天然气液化工厂工艺技术及设备国产化概述

侯君龙

摘 要：结合泰安LNG工厂的建设情况，介绍国内外天然气液化产业的发展状况。讨论混合冷剂制冷工艺，并对几种混合冷剂制冷工艺进行比较和分析。简述国产化的工艺技术和设备突破的关键技术和取得的成果。

关键词：天然气液化；LNG；混合冷剂制冷；工艺；设备；国产化

Abstract：Based on the construction of Taian LNG project， the development of natural gas liquefaction industry at home and abroad is introduced.The refrigeration process of mixed refrigerant was discussed， and the comparison and analysis of several cooling processes were made.The key technologies and achievements of localized process technology and equipment breakthrough are briefly described.

Keywords：natural gas liquefaction；LNG；mixed coolant refrigeration；technology；equipment；domesticated

1 国内外天然气液化产业发展概况

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG），主要成分是甲烷，还有少量的乙烷、丙烷、氮或天然气中常见的其他组分。被公认是地球上最干净的化石能源。无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，液化天然气的质量仅为同体积水的45%左右。据国际燃气联盟预测，2030年天然气在世界一次能源结构中所占比重将上升到28%，最迟将在21世纪上半叶超过石油，成为世界第一大能源[1]。国际能源署认为LNG将成为天然气需求增长的主力，预测2035年世界液化天然气贸易将占天然气贸易总额的一半[2]。据此预测，天然气液化产业将有巨大的发展潜力。

1.1 国外天然气液化产业的发展状况

19世纪，迈克尔.法拉第在实验室首次制备LNG；1873年，卡尔文.林德制造了第一台压缩制冷设备；1917年，美国西弗吉尼亚，第一座LNG试验工厂建成；1941年，美國俄亥俄克利夫兰，第一座商业化工厂建成；1959年第一艘LNG运输船“甲烷先锋号”投入使用；至今LNG贸易占据世界出口天然气总贸易量不断增加。卡塔尔曾于去年7月宣布将大幅增产液化天然气产量，由年产7700万吨提升至2024年的1亿吨。国外天然气液化产业将蓬勃发展，天然气液化工艺技术不断增强。

1.2 国内天然气液化产业的发展状况

90年代初，四川、吉林石化投建2座LNG装置，生产能力分别为0.3 m3/h、0.5 m3/h（中科院）；90年代中期，长庆石油勘探局，示范性LNG工厂，日处理量3万m3，开发陕北气田边远单井；但以上技术最终都宣告失败。90年代末，东海天然气开发，上海调峰站引进法国索菲公司技术和设备，日处理量10万m3；2001年，中原石油勘探局与法国索菲公司合作，从国外进口主要设备，建设国内第一座生产型LNG装置，日处理15万m3；2014年，昆仑能源泰安LNG项目建成投产，日处理量260万m3，据了解，这是国内第一个具有完全自主知识产权和单套液化生产能力最大的天然气液化项目，专家表示，此项目LNG装置压缩机组打破了国外技术垄断，标志着中国石油在天然气液化领域取得重大突破。

2 泰安LNG工厂工艺技术分析

2011年4月，国家能源局、中石油确定山东泰安LNG工厂建设为天然气液化装置国产化研发依托工程。本项目工艺流程采用中国寰球工程公司自主知识产权的双级（循环）混合冷剂制冷（DMR）技术。

2.1 天然气液化工艺技术

天然气液化装置液化换热循环主要有级联式制冷循环、混合冷剂制冷循环和膨胀机制冷循环。国外天然气液化工艺技术研究起步早，有着丰富的实践经验，长期主导着天然气液化技术市场，其主要工艺及专利商[3]见表1。本文以泰安LNG项目为例，主要分析混合冷剂制冷循环。

混合冷剂制冷循环主要分为单级混合制冷工艺（SMR）、双级混合制冷工艺（DMR）、丙烷预冷混合制冷工艺（C3/MRC）。

2.2 三种混合冷剂制冷循环工艺参数比较

其工艺流程参数比较[4]如表2。

分析表2可知，单级混合制冷工艺（SMR）能耗最大，要比双级混合制冷工艺（DMR）高出13.4%。双级混合制冷工艺（DMR）与丙烷预冷混合制冷工艺（C3/MRC）能耗相差很小，只有0.3%。

2.3 DMR跟C3/MRC制冷工艺造价和运行费用分析

天然气预处理和压缩单元均采用相同的工艺方法，造价和运行费用相同，在此不做讨论。天然气液化单元的费用主要为压缩机和换热器的费用，假设丙烷压缩机采用三级压缩，其每一级的压缩天然气量不相等，进气温度为低温气体，压缩机机体必须选择低温材质；双级混合冷剂压缩机采用两级压缩，常温进气，这就使丙烷预冷混合冷剂压缩机的造价高于混合冷剂压缩机。丙烷预冷的换热器需要三台蒸发器，采用绕管式换热器，造成其体积大，占地面积大、重量大（如图3）；而双级混合冷剂制冷采用真空钎焊铝制板翅式换热器，集中布置在冷箱内部，体积小，占地面积小，造价低（如图4）。双级混合制冷工艺跟丙烷预冷混合制冷工艺都采用了预冷和深冷两套制冷循环系统，但后者采用了三级的丙烷预冷，造成其压缩机和换热器之间管路复杂，控制系统也会更加繁琐，导致造价增多。通过以上各方面的分析，对中小型液化装置来说，双级混合冷剂制冷工艺更有优势。

