度降为-156℃，依次返回换热冷箱4、3、2、1温度升至30℃，然后依次经膨胀机增压器14、氮气压缩机18、22压缩至8.0MPa，每级压缩后都经过水冷器16、20、24冷却到35℃，两股高压的氮气经混合气25混合后进入换热冷箱1预冷。
在天然气脱重烃、液化管路中，预处理后的天然气经换热冷箱1被预冷到-30℃，然后进入分离器29进行一级分离，分离出的液相做为精馏塔31的中部进料，分离出的气相进入换热冷箱2冷却到-65℃，然后进入分离器30进行二级分离，分离出的液相做为精馏塔31的顶部进料，精馏塔31底部产品经节流阀33降压至1.0MPa，然后经水冷器34换热至35℃进入LPG缓冲罐35，分离出的气体可作为燃料使用，分离出的液相进入LPG储罐36，该LPG产品含有较多的C5以上组分，需经陆上设施进一步处理才能作为合格的产品；分离器30分离出的气相与精馏塔31的顶部产品经混合器32混合后依次进入换热冷箱3、4冷却至-151℃使之全部液化并过冷，再经节流阀5节流降温至-160℃，其中约7％的液体气化，气液混合物进入LNG缓冲罐6，分离出的液相进入LNG储罐7储存，分离出的气相从灌顶排出后可作为天然气冷却法脱水的冷源，复热后可作为预处理***中吸收塔的再生气，最后进入燃料气管网作为燃料或发电使用。
图2为液化工艺的换热冷箱模块示意图，其中51～52、53～54、55～56分别为天然气作为热源在换热冷箱中的液化过程，60～61为丙烷制冷剂节流后作为冷源在换热冷箱中预冷天然气和氮气制冷剂的过程，62～64为压缩后的氮气制冷剂作为热源在换热冷箱中被预冷的过程，65～66和68～69为膨胀后的氮气制冷剂作为冷源冷却天然气和高压氮气制冷剂的过程。此模块由四个换热冷箱(被封装在一个保温装置里面)、两个节流阀和一个分流器组成。
图3为液化工艺的重烃分离模块示意图，52是来自换热冷箱模块经换热冷箱1预冷后的天然气，54是来自换热冷箱模块经换热冷箱2冷却后的天然气，53去换热冷箱模块的换热冷箱2，55去换热冷箱模块的换热冷箱3，58去产品储存模块的水冷器34。此模块由两个分离器、一个混合器和一个精馏塔组成。
图4为液化工艺的流体动力模块示意图，其中63～68、64～65为氮气膨胀过程，69～70、66～67为氮气压缩过程，61～60为丙烷压缩过程。此模块由两个膨胀机、三个压缩机、两个膨胀机增压器和八个水冷器组成。
图5为液化工艺的产品储存模块示意图，56来自换热冷箱模块的节流阀5，58来自重烃分离模块的节流阀33，57为LNG闪蒸汽，59为LPG闪蒸汽。此模块由两个储罐、两个分离器和一个水冷器组成。

Claims (4)

1.一种紧凑式天然气液化浮式生产工艺，其特征是按换热冷箱模块、重烃分离模块、流体动力模块和产品储存四个模块进行设计，由海底采出的天然气首先进入预处理单元，去除其中的泥沙、水、酸性气体、汞、苯等杂质后进入液化单元，液化流程丙烷预冷循环、双氮气膨胀制冷循环、天然气脱重烃、液化管路组成，其适用于海上浮式条件下的天然气液化生产，具有防止船体晃动对液化工艺影响的性能，结构紧凑，启动方便。
2.根据权利要求1所述的紧凑式天然气液化浮式生产工艺，其特征是，预冷循环采用的制冷剂是丙烷。
3.根据权利要求1所述的紧凑式天然气液化浮式生产工艺，其特征是，主循环采用的是双氮膨胀流程。
4.根据权利要求1所述的紧凑式天然气液化浮式生产工艺，其特征是，水冷器所用的冷却水是海水。
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