天然气液化流程技术分析及其进展

jianzhu_123 发表于 2024-9-30 12:24:16

<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">前言：</h1>
目前世界一次能源消耗比例中，石油占第一位，天然气位居第二，预计不久天然气将超越石油占据首位。
从全球能源消耗发展趋势来看，天然气正迎来其发展的黄金时期。天然气的消费群体处于人口稠密经济较发达的地区，而其产地却往往处于偏远地区，即天然气的产区与消费区存在地域上的不平衡，而且对于海上生产的天然气，其向陆地的输送也是一个需要解决的难题。
LNG即液化天然气，其体积约为气态天然气的1/625，因此，以液态天然气 LNG的形式对于天然气的运输、储存以及合理利用都具有十分明显的优势，而液化工艺的设计与开发则显得尤为重要，尤其是小型天然气液化工艺及技术对页岩气和煤层气的开发、天然气调峰以及边远气田的开发等方面都具有重要的应用价值。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-axegupay5k/f43c89700cae49c19b94df343cad4f59~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=N05dNtH%2F1hbGcaKkNY%2BXuyVtDLg%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 液化天然气LNG产业链
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传统天然气液化流程
综合国内外天然气液化流程及技术，传统液化流程主要有级联式循环、混合制冷剂循环(MRC)、膨胀制冷循环三种；新型的液化技术主要有涡流管制冷技术、气波制冷机技术和超声速天然气膨胀液化技术。
传统液化工艺一般设备投资大，占地面积多，维护费用较高，而新型的液化技术以其结构简单、占地少等优势也越来越受到大家重视。
<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">一、级联式液化流程</h1>
级联式液化流程又被称作阶式(cascade)液化流程，在基本负荷型天然气液化中得到大量应用。
级联式液化流程的主要应用情况如图所示。可以看出，该流程工业应用较少。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/1463bf3c80204a3799fd31ec82fe4387~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=TSHHMCyY3%2BfAXq08ON%2FddTVZhWI%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 级联式液化流程应用情况表
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该流程包括多级独立制冷循环，冷量由较低温度级循环转移给相邻较高温度级循环。制冷循环级数越多，相邻级间的温差越小，换热效率越高，即其功耗越低，但初始设备投资成本也随级数增多而加大。
在实际循环液化流程中，级数的选择要综合考虑初始投资费用、运行费用等多个因素。
下图为典型级联式天然气液化流程示意图，该流程由制冷循环与天然气液化流程两个部分构成。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/b68a0843cab9456498568d4a40c90996~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=zHTHIsMbLTh%2BvV15gudDQDBnfdY%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 联级天然气流程示意图
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其中，制冷循环包括三级独立的循环，制冷剂包括丙烷/丙烯、乙烯/乙烷和甲烷，每个制冷剂循环均由三个换热器构成。
天然气所需冷量可由第一级丙烷制冷循环、第二级乙烯制冷循环和第三级甲烷制冷循环提供，而甲烷所需冷量可由第一级和第二级提供，乙烯所需冷量则只能由第一级提供。
天然气依次通过丙烷制冷循环、乙烯制冷循环和甲烷制冷循环进行降温，在此过程中，其分别经过九个换热器进行冷却，温度逐步降低直至液化，最后经过节流阀进行降压降温以达到储存条件，之后进入LNG储罐储存。
<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">二、混合制冷剂液化流程</h1>
混合制冷剂液化流程一般分为闭式、开式、丙烷预冷和CII四种液化流程。
混合制冷剂液化流程(MRC:Mixed-RefrigerantCycle)的混合制冷剂主要由C1~C5的碳氢化合物和氛气等五种以上的多组分工质组成，
 液化流程中的混合制冷剂逐级进行冷凝、蒸发、节流膨胀从而得到不同温位的冷量，从而实现对天然气进行逐步冷却和液化的目的。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/1763e6c0aa7741c9b56bd2c31b587fd6~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=51w%2FNDJsgfRzPjrR8QUPP8vN9J4%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 混合制冷剂天然气液化过程中性能的改善
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混合制冷剂与纯组分制冷剂的不同点主要在于，混合制冷剂产生的冷量是在一个连续的范围内，而纯组分制冷剂所产生的冷量则仅仅是一个固定的温度值。
