30万m3/d天然气液化厂工艺流程设计与技术管理研究开题报告
2021-03-23 23:11:37
1. 研究目的与意义（文献综述）
1.选题的目的及意义（含国内外的研究现状分析）
1.1 选题的目的及意义
液化天然气是一种清洁、高效的能源。由于进口LNG有助于能源消费国实现能源供应的多元化，保障能源安全；而出口LNG有助于天然气资源国有效开发生产天然气，且增加收入，以促进国民经济的发展。因此LNG的国际贸易成为全球能源市场的一个热点，连年高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。
我国能源中长期规划明确指出，“十二五”期间，大力发展天然气，预计到2030年天然气将占到一次能源的10%，成为我国能源发展战略中的一个亮点和绿色能源支柱之一。在我国，作为对管道天然气的有益补充，LNG产业的发展，在优化国家能源结构、促进经济持续发展、实现节能减排和保护环境方面发挥着重要作用。
经过近20年的发展，我国小型LNG产业链不断完善，商业运营模式日趋成熟，应用领域不断扩大，市场需求快速增长，商业投资和商业推广应用活动日趋活跃，为此在改善偏远地区居民生活燃料结构，提高居民生活质量、降低车辆燃料成本，缓解城市空气污染、保障城市能源安全稳定供应方面取得了立竿见影的效果。小型LNG在我国天然气供应和使用中的作用尤为突出，其地位日益提升。
这些年来，我国将天然气发展视为一项能源结构调整和大气环境改善的重要举措。我国城市燃气已进入了天然气阶段，20世纪90年代末到21世纪初，建设了一批天然气输送工程，推动了城市燃气发展。城市燃气普及率提高，燃气结构发生了很大变化。在未来的一段时间里，我国城市燃气产业将会有更大的发展阶段，并逐渐从大城市往小型城镇转移，同时特别关注燃气的供应保障和安全供应。
可以说，向天然气转型是世界潮流。为了让自己更加熟练地掌握天然气液化站的工艺流程设计相关知识点以及技术管理要点，选择了该毕业设计课题作为本科毕业设计选题。希望通过本次毕业设计，能熟练掌握天然气液化站的工艺流程，并熟悉相关装置，为将来投身于天然气等能源行业的工作打下扎实的专业知识基础。
1.2 国内外的研究现状分析
1.2.1 国内外液化天然气技术概述
天然气液化装置按制冷方式分为三种：级联式(阶式)液化流程，见图 1；混合制冷剂液化流程，见图 2~3；膨胀制冷液化流程，见图 4(包括天然气膨胀、氮气膨胀、氮/甲烷膨胀等)。
（1）级联式液化流程(Cascade Cycle)
级联式液化流程也被称为阶式液化流程，一般包括三个或以上单一冷剂压缩机制冷循环，其制冷的原理是根据每种单一冷剂液化温度的不同逐级节流降温。如图 1 为常见的利用丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的三循环级联式液化流程示意图，经预处理后的高压原料气分别经丙烷、乙烯、甲烷三种制冷剂的三个制冷循环逐级降温、液化。该制冷工艺主要应用于基本负荷型天然气液化装置，主要优点是热效率高、能耗低(0.3~0.34 k W·h/m3)，制冷剂为纯物质，无配比问题，系统较为独立，容易调节，技术成熟；但机械设备多、流程和控制系统复杂、初投资大，操作维护不便[6]。
级联式液化工艺流程主要根据各种单一冷剂液化温度的不同，同时充分利用原料气的高压优势，采用多级 J-T 逐级节流降温，由于每一级制冷 循环都是独立的，因此每一个循环都要配备独立的压缩机组和冷却器系统，这会使管道和控制系统复杂化，LNG 的单位投资成本较大。此外，由于附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备，维护不便。
2001 年，中原石油勘探局建造了国内首座生产性质的 LNG 工厂——中原绿能天然气液化装置，日处理量为 15 万 m3，采用丙烷和乙烯为制冷剂的级联式循环。考虑到级联式液化流程技术成熟，操作稳定，对于国内首家生产性质的 LNG 工厂，采用此种流程应是不错的选择。
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（2）混合制冷剂液化流程
混合制冷剂制冷原理是由阶式简化而来，用一种以 C1 至 C5 的碳氢化合物及 N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，利用其重组分先冷凝，轻组分后冷凝特征，依次节流、气化来冷凝天然气中对应组分。混合冷剂制冷工艺包括混合冷剂单循环制冷工艺——MRC(见图 2)，混合冷剂双循环制冷工艺——DMR，丙烷预冷混合冷剂制冷工艺——C3/MR(见图 3)。其中，混合冷剂单循环制冷工艺主要用于调峰型液化装置，而后两者多用于基本负荷型液化装置[6]。
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图2 MRC流程示意
