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1、LNG基本知识及液化技术介绍,北帕斯天然气液化项目组设计管理部,2,目录,一、LNG的基本性质二、LNG产业链三、天然气液化技术介绍四、北帕斯天然气液化工艺简介,3,一.LNG的基本性质,1.LNG的物理性质主要成分：甲烷临界温度：190.58K在常温下，不能通过加压将其液化，而是经过预处理，脱除重烃、硫化物、二氧化碳和水等杂质后，深冷到-162OC，实现液化。主要物理性质如表1-1所示：,表1-1,4,一.LNG的基本性质,2.典型的LNG组成,表1-2,5,一.LNG的基本性质,3.LNG的性质特点温度低 在大气压力下，LNG沸点都在-162C左右。液态与气态密度比大 1体积液化天然气的密
2、度大约是1体积气态天然气的600倍，即1体积LNG大致转化为600体积的气体。可燃性 一般环境条件下，天然气和空气混合的云团中，天然气含量在5%15%（体积）范围内可以引起着火，其最低可燃下限（LEL）为4%。,6,一.LNG的基本性质,4.LNG的安全特性 1）燃烧特性燃烧范围：5%15%，即体积分数低于5%和高于15%都不会燃烧；自燃温度：可燃气体与空气混合物，在没有火源的情况下，达到某一温度后，能够自动点燃着火的最低温度称为自燃温度。甲烷性质比较稳定，在大气压力条件下，纯甲烷的平均自燃温度为650C。以甲烷为主要成分的天然气自燃温度较高，LNG的自燃温度随着组份的变化而变化。燃烧速度：是
3、火焰在空气-燃气的混合物中的传递速度。天然气的燃烧速度较低，其最高燃烧速度只有0.3m/s。,7,一.LNG的基本性质,2）低温特性隔热保冷：LNG系统的保冷隔热材料应满足导热系数低，密度低，吸湿率和吸水率小，抗冻性强，并在低温下不开裂，耐火性好，无气味，不易霉烂，对人体无害，机械强度高，经久耐用，价格低廉，方便施工等。蒸发特性：LNG作为沸腾液体储存在绝热储罐中，外界任何传入的热量都会引起一定量液体蒸发成气体，这就是蒸发气（BOG）。标准状况下蒸发气密度是空气60%。当LNG压力降到沸点压力以下时，将有一定量的液体蒸发成为气体，同时液体温度也随之降低到其在该压力下的沸点，这就是LNG闪蒸。由
4、于压力/温度变化引起的LNG蒸发产生的蒸发气处理是液化天然气储存运输中经常遇到的问题。,8,一.LNG的基本性质,泄露特性：LNG泄漏到地面，起初迅速蒸发，当热量平衡后便降到某一固定的蒸发速度。当LNG泄漏到水中会产生强烈的对流传热，在一定的面积内蒸发速度保持不变，随着LNG流动泄漏面积逐渐增大，直到气体蒸发量等于漏出液体所能产生的气体量为止。泄漏的LNG以喷射形式进入大气，同时进行膨胀和蒸发，与空气进行剧烈的混合。储存特性：分层：LNG是多组分混合物，因温度和组分的变化引起密度变化，液体密度的差异使储罐内的LNG发生分层。,9,一.LNG的基本性质,翻滚：若LNG已经分层，上层液体吸收的热量
5、一部分消耗于液体表面蒸发所需的潜能，其余热量使上层液体温度升高。随着蒸发的持续，上层液体密度增大，下层液体密度减小，当上下两层液体密度接近相等时，分界面消失，液层迅速混合并伴有大量液体蒸发，此时蒸发率远高于正常蒸发率，出现翻滚。快速相态转变（RPT）：两种温差极大的液体接触，若热液体温度比冷液体温度沸点温度高1.1倍，则冷液体温度上升极快，表层温度超过自发成核温度（当液体中出现气泡），此过程冷液体能在极短时间内通过复杂的链式反应机理以爆炸速度产生大量蒸气，这就是LNG或液氮与水接触时出现的RPT现象的原因。,10,一.LNG的基本性质,3）生理影响LNG蒸气是无毒的，但如果吸进纯LNG蒸气，会
