大型天然气液化技术与装置建设现状与发展.pdf

291 6 化 工 进 展 C HE MI C AL I ND US T R Y AND E N GI N E E R I NG P R O GR E S S 2 0 1 4年第 3 3卷第 1 1 期 大型天然气液化技术与装置建设现状与发展 林畅，白改玲 ，王红 ，李玉龙 中国寰球 工程 公司 L NG与低温工程事业部 ，国家能源液化 天然气技术研发 中心 ，北京 1 0 0 0 1 2 摘要国外天然气液化技术发展近百年，_ v - ,_ l k 4 e 应用也达半个多世纪，已发展成熟多种液化工艺及配套技术。我 国涉足天然气液化技术较晚，正处于发展阶段。本文介绍了各种天然气液化工艺及其工业化应用情况，分析其工 艺特点、装置规模、适用范围，为国内天然气液化技术开发提供指导。分析表明，混合冷剂制冷X - 艺 DMR和 C 3 MR与优化级联工艺是大型天然气液化装置所采用的主流工艺，应用实例多，地域范围广，装置规模不断扩 大；近 2 0年建成和目前正在筹建中的大型液化项 目， 主要为岸基且单线规模为 3 ． 0 ～6 ． 5 百万吨／ 年 L NG； D MR 技术新型高效灵活。此外，随着资源开发技术的发展，极地与深海资源的开发利用不断增加，适应极寒气候条件 和海上浮式的液化技 术将成为新 的研究热点。 关键词 天然气；液化 ；制冷 工艺 中图分类号T Q 0 2 5 ． 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 41 1 2 9 1 6 0 7 DoI 1 O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 0 6 6 1 3 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 1 6 De v e l o pme nt a nd t r e nd o f l i qu e f a c t i o n t e c hno l o g y a n d c o n s t r uc t i o n o f l a r g e s c a l e na t u r a l ga s l i qu e f a c t i o n pl a nt L I N Ch a n g，BAIGa i l i n g， WANG Ho n g，L I i o ng L NG a n d Cr y o g e n i c E n g i n e e r i n g Co mp a n y ，Ch i n a Hu a n q i u Co n t r a c t i n g E n g i n e e r i n g Co r p o r a t i o n，Na t i o n a l E n e r g y L NG T e c h n o l o g y R D C e n t e r ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 2 ，C h i n a Abs t r a c t I n t h e wo r l d， na t u r a l g a s l i q ue f a c t i o n t e c h no l o g y h a s d e ve l o pe d f o r n e a r l y a c e n t u r y，a nd ha s b e e n a p p l i e d i n i n d u s t ry f o r mo r e t h a n h a l f a c e n t u ry ，wh i c h l e a d s t o ma n y ma t u r e d l i q u e f a c t i o n p r o c e s s e s ， W h i l e i n Ch i n a ， t h e t e c h n o l o g y i s d e v e l o p i n g o n l y i n r e c e n t t e n y e a r s ． T h e k i n d s o f n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n p r o c e s s a n d i t s i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s i t u a t i o n a r e p r e s e n t e d， a n d t h e p