專利名稱：緊湊式天然氣液化浮式生產工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種液化天然氣(LNG)的生產工藝，特別是，通過利用液化過程中的 冷量實現重烴分離和液化工藝的模塊化設計，同時通過采用丙烷預冷的雙氮膨脹設計及 流程運行參數的優(yōu)化，提高了工藝的效率、處理能力及海上適應性，較好地適用于海洋環(huán)境 LNG生產。
背景技術：
我國近海天然氣資源豐富，總地質資源量約為5.9萬億立方米。然而，我國海上 天然氣資源分散，廣泛分布于珠江口盆地、鶯歌海盆地、瓊東南盆地、東海陸架盆地和渤海 灣盆地，且其中相當一部分為深海氣田、邊際小氣田和低品味天然氣資源。對于這些氣源， 若采用傳統的海洋固定平臺或者海底管道等方式，多數氣田則會因成本或技術限制而無法 投入開采。采用液化天然氣浮式生產儲卸裝置(LNG-FPSO)，可以根據海上天然氣田的生產 狀況靈活配置，在船上液化天然氣，再運至目的地，具有便于遷移、可重復使用、生產效率高 等優(yōu)點，這對促進我國海域尤其是深海氣田、小型氣田開發(fā)，充分利用油氣資源具有重要意 義。 作為LNG-FPS0的核心之一，液化工藝的設計將對工程的基建成本、運行費用、運 行可靠性及安全性產生很大的影響。同時，由于海上作業(yè)的特殊環(huán)境，對工藝方案提出了如 下要求(l)流程簡單、設備緊湊、占地少、滿足海上的安裝需要；(2)液化流程對不同產地 的天然氣適應性要強，熱效率要高；(3)安全可靠，船體的運動不會明顯地影響其性能。(4) 在面臨惡劣天氣時能快速停機，移動至另一生產位置后能迅速開機；(5)生產自動化程度 高，裝置運行可靠性強。在天然氣被液化前，要把重烴脫除掉，否則，重烴可能凍結而堵塞設 備。在陸上液化天然氣廠中，重烴一般是在預處理工藝中采用蒸餾法進行預脫除，而且為了 回收液化石油氣(LPG)，一般采用脫乙烷塔和液化氣塔來實現，余下少量的重烴通常在低溫 區(qū)中的一個或多個分離器中去除，但蒸餾塔的流程復雜、占地面積大而且不易安裝，海上適 用性較差。因此，陸上的現有天然氣液化流程一般不能直接用于LNG-FPS0中，液化天然氣 的浮式生產作為一種新技術，目前國內外鮮見相關的報道，更沒有真正實施的海上LNG生 產項目。

發(fā)明內容
為克服已有天然氣液化技術海上適用性較差及常規(guī)氮膨脹工藝處理能力小、效率 低的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種緊湊式天然氣液化浮式生產工藝，通過利用液化過程 中的冷量實現重烴分離、液化工藝的模塊化設計及流程運行參數的優(yōu)化，能很好地適用于 海洋環(huán)境的LNG生產。 本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現利用兩個分離器和一個精餾塔實現重 烴分離，分離裝置完全在液化單元中，可充分利用液化過程中的冷量，分離出的重烴進罐儲 存，待運到陸上后再進行凝液穩(wěn)定處理，具體是由海底采出的天然氣首先進入預處理單元，
3去除其中的泥沙、水、酸性氣體、汞、苯等雜質后進入液化單元，液化單元由丙烷預冷循環(huán)、 氮氣膨脹制冷循環(huán)、天然氣脫重烴、液化管路組成。 在丙烷預冷循環(huán)中，丙烷經壓縮機增壓至1.6MPa左右，經水冷卻器帶走部分熱量
使丙烷全部液化，再經過節(jié)流閥溫度降為-361:，用來預冷天然氣和氮氣制冷劑。 在氮膨脹制冷循環(huán)中，高壓氮氣在換熱冷箱中被丙烷預冷至-33t:后分為兩股，一