6、迅速失去知觉，几分钟后死亡；人员暴露在体积分数为9%的甲烷含量的环境中没有什么不良反应，如果吸入过量天然气会引起缺氧窒息，当天然气的体积分数达到50%以上，会对人体产生永久性伤害。,11,二.LNG产业链,LNG产业链是一条贯穿天然气产业全过程的资金庞大，技术密集的完整链系。由陆地或海上油田开采的天然气在液化工厂经过预处理后进行液化，生产的LNG按照贸易合同，通过船运到LNG接收站储存，再气化，经由管网送到用户。图2-1是LNG产业链的示意图。,12,二.LNG产业链,13,二.LNG产业链,图2-1 产业链示意图,陆地/海上开采,预处理/液化,储存,装船,运输,卸装,接收站储存,气化,天然气
7、,液化天然气,天然气,液化天然气,液化天然气,液化天然气,液化天然气,液化天然气,14,二.LNG产业链,1）天然气的开发天然气生产环节包括对天然气的开采和一定程度的处理，按其性质和要求将天然气管输到液化厂并达到LNG厂原料气规格。2）液化 主要作用是持续不断地把原料气液化成为LNG产品，其主要步骤有：预处理：从原料气中脱除气田生产环节没有去掉的杂质，如水、二氧化碳、硫、硫醇等。去除NGL：脱除天然气中的NGL以达到液化需要处理的LNG规格和技术要求。液化：用深冷制冷剂将原料气冷却并冷凝到-162，使其成为液态产品。,15,二.LNG产业链,3）储存和装载液化天然气（LNG）液体产品被储存在达
8、到或接近大气压的保温储罐中，最常见的储罐类型有单容储罐、双容储罐、全容储罐。4）运输海上LNG运输需专门的运输船，将液态产品在常压或接近大气压条件下储存在LNG船保温舱内。在运输途中有一部分LNG蒸发，这些蒸发气可作为运输船的燃料。5）接收站LNG产品通过码头从运输船上卸下、储存，而后再气化后变成普通管道气输送给发电厂或通过当地分销网络作为燃料气输送到最终用户。6）输配气管网和用户,16,17,三.天然气液化技术介绍,1.概述天然气液化，一般包括天然气净化和天然气液化两个过程。常压下，甲烷液化需要降低温度到-162oC，为此必须脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、重烃、水和汞等腐蚀介质和在低温过程
9、中会使设备和管道冻堵的杂质，然后进入循环制冷系统，逐级冷凝分离丁烷、丙烷和乙烷，得到液化天然气产品。,18,三.天然气液化技术介绍,2.天然气的净化液化天然气工程的原料气来自油气田生产的天然气，凝析气或油田伴生气，其不同程度的含有硫化氢、二氧化碳、重烃、水和汞等杂质，在液化前必须进行预处理，以避免在液化过程中由于二氧化碳、重烃、水等的存在而产生冻结堵塞设备及管道。表3-1列出了LNG生产要求原料气中最大允许杂质的含量。,表3-1,19,1）酸性气体脱除天然气中常见的酸性气体：H2S、CO2、COS危害：H2S微量会对人的眼睛鼻喉有刺激性，若体积百分数达到0.6%的空气中停留2分钟，危及生命；酸
10、性气体对管道设备腐蚀；酸性气体的临界温度较高，在降温下容易析出固体，堵塞设备管道；CO2不会燃烧，无热值，若参与气体处理和运输不经济.方法：化学吸收法，物理吸收法，化学-物理吸收法，直接转化法，膜分离法。其中以醇胺法为主的化学吸收法和以砜胺法为代表的化学-物理吸收法是采用最多的方法。,三.天然气液化技术介绍,20,三.天然气液化技术介绍,2）化学吸收法化学吸收法是以碱性溶液为吸收溶剂，与天然气中的酸性气体（主要H2S、CO2）反应生成化合物。当吸收了酸性气体的溶液温度升高，压力降低时，该化合物又分解释放出酸性气体。化学吸收法具有代表性的是醇胺（烷醇胺）法和碱性盐溶液法。醇胺法胺类溶剂：一乙醇胺