r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c s a n d f a c i l i t y s i z e a n d a p p l i c a t i o n s c o p e a r e a n a l y z e d t o p r o v i d e g u i d a n c e f o r r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f d o me s t i c n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n t e c h n o l o g y Mi x e d r e f r i g e r a n t p r o c e s s D MR a n d C 3 MR a n d o p t i mi z e d c a s c a d e p r o c e s s a r e t h e ma i n o p t i o n s i n l a r g e s c a l e l i q u e fi e d n a t u r a l g a s L NG f a c i l i t y c o n s t r u c t i o n， a n d DM R i s a n e w t y pe pr oc e s s wi t h hi g h e ffi c i e nc y a nd fle xi bl i t y ．Th r o u g ho u t t h e wor l d， t h e f a c i l i t i e s a r e d i s t r i b ut e d i n a wi de ge og r a p hi c a l s c o pe ， t h e f a c i l i t y s c a l e e x pa nd s u nc e a s i ng l y， t he f a c i l i t i e s i n p l a nn i n g a n d t h o s e c o mp l e t e d i n t he p a s t t we n t y y e a r s a r e m o s t l y 3 ． 0～ 6 ． 5 Mt ／ a p e r t r a i n a n d a r e c o n s t ruc t e d o n s h o r e ． Mo r e o v e r ， a l o n g wi t h t h e d e v e l o p me n t o f t h e r e s o u r c e s e xp l o i t a t i o n t e c h no l o g y， po l a r a n d de e p o c e a n r e s o ur c e s e xp l o i t a t i o n a n d ut i l i z a t i on a r e g r o wi ng s h a r p l y， wh i c h ma k e s l i q u e f a c t i o n t e c h n o l o g y a d a p t e d t o e x t r e me l y c o l d c l i ma t e c o n d i t i o n s a n d foa t i n g l i q u e f a c t i o n be c o me ne w r e s e a r c h h o t s p o t s ． Ke y wor ds na t u r a l g a s ； l i q ue f a c t i o n； r e fri ge r a t i o n 天然气是优质清洁的一次能源 ，以气态和液态 两种形式进行贸易与应用。天然气液化后 ，体积约 收稿 B期2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 4 ；修改稿日期2 0 1 4 ． 0 4 0 8 。 第一作者及联系人林畅 1 9 7 6 一 ，女，博士，高级工程师。E m a i l l i n c h a n g h q c e c ． C O ll q ；h 2 4 3 9 1c c n p c ．C O I I 1 ． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 1 期 林畅等大型天然气液化技术与装置建设现状与发展 2 9 1 7 为标态下气体的 1 ／ 6 0 0 ，便于远洋运输和应用 。 