CN108613477A - 适用于flng的乙烷冷剂储存***及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于FLNG的乙烷冷剂储存***及操作方法，包括乙烷闪蒸罐、乙烷装卸臂、乙烷储罐、乙烷输送泵、乙烷气化器、气相冷剂补充罐与液相冷剂补充罐；所述乙烷闪蒸罐和乙烷装卸臂分别连接乙烷储罐，所述乙烷储罐的气相出口连接燃料气***，液态乙烷经过乙烷输送泵加压后分两路，一路经过乙烷气化器连接所述气相冷剂补充罐，另一路连接所述液相冷剂补充罐。本发明可以实现乙烷全利用，气相乙烷可作为FLNG上的燃料气使用，液相用于冷剂补充。若原料气中的乙烷产出量大于冷剂补充的乙烷用量，乙烷储罐中剩余的乙烷将定期外输销售；若原料气中的乙烷产出量少于冷剂补充所需的乙烷，则需要定期购买乙烷补充冷剂所需。
Description
技术领域
本发明涉及LNG-FPSO(liquefied natural gas-Floating Production StorageOffloading，即海上天然气液化工厂，以下简称FLNG)***，特别涉及其上的乙烷冷剂储存***及操作方法，尤其涉及到含有NGL(即Natural Gas Liquids)回收流程的混合冷剂液化流程的乙烷冷剂储存***及操作方法。
背景技术
液化天然气(Liquefied Natural Gas，以下简称LNG)为清洁能源，对优化能源结构，改善生态环境，实现可持续发展具有重要意义。天然气资源广泛分布在全球的陆地及海洋中，从陆地到海上是世界油气勘探开发的必然趋势。LNG-FPSO是近年来海洋工程界提出的，集液化天然气的生产、储存和装卸为一体的新型海上装置，对于海上气田的开采具有投资成本低、建造周期短、开发风险小，以及便于迁移和安全性高等特点。
近年来，陆上易采油气资源越来越少，越来越多的海上气田受到油气公司的青睐，传统开发模式需要铺设较长的海底输送管线，并建设相应的陆上接收装置，投资较高，且不可重复再利用。目前已探明的边际气田储量以中小型居多，远离终端消费市场，采用传统管道输气方式在经济性方面不占优势，而且天然气输送管道的管径大于输油管道管径，对管路铺设提出了更高的要求。为此，世界各大油气公司正加紧研制FLNG装置，与LNG外输船搭配使用，实现深海、边际气田的经济规模开发。
FLNG可就地完成天然气开采、液化过程，超越了天然气只能采用管道运输上岸的单一模式，不仅节约了建设、运输成本和陆上空间，而且可以在气田开采结束后二次使用，适合近海气田、深水气田和边际气田开发。近年来，越来越多的油气公司对使用FLNG开发海洋天然气田表现出兴趣。
FLNG的核心是天然气液化工艺，而天然气液化工艺技术的核心是制冷，根据制冷方式不同可将天然气工艺流程分为三大类：(1)级联式液化流程，(2)带膨胀机的液化流程，(3)混合制冷剂液化流程，上述流程在陆上液化装置中的应用已具有相当的可靠性和成熟性。浮式液化工艺选取的关键在于液化流程与目标气田规模产量、原料气参数的匹配性，液化工艺对海况条件的适应性以及浮式装置***设计的可靠性。混合制冷剂液化流程(Mixed-Refrigerant Cycle)是以碳氢化合物及氮气等组成的多组分混合制冷剂为制冷剂，进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度等级的冷剂，以达到逐步冷却和液化天然气的目的，并实现冷剂的循环。混合制冷剂液化流程既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其***复杂的缺点。
使用混合制冷剂时，主要制冷剂一般为C1、C2、C3、C4、N2的混合物，也包括乙烯，具体选择何种物质作为制冷剂需根据混合制冷剂循环类型和原料气的工况等因素来确定。混合冷剂制冷的最大特点是混合工质在换热器内的热交换过程是一个变温过程，能与同样是混合组分的天然气相匹配。因此可使得冷热流体间的换热温差保持较低的水平，其实它可以等价于级联式液化流程在无穷级数时的极限水平，但是又避免了级联式***的复杂的缺点。混合冷剂制冷流程根据制冷剂类型的不同分为以下几类：单混合冷剂制冷流程(SMR)、丙烷预冷混合冷剂制冷流程(C3MR)、双混合冷剂制冷流程(DMR)、混合制冷机级联流程(MFC)等。其中DMR在FLNG上更加具有明显的优势，它可以利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝的特性，将其依次冷凝、分离、节流、蒸发得到不同温度级的冷量，其可在较宽的范围内提供冷量。因此增加了液化流程的设计与运行的选择自由度，使其对原料气组成、环境温度条件与操作负荷的变化，且可减少丙烷在冷剂中的使用，适应FLNG的安全性要求。
