利用分输站的压差液化天然气研究.pdf

6 22 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L GAS 2 O 1 4 ■ I 一． ■■■■ _I _|■■ I { 置 I 天 然 气 及 其 凝 液 的 利 用 利用分输站 的压差 液化天然气研究 马 国光 高 俊 季夏夏 魏 向 东 1 ． “ 油气藏 地质及 开发 工程 ” 国 家重 点 实验 室 西 南石 油大 学 2 ． 中 国石 油 西气 东输 管道 公 司赣 湘管理 处 摘 要 基于天然气长输管线分输站蕴含着 巨大的可利用的压力能， 提 出利用分输站压差液 化 天 然气 的工 艺。液化 工 艺 中， 管输 天然 气 净化 采 用 MDE A 3 5 D E A 5 的 混合 胺 液 脱碳 脱硫 ，4 A 分子 筛脱 水 ； 液化采 用透 平膨胀 机 制冷 。 同时 ， 研 究 了分输站 压 差 、 分 输 量对 天 然 气液化 率的影 响 。该工 艺适 用于 长输 管线压 降 大、 分输 规模 较 大的分 输站 。 关键 词 分 输站 压 力能 净化压 差 式液化液化 天 然 气 中图分 类号 T E 8 文 献标 志码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 - 3 4 2 6 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 9 S t u d y o n l i q u e f y i n g n a t u r a l g a s u s i n g d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e o f g a s d i s t r i b u t i n g s t a t i o n M a Gu o g ua ng ，Ga o J u n ，J i Xi a x i a ，W e i Xi a ng do n g 1 ．S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Oi l Ga s Re s e r v o i r Ge o l o g y a n d E x p l o i t a t i o n， S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y，C h e n gd u 6 1 0 5 0 0，Si c h u a n，Ch i n a；2 ．J i a n g xb H u n a n De p a r t me n t ，We s t t o Ea s t Ga s Pi p e l i n e C o mp a n y，Pe t r o C h i n a，Na n c h a n g 3 3 0 0 0 0，J i a n g x i ，Ch i n a Ab s t r a c t The r e i s hu ge a v a i l a b l e p r e s s ur e e ne r g y i n t h e ga s di s t r i bu t i n g s t a t i on of t he l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e o f n a t u r a l g a s ，S O t h e p r o c e s s o f u s i n g d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e o f g a s d i s t r i b u t i n g s t a t i o n t o l i qu e f y n a t ur a l ga s we r e pu t f o r wa r d ．