天然气液化工艺.docx

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天然气液化工艺

天然气液化工艺

　　工业上，常使用机械制冷使天然气获得液化所必须的低温。

典型的液化制

冷工艺大致可以分为三种：

阶式（Cascade）制冷、混合冷剂制冷、带预冷的混合

冷剂制冷。

　　一、阶式制冷液化工艺

　　阶式制冷液化工艺也称级联式液化工艺。

这是利用常压沸点不同的冷剂逐

级降低制冷温度实现天然气液化的。

阶式制冷常用的冷剂是丙烷、乙烯和甲烷。

图 3-5[1]表示了阶式制冷工艺原理。

第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲

烷提供冷量;第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量;第三级甲烷制冷循

环为天然气提供冷量。

制冷剂丙烷经压缩机增压，在冷凝器内经水冷变成饱和

液体，节流后部分冷剂在蒸发器内蒸发（温度约-40℃），把冷量传给经脱酸、脱

水后的天然气，部分冷剂在乙烯冷凝器内蒸发，使增压后的乙烯过热蒸气冷凝

为液体或过冷液体，两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完成丙烷的一次

制冷循环。

冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作，压缩机出口的乙烯过热蒸气由

丙烷蒸发获取冷量而变为饱和或过冷液体，节流膨胀后在乙烯蒸发器内蒸发（温

度约-100℃），使天然气进一步降温。

最后一级的冷剂甲烷也以相同方式工作，

使天然气温度降至接近-160℃;经节流进一步降温后进入分离器，分离出凝液和

残余气。

在如此低的温度下，凝液的主要成分为甲烷，成为液化天然气（LNG）。

　　阶式制冷是 20 世纪六七十年代用于生产液化天然气的主要工艺方法。

若仅

用丙烷和乙烯（乙烷）为冷剂构成阶式制冷系统，天然气温度可低达近-100℃，

也足以使大量乙烷及重于乙烷的组分凝析成为天然气凝液。

　　阶式制冷循环的特点是蒸发温度较高的冷剂除将冷量传给工艺气外，还使

冷量传给蒸发温度较低的冷剂，使其液化并过冷。

分级制冷可减小压缩功耗和

冷凝器负荷，在不同的温度等级下为天然气提供冷量，因而阶式制冷的能耗低、

气体液化率高（可达 90%），但所需设备多、投资多、制冷剂用量多、流程复杂。

　　图 3-6[3]为阶式制冷液化流程。

为了提高冷剂与天然气的换热效率，将每

种冷剂分成 2～3 个压力等级，即有 2～3 个冷剂蒸发温度，这样 3 种冷剂共有

8～9 个递降的蒸发温度，冷剂蒸发曲线的温度台阶数多，和天然气温降曲线较

接近，即传热温差小，提高了冷剂与天然气的换热效率，也即提高了制冷系统

的效率，见图 3～7[6]。

和图 3-8[6]。

上述的阶式制冷工艺，制冷剂和天然气

各自构成独立系统，冷剂甲烷和天然气只有热量和冷量的交换，实际上是闭式

甲烷制冷循环。

近代已将甲烷循环系统改成开式，即原料气与甲烷冷剂混合构

成循环系统，在低温、低压分离器内生成 LNG。

这种以直接换热方式取代常规

换热器的间壁式换热，提高了换热效率。

　　二、混合冷剂制冷液化工艺

　　混合冷剂制冷循环（Mixed Refrigerant Cycle，简称 MRC）是美国空气产品

和化学品公司予 20 世纪 60 年代末开发成功的一项专利技术。

混合冷剂由氮、

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷组成，利用混合物各组分不同沸点，部分冷凝

的特点，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。

混合冷剂液化工艺既达到类似阶式液化流程

的目的，又克服了其系统复杂的缺点。

由于只有一种冷剂，简化了制冷系统。

图 3-9[3]所示的混合冷剂制冷液化流程，主要由两部分构成：

密闭的制冷系统

和主冷箱。

冷剂蒸气经过压缩后，由水冷或空冷使冷剂内的低压组分（即冷剂内

的重组分）凝析。

低压冷剂液体和高压冷剂蒸气混合后进入主冷箱，接受冷量后

凝析为混合冷剂液体，经 J-T 阀节流并在冷箱内蒸发，为天然气和高压冷剂冷

凝提供冷量。

在中度低温下，将部分冷凝的天然气引出冷箱，经分离分出 C5+

凝液，气体返回冷箱进一步降温，产生 LNG。

C5+凝液需经稳定处理，使之符合

产品质量要求。

　　在混合制冷剂液化流程的冷箱换热可以是多级的，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。

　　与阶式液化流程相比，其优点是：

①机组设备少、流程简单、投资省，投

资费用比经典阶式液化流程约低 15%～20%：

②管理方便;③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：

①能耗较高，比阶式液化流

程高 10%～20%左右;②混合制冷剂的合理配比较为困难;③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。

