天然气液化工厂产能提升的分析与研究

＊牛建伟

（华新燃气集团有限公司 山西 030032）

天然气液化工厂通过技术改造，进行产能提升，生产能力由日处理原料气50×104m3/d扩建为70×104m3/d（0℃，0.101325MPa·A）。产能提升方式是利用已有液化装置的富余能力，通过新增原料气压缩机余隙调节系统、预冷机组、冷箱、冷剂压缩机级间和末级预冷器、吸收塔顶冷却器、闭式冷却塔、循环水泵等装置，使装置生产能力扩产至70×104m3/d。

通过产能提升改造后，天然气日处理规模可以增加20×104m3/d，预计每年增加天然气处理量6660×104m3/a（每年按照333d计算），合计增加LNG产量48743.21t。提高产量后，天然气在液化过程中只是增加了一小部分电量和物料消耗，而节省了人工成本和管理费用，从而大大降低了生产成本，提高了利润空间，增加了经济收入。

1.产能提升技术改造背景

(1)冷剂压缩机有富余生产能力

原液化厂的工艺流程是：来自管网的天然气经过过滤、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℃，最后进入储罐储存，通过装车站给槽车加液。其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。离心式冷剂压缩机是天然气液化的核心设备，原厂设有离心式冷剂压缩机1台，额定功率7400kW，电机电压10kV。冷剂压缩机为两级压缩，进入压缩机的制冷剂，经制冷剂压缩机增压后二级出口压力设计为3.4MPa，在实际生产过程中，冷剂压缩机二级出口压力约为2.76MPa，还有很多富余生产能力，未能利用。

(2)改造内容少，新增设备有放置空间

根据设备原始设计参数，以及实际生产运行数据，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的情况下，重新做分析验算，只需要增加原料气压缩机余隙调节系统、预冷机组、冷箱、冷剂压缩机级间和末级预冷器、吸收塔顶冷却器、凉水塔等装置，就能使装置生产能力由每天50万方扩产至每天70万方，改造的内容相对较少。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。

2.产能提升工艺技术

(1)液化工艺技术选择

在原厂液化工艺采用的是单循环混合冷剂制冷工艺的前提下，考虑改造项目可利用面积有限，因此选择在不增加混合冷剂压缩机的前提下，对原有制冷工艺进行改造，选择增加一台丙烷预冷机组，改造成效率较高、能耗较低的带丙烷预冷的混合冷剂制冷工艺，可以实现在原有每天50万方天然气液化装置的基础上，扩产至每天70万方的液化产量。

(2)产能提升总工艺流程

原料气过滤计量后，通过改造后的原料气压缩机增压，然后经过原厂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LNG储罐中；另外一路送入新增液化装置，原料气在新增冷箱中被冷却至约-40℃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0.015MPa后进入LNG储罐。

①原料气计量调压单元

本扩建项目原料气压缩机需要增加两套余隙调节系统，使每台可以在每天35～50万方范围内调节，两套压缩机同时启动时可以满足每天70万方的产能。余隙调节系统采用ACCV压缩机余隙无级调节系统，可自动无级的控制石油、化学和气体工业设施用往复压缩机的流量。具有结构简单、可靠，系统安全性高，系统操作简单、多样，节能效果好，现场整洁，维修简单，系统的维护费用低的特点。进入工厂的原料天然气，经过原厂过滤分离器过滤掉液体和可能存在的机械杂质以后，再经过计量后通过改造后的原料气压缩机增压至5.5MPa·G，然后进入下游脱酸气单元。

②原料气净化单元

在装置测试时，发现原厂脱酸系统设计余量较大，提产至70万方时，吸收塔直径理论上接近极限值，运行工况比较稳定，暂时可不更换吸收塔。但脱酸系统可能出现吸收塔顶冷却器出口温度偏高的情况，原料气中的饱和水含量将会增加，导致脱水塔超负荷工作，因此增加一台吸收塔顶冷却器，将从吸收塔顶出来的天然气经过水冷后再经过丙烷冷却，使天然气的温度降低，从而使天然气中的饱和水含量降低，因此可以降低后续脱水塔的负荷，保证装置的净化工区可以满足每天70万方的液化产量。