I n t h e l i q ue f a c t i o n t e c hno l o g y，m i x e d a m i n e s ol u t i o n o f MDEA 3 5 wt DEA 5 wt wa s u s e d t o r e mo v e C0 2 a n d H2 S，4 A mo l e c u l a r s i e v e wa s us e d t o r e m o ve wa t e r ，a n d t u r b i ne e xp a nd e r wa s us e d t o l i q ue f y na t u r a l ga s ． A t t he s a m e t i m e，t he i m p a c t s o f d i f f e r e nt i a l pr e s s u r e a nd di s t r i bu t i o n t h r oug hp ut o n l i q ue f a c t i o n r a t e we r e a na l y z e d ． Th e r e s ul t s s ho w t ha t t he p r oc e s s i s s ui t a bl e f o r t he g a s di s t r i b ut i ng s t a t i o n o f hi gh p r e s s ur e d r op a nd l a r ge d i s t r i bu t i o n t hr o ug hp ut ． Ke y wo r ds ga s d i s t r i bu t i n g s t a t i o n，p r e s s ur e e n e r g y，pu r i f i c a t i on，p r e s s ur e d i f f e r e n t i a l l i qu e f a c t i on，l i q u e f i e d na t u r a l ga s 1 分输站压力能 回收 的必要性 平均压差约为2 ． 6 MP a ， 可利用的压力能全年总和 天然气分输站用 以分 配长输管线天然气， 采用 达 2 6 0 0 1 0 。 k J ， 相 当于约 9 Mw 的电站一年的发 节流膨胀实现将高压天然气调压至中低压下游用户 电量 。由此可见 ， 天然气长输管线分输站蕴含 的 标准外输 。因此， 分输站调压期 间存在较大压降 ， 如 可利用的压力能相 当大 ， 应采取相应措施对其进行 我国川气东送管线分输站最大压差达 5 MP a左右 ， 回收利用 ， 实现天然气长输管线的经济运行 。 作者简介 马 国光 1 9 6 4 一 ， 男 ， 四川 巴中人 ， 博士 ， 副教授 ， 现任职于西南石油大学石油与天然气工程学院 ， 主要从事石油 天然气 储运教学 、 设计 、 科研工作 ， 发表论文 1 8篇 ， 合作 出版专 著 6部 。地址 6 1 0 5 0 0 四川成 都市新都 区新都大 道 8号 西南 石 油大学国家重点实验室 B 6 0 6 。E - ma i l s wp i mg g 1 2 6 ． t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 3卷 第 6期 马国光 等利用分输站 的压差液化天然气 研究 目前 ， 国 内外 回收利 用 天 然 气 压力 能 的方 式 主 要为发 电和制冷两大类 。在制冷方面， 主要是将膨 胀后低温天然气 的冷量 ， 用 于液化天然气 、 冷库 、 冷 水空调 、 橡胶深冷粉碎以及轻烃 回收等[ 2 ] 。 针对液化天然气在我 国能源市场的重要地位， 提出利用天然气长输管线分输站压差液化天然气工 艺 ， 实 现 了分输 站 能量 的综 合利 用 。 2 利用分输 站压差液化天然气 工艺 2 ． 1 天 然气 净化 工 艺 利 用 分输 站 压 差 液 化天 然 气 时 ， 天 然 气 应满 足 液化 天 然 气 净 化 指 标 ， 即 |0 H2 S 5 ． 6 mg ／ m。 、 C O2 O ． 0 0 5 、 Y H2 0 d0 ． 0 0 0 0 1 。 而长 输 管线 天然气 仅符合 一类气 质标准 ， 即 p H S ≤6 mg ／ m。 ， Y C O ≤ 2 ． 0 ， 且无游离水存在_ 3 ] 。由 此可见 ， 管输天然气气质并不满足液化天然气要求 ， 液化 前 需进 行深 度净 化处 理 。 2 ． 1 ． 1天 然 气 脱 硫 脱 碳 工 艺 天然气脱硫脱碳有多种工艺。其 中， 化学 吸收 法脱酸性能稳定 ， 操作工艺成熟 ， 可以达到天然气液 化装置 中所要 求 的深度净 化标准 ， 且经济性 好_ 4 ] 。 