　　三、带预冷的混合冷剂制冷液化工艺

　　丙烷预冷混合制冷剂液化流程（C3/MRC：

Propane-Mixed Refrigerant

Cycle），结合了阶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。

　　图 3-10[3]。

是丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程图。

流程由三部

分组成：

①混合制冷剂循环;②丙烷预冷循环;③天然气液化回路。

在此液化流

程中，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。

　　混合冷剂由氮、甲烷、丙烷等组成，平均相对分子质量约为 25。

混合冷剂

蒸气压缩后，先由空气或水冷却，再经压力等级不同的三级丙烷蒸发器预冷却

（温度达-40℃），部分混合冷剂冷凝为液体。

液态和气态混合冷剂分别送入主冷

箱内，液态冷剂通过 J-T 阀蒸发时，使天然气降温的同时，还使气态混合冷剂

冷凝。

冷凝的混合冷剂（冷剂内的轻组分）在换热器顶端通过 J-T 阀蒸发，使天

然气温度进一步降低至过冷液体。

流出冷箱的液态天然气进闪蒸罐，分出不凝

气和 LNG，不凝气作燃料或销售气，LNG 进储罐。

由上可知，天然气在主冷箱内

进行二级冷凝，由冷剂较重组分提供温度等级较高的冷量和由较轻组分提供温

度等级较低的冷量。

　　预冷的丙烷冷剂在分级独立制冷系统内循环。

不同压力级别的丙烷在不同

温度级别下蒸发气化，为原料气和混合冷剂提供冷量。

原料天然气预冷后，进

入分馏塔分出气体内的重烃，进一步处理成液体产品;塔顶气进入主冷箱冷凝为

LNG。

因而，预冷混合冷剂制冷过程实为阶式和混合冷剂分级制冷的结合。

　　由热力学分析，带丙烷预冷的混合制冷剂液化流程，“高温”段用丙烷压

缩机制冷，按三个温度水平预冷原料气到-60℃;“低温”段的换热采用两种方

式：

高压的混合冷剂与较高温度原料气换热，低压的混合冷剂与较低温度原料

气换热，最后使原料气深冷到-162℃而液化，充分体现了热力学特性，从而使

比较项目

C3/MR

阶式液化流

程

DMR

单位 LNG 液化成本

设备投资成本

能耗

操作弹性

低

中

高

中

高

高

低

差

低

低

中

高

制冷循环方式

能    耗

3

kW·h/m 天然气

3

kJ/m 天然气

阶式

混合冷剂

带预冷混合冷剂

0

.32

0.33～0.375

0

.39

1152

1200～1350

1404

热效率得到最大限度的提高。

此工艺具有流程简单，效率高，运行费用低，适

应性强等优点，是目前采用最广泛的天然气液化工艺。

这种液化流程的操作弹

性很大。

当生产能力降低时，通过改变制冷剂组成及降低吸入压力来保持混合

制冷剂循环的效率。

当需液化的原料气发生变化时，可通过调整混合制冷剂组

成及混合制冷剂压缩机吸入和排出压力，也能使天然气高效液化。

预冷的混合

冷剂采用乙烷和丙烷时（DMR 法），工艺效率比丙烷预冷高 20%，投资和操作费用

也相对较低。

　　以上三种制冷循环的能耗见表 3-3。

　　表 3-3 天然气液化制冷循环能耗比较

　　表 3-4 列出了丙烷预冷混合制冷剂液化流程 C3/MR、阶式液化流程和双混

合制冷剂液化流程 DMR 的比较。

　　表 3-4 C3/MR、阶式液化流程和 DMR 的比较

　　四、其他方法

（一） CII 液化流程

　　天然气液化技术的发展要求液化制冷循环具有高效、低成本、可靠性好、

易操作等特点。

为了适应这一发展趋势，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（Integral