11、（MEA），二乙醇胺（DEA），二异丙醇胺（DIPA），二甘醇胺（DGA），甲基二乙醇胺（MDEA）醇胺类化合物分子结构特点是其中至少有一个羟基和一个胺基。羟基可降低化合物的蒸气压，并能增加化合物在水中的溶解度，可以配成水溶液；而胺基则使化合物水溶液呈碱性，以促进其对酸性组分的吸收。醇胺与H2S、CO2的反应均为可逆反应。醇胺法特别适用于酸性组分分压低、重烃含量高的天然气脱硫,21,三.天然气液化技术介绍,醇胺的腐蚀性较高，对设备会造成腐蚀；需要能耗高，溶剂损耗大。MEA常用于酸性组分分压低的场合，属于伯醇胺，其反应能力，挥发度和腐蚀性最强，可很容易将H2S含量降低到5mg/m3以下，但MEA
12、既可脱除H2S，也可脱除CO2，一般无选择性。DEA与MEA相比，与H2S和CO2的反应热较小，碱性和腐蚀性较弱，蒸发损失较小，投资和操作费用相对较低，但DEA对H2S也没有选择性。MDEA是叔醇胺，再生能耗低，腐蚀性小，可选择性吸收H2S。活性热钾法无机溶剂：加有活化剂的碳酸钾溶液具有代表性的是BENFIELD法和CATACARD法适合脱除CO2的场合,22,三.天然气液化技术介绍,3）物理吸收法利用H2S和CO2等酸性组分与甲烷等烃类在溶剂中的溶解度不同而完成脱硫任务。工业应用的物理溶剂有：甲醇，多乙二醇二甲醚，碳酸丙烯醋等。物理吸收法一般在高压，低温下进行，溶剂不易变质，腐蚀性小，能脱除
13、有机硫；适合酸性气体分压高的天然气。常用的方法有SELEXOL法（聚乙二醇二甲醚）和RECTISO法（冷甲醇）。4）化学-物理吸收法（联合吸收法）使用的溶剂是醇胺、物理溶剂和水的混合液；砜胺法:烷醇胺和环丁砜；净化程度高，能耗低，腐蚀小，可脱除有机硫化合物。,23,三.天然气液化技术介绍,5）净化方法的选择常用的方法：醇胺法，砜胺法，热钾法对于酸性气体含量低，酸气分压小于350KPa的原料气，适宜采用醇胺法；砜胺法对中高酸性气体分压的天然气有广泛的应用，而且有良好的脱除有机硫的能力；热钾碱法的BENFIELD溶剂，可同时脱除H2S和CO2，该法吸收温度高，净化程度好，特别适合含有大量CO2的原
14、料气的处理。,24,三.天然气液化技术介绍,3.脱水按照现行标准，进入液化天然气工厂的管输天然气的水露点，在交接点的压力和温度条件下，应比最低环境温度低5oC，此时不满足深冷液化的要求，为防止低温液化过程中产生水合物，堵塞设备和管道，在液化前，必须将原料气中的水份含量降低到小于0.1X10-6（体积分数）。常用的天然气脱水方法有冷却法、吸附法、和吸收法等。1）冷却法天然气中的饱和含水量取决于天然气的温度，压力和组成。一般来说，天然气中的饱和含水量随压力升高，温度降低而减少。冷却脱水就是利用一定的压力下，天然气含水量随温度降低而减少的原理来实现天然气脱水。,25,三.天然气液化技术介绍,2）吸收
15、法吸收法脱水是采用一种亲水液体（脱水吸收剂）与天然气逆流接触，吸收天然气中的水蒸气，从而脱除水分。常用的脱水吸收剂有甘醇和CaCL2水溶液。由于三甘醇的露点降可达-40oC以上，热稳定性好，成本低，运行可靠，在甘醇类脱水吸收剂中应用效果最好。3)吸附法吸附法脱水是利用吸附原理，选择某些多孔性固体吸附剂吸附天然气中的水蒸气。由于吸附脱水可以达到很低的水露点，因此适用于深冷分离工艺要求气体含水量很低的场合。天然气脱水常用的固体吸附剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛等。,26,三.天然气液化技术介绍,4)脱水方法的选择冷却脱水受温度压力限制，脱水深度受限，常作为初级脱水，由于天然气液化原料气处理要求露点在