3 泰安LNG工厂工艺技术攻克的难题

本项目从天然气深度净化、液化、BOG处理等，整个装置全部采用自主技术，需要根据项目具体原料及环境气候条件进行具体的工艺流程模拟计算，分析多种工况的结果，合理確定工艺流程，采用自主开发的优化方法获得最优工艺及设备参数，确定工艺控制方案，做到安全可靠，节能环保，经济可行。

3.1 创新形成双循环混合冷剂专用配方

通过数值模拟试验，发现了由氮气和C1～C5烃类介质组合形成的混合冷剂在不同配比及压力等条件下对液化能耗的影响规律，创新形成自适应原料气和环境变化的双循环混合冷剂专用配方，解决了原料气组分和运行负荷变化对产品质量和运行能耗的适应性难题。

3.2 解决了重烃冻堵、氮气分离、能量优化的技术难题

集成天然气液化、烃分离、重烃及氮气脱除等工艺过程，共用冷源和换热设备、温位合理匹配，替代传统的分别采用制冷和换热设备的工艺，用冷剂替代外加热源实现能量高效利用，解决了重烃冻堵、氮气分离、能量优化的技术难题。

3.3 解决了流程和设备工艺参数的优化难题

创新应用基于遗传算法的优化方法，采用全局搜索、多参数同步优化替代单点搜索、单参数优化，降低工艺能耗10 %以上，解决了流程和设备工艺参数的优化难题。

4 泰安LNG工厂国产化设备突破的关键技术和取得成果

本项目主要承担冷剂压缩机、驱动电机、BOG压缩机、冷箱、DCS、低温阀门六大关键设备国产化研发任务。

4.1 冷剂压缩机

突破的关键技术：国内首台套大型筒型、最大轴功率达16465kW，机组效率达85%以上的压缩机。以完全三维粘性分析和气动试验为基础，对过流部件定常、非定常、可压缩紊流流动进行高精度数值分析，研制出高马赫数、大流量系数、高能头系数的线元素三元叶轮与流变形排气蜗室，提高了系列模型级的效率，减少了叶轮级数、增大了操作范围，效率提高5个百分点，解决了国产冷剂压缩机的设计和制造难题。成果：较国外同类产品节约投资20%，缩短制造周期4个月以上。

运行情况：该设备自2014年8月投入正常生产，8月22日装置产出合格产品，总体运行良好。

4.2 驱动电机

突破的关键技术：采取变频器的方式控制电机，实现了冷剂压缩机电机最大输出功率20000kW。

成果：突破了传统意义上采用国产液力耦合器启动电机的最大功率仅为2000kW的技术瓶颈。

4.3 BOG压缩机

突破的关键技术：采用-196度的超低温球墨铸铁材料和密封结构，为国内首台套超低温迷宫压缩机制造工艺。发现了多曲面相贯复杂空间的低温集中区及其温度场分布规律，研制了低温隔冷结构，用中间冷媒将冷量引导至压缩机润滑油冷却系统，避免了低温部件冷量通过中体传递到常温部件，同时实现了冷能循环利用，提高了整机效率，降低综合能耗5.4%，解决了立式迷宫低温蒸发气压缩机的国产化设计制造难题。

成果：较国外同类产品节约投资40%，缩短制造周期3个月以上。

4.4冷箱

突破的关键技术：在大尺寸、介质均布、多股流传热和高压板翅式换热器真空钎焊等方面取得突破。以“先分配后混合”的注液封条两相流均布分配结构，替代传统的折流式、孔板式、喷管式“先混合后分配”的结构，实现气、液分层注入，避免了气液两相不规则窜动，解决了板翅式换热器两相流偏流的难题。国际上首次实现双循环混合冷剂液化工艺集成高效率板翅式换热器的工业应用。

成果：较国外同类产品节约投资20%，缩短制造周期3个月以上。

运行情况：结构紧凑、单位体积传热面积大、冷损失小、设备制造一次成型、设备质量可靠。

4.5 低温阀门

突破的关键技术：成功研制-196度低温2寸及以下低温球阀、6寸及以下低温闸阀和截止阀。

成果：实现低温球阀、闸阀和截止阀的国产化，打破西方技术垄断。

4.6 分布式控制系统（DCS）

突破的关键技术：260MHz主频设计功率小于5W，掉电保持数据时间突破3个月，工艺状态和连锁与实际状态基本实现零偏差。

成果：为国产DCS系统应用于大型LNG液化装备夯实了基础。

5 结束语

综上所述，我国已经实现天然气液化工艺技术及关键设备国产化，打破了西方技术垄断，工艺技术得到较大发展，设备性能大幅提高，从而使整体天然气液化项目投资减少，建设周期缩短，促进了LNG产业的发展。盼望泰安LNG工厂的建设和发展能给其它LNG工厂带来借鉴。

参考文献：

[1]中国能源发展战略研究组.中国能源发展研究（上册）[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2]IEA.Are We Entering a Golden Age of Gas？[R].Paris：WEO，2011.

[3]林畅等.大型天然气液化技术与装置建设现状与发展[J].化工进展，2014（11）.

[4]李青平等.天然气液化制冷工艺比较与选择[J].煤气与热力，2012（9）.