天然气液化工厂产能扩建改造实例

华新燃气集团有限公司 茹志鸿 朱瑞崴

液化天然气(LNG)是将天然气净化、深冷液化而成的一种清洁优质燃料，主要成分为甲烷，另外还含有少量的乙烷和丙烷。来自管网的原料天然气经过过滤、调压计量、往复式活塞压缩机增压、脱酸、脱水、脱汞及重烃后进入冷箱逐步冷却至-162.9℃，最后进入储罐中储存。LNG体积约为其气态体积的 1/600，密度取决于其组分，甲烷含量越高，密度越小。

本改造项目对象为山西运城地区某LNG工厂，日处理天然气规模50万 m3。生产装置包括原料气计量系统，原料气压缩系统，原料气脱酸、脱汞、脱水、脱烃系统，液化冷箱系统，LNG储存及充装系统，废水处理系统，冷剂储存、压缩系统，BOG回收系统，仪表空气系统，空压制氮系统，冷却循环水系统，脱盐水系统，导热油系统和消防系统等。自投产运行以来，设备一直处于稳定运行状态。

LNG生产过程中，天然气在冷箱中液化所需要的冷量来自离心式冷剂压缩机压缩后的混合冷剂，因此离心式冷剂压缩机(以下简称冷剂压缩机)是天然气液化的核心设备。该 LNG工厂原有冷剂压缩机1台，额定功率7 600 kW，冷剂经两级压缩增压后出口设计压力为3.4 MPa，生产中实际的出口压力为2.76 MPa，即还有较富余的生产能力。因此拟在原项目基础条件上加以改造，以提升天然气处理量。

1 项目总体方案

根据设备原始设计参数，在充分考虑原料气管网压力、压缩机性能、凉水塔及冷箱换热效率、净化系统及公用工程等设备以及管道实际生产运行参数的情况下，本项目拟增加1套日处理原料气20万 m3的液化装置及其配套设施。其中，液化工艺采用带丙烷预冷的混合冷剂制冷，优点在于只需增加预冷机组、冷箱、冷却器、吸收塔顶预冷器和凉水塔等装置，就能使生产能力由50万m3/d扩产至70万m3/d，改造内容相对较少。

工艺区现有设备、阀门及管道等的总图布置合理，各处理单元尚有剩余空间，新增设备有放置空间。新增冷箱、预冷机组露天布置于扩建工艺装置区。在原厂冷剂压缩机级间和末级冷却器平台之上新建一层平台，将原厂冷剂压缩机级间和末级冷却器移至新建平台，新增冷剂压缩机级间和末级预冷器布置于原平台上，吸收塔顶冷却器布置于净化装置区原有平台上。新增循环水设施布置于原液化厂循环水系统旁现有空地。

2 改造工艺方案

2.1 不同工艺流程比较

天然气的液化生产主要包括原料天然气的净化处理、液化和储存3个过程。其中原料气的制冷液化是工艺核心，对投资和运行费用起决定性作用。该改造项目工艺方案的确定主要是液化工艺流程的确定。常用的制冷工艺流程有阶式(级联式)循环制冷、混合冷剂循环制冷和膨胀机循环制冷等 3种流程[1]，不同的工艺流程采用的主要设备和冷剂也有所不同。其优缺点如表1所示。

表1 不同工艺流程

原厂液化工艺为混合冷剂循环制冷工艺，如再增加另外1套液化工艺则投资太大，因此本扩建项目也采用混合冷剂循环工艺。混合冷剂循环制冷工艺分为混合冷剂单循环制冷工艺(MRC)、混合冷剂双循环制冷工艺(DMR)和丙烷预冷混合冷剂制冷工艺(C3/MR)3种类型。3种混合冷剂制冷工艺性能比较如表2所示。

表2 3种混合冷剂制冷工艺性能比较

2.2 工艺流程确定

原厂采用的是单循环混合冷剂制冷工艺，如果再设置1套相同的制冷工艺，投资较大、新增设备较多、占地面积也较大，因此选择采用丙烷预冷混合冷剂制冷工艺，可在不增加混合冷剂压缩机的前提下，仅增加1台丙烷预冷机组，即能实现扩产20万m3/d。

来自厂区外的原料气经过原厂计量、净化装置脱除杂质后分为两路，一路进入原厂液化装置，液化后存储于原厂LCPM储罐中；另外一路送入新增液化系统，原料气在新增冷箱中被冷却至-60℃后，进入原厂重烃分离器。在重烃分离器脱除重烃后的原料气返回新增冷箱继续冷却至-162.9℃，节流至0.01 MPa后进入原厂LNG储罐中储存，工艺流程如图1所示。

