小型天然气液化装置研究进展和关键问题_张维江

低温与超导第35卷　第5期制冷技术

Refrigerati on Cryo .&Supercond .Vol .35　No .5

收稿日期:2007-07-13

作者简介:张维江(1980-),博士研究生,主要从事天然气液化方面的研究。

小型天然气液化装置研究进展和关键问题

张维江,石玉美,汪荣顺

(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240)

摘要:介绍了小型天然气液化装置的特点,概括和分析了国内报道的国内外小型天然气液化装置,分析了小型天然气液化装置研究的一些关键问题。指出小型天然气液化装置的研究是一项系统工程,主要涉及到三方面的内容,即液化流程设计和模拟、液化设备设计和选型、液化装置调试和整改,并对这三方面进行了深入分析,认为针对小型天然气液化装置的低温理论和技术的发展将提高小型天然气液化装置的效能。在进行小型天然气液化装置的研制时应立足于使设计的小型天然气液化装置国产化,取得自主知识产权,力求形成商业化规模。

关键词:小型天然气液化装置;液化流程;天然气;LNG

Study progress and key proble m s of s ma ll -sca le na tura l ga s li quef i er

Zhang W eijiang,Shi Yu mei,W ang Rongshun

(I nstitute of Refrigerati on and Cryogenic Engineering ,Shanghai J iaot ong University,Shanghai 200240,China )

Abstract:Several as pects of the s mall -scale natural gas liquefier are intr oduced in the paper including its characteristics,the liquefi 2ers reported in China and the analysis f or the m and key p r oble m s f or s mall -scale natural gas liquefier study .It is pointed that the study of the s mall -scale natural gas liquefier is a syste m p r oject mainly including three as pects:the liquefacti on fl ow design and si m ulati on,the liq 2uefacti on equi pment design and chose type,the liquefacti on fitting testing and modificati on .Further analysis is given about the three as pects .It is believed that the efficiency and the value of the s mall -scale natural gas liquefier will be i m p r oved by the devel opment of the cryogenic theory and technol ogy f or it and it should be centered with domestic,own intellectual p r operty and commercial when devel oped and made s mall -scale natural gas liquefier .

Keywords:S mall -scale natural gas liquefier,L iquefacti on fl ow,Natural gas,LNG

1　引言

天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分,

它与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。我国具有丰富的天然气资源,随着我国“西气东输”工程的实施,将有力地促进天然气的开发和利用。LNG 是天然气的一种独特的储存和运输形式,它是气田开采出来的天然气,经过脱水、脱酸性气体和重烃类,然后压缩、膨胀、液化而成的低温液体。天然气液化后,其体积为原来的1/625,有利于天然气的远距离运输,有利于边远天然气的回收,降低天然气的储存成本,有利于天然气应用中的调峰。同时,由于天然气在液化前进行了净化处理,所以它比管道输送的天然气更为洁净。近年来,随着我国对环境保护的重视和对高效、清洁能源认识的深入,对LNG 的开发和应用重视程度逐渐提高。我国已初步规划在2010年之前在国内沿海建设7处以上液化天然气(LNG )接受终端。现已先规划在珠江三角洲、福建和浙江省进口LNG 。国家科技部

“十五”清洁汽车行动关键技术攻关及产业化项目指南明确提出了单一燃料LNG 公交车的示范工程,通过示范工程,为全国大范围提高燃气汽车的应用水平发挥示范作用,促进国产LNG 车的技术发展。天然气液化装置分为基本负荷型、调峰型及小型液化装置。小型天然气液化装置可用于天然气加气站、城市调峰用气、开发利用边远小气田、油井残气及沼气等领域。随着我国天然气的开发和LNG 市场的发展小型天然气液化装置将有广阔的发展前景

[1-3]