制冷所使用的冷剂一般可通过下面两种途径获得：定期补充冷剂或者从天然气原料中分离得到。天然气轻烃回收一般称为天然气凝液回收，简称NGL。脱甲烷后的天然气凝液进一步被分离成乙烷、丙烷、丁烷或液化石油气(LPG)以及脱丁烷后的凝析油(C5+)。在LNG-FPSO上使用NGL流程主要有以下三方面优点：(1)回收天然气中的轻烃，防止在后续的深冷液化工段产生结冻问题，影响设备的正常安全操作；(2)最大化回收轻烃产品，一部分可作为液化工厂冷剂的补充，减少冷剂储罐的体积，节约船上空间，且减少冷剂补充船来往的次数；(3)另一方面可以分离得到LPG与凝析油，在一定程度上产生一定的经济效益，降低液化工厂的操作费用。
发明内容
综上，如何将NGL流程与FLNG***的乙烷冷剂的储存进行有机地结合，是本发明所要解决的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征是包括乙烷闪蒸罐、乙烷装卸臂、乙烷储罐、乙烷输送泵、乙烷气化器、气相冷剂补充罐与液相冷剂补充罐；
所述乙烷闪蒸罐的液相管路和乙烷装卸臂分别连接乙烷储罐，所述乙烷储罐的气相出口连接燃料气***，液态乙烷经过乙烷输送泵加压后分两路，一路经过所述乙烷汽化器再连接所述气相冷剂补充罐，另一路连接液相冷剂补充罐。
所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其中：所述乙烷闪蒸罐与乙烷储罐之间的管路上设有第一联锁开关阀，所述乙烷装卸臂与乙烷储罐之间的管路上设有第二联锁开关阀，所述第一联锁开关阀与第二联锁开关阀能够同时开启或同时关闭；
所述乙烷储罐的液态乙烷与所述气相冷剂补充罐连接的管路上设有第三联锁开关阀，所述乙烷储罐的液态乙烷与所述液相冷剂补充罐连接的管路上设有第四联锁开关阀，所述第三联锁开关阀与第四联锁开关阀能够同时开启或同时关闭。
所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其中：所述气相冷剂补充罐包括以两路分别连接的MR1气相冷剂补充罐与MR2气相冷剂补充罐；所述液相冷剂补充罐包括以两路分别连接的MR1液相冷剂补充罐与MR2液相冷剂补充罐。
所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其中：所述乙烷闪蒸罐的罐顶设置第一压力变送器，在乙烷闪蒸罐的罐顶气相出口至燃料气***的管道上设置第一压力控制阀，第一压力变送器与第一压力控制阀信号连接。
所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其中：在第一压力控制阀的下游管路上还以支路连接至火炬***，在所述支路上设置有第一安全阀。
所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其中：在乙烷储罐的罐顶设置有第二安全阀，第二安全阀下游连接至火炬***。
所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其中：所述乙烷储罐的罐顶还设有第二压力变送器，在所述乙烷储罐的罐顶气相出口至燃料气***的管道上设置第二压力控制阀，第二压力变送器与第二压力控制阀信号连接。
一种适用于FLNG的乙烷冷剂储存***的操作方法，使用如权利要求2所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征是：
所述乙烷闪蒸罐内的乙烷来自于NGL单元的脱乙烷装置，闪蒸罐出口的气相乙烷进入燃料气***，液相乙烷进入乙烷储罐；
所述乙烷储罐内设置液位变送器，用于监测乙烷储罐内的乙烷液位高度，从外船向乙烷储罐补充乙烷时，当乙烷储罐内的乙烷液位高于高液位设定值时，同时关闭第一联锁开关阀与第二联锁开关阀，禁止向乙烷储罐输入乙烷液体；