③净化气液化

经过净化的天然气先进入丙烷末级预冷器与丙烷进行换热，然后再分为两路，一路进入原厂冷箱与混合冷剂进行换热，液化后存储于原厂LNG储罐中；另外一路进入新增冷箱与混合冷剂进行换热，新增冷箱内部换热器为板翅式换热器。冷箱中填充珠光砂以保冷，换热器垂直安装，气体从顶部进入，在流向底部的过程中冷却。低温液体只有在冷剂换热器的底部才会出现，如果遇到暂时停产，液体由于重力作用流到冷箱底部，不会流入制冷工艺设计的非低温区域。

流经换热器的天然气先预冷到约-40℃，然后出冷箱进入原厂重烃分离器分离出天然气中C5及以上重烃组分（天然气的预冷温度可以由温度调节阀自动调节）。来自分离罐的重烃去重烃储罐，装槽车外运。脱除重烃后的天然气再次进入冷箱继续冷却、液化和过冷到-160℃，再经流量调节阀（J-T阀）节流降压到15kPa后得到-162.9℃的LNG产品，同时产生部分闪蒸气（即BOG，约2.93%），闪蒸出的这部分BOG和LNG储罐的BOG及装车产生的BOG一起进入原厂冷箱换热器与净化后的天然气换热回收冷量，被加热到约5℃的BOG进入BOG压缩机。

④丙烷预冷循环

丙烷经丙烷预冷压缩机加压、冷却后，经过节流阀降温，分别进入吸收塔顶冷却器、混合冷剂压缩机级间预冷器、混合冷剂压缩机末级预冷器，与天然气或者混合冷气换热，然后再返回丙烷预冷压缩机组入口，完成丙烷冷剂的一个完整循环。

⑤混合冷剂循环及压缩

混合冷剂被压缩后分为气液三股分别进入冷箱，气相经降温出板翅换热器，经过节流阀返回换热器为原料天然气提供液化的冷量；液相在换热器内过冷，经过节流阀后与另一股返回的冷剂相混合，然后经复温再返回压缩机入口进行闭式循环。

混合冷剂压缩单元的制冷剂由C1～C5及N2等组分组成，为冷却不同温区的原料天然气及正流制冷剂提供冷源。

混合冷剂压缩系统由压缩机、制冷剂冷却器、制冷剂分离罐、制冷剂缓冲罐等设备组成。来自冷箱换热器的低压制冷剂进入制冷剂分离罐，分离可能挟带的液滴和固体颗粒，进入制冷剂压缩机的制冷剂，经制冷剂压缩机增压至3.4MPa。

制冷剂压缩机为二级压缩，经一级压缩后先进入级间冷却器，再进入丙烷级间预冷器冷却后，进入级间分离罐进行气液分离，液体直接分为两路，分别进入原厂冷箱和新增冷箱，气体进入二级压缩，经二级压缩后先进入末级冷却器，再进入丙烷末级预冷器冷却后，进入末级分离罐进行气液分离，分离出的气体和液体分别分为两路，进入原厂和新增冷箱内的板翅换热器通道。

3.控制系统扩建方案

本项目控制系统由分散型控制系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）及火气系统（FGS）组成。本扩建项目控制系统全部利用原有控制系统。DCS系统主要用于过程控制，SIS系统和FGS系统独立于过程控制，完成安全保护工作。DCS通过对外通信接口，可将装置的运行参数上传至上级监控中心。

(1)分散型控制系统(DCS)

本项目过程控制系统利用原有DCS系统，新增仪表信号接至原有DCS系统预留回路。如预留回路不够，则需增加相应卡件。

DCS完成对装置及辅助生产设施的所有工艺过程参数及设备运行状态的数据采集和实时监控。在中控室及机柜室内配置操作员站、工程师站、系统机柜、辅助机柜、系统服务器和通信服务器、网络打印机和相应的辅助设施。

(2)安全仪表系统(SIS)

本项目利用原有SIS系统，新增工艺安全联锁及信号接至原有SIS系统预留回路。如预留回路不够，则需增加相应卡件。

SIS系统在发生事故的情况下确保人员和生产设施的安全，防止环境污染，将事故造成的影响限制到最小。将SIS系统设计成生产过程中最关键、最稳固的最后一道安全防线。SIS通过对生产过程中的关键参数（压力、温度、液位、流量的高高和低低开关及火/气探测设备）过程工作状况进行连续监视，检测其相对于预定安全操作条件的变化。当所检测的过程变量超过其安全限定值时，SIS系统立即对生产设备实施自动关断，尽可能使生产过程处于安全状态，把发生恶性事故的可能性降到最低的程度，保护人员，生产设备和周边环境的安全。

(3)火气系统(FGS)