16、-100oC以下，很少使用。甘醇法适用于大型天然气液化装置中脱除原料气所含的大部分水分。甘醇法投资较低，连续操作，压降较小。再生能耗小。采用汽提再生时，干气露点可降到约-60oC。但气体含有重烃时，易起泡，影响操作，增加能耗。分子筛法适用于要求干气露点低的场合，可以使气体中的体积分数降低到1x10-6以下。该法对温度流速压力等变化不敏感，腐蚀起泡问题不存在，对于处理量小，脱水深度大的装置特别适合。实际使用中，对于露点要求大的装置，可以采用分段脱水，先用甘醇法除去大部分水，再用分子筛法深度脱水到所要求的低露点。,27,三.天然气液化技术介绍,4.天然气的液化工艺工业中，常使用机械制冷使天然气获得
17、液化所必须的低温。典型的液化制冷工艺可以分为三种：阶式（CASCADE）制冷、混合冷剂制冷、膨胀机液化。1）阶式（CASCADE）制冷工艺也称级联式液化工艺。利用常压沸点不同的冷剂逐级降低制冷温度实现天然气的液化。是20世纪六七十年代用于生产液化天然气的主要工艺方法。常用的冷剂是丙烷、乙烯、甲烷。图3-1是阶式制冷原理图。第一级丙烷制冷循环为天然气/乙烯/甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气/甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量；阶式（CASCADE）制冷的特点是蒸发温度较高的冷剂除将冷量传给工艺气外，还使冷量传给蒸发温度较低的冷剂，使其液化并过冷；分级制冷可减小压缩功耗和冷凝
18、负荷，在不同的温度下为天然气提供冷量，能耗低，气体液化率高（可达90%以上），但所需设备多，投资大，制冷剂用量多，流程复杂。,28,三.天然气液化技术介绍,图3-1 阶式制冷原理图,1,2,3,9,8,7,6,5,4,冷却水,LNG,残余气,天然气,1、2、3丙烷、乙烯甲烷压缩机；4、5、6丙烷、乙烯、甲烷蒸发器；7、8、9丙烷、乙烯、甲烷冷凝器,29,三.天然气液化技术介绍,2）混合冷剂制冷工艺混合冷剂制冷循环（MRC）是美国空气产品和化学品公司于20世纪60年代末开发的一项专利技术。混合冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷组成。利用混合物不同沸点，部分冷凝的特点，进行逐级的冷凝，蒸发，节
19、流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐级冷却天然气的目的。主要由两部分构成：密闭的制冷系统和主冷箱。优点:1）机组设备少，流程简单，投资省，投资费用比经典阶式（CASCADE）液化流程约低15%20%；2）管理方便；3）混合制冷剂可以部分或全部从天然气本身提取与补充。缺点:1）混合冷剂的合理配备困难；2）流程计算必须提供各组分可靠的平衡数据与物性参数，计算困难。,30,三.天然气液化技术介绍,图3-2 混合冷剂制冷液化流程,1-冷剂压缩机；2-冷却器或冷凝器；3-分离器；4-冷剂泵；5-冷箱；6-J-T阀；7-闪蒸分离器；8-LNG泵,31,三.天然气液化技术介绍,3）膨胀机液化工艺利用高压