股直接進入膨脹機膨脹，另一股進入換熱冷箱被低壓氮氣進一步預冷至-851:后進入膨脹
機膨脹，膨脹后的兩股低壓氮氣返流分別冷卻高壓氮氣制冷劑和天然氣，然后依次經過膨
脹機增壓器和氮氣壓縮機壓縮至8MPa，每級壓縮后都由水冷器冷卻，壓縮后的兩股高壓氮
氣混合后進入換熱冷箱被丙烷預冷，開始下一輪循環(huán)。 在天然氣脫重烴和液化管路中，預處理后的天然氣在換熱冷箱中被丙烷預冷 到-3(rc后進入重烴分離單元。在重烴分離單元中，天然氣進入一級分離器進行氣液分離， 分離后液體直接進入精餾塔中部，氣體進入換熱冷箱被低壓氮氣進一步冷卻至-651:后進 入分離器進行氣液分離，分離后液體直接進入精餾塔頂部，氣體進入換熱冷箱被低壓氮氣
進一步冷卻至-isrc使之全部液化并過冷，再經節(jié)流閥節(jié)流降溫至-ie(rc，其中約7%的
液體氣化，氣液混合物進入LNG緩沖罐進行氣液分離，分離后液體進入LNG儲罐儲存，氣體 從緩沖灌頂排出后可作為天然氣冷卻法脫水的冷源，復熱后可作為預處理系統中吸收塔 的再生氣，最后進入燃料氣管網作為燃料或發(fā)電使用。精餾塔底部產品經節(jié)流閥降壓至 1. OMPa，然后經水冷器換熱至35t:進入LPG緩沖罐進行氣液分離，分離后氣體可作為燃料 使用，液體進入LPG儲罐儲存，該LPG產品含有較多的C5以上組分，需經陸上設施進一步處 理才能作為合格的產品。 根據本流程的特點，把液化工藝分為換熱冷箱模塊、重烴分離模塊、流體動力模塊 和產品儲存等四個模塊進行設計。 此流程是在現有氮膨脹制冷循環(huán)工藝的基礎上，采用丙烷預冷的雙氮膨脹設計并 利用根據能量消耗最低為目標對流程中氮氣高壓壓力、氮氣低壓壓力、氮氣膨脹前溫度、天 然氣節(jié)流前溫度等參數進行了必選，提高了氮膨脹工藝的處理能力及效率，本工藝的處理 能力可達到300萬噸/年，液化率93% ，比功耗為0. 42kWh/Nm3，遠優(yōu)于普通的氮氣膨脹液 化工藝。 為保證裝置在晃動條件下安全可靠的運行，對設備的選型及安裝提出了以下要 求流程中所需氮氣壓縮機的壓比較大，推薦選用離心式壓縮機，而且結構緊湊、質量輕、占 地面積小、運行平穩(wěn)，適用于海洋環(huán)境；流程中氮氣循環(huán)量較大，膨脹機推薦選用透平膨脹 機，而且尺寸小、工作穩(wěn)定，對海上工況的適應性較好；板翅式換熱器結構緊湊、性能穩(wěn)定， 是目前液化天然氣廠普遍使用的一種換熱器。分離器應該安裝在船體的中軸線上，以減少 船體晃動對分離效果的影響。 本發(fā)明的有益效果是采用丙烷預冷的雙氮膨脹設計，重烴分離單元充分的利用 了液化過程中的冷量實現重烴分離、液化工藝的模塊化設計及流程運行參數的優(yōu)化，減少 了預處理單元的負荷。其中，水冷器可以利用海水進行冷卻循環(huán)。液化工藝的模塊化設計 可以使設備緊湊，便于安裝。液化單元中主循環(huán)為氮循環(huán)，氮氣可以通過氮氣發(fā)生器制取， 不需要儲存，而且各系統之間的安全距離可以適當縮短，使占地面積減少；而且循環(huán)中氮氣 始終處于氣相，幾乎不受船體運動的影響，而且氮膨脹循環(huán)流程與使用易燃制冷劑技術的流程更加安全；由于流程閥件少、設備少，而且為單一制冷劑，減少了很多輔助設備的啟動 時間，不需要制冷劑配比等操作，控制簡單而且開車、停車迅速。丙烷預冷循環(huán)可以有效地 利用丙烷汽化潛熱，降低流程的能耗。較好的解決現有液化技術海上適用性較差及常規(guī)氮 膨脹工藝處理能力小、效率低的缺陷。該流程對天然氣的組成、溫度、壓力等條件不敏感，比 功耗、液化率等技術指標均符合要求。