常用的化学吸收法有 3 种 ， 即醇胺法、 热钾碱法及砜 胺法。由于醇胺法成本低 、 反应速率快 、 稳定性好且 易 再生 ， 已被 广 泛 应 用 于 天 然 气 液 化 装 置 中 。表 1 给 出 了醇胺 法 中常用 的 3种 吸收剂 的适用 条件 及优 缺 点 。 表 1 3种常用 吸收剂 的比较 Ta bl e 1 Co mp ar i s on o f t h r ee k i n ds o f abs o r be nt 管输天然气碳硫 比较高 ， 如我 国西气东输天然 气碳硫 比达 1 ． 2 7 1 0 ； J I 『 气东送气碳硫 比高达 1 ． 1 1 O 。 。同 时 ， 管 输 天 然气 酸 气 分 压 低 ， 液 化 前 深 度 净化时应同时脱除 C O 、 H。 S 。若采用 MD E A脱硫 脱碳 ， 由于 MD E A 与 C O 反应 速率慢 ， 脱 除大量 C O。时溶液 浓度 高 、 循 环 量 大 。 因此 ， 在 MDE A 中 加入少量碱性强 的 D E A来 提高反应速率 ， 降低胺 液浓度 和循 环量 。通过计 算， 质量分 数为 MD E A 3 5 DE A 5 的混合胺液满足管输天然气深 度脱硫脱碳的要求 。 2 ． 1 ． 2天然 气脱 水 工艺 天然气脱水方法主要为低温冷凝法、 溶液吸收 法 ] 、 固体吸附法及膜分离法脱水 。表 2对几种脱 水方 法进 行 了 比较 。 表 2天然气脱水方法 比较 Tabl e 2 Comp ar i s o n of n at u r al g as d eh y dr a t i o n met h od s 方法 脱湿度 露点／ ℃ 适用范围 天然气液化前须进行深度脱水 ， 采用 固体吸附 脱水 比较合适。同时 ， 固体 吸附剂 采用 4 A分子筛 可完 全脱 水 ， 满足 深冷 要求 ] 。 2 ． 2制 冷方 法选 取 利用气体压力能制冷的方法可分为两类 不对 外做 功 的膨胀 和作 外功 的膨 胀 。前者 主要 为节 流 阀 和热 分离 机 ， 后 者 主要有 透 平膨胀 机 。 1 节流阀 。利用实际气体的 J T节流效应制 冷是 发展 最早 的制 冷 方 法 。节 流 阀 结构 简 单 、 造 价 低、 操作维护方便 ， 但制冷量小 ， 制冷效率仅为 3 O ～ 4 0 。 2 热分离 机。热 分离机 通过“ 节 流一 压缩一 膨 胀一 分离 ” 的循 环 过程 实现 制冷 。热 分 离 机可 用 于不 同 的流量 和压 力 ， 与 透 平膨 胀 机 相 比 ， 其 结 构 简 单 ， 价格便 宜、 运 行 维护容 易。热 分离 机制 冷效 率为 6 O ％～7 0 ， 略低于膨胀机 引。 3 透平膨 胀机。透平膨胀机制冷原理 高压 天然气等熵膨胀时 向外输出机 械功 ， 消耗 了大量的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 4 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG 0F 0I L GAS 2 O 1 4 内能， 使得气体温度降低 ， 实现制冷 目的。透平膨胀 机具有流量大、 体积小、 不污染制冷工质等优点 ， 而 且 ， 制冷效率 高达 8 5 以上 。同时， 利用膨胀机制 冷可回收膨胀功 ， 实现能量的充分利用 。 综合可得 ， 利用分输站压差液化天然气工艺采 用 透平 膨胀机 回收天然 气压 力能 实现 制冷 液化 天然 气 。 2 ． 3利用分 输 站压差 液化 天然气 工 艺 利用天然气长输管线分输站压差液化天然气工 艺见 图 1 。分输站来气经分离器 1分离除杂后分流 为 两股 ， 一股 物 流 1 为 L NG原 料气 ， 另 一股 物 流 2 为制冷冷源。为降低净化费用， 仅物流 1进行脱 硫脱碳处理 。物流 1 进吸收塔与胺液逆流接触脱碳 脱 硫后 天然气 中 Y C 0 o ． 0 0 5 、 p H S 5 ． 6 分输 mg ／ m。 。净化天然气经分离器 2分离后去分子筛 1 完全脱水 ， 然后经换热器 1 、 2冷却并在分离器 3进 行气液分离 ， 液相去重烃处理装置 ， 气相进入换热器 3深冷 后 通 过 节 流 阀节 流 降压 至 分输 压力 ， 最后 进 入 分 离器 4进行 气液 分 离 ， 液 相 为 L NG， 进 入 L NG 低 温储 罐 ； 气 相 回流 为天 然气提 供冷 量后 外输 。 