MRC 制冷流程不但实现类似级联式液化流程的目的，而且克服系统复杂的缺点。因此，自1970年代，各种不同类型的混合制冷剂液化流程被广泛应用于基本负荷型天然气液化装置。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p26-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/76198390d7834040aefdc60163be3ac7~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=U7F3nBNYbv3%2FUH1IcDdVLpJVCqY%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 混合制冷剂液化天然气设备
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MRC 液化流程所需压缩机等设备减少，使流程得到大大简化，并使投资进一步得到降低。
理论上原料气的冷却曲线能与该液化工艺的级间冷却温度较好地贴近，这使得制冷功率得到较大节省，但该流程的缺点是，制冷剂混合物的组成比例在确定之后将很难进行调整，这使得MRC工艺的效率低于9个温度级的级联式液化流程。
另外，原料天然气、制冷剂冷凝物以及相关汽化馏分等都需要设置独立的换热管线，导致主换热器既庞大又复杂。
下图为丙烷预冷混合制冷剂液化流程(C3/MRC:Propane-Mixed RefrigerantCvcle)。流程包括三部分:混合制冷剂循环、丙烷预冷循环和天然气液化回路。
流程既简单又高效。与级联式液化流程相比，其具有设备少，管理方便等优点。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/606f08da6a794681a0431b51737e133d~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=a5dCjmmRtJnbkt1G8Kt2gIsNexo%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 混合制冷剂循环液化天然气流程示意图
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<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">三、膨胀制冷循环流程</h1>
带膨胀机的液化流程(Expander-Cvcle)是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀制冷实现天然气液化的流程。
根据液化流程中不同的制冷剂，膨胀制冷液化流程可分为N膨胀液化流程、天然气膨胀液化流程、N-CH膨胀液化流程三种方式。
气体在膨胀机中进行膨胀降温，同时还能对外做功，这部分功可为流程中的压缩机提供所需能量。
透平膨胀机是该流程中的核心设备，该流程的优点是流程简单、容易操作、维修简便;缺点是能耗大，低温下高速运转的透平膨胀机的可靠性较差，维护费用高。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/1746e957ef704b56849c060bace9a313~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=jlS4AvEb%2B261lOW%2F5kt3TDxrtto%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 透平膨胀机系统示意图
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为了使膨胀机的功耗得到降低，节能降耗，以N-CH混合气体替代纯N，研发出了N2-CH膨胀液化流程，该流程与混合制冷剂液化流程相比较，N--CH膨胀液化流程具有启动时间短、流程简单、控制容易等优点。
由干冷端换热温差得到缩小，N-CH膨胀液化流程比纯N膨胀液化流程实现节省动力功耗约10%~20%。
CH胀化流程如下图所示，该流程包括天然气液化系统和N-CH制冷系统两个独立的部分。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/76291c8ecc524255bce12f4a58b44719~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=bg%2BEeXriwiWACbuY%2FKLKRHDckGs%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 N-CH膨化流程
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新型液化工艺技术
<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">一、涡流管制冷技术</h1>
涡流管的基本原理是压缩空气在涡流室中被分流成冷气流和热气流两股流体，冷流可以实现制冷，而热流则可以加温。
法国工程师兰卡最早发现并提出涡流管，涡流管因此也被称为“兰卡管”。
涡流管可分为顺流和逆流两种结构形式，冷端出口与热端出口不同侧时为逆流涡流管，而冷端出口与热端出口在同一侧时为顺流涡流管，实验研究表明逆流涡流管的能量分离特性优于顺流涡流管，故对逆流涡流管研究较多。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/31f9c85081004959a9346e8a43c89c99~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=ZagdBz%2FwLp2CkDM9xDvcb1mZq2Y%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 涡流管结构示意图
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涡旋管主体部分是构造较简单的管子，其主要结构包括喷嘴、涡流室、分离孔板及冷热两端的管子。
气体在涡流室内经涡流而分离成冷热两部分流体，涡流室内部结构形状采用阿基米德螺线进行设计，在涡流室的边缘沿切线方向安装喷嘴，也可按其他方法进行连接。