。

2　小型天然气液化装置的特点

小型天然气液化装置与大中型相比,最大的特点是设备简单紧凑、投资省、尺寸小型化、装置撬装化。目前世界上除了加拿大以外,美国、芬兰等国也在开展小型LNG 装置的研发工作。它是在市场对LNG 有极大的需求和大宗LNG 运输问题可以解决后才迅速发展起来的

[4]

。

小型LNG 装置通常用于下列场合:

(1)调峰设施:用途是液化并储存额外的天然气以调节供气量与需求量之间时域的不匹配;

(2)小型LNG 设施:槽车比管道输送LNG 更为经济;(3)为交通工具提供天然气作为清洁燃料[5]。

3　国内外小型天然气液化装置的研究进展

近年来,我国天然气开发和LNG 市场的发展引起了一些企业和科研单位的注意,国内已报道了许多国内外小型天然气液化装置研制的情况,如吉林油田、中国石油天然气总公司和中科院低温中心联合开发研制的500升LNG 撬装式工业实验装置[6]

;中国科学院低温中心与四川省绵阳燃气集团总公司、中国石油天然气总公司勘探局、吉林油田管理局等单位联合研制的

容量为0.3m 3/h LNG 和容量为0.5m 3

/h LNG

的天然

气液化设备

[7]

;中原石油勘探局建造的国内首座小型

生产性质的LNG 工厂[8]

;以大连气波制冷研究推广中心开发的气波制冷机为核心的丙烷预冷和气波制冷机

膨胀制冷、循环压缩的小型天然气液化工艺方案[9]

;美国燃气工艺研究院(GTI )研制LNG 生产能力为4—

40m 3/d 的小型天然气液化装置[10]

和俄罗斯建在CNG 加气站和配气站上的小型天然气液化装置[11]

等。以下对这些小型天然气液化装置进行分析和归纳。3.1　各种小型天然气液化装置

(1)500升LNG 撬装式工业实验装置

该装置工艺流程如图1所示。在预处理环节,该装置将气田井口高压的天然气(11MPa )加热节流后变成低压天然气(1.0MPa ),并进行油、气、水分离,然后用国产分子筛对天然气进行深度脱水和脱二氧化碳处理。在其液化环节以高纯度氮气作为制冷工质,利用气体轴承膨胀机将氮气制冷到-157℃,再在冷箱中通

1.采油树;

2.水套炉;

3.油嘴;

4.分离器;

5.过滤器;

6.天然气干燥器;

7.分子筛过滤器;

8.冷箱(气体轴承膨胀机和板翘式换热器);

9.LNG 槽车;10.滑片压缩机;11.再生分离器;12.再生冷却器;13.气体加热炉;14.氦气缓冲罐;15.氦压机;16.后冷却器;17.氦气干燥器

图1　500升LNG 撬装式工业实验装置流程示意图

Fig .1　500L LNG

skid -mounted industry experi m ent equi pment fl ow sheet

过板翘式换热器与天然气进行换热使天然气温度降到

-130℃,然后通过节流阀降温降压至0.35MPa (-145℃)使天然气液化。整个装置由10个撬块组成,全部设备国产化,水、电、制冷工质、原料全部自给,并于1996年12月整体试车成功,各项技术指标均达到或

接近设计值,它为边远地区零散天然气的回收和利用开辟了一条途径。

(2)0.3m 3/h LNG 天然气液化装置

该装置工艺流程如图2所示。在其液化环节,压力为4MPa 的预处理天然气经换热器1预冷,通过气液分离器并分离掉重烃,分离后的气体一部分进入膨胀机膨胀降温,降温后作为制冷工质进入换热器2冷却未进入膨胀机的天然气,通过节流阀节流降温后使天然气液化并储存在LNG 储罐中。对储罐中自蒸发的LNG 通过换热器1和换热器2进行冷量回收后进

图2　0.3m 3/h LNG 天然气液化装置流程示意图

Fig .2　0.3m 3

/h LNG natural gas liquefier fl ow sheet

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