分 输站 来气 在低 温环 境下 易形 成天 然气 水合 物 产 生 冰堵现 象 ， 因此 物 流 2膨 胀 之 前 需 深 度 脱 水 。 物流 2进入分子筛 2完全脱水 ， 然后经换热器 1预 冷直接进入膨胀端膨胀制冷后为 L NG原料气提供 冷量 。最后 在 膨胀机 压缩 端 的作用 下增 压外 输 。 该液化流程仅利用天然气分输站 自身压差实现 制冷液化天然气， 液化单元无外界能量供应 ， 实现了 流程 总能 耗最 小 。 图1利用天然气分输站压差液化天然气工艺流程 Figu r e 1 L i q ue f ac t i o n pr oc es s o f u s i n g diff er e n t ial pr es s u r e o f na t u r al g a s- dis t r ibu t i n g s t at i o n 3液化流程 的分析研究 1 天然 气液 化率 L --单 1 ql 十 q2 2 膨 胀制 冷单元 透平 膨 胀机膨 胀 功 W e 2 式 中， H。 、 H。 分别为膨胀机工质进 E l 焓和 出 V I 焓 值 ， k J ／ k g ； ．D为工 质体 积流量 ， m。 ／ h ； g r为 透平效 率 。 透平膨胀机制冷量 Qo q R H i 一 H。 叼 3 膨 胀 机压 缩 端 采用 离 心 式 压缩 机 ， 其 轴 功 率计 算如 4 式 W 。 8 0 71 0 3 q RZTi ￡ _ 1 4 z一 Zi n - - Z o u t 5 式 中 ， q 为气 体质 量流 量 ， k g ／ s ； r ／ 为 压缩 效率 。 其 中 ， W。 一W 6 天然气 的实 际焓值 H 为该状 态 下 的理 想焓 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 3卷 第 6期 马 国光 等利用 分输站的压差液化天然气研究 6 2 5 H。 与余焓 H 之和， 即 HH。 H 。 混 合 物理 想焓 的计 算方 程 H d 』 T 。 c TH 。 ， T 。 用 P R方程计算余焓的方程为 H RT Z-- 1 c T 一口 n ． 丽Z2 ． 4 1 4 B ． 3 换 热器 单元 总物料平衡 q 1 q 2 一 q 重 烃 q L N G q 1 5 q 2 3 式 中 ， g 为节 点物 流 的质量 流量 ， k g ／ s 。 能量 平 衡 q 6 H6 q 1 7 H 1 7 q 1 2 Hl 2 一 q 1 5 H 1 5 g 1 9 H1 9 一 g 2 2 H2 2 -- q eH重 烃一g 1 o H1 o 一 综 合 上 述 可 知 ， 利用 压 差 液 化 天然 气 流 程应 用 于天然气长输管线分输站时 ， 影响天然气液化率 的 7 因素为天然气压差 。同时 ， 该工艺应 用于压差约 4 MP a的分输站 时， 压力能利用效率最 高。而且 ， 天 然气 分输 量越 大 ， 液化 天然 气产 量越 高 。 8 9 芝 一 辞 一 0 分输量／ 1 o ‘ Ill 图3 天然气分输量对液化性能的影响 F i g ur e 3 I mp a c t o f di s t r ibu t i on t h r o u ghp u t on p er f or man c e o f l iqu e f a c t ion q l 8 H1 8 0 1 o 4 压差对液化流程的影响 4 实例计算 通过以上计算 ， 天然气分输站内压差对天然气 液 化率 影 响见 图 2 。 随着 压 差 的增 大 ， 液 化 率 呈 上 升趋 势 ， 但 当天然 气 液化 率 增 大 到 1 8 ． 3 4 时 ， 液化 率基本不再受压差影响 。同时， 单位压差液化率 随 着天然气压差的增大呈抛物线变化 先上升后下降 ， 存在一个单位压差液化率较大的值 。该压差下天然 气压力能利用效率最高 ， 即分输站压差为 4 MP a 左 右时， 单位压差制冷所得天然气液化率最大。 2 O ． 0 l 6 ． O 1 2 ． 0 8 ． 0 4． 