圖1是本發(fā)明的液化工藝流程圖。
圖2是液化工藝的換熱冷箱模塊示意圖。
圖3是液化工藝的重烴分離模塊示意圖。
圖4是液化工藝的流體動力模塊示意圖。
圖5是液化工藝的產品儲存模塊示意圖。 圖中，1-第一換熱冷箱，2-第二換熱冷箱，3-第三換熱冷箱，4-第四換熱冷箱， 5-LNG節(jié)流閥，6-LNG緩沖罐，7-LNG儲罐，8-丙烷一級壓縮機，9-第一水冷器，10-丙烷二級 壓縮機，11-第二水冷器，12-丙烷節(jié)流閥，13-高溫氮循環(huán)膨脹機增壓器，14-低溫氮循環(huán)膨 脹機增壓器，15-第三水冷器，16-第四水冷器，17-高溫氮循環(huán)一級壓縮機，18-低溫氮循環(huán) 一級壓縮機，19-第五水冷器，20-第六水冷器，21-高溫氮循環(huán)二級膨脹機，22-低溫氮循環(huán) 二級膨脹機，23-第七水冷器，24-第八水冷器，25-氮混合器，26-氮分流器，27-高溫氮循 環(huán)膨脹機，28-低溫氮循環(huán)膨脹機，29-第一分離器，30-第二分離器，31-精餾塔，32-天然氣 混合器，33-重烴節(jié)流閥，34-第九水冷器，35-LPG緩沖罐，36-LPG儲罐，51 59-天然氣物 流，60 61-丙烷物流，62 70-氮氣物流。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步描述。 如圖1所示，假定預處理后的天然氣壓力為5. 0MPa，溫度為34. 5。C，液化流程由丙 烷預冷循環(huán)、雙氮氣脹制冷循環(huán)、天然氣脫重烴、液化管路組成。 在丙烷預冷循環(huán)中，丙烷由丙烷壓縮機8、10壓縮至1.6MPa，每級壓縮后都經過 水冷器9、11冷卻到35t:，丙烷全部液化，再經過丙烷節(jié)流閥12降壓至O. 13MPa，溫度降 至-36t:，此時丙烷為氣液兩相，進入換熱冷箱1預冷天然氣和氮氣制冷劑。
在氮膨脹制冷循環(huán)中，高壓氮氣經換熱冷箱1預冷至_331:后被氮分流器26分為 兩股，一股直接經氮氣膨脹機27膨脹并向膨脹機增壓器13輸出軸功，壓力降為1. lMPa，溫 度降為-122.(TC，然后依次進入換熱冷箱3、2、l，用來冷卻天然氣和另一股氮氣，復熱后依 次經膨脹機增壓器13和氮氣壓縮機17、21壓縮至8. OMPa，每級壓縮后都經過水冷器15、 19、23冷卻到35°C ;另一股氮氣進入換熱冷箱2被預冷至_65°C，進入換熱冷箱3被冷卻 到-85t:，再經過氮氣膨脹機28膨脹并向膨脹機增壓器14輸出軸功，壓力降為1. 4MPa，溫 度降為-156°C ，依次返回換熱冷箱4、3、2、 1溫度升至30°C ，然后依次經膨脹機增壓器14、氮 氣壓縮機18、22壓縮至8. 0MPa，每級壓縮后都經過水冷器16、20、24冷卻到35°C ，兩股高壓 的氮氣經混合氣25混合后進入換熱冷箱1預冷。 在天然氣脫重烴、液化管路中，預處理后的天然氣經換熱冷箱1被預冷到_30°C，
5然后進入分離器29進行一級分離，分離出的液相做為精餾塔31的中部進料，分離出的氣相 進入換熱冷箱2冷卻到_651:，然后進入分離器30進行二級分離，分離出的液相做為精餾 塔31的頂部進料，精餾塔31底部產品經節(jié)流閥33降壓至1. 0MPa，然后經水冷器34換熱至 35t:進入LPG緩沖罐35，分離出的氣體可作為燃料使用，分離出的液相進入LPG儲罐36，該 LPG產品含有較多的C5以上組分，需經陸上設施進一步處理才能作為合格的產品；分離器 30分離出的氣相與精餾塔31的頂部產品經混合器32混合后依次進入換熱冷箱3、4冷卻