在任何工况下，当乙烷储罐内的乙烷液位低于低液位设定值时，同时关闭第三联锁开关阀与第四联锁开关阀，且禁止外输乙烷，使得乙烷储罐的液位值控制在一定范围内。
所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***的操作方法，其中：所述乙烷装卸臂是低温装卸两用臂，当乙烷储罐内的乙烷液位低于低液位设定值且有冷剂补充乙烷的需要时，船载乙烷卸载至乙烷储罐内；当乙烷储罐的乙烷液位高于高液位设定值时，乙烷储罐的乙烷通过所述乙烷装卸臂输出至LNG外输船。
所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***的操作方法，其中：
1)当冷剂循环需要补充乙烷冷剂时，由乙烷输送泵输出乙烷进行气相补充和/或液相补充；
2)气相补充冷剂时，乙烷通过乙烷输送泵输出，减压后进入乙烷气化器，气化后向气相冷剂补充罐补充冷剂。
3)液相补充冷剂时，乙烷通过乙烷输送泵输出，向液相冷剂补充罐补充冷剂。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：可以实现乙烷全利用，乙烷被分离后至储存过程中产生的气相乙烷可作为FLNG上的燃料气使用，液相用于冷剂补充。若原料气中的乙烷产出量大于冷剂补充的乙烷用量，乙烷储罐中剩余的乙烷将定期外输销售；若原料气中的乙烷产出量少于冷剂补充所需的乙烷，则可通过定期购买乙烷补充冷剂所需。
附图说明
图1是本发明提供的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***的结构原理图。
附图标记说明：乙烷储罐1；乙烷输送泵2；乙烷闪蒸罐3；乙烷装卸臂4；乙烷气化器5；MR1气相冷剂补充罐6；MR2气相冷剂补充罐7；MR1液相冷剂补充罐8；MR2液相冷剂补充罐9；第一压力变送器10；第一压力控制阀11；第一安全阀12；第一联锁开关阀13；第二联锁开关阀14；液位变送器15；第二安全阀16；第二压力变送器17；第二压力控制阀18；第三联锁开关阀19；开关阀20；第四联锁开关阀21；第一流量变送器22；第一远程手动定位调节阀23；第二流量变送器24；第二远程手动定位调节阀25；第三流量变送器26；第三远程手动定位调节阀27；第四流量变送器28；第四远程手动定位调节阀29。
具体实施方式
下面结合附图1，详细描述本发明的具体实施方案。
本发明提供一种适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，有乙烷闪蒸罐3、乙烷装卸臂4、乙烷储罐1、乙烷输送泵2、乙烷气化器5、MR1气相冷剂补充罐6、MR2气相冷剂补充罐7、MR1液相冷剂补充罐8以及MR2液相冷剂补充罐9。
所述乙烷闪蒸罐3和乙烷装卸臂4分别连接乙烷储罐1。其中，所述乙烷闪蒸罐3与乙烷储罐1之间的管路上设有第一联锁开关阀13，所述乙烷装卸臂4与乙烷储罐1之间的管路上设有第二联锁开关阀14，所述第一联锁开关阀13与第二联锁开关阀14能够同时开启或同时关闭。
所述乙烷储罐的气相出口连接燃料气***，液态乙烷经过乙烷输送泵2加压后分两路，一路经过第三联锁开关阀19连接至乙烷气化器5，另一路经过第四联锁开关阀21后再分两路以分别连接MR1液相冷剂补充罐8与MR2液相冷剂补充罐9，乙烷气化器5上游管路设有开关阀20，下游分两路以分别连接MR1气相冷剂补充罐6与MR2气相冷剂补充罐7；其中，所述第三联锁开关阀19与第四联锁开关阀21能够同时开启或同时关闭。
其中，在所述MR1气相冷剂补充罐6、MR2气相冷剂补充罐7、MR1液相冷剂补充罐8与MR2液相冷剂补充罐9的上游管路上分别安装有第一远程手动定位调节阀23、第二远程手动定位调节阀25、第三远程手动定位调节阀27以及第四远程手动定位调节阀29。此外，在所述第一远程手动定位调节阀23、第二远程手动定位调节阀25、第三远程手动定位调节阀27以及第四远程手动定位调节阀29的上游管路上分别设有第一流量变送器22、第二流量变送器24、第三流量变送器26以及第四流量变送器28。
