煤制天然气项目空分装置规模等级及配套数量的确定

毛向禹，任 岩

(中国寰球工程公司，北京 100029)

煤制天然气项目空分装置规模等级及配套数量的确定

毛向禹，任 岩

(中国寰球工程公司，北京 100029)

通过对煤制天然气项目空分装置的设备配置与设计优化的研究，在装置规模确定、空压机组选择等方面的配置及优化过程中，充分论证空分装置拟选的各主要技术方案、技术措施的安全可靠性与技术经济性，其最大程度地降低了设备、土建、土地等一次性投资成本及生产管理、运行能耗等生产运行时的长期管理成本，最大限度地保证了空分装置投资费用控制和连续、稳定、安全运行。

煤制天然气；空分；规模；空压机；能耗

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.007

某煤制天然气项目(一期20亿m3/a天然气)的总工艺路线为：空分装置经过精馏制得气化装置所需的氧气，原料煤经筛分、干燥、研磨后制得气化炉设计煤种，煤在气化炉中与氧气、蒸汽反应生成的粗合成气进入变换装置，变换调节成甲烷化所需的氢碳比后，经低温甲醇洗装置去除酸性气体H2S 和CO2，净化后的合成气在甲烷化装置进行甲烷化反应后生成CH4，最终经天然气压缩与三甘醇干燥后得到符合输送管道要求的天然气产品，并将其送入西气东输管网。

1 空分装置概述

煤制天然气项目配套的空分装置主要作用为：向气化装置气化炉烧嘴提供高压氧气，并提供全厂各装置、工段所需的不同等级的氮气产品、仪表空气及装置空气。

空分装置包括自洁式空气过滤器、空气压缩机系统(包括汽轮机、原料空压机和空气增压机)、预冷系统(空冷塔、水冷塔和水泵等)、纯化系统(分子筛空气净化器)、精馏系统(增压透平膨胀机、高低压板翅式换热器、规整填料塔、多层浴式或膜式冷凝蒸发器或氩增效塔)，氧气产品采用高压多级变频液体泵输送，低压氮气产品由下塔抽出，开车高压氮气由下塔抽取，并通过氮气压缩机增压后送出，其余中、高压氮气产品采用液氮泵加压气化送出。

2 规模等级及配套数量的确定

空分供应商成套技术、设备生产能力及气化氧气需求量、投资收益率等决定空分的规模及数量。

气化专利商提供的设计数据显示，20亿m3/a煤制天然气项目设计煤种100%负荷工况下氧气需求量为338 000Nm3/h。鉴于空分行业目前的发展现状及国内外空分设备成套供应商的业绩，本着空分装置须安全、操作简便、稳定、可靠性高、能耗低、投资低等，项目拟采用4套85 000Nm3/h规模空分装置或6套57 000Nm3/h规模空分装置。

国外深冷行业知名公司的运行分析统计数据显示，空分装置85.2%的非计划故障停车是由大机组故障(空压/增压机组～37.8%，汽轮机组～32.4%，膨胀机组～15.0%)引起的，13.8%的非计划故障停车是由低温分离冷箱(～7.4%)及分子筛纯化系统(～6.4%)故障引起的。

空分三大机组空压机、汽轮机、增压机的成熟度、安全可靠性、操作性、工作效率、操作费用、能耗、交货周期等，影响着空分装置的稳定运行、建设进度、能耗及经济性等，因此，通过对不同规模空分装置配套的三大机组进行技术经济比较，则可反映出空分装置整体的技术经济性。

目前曼透平公司、西门子公司占有全球绝大部分80 000Nm3/h(O2)等级及以上空分装置的空压机、增压机、汽轮机市场，业绩见表1。

表1 业绩对比表

目前在国内80 000Nm3/h(O2)等级以上的空分装置合同中，除神华宁煤项目12套100 000Nm3/h(O2)内压缩空分装置中的一套空压机组，是采用沈阳鼓风机集团股份有限公司的空压机MAC160(轴流加离心式)+增压机SVK40(齿轮组装式离心式)+汽轮机HNKS71/3.0(杭汽双出轴)外，其余空分装置基本上采用曼透平空压机RIKT160(单轴)+增压机RG56+汽轮机DK100/220R(双出轴)或空压机AR115(轴流加离心式)+增压机RG56+汽轮机DK100/250(双出轴)、西门子空压机STC-GV200(齿轮离心式)+增压机STC-GV20(齿轮离心式)+汽轮机SST-600(双出轴)或空压机STC-SR450(轴流加离心式)+增压机STC-GV32(齿轮离心式)+汽轮机SST-600(双出轴)的产品。

