文章简介
液化工艺及其控制方案的分析
1 引 言
二十一世纪是天然气成为主流清洁能源的时代，为全面减少污染排放，我国各地LNG项目（液化厂、LNG接收站）如雨后春笋般涌现。截止2011年底，我国在建LNG厂40多座，已经投产运行的20多座，液化规模突破1000万方/天[1]。在传统工业中，一些非常规气体也被逐渐纳入可生产液化天然气的范畴，如焦炉气、合成氨弛放气等。这些气体的净化、液化一方面提高了自身的利用效率，另一方面也改善了利用环境，因此在逐步形成一定的工程规模。非常规气体主要含有的不凝气有氮气、氢气、氩气等，本文以脱氮工艺为例，讨论其工艺及控制流程，为非常规气体液化工程设计提供参考。
2脱氮工艺设计基础
原料气经过脱碳脱水等净化处理后，进入液化单元的规模和气体组成见表1。
表1 原料气规模及组成
原料气规模
4.0×104Nm3/d
压力（kPaA）
3500
温度（℃）
45
气体组成(mol%)
CH4
C2H6
C3H8
i-C4
n-C4
i-C5
n-C5
C6+
N2
79.0296
1.0397
0.2454
0.0643
0.0590
0.0369
0.0211
0.0696
19.4345
从以上的气体成分及组成可以看出，这是一种高含氮天然气，目前国内外标准对LNG产品中氮气的含量没有明确的规定，但对天然气热值有些参考数据。我国1999年制定的天然气（GB17820-1999）中规定的热值指标是>31.4MJ/m3（101.325kPa，20℃，高位热值），折33.7MJ/Nm3。国外一些国家的天然气热值见表2[2]。
表2 各国天然气不同的热值标准
国别
天然气热值（MJ/Nm3）
备注
法国
38.52~40.08
34.2~37.8
两种型H、B型官网的天然气
美国
37.26
美国联邦能源监管委员会规定
日本
46.05
韩国
43.96
德国
36.18~36.03
40.08~39.97
两套管网标准
英国
39.8
从表2及我国对天然气热值的规定可以看到，到达下游用户的天然气其热值应达到33.7 MJ/Nm3及以上。而表1给出的净化气体的热值为32.79，低于我国现行的规定，主要原因就是富含了约20%的氮气。因此，液化单元必须将不凝气氮气脱除，以提高天然气热值。根据文献[3]中描述，采用了LNG产品中氮气含量不大于5%的指标。脱氮采用深冷液化工艺[4-5]。
3 脱氮工艺路线
在进行脱氮流程设计时，参考相关类似的工程案例，筛选了以下两种较合理的工艺流程及控制方案，见图1，2。
在图1中，净化天然气先经过预冷换热器E10502预冷，再进入重烃分离器S10501，气相进入脱氮塔塔底作为再沸器热源，重烃经液化换热器复热后出冷箱去储存。天然气在脱氮塔底被冷却后进入液化换热器E10503，温度被进一步降低并全部液化变成饱和LNG，经过节流后温度降为-138℃，压力降为0.4MPaG，进入精馏塔脱氮，精馏塔压力约0.4MPa（略高于LNG储存压力），脱氮后的饱和LNG从塔底流出，经过LNG过冷器E10506深冷后再节流进入产品气液分离器S10502，生成的少量BOG与脱氮塔富氮排放气汇合经过换热器复热后一部分作为制冷循环系统的补充气（约150NM3/h），另一小部分约100Nm3/h左右排入下游管网或直接高点放空（该放空气热值仅为1.8MJ/Nm3，体积比例小于5%）。
制冷剂主要为氮气（当富氮排放气作为补充气进入循环系统后会有少许甲烷气，含量不超过5%），经过压缩机C10401两级压缩和透平膨胀机（Ex10501）的增压端回收膨胀功，压力约升为3.5MPaG，水冷至40℃（E10501）后，进入液化换热器E10503，一部分（约12%）降压后去预冷换热器E10502作为冷源，预冷天然气分离重烃，一部分（约80%）去膨胀制冷，提供液化换热器的主要冷量，另一部分（约8%）继续在液化换热器E10503内冷却冷凝后，出换热器E10503经过节流阀降温降压，作为脱氮精馏塔塔顶冷凝器和LNG过冷器的冷源，两股低温制冷剂换热后与膨胀的制冷剂一起回换热器E10503提供冷量，精馏塔塔顶出料为氮气和甲烷气的混合物，甲烷含量约为4.5%，温度约为-175.5℃，与产品气液分离器的BOG（通常由于LNG过冷不产生BOG）一起回换热器复热后，部分作为制冷气的补充气进入制冷剂循环系统，部分在高空放空。
图1 脱氮液化工艺流程1
Figure 1 Liquefaction process 1 with denitrification
在图1中，显示了冷箱液化脱氮主要的控制点，控制操作见表3。
表3 液化脱氮过程主要控制方案
序号
功能描述
控制参数
被调流股
备注
*C1/TIC
通过调节循环水流量使进入冷箱的制冷剂的温度不超过40℃
制冷剂温度
出E10501的循环水流量
*C2/TIC/FIC
通过调节制冷剂总量及膨胀端低温制冷剂的流量使复热循环的制冷剂温度不超过40℃
制冷剂温度
制冷剂总流量和膨胀后低温制冷剂流量
*C3/TIC
通过调节出液化换热器E10503的天然气流量保证其温度为-120℃
天然气温度
天然气的流量
*C4/TIC
通过调节进预冷换热器E10502的制冷剂流量使预冷天然气的温度达到-65℃
预冷天然气的温度
去E10502的制冷剂流量
变更控制方案
*C5/TIC
通过调节去LNG过冷器E10506的制冷剂流量使LNG的过冷温度为-150℃
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表1 原料气规模及组成
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原料气规模 |
4.0×104Nm3/d |
压力（kPaA） |
3500 |
温度（℃） |
45 | ||||
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气体组成(mol%) |
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
i-C4 |
n-C4 |
i-C5 |
n-C5 |
C6+ |
N2 |
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79.0296 |