所述乙烷闪蒸罐3的罐顶设置第一压力变送器10，在乙烷闪蒸罐3的罐顶气相出口至燃料气***的管道上设置第一压力控制阀11，第一压力变送器10与第一压力控制阀11信号连接。在第一压力控制阀11的下游管路上还以支路连接至火炬***，在所述支路上设置有第一安全阀12，当第一压力控制阀11后的管道压力升到设定值时，所述第一安全阀12起跳。
在乙烷储罐1的罐顶设置有第二安全阀16，第二安全阀16下游连接至火炬***，当乙烷储罐1的气相压力达到预定值时，第二安全阀16起跳。
所述乙烷储罐1的罐顶还设有第二压力变送器17，在所述乙烷储罐1的罐顶气相出口至燃料气***的管道上设置第二压力控制阀18，第二压力变送器17与第二压力控制阀18信号连接。
其中：所述乙烷气化器5采用电加热器型式。
其中：所述乙烷储罐1是低温压力容器，放置在船舱内。
其中：所述乙烷闪蒸罐3是低温压力容器，放置在甲板上。
其中：所述乙烷输出泵2是低温潜液泵，放置在乙烷储罐1内。
本发明使用的时候：
所述乙烷闪蒸罐3内的乙烷来自于NGL单元的脱乙烷装置，闪蒸罐3出口的气相乙烷进入燃料气***，液相乙烷进入乙烷储罐1。
所述乙烷储罐1内设置液位变送器15，用于监测乙烷储罐1内的乙烷液位高度，当液位高于高液位设定值时，同时关闭第一联锁开关阀13和第二联锁开关阀14；当液位低于低液位设定值时，同时关闭第三联锁开关阀19和第四联锁开关阀21，使得乙烷储罐的液位值始终控制在一定范围内。
所述乙烷装卸臂4是低温装卸两用臂，当乙烷储罐1内的乙烷液位低于低液位设定值且有冷剂补充乙烷的需要时，船载乙烷卸载至乙烷储罐1内；当乙烷储罐的乙烷液位高于高液位设定值时，乙烷储罐1的乙烷通过所述乙烷装卸臂4输出至LNG外输船。
具体而言，所述乙烷冷剂储存***的操作方法如下：
1)来自NGL单元的乙烷进入乙烷闪蒸罐3，闪蒸后分成气液两相，气相进入燃料气***，液相进入到乙烷储罐1，作为乙烷冷剂的原料来源。当NGL单元生产的乙烷不能满足冷剂补充需要时，则外购乙烷，用乙烷装卸臂4将乙烷卸载到乙烷储罐1内。
2)当冷剂循环需要补充乙烷冷剂时，由乙烷输送泵2输出乙烷补充，当补充量较少时可选择气相补充，若补充量较大时可选择液相补充。
3)气相补充冷剂时，开启第三联锁开关阀19，关闭第四联锁开关阀21。乙烷通过乙烷输送泵2输出，经控制阀20减压后进入乙烷气化器5，气化后补充冷剂。控制阀20的阀后压力取决于MR1气相冷剂补充罐6和MR2气相冷剂补充罐7中操作压力较高的罐，使得阀后物流可以进入气相冷剂补充罐。MR1气相补充量通过第一远程手动定位调节阀23来调节，MR2气相补充量通过第二远程手动定位调节阀25来调节。
4)液相补充冷剂时，开启第四联锁开关阀21，关闭第三联锁开关阀19。乙烷通过乙烷输送泵2输出。MR1液相补充量通过第三远程手动定位调节阀27来调节，MR2液相补充量通过第四远程手动定位调节阀29来调节。
具体而言，所述乙烷冷剂储存***的压力控制方法如下：
1)乙烷储罐的操作压力控制在P1，P0为LNG船燃料气的操作压力，P0＝7barG，从乙烷闪蒸罐至乙烷储罐的管道和阀门的总阻力为Pf10＝0.1bar，P1≥P0+Pf10，P1操作压力选取8barG。
2)乙烷闪蒸罐的操作压力控制在P3，燃料气***的操作压力，从乙烷闪蒸罐至燃料气***的管道和阀门的总阻力为Pf30＝0.1bar，从乙烷闪蒸罐至乙烷储罐的管道和阀门的总阻力为Pf31＝0.15bar，P3≥P0+Pf30，且P3≥P1+Pf31，P3的操作压力选取7.5barG。
3)MR1液相冷剂补充罐操作压力为P8＝42barG，MR2液相冷剂补充罐操作压力为P9＝33barG，P10定义成P8和P9中较大的，P10＝42barG。P2为乙烷输送泵的出口压力，Pf210为乙烷输送泵出口至MR1液相冷剂补充罐的管道和阀门总阻力，Pf210＝0.5bar，P2压力选取为44barG。
3)MR1气相冷剂补充罐操作压力为P6＝4barG，MR2气相冷剂补充罐操作压力为P7＝4.5barG，控制阀20的阀后压力设定为7barG。
4)第一安全阀12的开启压力为9barG。
5)第二安全阀16的开启压力为17.7barG。
6)乙烷闪蒸罐3的设计压力为9barG。