至-isrc使之全部液化并過冷，再經節(jié)流閥5節(jié)流降溫至-ie(TC，其中約7%的液體氣化，
氣液混合物進入LNG緩沖罐6，分離出的液相進入LNG儲罐7儲存，分離出的氣相從灌頂排 出后可作為天然氣冷卻法脫水的冷源，復熱后可作為預處理系統中吸收塔的再生氣，最后 進入燃料氣管網作為燃料或發(fā)電使用。 圖2為液化工藝的換熱冷箱模塊示意圖，其中51 52、53 54、55 56分別為 天然氣作為熱源在換熱冷箱中的液化過程，60 61為丙烷制冷劑節(jié)流后作為冷源在換熱 冷箱中預冷天然氣和氮氣制冷劑的過程，62 64為壓縮后的氮氣制冷劑作為熱源在換熱 冷箱中被預冷的過程，65 66和68 69為膨脹后的氮氣制冷劑作為冷源冷卻天然氣和高 壓氮氣制冷劑的過程。此模塊由四個換熱冷箱(被封裝在一個保溫裝置里面)、兩個節(jié)流閥 和一個分流器組成。 圖3為液化工藝的重烴分離模塊示意圖，52是來自換熱冷箱模塊經換熱冷箱1預 冷后的天然氣，54是來自換熱冷箱模塊經換熱冷箱2冷卻后的天然氣，53去換熱冷箱模塊 的換熱冷箱2， 55去換熱冷箱模塊的換熱冷箱3， 58去產品儲存模塊的水冷器34。此模塊由 兩個分離器、 一個混合器和一個精餾塔組成。 圖4為液化工藝的流體動力模塊示意圖，其中63 68、64 65為氮氣膨脹過程， 69 70、66 67為氮氣壓縮過程，61 60為丙烷壓縮過程。此模塊由兩個膨脹機、三個 壓縮機、兩個膨脹機增壓器和八個水冷器組成。 圖5為液化工藝的產品儲存模塊示意圖，56來自換熱冷箱模塊的節(jié)流閥5， 58來自 重烴分離模塊的節(jié)流閥33， 57為LNG閃蒸汽，59為LPG閃蒸汽。此模塊由兩個儲罐、兩個分 離器和一個水冷器組成。
權利要求
一種緊湊式天然氣液化浮式生產工藝，其特征是按換熱冷箱模塊、重烴分離模塊、流體動力模塊和產品儲存四個模塊進行設計，由海底采出的天然氣首先進入預處理單元，去除其中的泥沙、水、酸性氣體、汞、苯等雜質后進入液化單元，液化流程丙烷預冷循環(huán)、雙氮氣膨脹制冷循環(huán)、天然氣脫重烴、液化管路組成，其適用于海上浮式條件下的天然氣液化生產，具有防止船體晃動對液化工藝影響的性能，結構緊湊，啟動方便。
2. 根據權利要求1所述的緊湊式天然氣液化浮式生產工藝，其特征是，預冷循環(huán)采用 的制冷劑是丙烷。
3. 根據權利要求1所述的緊湊式天然氣液化浮式生產工藝，其特征是，主循環(huán)采用的 是雙氮膨脹流程。
4. 根據權利要求1所述的緊湊式天然氣液化浮式生產工藝，其特征是，水冷器所用的 冷卻水是海水。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高效緊湊式天然氣液化浮式生產工藝，屬于化工與低溫技術領域。采用模塊化設計，液化流程由丙烷預冷循環(huán)、雙氮氣膨脹制冷循環(huán)、天然氣脫重烴、液化管路組成，其中，丙烷循環(huán)用于預冷天然氣和氮氣制冷劑，雙氮氣膨脹制冷循環(huán)用于深冷和液化天然氣，重烴分離是利用液化過程中的冷量實現的。本發(fā)明適用于海上液化天然氣的生產，具有防止船體晃動對液化工藝影響的性能。
文檔編號C10L3/10GK101787314SQ20101014043
公開日2010年7月28日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權日2010年4月1日
發(fā)明者劉永浩, 唐建峰, 朱建魯, 李玉星, 林日億, 王偉偉, 王武昌 申請人:中國石油大學(華東)