MRC是目前最具活力和生命力的制冷工艺，它的最大特点是混合工质在换热器内的热交换过程是个变温过程，能与同样是混合组分的天然气相匹配。因此可使冷热流体间的换热温差保持较低的水平，其实它等价于级联式液化流程在无穷级数时的极限，但又避免了级联式系统复杂的缺点。MRC流程工艺简单，设备少，占地小，投资少，维护方便；开启便捷适合调峰；但该工艺能耗(0.34~0.4 k W·h/m3)比阶式高 15%。正是由于混合冷剂单循环液化流程诸多优点，MRC 在小型气田得到广泛的应用，但混合冷剂配比和液化模拟技术含量高，常涉及专利技术，目前多内在用的 MRC 液化工艺多来自于国外液化专利商。 2002 年，新疆广汇实业兴建了国内第一座大规模基本负荷型 LNG 工厂，日处理能力 150×104 m3，液化工艺采用 LINDE 高效混合冷剂闭式循环制冷技术，混合冷剂由甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷和氮气组成，混合冷剂压缩机由燃气透平驱动。2006 年中海油利用珠海终端处理天然气建造了天然气日处理为 60 万 m3的调峰型 LNG 工厂，液化工艺采用 BLACK VEATCH 的 PRICO 液化工艺，采用高效混合冷剂(甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷和氮气)闭式循环单级膨胀制冷工艺，混合冷剂压缩机由燃气透平驱动。 |
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目前全球各大 LNG 设备公司为争夺市场展开了激烈的竞争，如美国空气制品公司开发的 APCI和 AP-X 流程，法国燃气公司开发的 CII 流程，BLACK VEATCH 的公司开发的 PRICO 流程它们均代表了天然气液化技术的发展趋势。MRC 中最具代表性的是丙烷预冷混合制冷剂液化流程(C3/MRC)，其目的是通过丙烷制冷循环预冷进入主流程的天然气，可使流程的功耗和制冷剂流量大为降低。C3/MRC 流程虽然较级联式流程简单、投资省，但机组设备还显复杂，主要原因是增加了丙烷制冷循环。上海 LNG 调峰站采用的 CII 流程，通过对制冷剂组分的合理选取、分馏设备与整体式冷箱的巧妙组织，使得流程进一步精简，同时又兼具了C3/MRC 流程的技术优势。
（3）带膨胀机液化流程(Expander Cycle)
膨胀制冷的原理是通过直接(原料气膨胀)或间接(外部 N2、CH4膨胀)等熵膨胀对外做功降温。该制冷工艺开停车比较方便，适用于调峰；但液化率低，尤其是间接膨胀制冷，能耗高 0.4~0.5 k W·h/m3，比混合制冷剂高 40%，原料气须深度干燥；原料气压力高时较为适用[6]。
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20 世纪 90 年代中期，长庆石油勘探局建立了1 座示范性 LNG 工程，日处理量为 3 万 m3，采用气波制冷机和透平膨胀联合进行低温制冷。
膨胀机具有较高的等熵效率及膨胀功可回收的优点，因此越来越受到液化能力较小的调峰型LNG工厂的青睐。但由于靠压差通过膨胀机来制冷，所以压缩机需要消耗较多的功来增压气体。以上两个工程都是采用天然气膨胀液化流程，省去了专门生产、运输、储存制冷剂的费用，但不能获得像氮气膨胀液化流程那样低的温度、循环气量大、液化率低，膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大，对系统的安全性要求较高。
采用氮气膨胀液化流程虽然可以避免以上缺点，但由于冷热流体间的换热温差大，为缩小温差促使换热面积增加，导致换热器金属投入量增大。若是采用氮—甲烷膨胀液化流程，可缩小冷端的换热温差，节省动力消耗。
从以上几种液化装置来看，级联式(阶式)液化流程虽然能耗最低，但是投资大，流程复杂，管理极为不便。混合制冷剂液化流程以丙烷预冷最具竞争力，但是流程设备还是显得复杂，适应于大型基本负荷型 LNG 工厂。带膨胀机液化流程紧凑、规模较小，但是能耗高，适应于调峰型 LNG 工厂。
（4）结语
长期以来，LNG 在中国是一个陌生的名词和概念，对 LNG 工业链既缺乏基础的定量研究，又缺乏对其技术内涵方面的系统了解。近几年，LNG 虽然有几盏星星之火，但其液化技术基本上都是从国外引进的。目前，国际上天然气液化装置一般采用的液化工艺有 Phillips、Technip、Pritchard、TEAL、PRICO、APCI、Pritchard、Linde、L .Air Liquide、Gaz de France、CBI、BOC 等。中国是一个气藏较为丰富的国家，随着各地小型调峰型天然气液化装置的建设，中国天然气应用将迎来一个崭新的时期。
1.2.2 国外LNG产业发展概况
全球LNG工业发展始于20世纪70年代，在当时的能源危机由日本驱动，年增长率相对平稳，以2.5%增长。到21世纪初由于环保原因年增长4%~5%，在美国，特别是推进发展联合循环发电，天然气的需求大大增加。