20、制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷。能耗高，液化率低。,1-脱水器；2-脱CO2塔；3-水冷却器；4-返回器压缩机；5、6、7-换热器；8-过冷器；9-储槽；10-膨胀机；11-压缩机,图3-3 天然气膨胀液化流程图,32,三.天然气液化技术介绍,阶式制冷循环,膨胀机制冷循环,混合冷剂制冷循环,单一混合冷剂,丙烷预冷混合冷剂,双混合冷剂,混合流逐级制冷,流程复杂、设备多、能耗低、不再单独采用,液化率低、能耗高、适用中小型LNG装置,系统简单、投资低、适用大型LNG装置,在200万吨/年以上的液化规模中，C3/MRC工艺占据主要地位，主要由APCI开发目前应用在卡塔尔的4个项目中的由A
21、PCI开发的AP-X工艺，每条线可年产780万吨，能扩充至1000万吨/年。,33,三.天然气液化技术介绍,5.天然气的液化装置天然气液化装置可以分为基本负荷型和调峰型两种，随着海上油气田的开发，近年又出现了浮式液化天然气生产储卸装置。天然气液化装置一般由预处理、液化、储存、控制及消防等系统组成。1)基本负荷型天然气液化装置基本负荷型天然气液化装置主要用于天然气生产地液化后远洋运输，进行国际间的LNG贸易。其液化和储存连续运行，装置的能力一般在106m3/d以上。全部设施由天然气预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统、装卸系统和消防系统等组成，是一个庞大复杂的系统工程。,34,三.天然气液化
22、技术介绍,阶式制冷的基本负荷天然气液化装置优点是能耗低，各制冷循环及天然气液化系统独立分开，相互牵制少，操作稳定。缺点是流程复杂，机组多，要有生产和储存各种制冷剂的设备，维修不方便。混合冷剂制冷的基本负荷天然气液化装置与级联式液化流程相比，该流程具有机组设备少，流程简单，投资少，操作管理方便等优点，缺点是混合冷剂各组分配比要求严格，流程计算困难。丙烷预冷混合冷剂制冷的基本负荷天然气液化装置丙烷预冷混合制冷液化流程（C3/MRC）,结合了阶式液化流程和混合制冷液化流程的优点，流程高效简单。自20世纪70年代来，这类流程在基本负荷型天然气液化装置中得到了广泛的应用。目前世纪上80%以上的基本负荷型
23、天然气液化装置采用了丙烷预冷混合制冷液化流程。,35,三.天然气液化技术介绍,液化流程主要经济技术指标比较（仅供参考）,36,三.天然气液化技术介绍,基本负荷型液化装置性能指标,37,三.天然气液化技术介绍,2）调峰型天然气液化装置调峰型天然气液化装置中主要采用以下三种类型的液化流程：1）阶式液化流程；2）混合制冷剂液化流程；3）膨胀机液化流程 6.天然气的液化设备压缩机往复式压缩机：处理量比较小（100m3/min以下）轴流式压缩机：主要用于混合冷剂制冷循环离心式压缩机：大型液化装置换热器:绕管式换热器、板翅式换热器LNG泵储罐地下储罐地上储罐：单容罐，双容罐，全容罐,38,四.北帕斯天然气
24、液化工艺简介,1.概述 中海石油北帕斯天然气液化项目是由中海油气电集团投资的大型LNG液化项目，项目设计产能为2000万吨/年，分I/II/III/IV四期建设，每期产能500万吨/年，并预留1000万吨/年的产能扩充建设用地。工期：I期计划2014年投产，II/III/IV期依次延后6个月投产；建设地点：伊朗布什尔省；整个项目由四部分组成：液化厂工程、电厂工程、港口及码头工程、生活基地工程。,39,四.北帕斯天然气液化工艺简介,液化厂工程预处理单元：原料气计量装置、脱酸性气体装置、脱水及脱硫醇装置、脱汞装置、硫回收装置；液化单元：液化装置、制冷装置、分馏装置、脱氮装置、制冷剂储藏；公用工程单