液化段和过冷段采用混合冷剂制冷循环的方式提供冷量，分别制冷原料气和混合冷剂，这样的方式工艺流程相对简单，效率更高，运行费用较低。

3 主要设备选型

3.1 压缩机

3.1.1 压缩机种类

压缩机的种类主要有往复式压缩机、离心式压缩机和螺杆式压缩机。

往复式压缩机适应性强，但其外形尺寸庞大笨重，且排量较小，主要适用于小排量，高压或超高压条件。

离心式压缩机结构紧凑，尺寸小，可以直接与驱动机联运便于调节流量和节能，易实现自控。其缺点是压力较低，热效率较低，流量过小时会产生喘振。离心式压缩机适用于大流量、中低压条件。

螺杆式压缩机结构简单，体积小、易损件少、振动小、容积效率高，寿命长，维护管理简单，接近于等温压缩，即使在高压缩比时也可以使用单级压缩，对设备基础要求简单。缺点是润滑油系统比较复杂，油耗量较大，一般来说其电耗也较大；噪声较大，转子加工精度要求高。螺杆式压缩机适用于入口天然气带液、中低压力及中小排气量，常在制冷过程中使用。

根据本扩建项目的工况特点，丙烷预冷压缩机拟选用螺杆式压缩机，采用国产设备。

3.1.2 丙烷预冷压缩机驱动方式

丙烷预冷压缩机的驱动形式可分为燃气透平、蒸汽透平和电机驱动[2]。若采用燃气透平，优点是燃气消耗率低，但维修费用高，并且尾气不能被很好利用，综合能耗较大。若采用蒸汽透平，缺点是蒸汽供应可靠性低，在蒸汽气源不能及时稳定提供的情况下，会影响本扩建项目正常生产，而且自建蒸汽锅炉投资大。若采用电机驱动，有操作简单、运转平稳、检修维护工作量少等优点，但是其电机功率大，起动受电力供应的影响，对电网容量要求高，能量综合利用率低。

经过多方比较和论证，本扩建项目的螺杆式压缩机采用电机驱动方式。

3.2 冷箱

冷箱内的换热器分为板翅式换热器和绕管式换热器两种。两种换热器的优缺点如表3所示。

表3 两种换热器的优缺点

通过综合比较，冷箱内的换热器选择板翅式换热器。

3.3 冷却器

本项目所用到的冷却器主要是丙烷预冷压缩机组冷却器。其冷却方式有空冷和水冷两种。空冷维护费用为水冷的20%～30%，使用寿命长，但占地面积大，造价高，且出口温度不能低于空气温度。水冷可以得到较低的温度，占地面积小且耗电小；缺点是受地理环境影响，对周围水源有污染，且工业废水腐蚀性强，需要处理维护的费用高。

本扩建项目位于山西省运城市，年平均气温为13.5℃，年总降水量为550 mm。综合考虑，丙烷预冷压缩机采用水冷。

本项目生产用水主要为工艺循环冷却用水补水，增加软化水处理装1套，新增部分并入原厂循 环水系统。

4 效益分析

本项目改造完成后，该 LNG工厂的生产规模从日处理量50万m3增加至70万m3，每年预计增加天然气处理量 6 660万 m3，LNG产量增加约48 743.21 t。从整个产量提高过程的经济活动分析中可知，天然气在液化加工过程中虽然增加了电量消耗和物料消耗，但大大节省了单位产量的人工成本、管理费用及其他费用，从而降低了生产成本，提高了产品的利润空间。

产能扩建后增加的原料气处理量的余能，可以代替煤作为燃料，每年可节省标煤600 t。不仅减少了向大气中排放的甲烷量，还减少排放了CO261.2 t和煤烟尘10 t。

5 结语

LNG生产产能的扩建项目扩大了原厂的生产规模，为应急调峰提供可靠气源，解决了运城市季节调峰和日调峰问题，确保了城市安全正常供气。如推广至类似项目使用，不仅可使本地区资源得到合理充分利用，也有利于减少大气污染，保护环境，符合我国发展节能减排、低碳经济的基本国策。

参考规范：

[1] 中石化上海工程有限公司.化工工艺设计手册[M].北京:化学工业出版社,2018.

[2] 化工装置工艺系统工程设计规定: HG/T 20570-1995[S].