2010年以来，西太平洋地区以日本为首的多国都提出“向天然气转型”的能源目标。日本是世界最大的天然气进口国，在2016年6月份，日本首次更新能源战略计划，重新定义了国家能源政策核心目标，其中包括减少温室效应气体排放的目标。新修订计划着重提到天然气的优点，天然气被确定为快速建设低碳社会的重要能源构成，强调加快向天然气的转型。
美国是世界上最大的天然气消费国，2013年占世界消费量的22%。
美国的小型LNG装置多用于高峰时期供气，液化装置生产出的LNG被存储在大的LNG储罐中。当供气不足时（如在冬天），就将储罐中的LNG气化并供给用户。这些装置的液化能力约为15~60*10^4m^3（标）/天。
美国近些年在非常规天然气（页岩气、煤层气和致密岩气）的开发利用上显示出突飞的态势，据报道2010年已占全国燃气消耗的20%，2011年达到40%。要从进口国变为出口国。
1.2.3 我国LNG产业现状
我国已建的LNG液化厂气源主要来自于国内零散的小气田和油田的伴生气；以后更多取自于管道末端气、煤层气及新兴的煤制天然气。以小型气田为气源的有新疆广汇LNG、中原油田LNG、新奥涠洲岛LNG等；以海洋天然气为气源的有福山LNG和珠海海油LNG等；以煤层气为气源的有山西晋城港华LNG、阳城煤层气LNG等；其他都是以管道末端气的气源。LNG工厂的产品，
作为管道输送的补充。
我国煤炭资源丰富，随着煤制气工艺技术的逐步提高，“十二五”期间在新疆、内蒙古、山西、陕西、辽宁、山东煤炭资源丰富地区将陆续上马多个煤制气项目。2015年煤制气液化能力将达到140~280万t/年，到2020年有可能达到220~700年t/年。与此同步，我国的煤层气也将得到进一步开发和利用，页岩气将被重视，会有开发和利用的前景。这些非常规天然气将为小型LNG工厂提供更为丰富的气源。
我国LNG工厂，从上世纪末经历了一个从无到有，从小到大，艰难曲折的发展。首先由上海引进了法国索菲公司CII液化工艺技术，建成了一座10万m^3的LNG工厂，它以海上气田为气源，只作为城市调峰。2001年9月，国内首座商业化运行的LNG工厂河南中原液化天然气工厂试投产运行，生产规模15万m^3/天，年产量4万t。近年来我国小型LNG工厂发展迅速，其中国产液化工艺的工厂越来越多。截止到2010年1月，我国已经运营小型LNG装置有近60多座，另有40多座在建造之中，近一二年都会陆续投入运行。
我国的LNG产业，经过了从无到有的迅速发展过程，在液化工艺技术、相关装置和设备方面取得了长足进步，我国参照国外的专利技术也开发了自己的液化流程。但相比国外技术在流程优化方面还有所欠缺，尤其是效率相对较低，设备的可靠性也不高。此外，利用管道天然气自身膨胀液化生产LNG适用于压差较大的调压站，我国也已经有了多个应用实践，工艺成熟。
LNG工厂的工艺：我国已建成的投产的LNG工厂中，一部分是采用国外流程工艺技术，如美国的Bamp;V公司、Salof公司，法国的Sofe公司，德国的Linde公司及美国的ACPI公司等。另一部分则是采用国内自行开发技术，如中原绿能、成都深冷和中科院理化所等的流程工艺。目前，国产液化工艺包日渐成熟，单条生产线的规模可达200万m^3/天，即年产LNG50万t。
LNG工厂的设备：国内已建和拟建的小型LNG液化工厂，有些工厂的配套设备国产化已达到80%。处理规模为500万m^3/天及以下生产线的液化厂，
从工艺包到有关设备选择的集成技术可以基本实现国产化。有些液化工厂根据具体情况采用国产设备和进口设备相结合的方式。
目前，在液化厂主要设备中，离心压缩机大部分还是靠进口；活塞压缩机一般采用国产；冷箱国产化的程度已不断提高；膨胀机部分采用国产，部分进口；低温泵尤其是大型潜液泵，主要依靠进口；30000m^3以下的储罐以国产为主，而30000m^3以上的大型储罐国内尚未突破关键技术，基本上仍采用国外技术。
另外，国外企业和研究机构在设计和建设符合国情的、效率更高的小型LNG站方面取得了新的理论和实践成果，且已有多家设计院承担小型LNG项目工程设计，上海交大、中科院等研究机构已取得能应用于工程的研究成果，在液化流程工艺优化方面有独到的优势和积累，为多个工程项目提供帮助。在国家能源局和中国机械工业联合会的大力推动下，这些年在设备国产化方面有了长足的进步。
2. 研究的基本内容与方案
2.研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1 设计的基本内容及目标
（1）根据任务书，完成设计lng液化站的总体规划和功能布置，并使用cad软件绘制平面布置设计图；总体规划应做到高效合理且安全有序，平面布置需合理利用土地，并方便生产。
3. 研究计划与安排
3.进度安排
2017年02月19日--03月14日: 查阅文献，拟定提纲，完成开题报告。
2017年03月15日--03月21日: 阅读相关资料，学习lng液化厂设计方法，并完成外文翻译。
4. 参考文献（12篇以上）
4.参考文献
[1]顾安忠，等．液化天然气技术手册【m】．北京：机械工业出版社，2010
[2] 顾安忠，等．液化天然气技术（第二版）【m】．北京：机械工业出版社，2015
