LNG工厂的工艺设计探讨

宗辉

摘要：液化天然气（LNG），是指将气态天然气在常压下冷却到零下162℃以下，使其由气态转化为液态。LNG具有性能高、热值大、成本低、便于储运等优点，建设LNG工厂可很好地满足市场的天然气使用需求。目前，LNG已成为经济发达但能源紧缺的东南沿海地区的永久或过渡供气设施。据此，以某市的LNG工厂建设为例，重点对LNG工厂的工艺设计流程进行了探析，并简要介绍了相关安全措施。

关键词：液化天然气；工艺设计； LNG储罐；液化系统

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.089

天然气，是指通过气田开采，所获得的一种可燃气体，其主要成分为CH4（甲烷）。LNG（液化天然气），是指将气态天然气在常压下冷却到零下162℃以下，使天然气由气体转化为液体。液化天然气可极大地节省储运成本和储运空间，同时具有性能高、热值大的特点。目前，我国天然气的西气东输工程虽然建设得卓有成效，但受管网所限，仍有一些地区无法覆盖到，针对该种情形，建设LNG工厂，将是满足其天然气使用需求的最佳途径。对于天然气管线完善的地区，LNG工厂也可作为备用气源、调峰气源使用。

1工程概况

某市的LNG工厂的天然气日处理量为70×104m3。该项目采用的全是国产设备，工艺也是国产化，气源是西气东输气源。气源温度在5℃～40℃之间，其在冬季的压力为2.0～2.5MPa，夏季为3.0～3.5MPa。气源成分除了CH4，还有H2S、CO2、N2、苯类、烷烃类等。本工程所采用的工艺依次为：原料气进厂、气源压缩、脱二氧化碳、分子筛脱水、纯化、脱汞处理、两次液化、储罐储存、装车作业。其他工艺系统包括：循环水系统、蒸汽系统、液氮气化、PSA制氮、仪表风系统、放散系统。

2工艺设计流程分析

2.1原料气分配、压缩

将原料气引入工厂以后，先进行原料气分配，通过分配站对原料气的调压计量，将其分为两路：一路进入分离器，水气分离后进入压缩机，将其加压到5.0MPa；另一路进入厂区的加热炉、锅炉房、厨房、制冷站房。

2.2脱水、脱碳、纯化、脱汞

将加压后的天然气通入脱碳系统进行脱碳净化，净化后，天然气的二氧化碳的体积分数要<50×10-6，硫化氢的体积分数要<4×10-6。脱碳后，将天然气通入脱水系统进行脱水，脱水后，水的体积分数要<1×10-6。再通入纯化系统，纯化后，烷烃类的体积分数要保持在1×10-6与10×10-6之间。

使用气液分离器、过滤器对压缩后的天然气进行气液分离、过滤，再从底部进入吸收塔，使其与吸收塔上部的MDEA（甲氨基二乙醇）溶液接触，MDEA溶液会吸收掉天然气中的二氧化碳和硫化氢。净化以后，在塔上部对天然气进行洗涤、冷却，然后经除污器进行除污，再进入冷却器，将其冷却到40℃，再经过净化分离器，分离杂质、水分后，通入脱水系统。脱碳工艺中所采用的甲氨基二乙醇吸收法，具有化学和物理的双重吸收特点，其能耗低、二氧化碳回收率高。

天然气脱水主要有溶剂吸收、固体干燥剂、冷冻分离三类方法。固体干燥剂常用方法为分子筛法、硅胶法，或者二者混合使用；溶剂吸收所应用的溶剂主要为甘醇、浓酸等，但是该方法的脱水深度低，不适用深冷装置；冷冻分离可防止天然气在低温状态下产生水合物，但是其允许达到的低温有限，无法达到液化要求。本LNG工厂采用了分子筛干燥法。天然气在脱二氧化碳以后，进入分子筛干燥器，將天然气中的水分脱除，使水露点降到-55℃以下，然后经过滤器，去除杂质后进入脱汞处理和纯化处理。

将脱完水后的天然气通入纯化单元进行处理，通入过滤器将粉尘脱除，再经脱汞吸附器（自上而下），以浸硫煤基活性炭将汞脱除，将汞含量降至10ng·m-3。然后再次通入过滤器过滤，然后通入液化单元。