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 压差 ／ M P a 图2 不同压差下的天然气液化率 F i gu r e 2 Na t ur al g as l i q ue f ac t i on r a t e un de r dif f e r en t p r es s ur e d i ff er e nc e 5 分输 量对 液 化流 程 的影 响 通过计算 ， 天然气分输量对液化天然气和 L NG 产量的影响见 图 3 。由图 3可得 ， 天然气分输 量越 大 ， 液 化所 得 L NG产 量越 大 ， 但 并 不 影 响天 然 气 液 化 率 。 以川气东送为例_ 1 ] ， 该长输管道沿线设有上党 、 梁平 、 恩施 、 宜 昌 、 枝 江 、 荆 州 、 仙 桃 、 武 汉 、 黄 石 、 黄 梅 、 安 庆 、 池州 、 宣城 、 十字 镇 、 湖 州 、 嘉 兴 等 分输 站 。 各分 输 站采用 如 图 1 所 示 的压差 式 液化 工艺对 压力 能 回收利 用 ， 川气 东 送 管 线 主要 分 输 站 的液 化 天然 气产 量见 表 3 。 表 3 川气 东送利用分输站压差液化天然气产量 Tabl e 3 Ou t p u t o f l i qu e f i e d n at u r al g as p r od u c ed by u s i n g d i ffer e n t i al pr es s u r e of ga s - di s t r i b u t i n g s t a t i on i n g as t r an s mis sion f r Om Si c h u an t o Eas t 下转 第 6 3 8页 { 6 ＼ 一 许芒 斗一 O O 0 0 O O 5 4 3 2 1 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 63 8 石 油与 天 然 气 化 工 CHE M I CAL ENGI NEE RI NG 0F OI L ＆ GAS 罐的压力可达到 1 ． 6 MP a ， 远 比压缩机组 1 ． 1 MP a 压力 高 。为此 ， 夏 天机 组 检 修 时 无 法实 现 利 用 压 力 差将机组 内的丙烷压 回至储罐 ， 此时机组需要检修 就 只能损 失机 组 内约 3 ． 5 t 丙 烷 ， 将 其 泄 放 至放 空 系统 。 建议丙烷储罐 E l 常储备一定数量 的丙烷 ， 根据 需要 随 时通过 丙烷 泵 向压缩 机 组 补 充 丙 烷 ， 同时 做 好丙烷罐的遮阳设施 。目前阿姆河第一天然气处理 厂 日常储存有约 5 O m。 丙烷备用。且正在丙烷储罐 上方 建设 遮 阳棚 ， 防止夏 季 阳光直 射丙 烷储罐 。 6 结 语 阿姆河 第 一 天 然气 处 理 厂 丙烷 制 冷 工 艺 自 2 0 0 9年装置投产运行以来 运行非常平稳、 可靠 ， 适 合脱除天然气中烃组分以满足长输管道要求 。4年 来 均未进 行过 停 产 检 维修 。具 有 操 作 简 单 、 维 护 方 便 、 制冷速度快 、 复产迅速 、 运行成本低等优点。在 高 负荷运 行条 件下 ， 机组 运 行 各 项 运行 参 数 仍 有 一 定 富裕 ， 表 明丙烷 制 冷工 艺 在 含 硫 天然 气 脱 烃 领 域 具有可靠的适应性 ， 可为同类型天然气脱烃的设计 、 生产 、 运行等提供借鉴经验。 参 考 文 献 [ 1 ]王剑 ，喻泽汉，罗斌 ， 等． 阿姆河第一 天然气处 理厂投产 运行评 价[ J ] ．石油与天然气化工 ， 2 0 1 1 ， 4 0 增刊 1 1 8 2 1 ． [ 2 ]尹代益． 天然气化学[ M] ． 四川 成都科技大学出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 3 ]李 国诚 ， 诸林． 油气 田轻烃回收技 术[ M] ． 四J I l ； 四川科 学技术 出 版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 4 ]诸林． 天然气加工工程[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 5 ]朱利凯． 天然气处理及加工F- M] ． 北京 石油工业出版社 ， l 9 9 7 ． E 6 ]李 明， 魏志强 ， 张磊 ， 等． 一种特殊气质分 子筛脱水方案设计 E J ] ． 