本扩建项目FGS系统利用原有系统，新增加的可燃气体探测器、火焰探测器、手动报警按钮、声光报警器信号接入原有系统预留回路。如预留回路不够，则需增加相应卡件。

本扩建项目在扩建工艺装置区可能泄漏和积聚可燃气体的部位设置固定点式可燃气体探测器，对可燃气体进行连续检测、指示和报警；在扩建工艺装置区设置火焰探测器、手动火灾报警按钮及声光报警器。当扩建工艺装置区发生火灾时，火焰探测器探测到火灾，或者有人看到火灾发生同时按下现场的防爆手动按钮，探测设备同时向中控室FGS系统发送火灾信号，警示相关人员进行火灾处理。

4.产能提升前、后能耗对比与分析

本产能提升项目采用《综合能耗计算通则》GB/T 2589-2008，进行提产前后的能耗对比。产能提升前后，对于液化工厂来讲，主要是电耗是其主要的能耗指标。

(1)生产装置电耗指标对比

原日处理50万方装置LNG产量：47.5×104Nm3/d，生产装置电耗：0.3852kWh/Nm3LNG，单位产品综合能耗：0.6160kWh/Nm3LNG；产能提升至日处理70万方装置LNG产量：66.5×104Nm3/d，生产装置电耗：0.3444kWh/Nm3LNG，单位产品综合能耗：0.5097kWh/Nm3LNG。根据《综合能耗计算通则》GB/T 2589-2008进行计算。通过对比可以看出，扩产后单位产品综合能耗降低了0.1063kWh/m3LNG，说明本扩建项目满足了低能耗的要求。

扩建前和扩建后工厂的主要的能耗均为用电设备引起的能耗耗量。采取的节能措施应从设备节电方面着手，采取先进的工艺、技术及设备，尽量减少电的耗量。

(2)项目采取的节能措施

本扩建项目主要能耗集中在生产设备的电耗、水耗及生产过程中的泄漏，为减少能源浪费主要采取以下措施。

①工艺、设备及管道安装节能措施

A.工艺流程经多方案比较，选择了丙烷预冷混合制冷的流程方案，该工艺流程相对简单，效率更高，运行费用较低；

B.根据原料气组成，选择最优的液化温度，降低冷剂压缩机能耗；

C.所有与冷箱连接的接口都为法兰，且都在冷箱外部，所有冷箱内部的接口均为焊接，避免泄漏；

D.所有需要保冷的设备、管道采用良好的绝热措施，最大限度降低能量损失。所有温度较高的管道也采用良好的绝热措施，降低热损失，节约能源；

E.工程采用DCS控制系统，冷却器等主要设备前后均设调控阀门，是主要设备能够根据实际情况精确控制，保证了运行优化，从而减少了能量损耗。

②总图布置节能措施

按照厂区地形地势，对扩建工艺装置区和扩建循环水系统区域的总图布置尽量采取最优方案，保证工艺生产流程顺直，以达到最大限度降低生产过程中的压力和热量损失。如工艺装置区等按流程顺序布置，减少天然气、LNG管路中的压力损失。

③电气节能措施

A.无功功率补偿

采取无功功率补偿，提高功率因数，降低电能损耗。为使供配电系统的总功率因数达到0.95以上，在变配电所10kV及0.4kV母线处已分别安装电容集中补偿装置，按负荷大小自动投入。

B.电缆的选择

按照经济电流密度降低供配电线路上的能量损耗，选择电导率较小的铜芯材质做电缆、减少电缆长度、增大电缆截面积以降低能耗和提高安全可靠性。

C.电机的启动和运行

循环水泵电机采用软启动方式，以降低电压波动和延长设备运行寿命。丙烷预冷机组主电机采用10kV固态软启动方式，这种方式电机的额定电流相对较小，有利于减小电缆截面，降低低压变压器负载，有利于设备运行和维护。

④给排水节能措施

冷却水循环利用，利用率可达到98%以上。

5.结论

液化工厂产能提升充分吸收国内外先进的工艺技术和生产经验，采用带丙烷预冷的混合冷剂制冷的液化工艺。产能提升后，燃气资源得到合理充分利用，产品附加值高，符合市场需要，市场空间广阔，对提高企业经济效益和促进地方经济发展具有积极作用。同时，扩大了原厂生产规模，可为应急调峰提供更可靠气源，确保城市安全正常供气，解决城市季节调峰和日调峰问题。

LNG属于清洁能源，其推广使用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。