如何设计LNG工厂工艺

  今天聊聊LNG工厂的工艺设计探讨，下面由苏州华峰液化天然气有限公司为大家介绍LNG工厂的工艺设计探讨。
  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。
  一、工程概况
  某市的LNG工厂的天然气日处理量为50×104m3。该项目采用了国内工艺技术和国产设备，气源为兰银和陕京输气管道。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系统依次为：原料气分配、原料气压缩、脱碳、脱水、纯化、脱汞、液化、储存、装车。其辅助系统包括：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。
  二、工艺设计流程分析
  (一)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。
  (二)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，然后经除污器除污后进入净化冷却器，将其冷却至40℃，然后经净化分离器，分离出杂质、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。天然气在脱碳以后，进入分子筛干燥器(4A液化天然气专用分子筛)，将天然气中的水分脱除，使水分的体积分数降至1×10-6以下，然后经干粉过滤器，去除粉尘后进入脱汞、纯化系统。
  将脱水后的天然气通入纯化系统，以活性炭吸附烃类后，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，然后通入液化系统。
  (三)液化系统
  1、液化原理
  使用氟利昂预冷，通过氮-甲烷混合膨胀制冷工艺提供液化所需冷量，应用低温工艺液化天然气，液化后放置于LNG子母罐和槽车进行储存和外运。氟利昂预冷、氮-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混合取代N2，可有效降低能耗。氮-甲烷混合膨胀制冷具有流程简单、启动快速、容易控制、便于制冷剂的计算和测定等优点。该流程降低了冷端换热的温差，所以比氮膨胀制冷工艺的能耗降低了10～20%。
  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，如图一所示。在该系统中，天然气经过脱酸、脱水以后，进入换热器(2)中冷却，然后进入气液分离器(3)进行气液分离：气相进入换热器(4)进行冷却、液化，再进入换热器(5)过冷，并进行节流降压，最后进入储罐储存;液相入换热器(2)，吸热气化以后入气体管道。
  在氮-甲烷混合膨胀制冷流程中，循环压缩机(10)、制动压缩机(7)将氮-甲烷(制冷剂)压缩至工作压力，然后由水冷却器(8)进行冷却，再进入换热器(2)，将其冷却至透平膨胀机(6)入口温度。部分制冷剂会通过换热器(4、5)进行冷却、过冷，然后通过节流阀，在节流降温后反流，成为换热器(5)的冷源;其余部分进入透平膨胀机(6)的制冷剂，会膨胀至循环压缩机入口压力，在混合反流制冷剂以后，成为换热器(4)的冷源，而膨胀功在回收后用于制动压缩机的驱动。
  (四)储存、装车系统
  天然气在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。
  1、进液
  天然气在经由液化系统液化后，通过充装管道、紧急切断阀，从底部或顶部从液阀进入子罐。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、装车
  子罐LNG经由低温泵进行输送，经过截止阀、液动紧急切断阀输送到槽车中。在与火气关断阀联锁时，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。
  三、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。
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