天然气液化工艺技术的研究早在 2 O世纪初就 己开始， 但其工业应用最早出现在 2 0世纪 4 0年代。 1 9 4 1年，在美国克利夫兰建成了首套调峰型天然气 液化装置 ，采用级联 式工艺流程 ，处理能力约为 0 ． 2 3 Mt ／ a液化天然气 L NG 。随后 1 9 6 4年，在阿 尔及利亚 C a me l Ar z e w建成了首套基荷型天然气液 化装置，采用经典级联流程[ 1 ] ，装置包括 3条生产 线，每条生产能力为 0 ． 3 6 Mt ／ a ，装置总产能 1 ． 1 Mt ／ a 。 此后天然气液化工业进入快速发展时期，大批大型液 化装置 1 ． 0 Mt ／ a 在中东、北非、大洋洲、北美等 地相继建成 。据统计， 目前国外 己建成大型基荷型 天然气液化装置 5 8套，生产线近百条。本文就大型 天然气液化装置的生产规模和工艺流程等方面进行 统计和分析，研究天然气液化技术现状和发展趋势。 1 天然气液化装置 1 ． 1 已建工程装置规模 半个多世纪以来 ，天然气液化装置规模不断扩 大，单线生产能力不断提高。据统计，2 0世纪 6 0 年代和 7 0年代初，单线产能在 O ． 3 6 ～1 ． 7 Mt ／ a 。随 着工艺技术和设备加工制造技术的进步，规模逐渐 扩 大 。到 8 0 年代 末 ，单线 产 能 已经可 以达 到 2 ． 6 Mt ／ a ； 9 0年代产能进一步提高， 在 2 ． 5 ～3 ． 3 Mt ／ a ， 而且这一阶段 内新建装置的单线产能规模相差相对 较小， 处于装置规模发展的平稳期 。 从 2 0 0 0年至今 的 1 0余年，L NG装置的单线生产能力又上 了一个 新台阶，多在 3 ． 3 ～5 ． 2 Mt ／ a ，且已建最大单线产能 达到 7 ． 8 Mt ／ a 卡塔尔、6套 。L NG装置建设在不 断追求着规模化经济效益 。装置规模的发展历程如 图 1 所示，大体可 以划分为 4个发展阶段。前 3个 阶段产能不断扩大 ，第四个阶段出现两极分化，出 现超大规模产能装置 ， 但更多为 3 ． 0 ～5 ． 0 Mt ／ a规模， 项 目全生产周期的技术经济效益更加受到关注 。 单线产能在 1 ． 0 ～2 ． 0 Mt ／ a的生产线条数最多， 共 3 2条，占总生产线条数 的 3 0 ． 8 ％， 但其产能仅 占 总产能的 l 5 ． 3 ％；其次是单线产能为 2 ． 1 ～3 ． 0 Mt ／ a 、 3 ． 1 ～4 ． 0 Mt ／ a和 4 ． 1 ～4 ． 9 Mt ／ a的生产线，分别有 2 l 条、2 4条和 1 l 条，分别 占总生产线条数 的2 0 ． 2 ％、 2 3 ． 1 ％和 1 0 ． 6 ％。这三段的产能之和超过总产能的 6 0 ％，属 己建装置的主流规模，单条生产线的平均 产 能达到 3 ． 3 7 Mt ／ a 。特大型生产线 单线 能力 ≥ 5 ． 0 Mt ／ a 共有 9条，占总生产线条数的 8 ． 6 ％，产能 占总产能的 2 0 ． 6 ％，其中单线产能为 7 ． 8 Mt ／ a的 6 条生产线的产能就己与 3 2 条 1 ． 0 ～2 ． 0 Mt ／ a 的生产线 的产能之和相当。目前已建的特大规模液化装置分 布在卡塔尔、特立尼达和多巴哥、阿尔及利亚 。 1 ． 2 已建工程装置分布 目前全球 己建成大型基荷型 L NG装置 5 8套， 主要分布于卡塔尔 1 2套 、印度尼西亚 1 0套 、 澳大利亚 1 0套 、阿尔及利亚 4套 、特立尼达 和多巴哥 4套等国家和地 区，总生产线 9 7 条 ， 总产能 2 9 0 Mt ／ a E 引 。其中卡塔尔是 目前最大的生产 国，总生产能力为 7 7 Mt ／ a ，其次是印度尼西亚和澳 大利亚，总生产能力分别为 3 5 ． 9 Mt ／ a 和 2 4 ． 6 Mt ／ a ， 如图 2所示。 1 ． 3 新建和拟建工程项目 据统计，2 0 1 3 --2 0 1 9年正在新建和拟建 L NG 项 目达 4 2项之多，生产线超过 7 8条，总生产能力 将超过 3 5 9 ． 7 Mt ／ a 。单线能力在 1 ． 0 ～6 ． 0 Mt ／ a ，其中 1 ． 0 - - 2 ． 0 Mt ／ a的有 9条生产线；2 ． 1 ～4 ． 0 Mt ／ a的有 1 2条生产线；其余 5 7条生产线生产能力为 4 ． 0 ～ 6 a。 图 1 己建大型天然气液化装置规模 图2 各国已建 L NG装置能力情况 1 9 6 4 --2 0 1 2年 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化 工 进 展 2 0 1 4年第 3 3卷 H ＼ 钆 士 H 涵 搂 图 3 各国新建和拟建 L NG装置能力情况 2 0 1 3 --2 0 1 9年，岸基装置 新建和拟建项 目主要分布在美国 1 l项 、澳 大利亚 8项 、加拿大 6项 、俄罗斯 4项 。 