涡流管在多个领域得到应用，包括控制天然气露点、回收轻烃、天然气液化、燃料气处理和替代电伴热等。
根据报道，涡流管制冷技术在俄罗斯被应用于天然气调压站，利用调压站压力降带来的温降实现天然气液化，该液化装置也被称作是新一代的天然气液化装置，英文简称为NGGLU。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/400941f2db5343fbbb86dca7722a3aef~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=XmN1DvXyX85%2FQzBZu8sLuv5gGO4%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 涡流管制冷
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该装置的操作压力约为3~7.5MPa，天然气处理量为72x10~432x10m/d，液化天然气产量高于40m/d，液化率约为6%~14%，该装置的占地面积约16平方米。
尽管涡流管的结构及操作均较简单，但涡流管内的能量交换过程却非常复杂。因此，对涡流管的制冷作用机理，至今未有一种令人非常满意的解释，仍有许多机理需要探索。
而且涡流管的制冷等熵效率较低，为0.235，即使等熵效率很高，其耗能仍较大，因此，进一步改善涡流管制冷器的性能仍是今后研究的方向。
<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">二、气波制冷机技术</h1>
气波制冷机(Gas Wave Refrigerator)又称压力波制冷机或热分离机/器，是20世纪60年代末至70年代初新兴的一种制冷机械，由法国 ELF公司和BERTIN公司发明。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/e6f513abc931487bbf85e18cf2011288~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=uWiFvfLFrGATtNU3EgIeJmqGeJg%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 气波制冷机结构示意图
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其制冷原理是通过气体工质的压力能向速度能的转变、作压缩功，并通过激波和膨胀波的运动，从而实现冷流体和热流体的分离，最终达到对流体进行降温制冷的目的。
该新型制冷机械具有多项优点:结构简单、操作维护及加工方便、价格便宜、可以带液工作且工况适应性强等。国产机的热效率一般为40%-70%，而据报导国外同类产品热效率可达80%-90%。
目前，该技术主要应用于天然气的脱水净化、石油天然气中轻烃回收以及回收化工厂各种尾气由有用组分等方面，应目前景广活。按结构来划分，气波制冷机一般分为两类:静止式和旋转式。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p9-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/bc01eea1a3674c7998f916daa7de0d8d~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=ccuL4bhUHECL2fCk317Cn0UkGsc%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 静止式气波机和旋转式气波机示意图
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<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">三、超声速天然气膨胀液化技术</h1>
超声速天然气膨胀液化技术是将气体在拉法尔喷管内高速流动条件下急剧膨胀所产生的低温效应应用到天然气液化领域，利用膨胀液化机理实现等熵膨胀。
当前在利用喷管内超声速天然气膨胀实现低温效应技术领域的研究主要集中在利用喷管内的超声速膨胀制冷实现喷管内天然气气体温度和压力的降低，从而利用这一低温低压环境实现天然气中水分和重烃的凝结，然后在之后的分离器内实现气液的分离，达到降低天然气水露点和烃露点的目的，即天然气超声速旋流分离技术。
该技术是一项多种学科基础相结合的技术，包括气体动力学、工程热力学等，其将湿蒸气的降温、旋流分离和压力恢复过程集中体现在一个容器内，核心是利用超声速膨胀形成的低温低压环境使水分和重烃实现凝结，然后利用超声速旋流进行气液分离。
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-qvj2lq49k0/d5fc7a2eb1654f33b31e146d0b77095a~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1727485819&x-signature=DkKWm9Gu0z76itbdFW97NYD%2Bb9E%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
 超声速天然气膨胀液化技术装置结构示意图
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<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">结论：</h1>
在拉法尔喷管超声速膨胀制冷的基础上进一步改变喷管的出入口压力温度条件，从而使制冷温度进一步降低，就能达到天然气液化的目的。液化天然气可以增加运输的便捷性，因此研究天然气液化的技术就成了运输天然气中关键的一环。随着生活中天然气的使用不断增加，日后对于液化天然气的技术研究也会进一步发展。

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天然气液化流程技术分析及其进展