2.3液化单元

2.3.1液化原理

使用氟利昂进行预冷，通过氮和甲烷混合膨胀制冷工艺提供液化所需的冷量，液化后的天然气通过管道输送到LNG子母罐内再经过液化天然气槽车进行装车和外运。用氟利昂进行预冷、再用氮和甲烷混合膨胀制冷这一工艺流程，兼具膨胀剂液化和级联式液化流程的优点，其流程简单而高效。

氮-甲烷混合膨胀制冷是对氮膨胀制冷工艺的改进、完善。以N2、CH4共同来代替N2，降大大降低能耗。氮和甲烷混合膨胀制冷具有流程计较简单、运用快速、容易控制、便于制冷剂的添加和检测等优点。该流程降低了冷端换热的温差，所以比纯氮膨胀制冷工艺的能耗降低了10%～20%。

2.3.2液化流程

氮-甲烷混合膨胀液化包括了氮-甲烷混合制冷、天然气液化两个部分。氮-甲烷混合膨胀制冷流程，如图1所示。在该系统中，天然气经过脱二氧化碳、脱完水以后，进入到换热器（2）中进行冷却，然后再进入气液分离器（3）进行气相和液相的分离：气相再进入换热器（4）进行冷却和液化，再进入换热器（5）进行过冷，并进行节流降压处理，最后进入储罐进行储存；液相入换热器（2），吸热气化以后入气体管道。

在氮和甲烷混合膨胀制冷流程中，循环压缩机（10）和制动压缩机（7）将氮和甲烷（制冷剂）压缩到工作压力，然后再经过-水冷却器（8）进行冷却，再进入换热器（2），将其冷却到膨胀机所需的（6）入口温度。部分氮和甲烷会通过换热器（4、5）进行冷却、过冷，然后再通过节流阀，在节流降温后反流，成为换热器（5）的冷源；其余部分进入膨胀机（6）的氮和甲烷，达到膨胀几到循环压缩机入口的压力，成为换热器（4）的冷量源，而膨胀能在回收后再用于制动压缩机的驱动。

2.4储存和装车流程

天然气液化后进入储罐储存，根据7日产量来确定储存能力，选用2座1750m3（有效容积）LNG储罐，在一座储罐进液时，另一座装车。endprint

（1）进液化天然气

天然气在经由液化单元液化后，通过输液管道、紧急切断阀，从储罐底部或顶部从进液阀进入储罐的子罐。在与高液位自动联锁时，充装紧急切断阀会迅速地自动关闭。

（2）出液化天然气、装车

储罐子罐LNG经由低温泵进行抽液外输，经过截止阀、紧急切断阀输送到槽车中。在与火气报警联锁时，液动紧急切断阀将及时自动关闭。

该LNG工厂自投运以来，从现场性能考核结果来看，其液化装置的工艺设计十分合理，其工艺路线可行性良好，各项技术指标也符合设计要求。

3工艺设计安全措施

首先，工程中所应用到的增压器、气化器、LNG储罐、阀门等设备都必须为耐低温材料，各管道（及其附件）要选用奥氏体（OCrl18Ni9）耐低温不锈钢材料，同时要注重管道的柔性设计，以免管道发生疲劳损坏；其次，在调压、气化、储存、卸车等设施中，都应当设计气体泄漏、液位、温度、压力等检测仪表，并将其与值班室内的监控系统相连接，实现运行参数的动态监控，同时要设置报警、远程控制的ESD（紧急切断功能），以有效预防、及时处理突发状况；再次，在工艺生产区中，每个主要设备都必须配置安全放散阀；最后，在生产区要设计多个可燃性气体报警器探头，并与加气区、储罐进出口的多个点进行紧急切断阀联锁，若发生泄漏，紧急切断阀就会马上关闭，以控制泄漏，避免发生安全事故。

4结束语

由于LNG具有运行成本低、储存效率高、运输灵活等优点，所以广受人们青睐。针对目前天然氣管网无法覆盖的一些地区，建设LNG工厂，以LNG作为过渡气源、调峰气源、主气源的发展前景十分广阔。LNG工厂的工艺设计包括了原料气分配和压缩、脱碳、纯化、液化、储存等过程，流程繁多而复杂，充分掌握各工艺步骤，对于提高LNG生产效率，实现安全生产有着重大意义。

参考文献

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