2.1 机组配置比选

方案1为4×85 000Nm3/h (O2)规模，分别对西门子STC-SR型轴流离心式空气压缩机+STC-GV型整体多轴齿轮式空气增压机与曼透平RIKT160型单轴离心式等温压缩机+RG型整体多轴齿轮式空气增压机，针对进气量和排气量、轴功率及配套“一拖二”汽轮机的总能耗进行对比。

方案2为6×57 000Nm3/h (O2)规模，分别对配置西门子STC-GV型整体多轴齿轮式空气压缩机+STC-GV型整体多轴齿轮式空气增压机与配置曼透平RIKT125型单轴离心式等温压缩机+RG型整体多轴齿轮式空气增压机，针对进气量和排气量、轴功率及配套“一拖二”汽轮机的总能耗进行对比(见表2)。

表2 三大机组技术对比表

注：参数由机组供应商提供。

由上表可得，配套曼透平的单轴等温全离心式压缩机效率较高；方案1较方案2的总能耗更低。故从技术方面考虑，选择方案1为主方案。

2.2 投资方面比选

方案1为4×85 000Nm3/h(O2) 规模，方案2为6×57 000Nm3/h(O2)规模，分别对配置西门子与配置曼透平三大机组的机器投资、附属设备投资、土建安装投资进行对比(见表3)。

表3 装置投资对比表

由上表可得，与西门子轴流离心式相比，配套曼透平的单轴等温全离心式压缩机，其结构更简单、质量较轻，造价也较低；方案1中机器投资虽较方案2高，但比较配套工程及其他设备，其总投资更低。故从投资方面考虑，选择方案1为主方案。

2.3 其他方面比选

方案1为4×85 000Nm3/h(O2) 规模，方案2为6×57 000Nm3/h(O2) 规模，分别对装置建设进度、占地面积、负荷能力、运输尺寸等进行对比(见表4)。

表4 其他项目对比表

由上表可得，因方案1所配套的设备套数较方案2的少，设备制造、安装周期都较短，占地面积、操作维修人员配备较少，故障概率也较小。方案2的产品调节范围较大，单套故障状态下对整个装置的供气稳定影响程度较小。

3 结语

综上所述，从技术、投资、进度、运行维护等多方面对4套85 000Nm3/h规模与6套57 000Nm3/h 规模配置进行了详尽对比，4套85 000Nm3/h规模空分装置配套3大机组的总能耗更低，结合配套工程及其他设备的总投资也更低，设备制造、安装周期都较短，占地面积、操作维修人员配备较少，故障概率也较低。故空分装置的规模等级及配套数量确定为4套85 000Nm3/h等级配置。

修改稿日期： 2017-02-09

Determination of Scale and Matching Quantity of Air Separation Plant for Coal-based Natural Gas Project

MAO Xiang-yu，REN Yan

(ChinaHuanqiuContracting&EngineeringCo.，Ltd.，Beijing100029，China)

Through the research on the equipment configuration and design optimization of the air separation plant of the coal-based natural gas project，this essay fully demonstrates the safety，reliability，and economic efficiency of mainly considered technical plans and measures in the process of device scale determination，air compressor unit selection and so on.This research is supposed to lower down one-time investment costs for equipment，civil engineering，land planning as well as the long-term management cost such as production management and energy consumption during operation so that the investment cost of air-separation plant can be controlled and the plant can sustain a continuous，stable and safe operation.

coal-based natural gas；air separation；scale；air compressor；energy consumption

毛向禹(1965年—)，男，湖北荆门人，1986年毕业于成都科技大学化学工程专业，高级工程师，现主要从事化工设计等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.007

TQ116.11

B

1004-8901(2017)02-0024-03