Incorporated cascade），简称为 CII 液化流程。

CII 液化流程吸收了国外 LNG

技术最新发展成果，代表天然气液化技术的发展趋势。

　　上海建造的我国第一座调峰型天然气液化装置采用了 CII 液化流程。

该流

程如图 3-11 所示，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。

　　在天然气液化系统中，预处理后的天然气进入冷箱 12 上部被预冷，在气液

分离器 13 中进行气液分离，气相部分进入冷箱 12 下部被冷凝和过冷，最后节

流至 LNG 储槽。

　　在混合制冷剂循环中，混合制冷剂是 N2 和 C1～C5 的烃类混合物。

冷箱 12

出口的低压混合制冷剂蒸气被气液分离器 1 分离后，被低压压缩机 2 压缩至中

间压力，然后经冷却器 3 部分冷凝后进入分馏塔 8。

混合制冷剂分馏后分成两

部分，分馏塔底部的重组分液体主要含有丙烷、丁烷和戊烷，进入冷箱 12，经

预冷后节流降温，再返回冷箱上部蒸发制冷，用于预冷天然气和混合制冷剂;分

馏塔上部的轻组分气体主要成分是氮^甲烷和乙烷，进入冷箱 12 上部被冷却并

部分冷凝，进气液分离器 6 进行气液分离，液体作为分馏塔 8 的回流液，气体

经高压压缩机 4 压缩后，经水冷却器 5 冷却后，进入冷箱上部预冷，进气液分

离器 7 进行气液分离，得到的气液两相分别进入冷箱下部预冷后，节流降温返

回冷箱的不同部位为天然气和混合制冷剂提供冷量，实现天然气的冷凝和过冷。

　　CII 流程具有如下特点：

（1） 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。

（2） 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，由经过优化设计的高效钎焊铝板翅式换热器平行

排列，换热面积大，绝热效果好。

天然气在冷箱内由环境温度冷却至-160℃左

右液体，减少了漏热损失，并较好地解决了两相流体分布问题。

冷箱以模块化

的形式制造，便于安装，只需在施工现场对预留管路进行连接，降低了建设费

用。

　　（3） 压缩机和驱动机的形式简单、可靠、降低了投资与维护费用。

（二） 天然气膨胀液化流程

　　膨胀机液化流程（Expanaer-Cycle），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。

　　天然气膨胀液化流程，是指直接利用高压天然气在膨胀机中绝热膨胀到输

出管道压力而使天然气液化的流程。

这种流程的最突出优点是它的功耗小，但

液化流程不能获得像氮气膨胀液化流程那样低的温度、循环气量大、液化率低。

膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大，对系统的安全性要求

较高。

　　天然气膨胀液化流程见图 3-12。

原料气经脱水器 1 脱水后，部分进入脱

CO2 塔 2 进行脱除 CO2。

这部分天然气脱除 CO2 后，经换热器 5～7 及过冷器 8

后液化，部分节流后进入储槽 9 储存，另一部分节流后为换热器 5～7 和过冷器

8 提供冷量。

储槽 9 中自蒸发的气体，首先为换热器 5 提供冷量，再进入返回

气压缩机 4，压缩并冷却后与未进脱 CO2 塔的原料气混合，进换热器 5 冷却后，

进入膨胀机 10 膨胀降温后，为换热器 5-7 提供冷量。

　　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。

　　图 3-12 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到与原料气

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。