1.0397 |
0.2454 |
0.0643 |
0.0590 |
0.0369 |
0.0211 |
0.0696 |
19.4345 | |
从以上的气体成分及组成可以看出，这是一种高含氮天然气，目前国内外标准对LNG产品中氮气的含量没有明确的规定，但对天然气热值有些参考数据。我国1999年制定的天然气（GB17820-1999）中规定的热值指标是>31.4MJ/m3（101.325kPa，20℃，高位热值），折33.7MJ/Nm3。国外一些国家的天然气热值见表2[2]。
表2 各国天然气不同的热值标准
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国别 |
天然气热值（MJ/Nm3） |
备注 |
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法国 |
38.52~40.08
34.2~37.8 |
两种型H、B型官网的天然气 |
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美国 |
37.26 |
美国联邦能源监管委员会规定 |
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日本 |
46.05 |
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韩国 |
43.96 |
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德国 |
36.18~36.03
40.08~39.97 |
两套管网标准 |
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英国 |
39.8 |
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从表2及我国对天然气热值的规定可以看到，到达下游用户的天然气其热值应达到33.7 MJ/Nm3及以上。而表1给出的净化气体的热值为32.79，低于我国现行的规定，主要原因就是富含了约20%的氮气。因此，液化单元必须将不凝气氮气脱除，以提高天然气热值。根据文献[3]中描述，采用了LNG产品中氮气含量不大于5%的指标。脱氮采用深冷液化工艺[4-5]。
3 脱氮工艺路线
在进行脱氮流程设计时，参考相关类似的工程案例，筛选了以下两种较合理的工艺流程及控制方案，见图1，2。
在图1中，净化天然气先经过预冷换热器E10502预冷，再进入重烃分离器S10501，气相进入脱氮塔塔底作为再沸器热源，重烃经液化换热器复热后出冷箱去储存。天然气在脱氮塔底被冷却后进入液化换热器E10503，温度被进一步降低并全部液化变成饱和LNG，经过节流后温度降为-138℃，压力降为0.4MPaG，进入精馏塔脱氮，精馏塔压力约0.4MPa（略高于LNG储存压力），脱氮后的饱和LNG从塔底流出，经过LNG过冷器E10506深冷后再节流进入产品气液分离器S10502，生成的少量BOG与脱氮塔富氮排放气汇合经过换热器复热后一部分作为制冷循环系统的补充气（约150NM3/h），另一小部分约100Nm3/h左右排入下游管网或直接高点放空（该放空气热值仅为1.8MJ/Nm3，体积比例小于5%）。
制冷剂主要为氮气（当富氮排放气作为补充气进入循环系统后会有少许甲烷气，含量不超过5%），经过压缩机C10401两级压缩和透平膨胀机（Ex10501）的增压端回收膨胀功，压力约升为3.5MPaG，水冷至40℃（E10501）后，进入液化换热器E10503，一部分（约12%）降压后去预冷换热器E10502作为冷源，预冷天然气分离重烃，一部分（约80%）去膨胀制冷，提供液化换热器的主要冷量，另一部分（约8%）继续在液化换热器E10503内冷却冷凝后，出换热器E10503经过节流阀降温降压，作为脱氮精馏塔塔顶冷凝器和LNG过冷器的冷源，两股低温制冷剂换热后与膨胀的制冷剂一起回换热器E10503提供冷量，精馏塔塔顶出料为氮气和甲烷气的混合物，甲烷含量约为4.5%，温度约为-175.5℃，与产品气液分离器的BOG（通常由于LNG过冷不产生BOG）一起回换热器复热后，部分作为制冷气的补充气进入制冷剂循环系统，部分在高空放空。
图1 脱氮液化工艺流程1
Figure 1 Liquefaction process 1 with denitrification
在图1中，显示了冷箱液化脱氮主要的控制点，控制操作见表3。
表3 液化脱氮过程主要控制方案
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序号 |
功能描述 |
控制参数 |
被调流股 |
备注 |
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*C1/TIC |
通过调节循环水流量使进入冷箱的制冷剂的温度不超过40℃ |
制冷剂温度 |
出E10501的循环水流量 |
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*C2/TIC/FIC |
通过调节制冷剂总量及膨胀端低温制冷剂的流量使复热循环的制冷剂温度不超过40℃ |
制冷剂温度 |
制冷剂总流量和膨胀后低温制冷剂流量 |
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*C3/TIC |
通过调节出液化换热器E10503的天然气流量保证其温度为-120℃ |
天然气温度 |
天然气的流量 |
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*C4/TIC |
通过调节进预冷换热器E10502的制冷剂流量使预冷天然气的温度达到-65℃ |
预冷天然气的温度 |
去E10502的制冷剂流量 |
变更控制方案 |
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*C5/TIC |
通过调节去LNG过冷器E10506的制冷剂流量使LNG的过冷温度为-150℃ |