石 油与天然气化工 ， 2 0 1 1 ， 4 0 2 1 4 1 1 4 5 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 2 3 ； 修 回日期 2 0 1 4 0 5 2 6 ； 编 辑 康莉 上 接 第 6 2 5页 从表 3可得 ， 川 I 气东送 外输商 品气 量 7 5 1 O m。 ／ a ， 各分输站可回收利用 的压力能达 2 6 0 0 1 0 。 k J ／ a ， 利 用 图 1的压差 式液 化流程 对 压力 能 回收 ， 可 生 产液 化天 然气量 约 2 7 2 1 0 。 t ／ a 。其 中 ， 达 化 、 九 江 、 上 党 、 嘉 兴分 输 站 天然 气 分 输 量 大 ， 可 利用 的压 力能大 ， 液化天然气产量高 ， L NG总产量为 2 4 1 ． 6 i 0 。 t ／ a ， 具 有很 高 的 回收 利用 价值 。 5 结 论 利用分输站压差液化天然气工艺 中， 根据管输 天然气的气质特点 ， 液化前深度净化宜采用 MD E A 3 5 9 ／ 6 DE A 5 的混合胺液脱碳脱硫 ， 4 A分子 筛脱水。该液化流程 的天然气液化率仅随压差 的增 大而 升高 。同时 ， 分 输站 分输 量越 大 ， 液 化天 然气 产 量越高。因此 ， 该工艺适用于长输管线压降大、 分输 规模较大的分输站。此压差式液化工艺 ， 天然气液 化率最大为 1 8 左右， 如进一步提高液化率则建议 在此基础上增加外制冷方法来实现液化。 利用透平膨胀机回收天然气分输站压力能生产 高经济附加值 的液化天然气 ， 不仅实现了能量 的综 合利用 ， 而且提高 了天然气长输管线的经济效益 ， 具 有很好的应用前景 。 参 考 文 献 [ 1 ]徐孝轩 ， 黄业千，亢泽 涛， 等． 川 气东送 分输站 压力 能 回收 利用 潜力分析[ J ] ． 天然气技术与经 济 ， 2 1 0 3 7 2 4 8 5 1 ． [ 2 ]顾安 忠 ， 鲁雪生 ， 汪荣顺 ， 等． 液化天然气技术[ M] ． 北京 机械工 业 出版 社 ， 2 0 0 3 2 8 4 2 8 6 ． E 3 ]马 国光． 天然气集输 [ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 o 1 4 1 3 2 ． [ 4 ]欧银军． 天然气预处理过 程 中的脱 酸与脱水 工艺研 究[ J ] ． 科技 视 界 ， 2 0 1 2 1 2 2 2 7 2 2 8 ． [ 5 ]中国石油天然气总公司．S Y ／ T u 1 9 9 6气 田天然气净化厂设 计规范[ s ] ． 北京 石油工业出版 ， l 9 9 7 ． [ 6 ]罗 国民． 三甘醇脱水在 高酸性气 田集输站 中的应用 分析[ J ] ． 石 油与天然气化工 ， 2 0 1 3 ， 4 2 6 5 7 1 5 7 7 ． [ 7 ]郭洲 ， 曾树兵 ，陈文峰． 分子筛脱水装 置在珠海 天然 气液化项 目 中的应用 [ J ] ． 石油 与天然气化工 ， 2 0 0 8 ， 3 7 2 1 3 8 1 4 0 ． E 8 ]李学来 ， 黄齐飞． 热分离技术与压力能的回收利用[ J ] ． 福建能源 开发与节约 ， 2 0 0 1 3 5 7 6 0 ． [ 9 ]He T B ，J u Y L ．D e s i g n a n d o p t i mi z a t i o n o f n a t u r a l g a s l i q u e 一 { a c t i o n p r o c e s s b y u t il i z i n g g a s p i p e l i n e p r e s s u r e e n e r g y[ J ] ． Ap p l i e d Th e r ma l E n g i n e e r i n g ，2 0 1 3 ， 5 7 1 ／ 2 1 6 ． [ 1 O ]石 玉美， 顾安 忠，汪荣顺 ， 等． 天然气和混合 制冷剂 的焓 熵[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 0 ， 2 8 6 ； 6 2 6 4 ． 收稿 日 期 2 0 1 4 0 6 0 8 ； 编辑 康莉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m