25、元：蒸汽及凝液系统、燃料气系统、淡水系统、压缩空气系统、氮气系统、海水系统、液化天然气储罐和装载装置、火炬系统、消防系统、其它副产品储运和装载装置、污水处理系统、厂区内外道路、防洪堤、围墙等。电厂工程：包括燃料供应系统、燃气轮机系统、余热锅炉系统、汽轮机系统、化学处理系统、热工自动化系统、电气系统、水工设施、辅助及附属设施等。,40,四.北帕斯天然气液化工艺简介,港口及码头工程：包括水工工程（2个27万m3 LNG船泊位，预留一个泊位、1个3万吨施工工作船及重件接卸泊位、拖船泊位、防波堤、护岸和引桥），疏浚工程，装卸工艺设备及管道，其他附属设施。生活基地工程满足1,500人长期生活的基地，包括
26、居住区、文教区、医疗区和商业区；对外交通、内部交通；供电、通信、供水、排水、防洪、燃气、供热、消防和环境卫生等系统；抗震、防洪以及人防工程等。施工期间约10,000人临时生活设施。,41,四.北帕斯天然气液化工艺简介,过滤计量,LNG罐,脱碳/硫,脱水/脱汞,制冷液化,2.LNG液化厂主工艺介绍上游终端经过预处理的天然气进入液化厂，经过计量、脱硫脱酸性气体、脱水、脱汞、制冷液化、分馏脱N2一系列工艺单元，生产出合格LNG产品送至LNG储罐储存，LNG经罐内泵送到LNG码头经装载臂装船外运。脱硫单元脱出的H2S、SO2经硫磺回收装置生产出硫磺产品，装车或装船外运。制冷液化过程中分出的凝析油进入凝
27、析油储罐储存，通过凝析油专用码头装船外运。,42,四.北帕斯天然气液化工艺简介,1）天然气计量为避免高压天然气调压后产生天然气水化物，若需要调压，在调压前，天然气进行预热，预热后的天然气经过调压阀调压。调压后的天然气进入分液罐，分离出可能带来的凝析油。分液后的天然气进入计量橇进行贸易计量。2）脱硫脱酸计量单元来的天然气，进入脱硫脱酸装置，脱除硫化氢、二氧化碳，经过处理后的天然气硫化氢含量降至3PPm,二氧化碳含量降至50PPm以下。,43,四.北帕斯天然气液化工艺简介,3）脱水和脱汞从脱硫脱酸单元来的天然气经过预冷、凝液分离器分离凝液后进入分子筛干燥塔脱除水蒸气，然后进入汞脱除罐。分子筛干燥塔
28、的吸收和再生交替进行，当几个干燥塔进行吸收操作时，另外几个干燥塔进行再生操作，分子筛再生采用液化厂本身的干燥天然气。每个分子筛干燥塔的操作都经过吸附、降压、加热、冷却、升压几个操作过程。4）制冷液化净化后的天然气经过预冷，进入天然气液化器冷却液化，经过天然气液化器的LNG进入LNG过冷器过冷，过冷后进入脱氮单元分馏塔脱氮净化。,44,四.北帕斯天然气液化工艺简介,5）LNG脱氮脱氮单元的目的是去除LNG中超过质量指标的氮组分，生产符合质量要求的LNG。过冷的LNG减压到常压后进入氮气脱除塔分馏，塔底合格的LNG泵入LNG储罐储存,塔顶馏出的氮气甲烷混合气体进入氮气净化单元冷箱，在冷箱内经过增压、换热、高压塔、低压塔分馏，分出的氮气放入大气，剩余的甲烷经压缩机压缩返回液化单元回收。,45,四.北帕斯天然气液化工艺简介,6）LNG储存和装车LNG通过LNG汇管进入LNG储罐。储罐拟采用混凝土全容罐，外罐为预应力混凝土，外罐和内罐之间为珍珠岩保冷层，储罐设计日蒸发率不大于0.05%,设计压力-10290mbarg.储罐的所有开口都设在罐顶。工程设两个LNG装船码头，可以同时停靠两条LNG船，每个码头设4个装载臂和一个气相平衡臂，装船过程中产生的蒸发气和置换出来的天然气通过气相平衡臂、回气总管返回储罐。储罐产生的蒸发气由压缩机增压后作为燃料进入燃料气系统。,