7)乙烷储罐1的设计压力为17.7barG。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征是包括乙烷闪蒸罐、乙烷装卸臂、乙烷储罐、乙烷输送泵、乙烷气化器、气相冷剂补充罐与液相冷剂补充罐；
所述乙烷闪蒸罐的液相管路和乙烷装卸臂分别连接乙烷储罐，所述乙烷储罐的气相出口连接燃料气***，液态乙烷经过乙烷输送泵加压后分两路，一路经过所述乙烷汽化器再连接所述气相冷剂补充罐，另一路连接液相冷剂补充罐。
2.根据权利要求1所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征在于：所述乙烷闪蒸罐与乙烷储罐之间的管路上设有第一联锁开关阀，所述乙烷装卸臂与乙烷储罐之间的管路上设有第二联锁开关阀，所述第一联锁开关阀与第二联锁开关阀能够同时开启或同时关闭；
所述乙烷储罐的液态乙烷与所述气相冷剂补充罐连接的管路上设有第三联锁开关阀，所述乙烷储罐的液态乙烷与所述液相冷剂补充罐连接的管路上设有第四联锁开关阀，所述第三联锁开关阀与第四联锁开关阀能够同时开启或同时关闭。
3.根据权利要求1所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征在于：所述气相冷剂补充罐包括以两路分别连接的MR1气相冷剂补充罐与MR2气相冷剂补充罐；所述液相冷剂补充罐包括以两路分别连接的MR1液相冷剂补充罐与MR2液相冷剂补充罐。
4.根据权利要求1所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征在于：所述乙烷闪蒸罐的罐顶设置第一压力变送器，在乙烷闪蒸罐的罐顶气相出口至燃料气***的管道上设置第一压力控制阀，第一压力变送器与第一压力控制阀信号连接。
5.根据权利要求4所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征在于：在第一压力控制阀的下游管路上还以支路连接至火炬***，在所述支路上设置有第一安全阀。
6.根据权利要求1所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征在于：在乙烷储罐的罐顶设置有第二安全阀，第二安全阀下游连接至火炬***。
7.根据权利要求1所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征在于：所述乙烷储罐的罐顶还设有第二压力变送器，在所述乙烷储罐的罐顶气相出口至燃料气***的管道上设置第二压力控制阀，第二压力变送器与第二压力控制阀信号连接。
8.一种适用于FLNG的乙烷冷剂储存***的操作方法，使用如权利要求2所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***，其特征是：
所述乙烷闪蒸罐内的乙烷来自于NGL单元的脱乙烷装置，闪蒸罐出口的气相乙烷进入燃料气***，液相乙烷进入乙烷储罐；
所述乙烷储罐内设置液位变送器，用于监测乙烷储罐内的乙烷液位高度，从外船向乙烷储罐补充乙烷时，当乙烷储罐内的乙烷液位高于高液位设定值时，同时关闭第一联锁开关阀与第二联锁开关阀，禁止向乙烷储罐输入乙烷液体；
在任何工况下，当乙烷储罐内的乙烷液位低于低液位设定值时，同时关闭第三联锁开关阀与第四联锁开关阀，且禁止外输乙烷，使得乙烷储罐的液位值控制在一定范围内。
9.根据权利要求8所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***的操作方法，其特征在于：所述乙烷装卸臂是低温装卸两用臂，当乙烷储罐内的乙烷液位低于低液位设定值且有冷剂补充乙烷的需要时，船载乙烷卸载至乙烷储罐内；当乙烷储罐的乙烷液位高于高液位设定值时，乙烷储罐的乙烷通过所述乙烷装卸臂输出至LNG外输船。
10.根据权利要求8所述的适用于FLNG的乙烷冷剂储存***的操作方法，其特征在于：
1)当冷剂循环需要补充乙烷冷剂时，由乙烷输送泵输出乙烷进行气相补充和/或液相补充；
2)气相补充冷剂时，乙烷通过乙烷输送泵输出，减压后进入乙烷气化器，气化后向气相冷剂补充罐补充冷剂。
3)液相补充冷剂时，乙烷通过乙烷输送泵输出，向液相冷剂补充罐补充冷剂。
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