基于LNG高压液化射流的思考

唐陌泽　张博威　唐溪潞

摘 要：天然气储量丰富，发展迅速，是目前研究最广泛的燃料。我国未具备大规模液化天然气系统工程实践，天然气液化技术的发展可缓解我国天然气资源分布不均的矛盾。近年来液化天然气LNG的研究应用受到了各界关注和重视。本文则侧重对高压射流技术应用于液化LNG的意義进行探索，结合实际情况应用分析高压射流技术应用的优化和技术要点。

关键词：液化天然气;高压射流;技术应用

目前我国对小型天然气液化装置的研究，一部分引进国外技术，一部分自我研发。天然气液化的工艺流程其核心是制冷，根据制冷方式不同可分为级联式液化、混合制冷剂液化和带膨胀机的液化三种基本流程。而高压射流技术对天然气液化流程十分重要，在经济性、实用性等方面具有优势，其液化率高，成本低。

一、高压液化射流在天然气液化的应用意义

（一）高压液化射流设备优势

高压射流装置便于安装，模块化，撬装化，对于小型LNG液化装置十分实用。其制冷部件引射器结构简单，不易磨损，可长期使用，当高压天然气进入时，引射器高速膨胀，将低压返流气吸入并增压，可取代一台增压压缩机运转，降低投资成本，经济效益良好，运行过程中产生的BOG引射器能直接将其吸至冷箱重新液化，使得产量提高，节能减排，经济效益增加，天然气液化率高，未液化杂质将定时排放，回收利用。冷机启停时间快，起停简单，是目前全世界最快的LNG启动工艺，可以减少能耗及甲烷损失，能更好解决气源不稳定的问题。冷箱内部换热器换热效率高，冷量损失小，循环气与原料气温度能保持一致。换热器采用管壳式换热器，对比板式换热器，不易冰堵，适合任何甲烷含量的气源。装置操作方便、设备维护量少，经济型强，对于天然气液化流程从前期准备、投资使用、维护维修等方面都具有较强的实用性、经性。

（二）高压液化射流与其它液化工艺对比

高压射流液化工艺相比于氮膨胀工艺和MRC工艺，高压射流制冷工艺最为简单，膨胀制冷工艺较复杂，MRC工艺最为复杂;当BOG处理量较大，高压射流装置处理时，理论能耗较低，膨胀制冷和MRC制冷通过回流方式处理，理论能耗较高;膨胀制冷和MRC制冷在液化过程中氮气不凝气排出，高压射流工艺一次液化率只有30%，其余气体作为循环气，原料气中氮气含量越高，不凝气循环量将增高，能耗将上升;高压射流液化工艺更适用于小规模，MRC工艺全部适合，更趋向于大规模;高压射流液化装置机组少，流程简单，设备稳定性更好，运转设备简单，效率高，启动时间快，甲烷回收率更高，冷箱冰堵概率更低，占地更少。在经济上，BOG处理量16t/h时MRC制冷年运行冷消耗最低，高压射流制冷年运行消耗较高，膨胀制冷年运行消耗最高;导致MRC制冷利润最高，膨胀制冷利润最低;随着BOG处理量减少，高压射流经济性越高，当BOG处理量小于2t/h时，高压射流费用现值低于MRC，经济性最高。由于MRC和膨胀制冷的主要投资为冷箱及压缩机，高压射流引射器相当于压缩机作用，在处理量小时，投资能相对更低具备最佳经济优势。

（三）高压液化射流的前景

膨胀制冷和MRC制冷技术成熟，应用范围广，技术垄断性弱，而高压射流技术相对欠缺，应用较少。现有设备来源于俄罗斯，技术垄断性强，国内相关技术开发空间足，可供应用市场多，具有研究价值。高压水射流技术成熟，拉瓦尔喷管技术成熟，可供研究参考。高压液化射流对于天然气液化相比于其他液化工艺在小规模工程中更有优势，发展空间以及未来收益更强。

二、高压射流技术应用优化及技术要点

（一）高压射流液化技术现状

俄罗斯首先提出填天然气高压射流液化技术。俄罗斯冷箱设备流程，将天然气原料通入净化撬，将杂质排放，剩余气体部分通入联合压缩机将气体液化于A-1，用制冷机撬于A-2循环进行降温，降温后放置于A-3，液化成功放置于A-5，未液化完成气体通入A-4再次循环到联合压缩器，对于A-5当温度不足时可能气化，将气体再次循环到A-1。此设备引入两个引射器，对于挥发气体进行二次加压液化，最终液体流入储罐。

由上方分析可知，在国外对于天然气的射流液化技术的研究也存在很大空缺，其缺点的关键位置同国内一致，主要在于引射器部件的工业设计。

（二）高压射流的应用优化

可对对于引射器结构进行设计，包括引射器出口管径、形状、路由等管道设计进行模拟，且管道在相同压力、温度等情况下天然气液化效率测定;对于引射器材料进行选择，包括引射器入管口、路由、出管口等部位选取不同材料，模拟分析天然气液化效率;对于引射器进行不同压力大小、加压部位的模拟，得到天然气液化率关于压力的曲线图;同时可通过对国内外拉瓦尔喷管的调研，提取核心技术，对高压射流液化技术分析、应用、优化;皆可利用HSYS，Fluent软件模拟LNG射流过程中天然气液化效率，得到较为精准的引射器液化效率模型。分析现有装置的不足，结合数据分析后进行优化设计与改进。通过软件模拟计算出准确的引射器液化效率模型，对现有引射器进行优化设计，使现有液化天然气通过高压射流液化1/3的效率提高。

俄罗斯首先提出高压射流技术，通过加压降低天然气温度，实现天然气液化，该方案对原料气气质要求低、甲烷回收率高、起停时间短、操作简单等优势，国内相关资料甚少，技术不够成熟，有极大的改进优化空间。但是天然气超音速脱水装置的核心内容拉法尔喷管与引射器原理相似，且技术成熟有很多参考方向。通过改变引射器结构、材质、加压方式等多方面因素，对液化效率进行提高。

结束语：

总而言之，高压液化射流技术对天然气液化有着十分重要的意义。随着天然气的全面开发，液化天然气已经成为国内外重点研究方向，提高其液化效率是目前的研究热题。其中通过高压射流的液化方式最具有研究价值，随着其研究的不断深入的，天然气整体液化效率将显著提升，因此本文着重对高压液化射流技术的应用前景以及改良方式做了简要的阐述，分析其与现有液化技术的优势，并对已有技术提出优化的方向。

参考文献：

[1]Jorge H Foglieta. New LNG Process Scheme [c]. Gas Processors Association 78th Annual Convention1 Vision 2000 Growth through Techonology. 1999-3-1 -3. Nashville，Tennesscc.

[2]高压射流工艺在LNG液化工程中的运用[A]. 中国石油和石化工程研究会.中国油气管道建设与储运技术交流会暨油气储运新技术、新设备、新材料展示会论文集[C].中国石油和石化工程研究会：中国石油和石化工程研究会，2014：7.