PRICO液化工艺在珠海LNG装置中的应用

中海石油广东液化天然气有限公司 张炜森

近年来，国内LNG产业快速发展，先后有数个LNG工厂建成投产，其中液化工艺多以引进国外专利技术为主，而最具有代表性的是Black&Veatch公司闭式单循环混合制冷PRICO液化工艺。

珠海LNG装置是中国海洋石油总公司的第一套天然气液化装置，在国内首次采用了PRICO液化工艺。该项目于2008年12月顺利投产，天然气年处理量2亿m3，日处理量60万m3，日产LNG约350 t。

1 PRICO工艺技术特点

PRICO工艺是由美国Black&Veatch公司1950年开发并不断改进而成，采用了单循环混合制冷剂和单循环压缩系统，冷箱采用板翅式换热器。迄今为止，该工艺已成功运用到数十套基荷和调峰装置中，液化装置单线生产规模从8万m3/d到500万m3/d。

PRICO液化工艺的主要特点是：

(1)采用单级制冷系统，流程简单，操作控制可靠；

(2)对冷剂组分的变化不敏感，对不同组份原料气具有较强的弹性和适应性；

(3)开停车速度快，需要补充冷剂量少，具有较高的效率；

(4)设备数量少，布置紧凑，造价和操作费用低。

2 珠海LNG装置流程

珠海LNG装置采用了一个PRICO闭式制冷循环，冷剂经压缩、部分冷凝、冷却、膨胀，然后与天然气换热并提供冷量。制冷剂由氮气、甲烷、乙烯、丙烷和异戊烷的混合物组成，流程如图1所示。

图1 珠海LNG装置流程示意

来自冷箱(E-0501)顶部的低压气相冷剂，经冷剂压缩机(C-0501)一段压缩后，进入压缩机一段的段间冷却器，再经段间分离器(V-0502)进行气液分离，气相冷剂进入压缩机二段压缩，液相冷剂经多级离心泵(P-0501)增压后与压缩机二段出口高压气相冷剂混合，混合冷剂进入压缩机二段的段间冷却器，部分冷凝的冷剂在出口分离器(V-0503)中进一步分离，被分离后的气相冷剂凭借自身的压力进入冷箱，液相冷剂经多级离心泵(P-0502)增压后进入冷箱与气相冷剂汇合。

高压混合冷剂向下流过冷箱，在底部流出时已全部冷凝，然后流经冷剂J-T阀减压并部分蒸发，使混合冷剂的温度进一步降低，冷下来的低压冷剂重新进入冷箱底部向上流动吸收原料气和高压混合冷剂的热量。低压冷剂最后从冷箱顶部高于其露点温度流出进入冷剂吸入罐(V-0501)，然后再进入冷剂压缩机完成混合冷剂的循环。预处理后的原料天然气由顶部进入冷箱，在冷却到大约-48 ℃时引出冷箱进入重烃分离器(V-0504)，分离重烃后的原料气返回冷箱后继续向下流动，-152 ℃的LNG自冷箱底部流出，经产品J-T阀节流降温至-161 ℃进入LNG储罐。

3 珠海LNG装置运行情况

3.1 冷箱积液及操作

板翅式冷箱积液是指由于大量重冷剂聚集在冷箱底部，导致冷箱不能建立正常降温梯度，装置产能显著降低的现象。冷箱积液主要是在重冷剂添加不当或装置紧急停车情况下发生，一旦冷箱出现积液现象，必须及时排除。

冷箱操作过程中出现积液时，将出现冷箱底部逐渐回温，顶部逐渐降温，整体温度趋于一致，冷剂流道压差增大，冷剂分离罐液位持续下降等现象。此时可保持冷剂J-T阀和产品J-T阀较小开度，通过减小或关闭来自冷剂泵(P-0502)的重冷剂泵入量，增大天然气流量或混合冷剂中气相组份比例的方法，使冷箱底部聚集的过量重冷剂逐渐汽化，直至冷箱底部出现降温趋势，顶部出现回温趋势，最后建立起合理的温度梯度后，方可进行冷箱的正常升负荷操作。

冷箱积液和冷剂压缩机的防喘振系统密切相关，应避免压缩机入口压力过高运行，重冷剂的添加不宜过早过快。

3.2 冷剂补充与损失

正常生产过程中，冷剂的补充量很小，主要是以轻组份氮气、甲烷和乙烯为主，其中氮气和甲烷是工厂自产，不需外购。由于原料气组份的变化，珠海LNG装置冷剂系统补充的甲烷组份中混有大量的乙烷，整个混合冷剂系统乙烷的摩尔分数约占3%，乙烷的增加使混合冷剂的组份配比偏离了设计值，使压缩机功耗略有升高，但可认为对整个液化系统基本无影响，可近似的将乙烷等同于乙烯使用。

冷剂的大量损失主要发生在装置停车后的重启开车阶段。装置停车后，受压缩机喘振控制系统的要求，压缩机高压冷剂侧和低压冷剂侧实现均压，压缩机入口压力急剧增加，在装置重启开车前，需进行必要的冷剂排放直至压缩机入口压力值降至允许的范围。冷剂排放将导致大量的外购乙烯损失，冷剂排放的多少主要受驱动压缩机设备对启动转矩及压缩机自身保护措施要求的限制，珠海LNG装置冷剂压缩机由燃气轮机驱动，其允许启动的条件是入口压力小于1 MPa。

3.3 升降负荷调整

受上游供气量变化的影响，珠海LNG装置负荷经常调整，但PRICO液化工艺对装置的升降负荷调整有非常强的适应能力，对原料气组份变化及冷剂组份变化不敏感，初始开车和冷态开车速度快，操作相对简单。

当装置长时间处于低负荷状态运行时，可将冷剂J-T阀开大，使冷剂压缩机防喘振控制阀处于关闭或小开度状态，适当提高混合冷剂中轻组份的摩尔分数，能使LNG产品处于深冷状态，这样BOG产生量大大减少，BOG压缩机不需投用，从而降低了装置能耗。

3.4 燃气轮机驱动冷剂压缩机

珠海LNG装置采用了西门子SGT-200-2S型双轴燃气轮机驱动STC-SV型多级离心式冷剂压缩机，燃气轮机ISO工况额定输出功率为7.68 MW，尾气排放设置余热回收系统供天然气预处理单元使用，动力透平转速7 600～11 000 r/min可调。

生产实践表明，燃气轮机对装置的负荷调整适应性强，稳定性高，运行成本较低。但燃气轮机受环境温度变化导致轴端输出功率明显变化的特性给整个冷剂循环系统的稳定运行造成了不利影响，生产操作人员不得不因此频繁调整冷剂循环量或生产负荷。

另外，燃气轮机的维护成本和技术难度相对较高，不利于小型LNG工厂的运营维护，珠海LNG装置燃气轮机存在高负荷状态下燃烧不稳定问题，直接导致了装置至今不能在高环境温度下满负荷生产的困局。

4 结束语

PRICO液化工艺以其自身先天优点在国内各型LNG装置中得到了广泛应用，其关键设备采取的模块化设计，可以非常方便的进行放大、缩小来得到工厂所需要的产能，非常适合于中小型基荷和调峰型LNG工厂。

珠海LNG装置经过3年的生产实践，已掌握了 PRICO液化工艺的核心技术，对装置的操作和运行规律有了深刻的理解。针对装置生产过程中出现的各类问题，珠海 LNG工厂进行了多项技术改造工作，取得了显著效果。