到 2 0 1 9年，美国将成为最大 L NG生产 国和出口国 1 2 5 ． 8 Mff a 、澳大利亚次之 8 4 Mff a 、卡塔尔则 位居第三 7 7 M a 。各国具体 总产能情况如图 3 所 示 。 2 天然气液化工艺 2 ． 1 液化工艺的发展与类型划分 天然气液化技术研究从 2 0世纪初开始，在 2 O 世纪 2 0年代经典级联流程最早被提出， 此工艺也最 早被工业化应用。 如 1 9 4 1 年在美国克利夫兰建成的 世界第一套调峰型天然气液化装置 ， 以及 1 9 6 4年在 阿尔及利亚 C a me l A r z e w地区建成首套基本负荷型 天然气液化装置 ，均采用经典级联工艺I J J 。 经典级联流程较复杂、设备台数多，后来逐渐 被后续开发的膨胀机流程和混合冷剂流程等所取 代 。 其中氮膨胀单循环与氮气～ 甲烷双循环主要应用 于调峰站或小型的基荷型液化装置 中，在小型浮式 液化装置 中也有应用，未应用于大中型天然气液化 装置。但 2 0世纪 7 0年代开始得到工业应用的混合 冷 剂流程 则可应 用于中型 0 ． 5 ～ 1 ． 0 Mt ／ a 、大型 1 ． O ～5 ． O M a 或特大型 5 ． O Mt ／ a 的液化装置。 混合冷剂流程按照循环数 目及冷剂特点，又分 单循环 S MR 、双循环 D MR 、丙烷预冷 C 3 MR 和 A P X 等多种流程。 其中 S MR液化工艺， AP C I 、 B V、 L N GL等国际公司掌握该种工艺 ，国内绿能公 司、海然公司和寰球公司也均已拥有 S MR 工艺技 术 ， 但 B V公司的 P r i c o流程简单、应用最广 、设备 紧凑，备受小型基荷型液化装置的青睐。 同期 ，AP C I 公司开发了 C 3 MR流程 ，并应用 于大型的基荷型液化装置，占据了天然气液化装置 建设大半个市场 。2 0 0 0年后 ，AP C I公司又提 出 S p l i t MR 技 术 ，该技 术可应 用于 C 3 MR 流程 和 A P x 流程，在现有压缩机和驱动机的基础上能 使单产能力提高 1 5 ％。 S p l i t MR技术的使用， 使AP C I 公司的C 3 MR流程在 己建的液化装置中所 占的比例 进一步提高到 6 0 ％以上 。D MR液化工艺曾分别由 T E AL AR C和 S HE L L公司开发， 并应用于实际工程 项 目。 国外天然气液化工艺技术研究起步早、工业实 践经验丰富，长期主导着天然气液化装置的工艺技 术市场，主要的工艺及专利商详见表 1 。近年来 ， 中国石油天然气集团公司下辖的中国寰球工程公司 通过 多年 技术攻关 ，也 已经 自主开 发 出了具 有知 识 表 1 国际主要天然气液化工艺及其专利技术提供商情况 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 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 2 9 2 2 化 工 进 展 2 0 1 4年第 3 3卷 产能的 1 7 ％[ 2 2 - 2 3 ] 。 大型浮式液化装置的液化工艺，是基于已有的 岸基天然气液化装置所采用的液化工艺进行创新与 技术整合， 主要技术供应商仍为 AP C I 和 S HE L L等 公司， T e c h n i p等具有很强工程技术实力的工程公司 以及韩国大宇等 L NG造船公司在 F L NG装置设计 建设中也起到 了至关重要的作用。 3 结 论 天然气液化行业 至今 己历经半个多世纪的发 展 ，液化装置的规模和所采用的工艺流程均发生 了 显著变化 。液化工艺技术 日渐成熟，且工艺多样、 百家争鸣， 除 L i q u e fi n 流程 尚未得到应用外， C 3 MR 、 AP X ⋯ 、D MR 、MF C等混合冷剂流程及优化级联 流程均在大型液化装置上得到成功应用。 装置规模不断扩大，单线生产能力不断提高， 从建设初期不足 0 ． 5 Mt ／ a ， 发展到今天的单线产能最 大 7 ． 8 Mt ／ a 。然而，装置规模的发展并不是一味追求 规模最大化 ，而是在朝着根据实际情况兼顾操作灵 活性、 负荷调节能力及设备检维修停产等方面问题， 追求项 目全生产周期的技术经济效益最大 。目前在 建和拟建的大型液化装置规模在 3 ． 0 ～6 ． 5 Mt ／ a较宽 泛的范围内。 此外，现今海洋天然气资源 的开发和极地地区 天然气资源的开发是天然气资源开发利用的新 动 向，随之刺激 了液化工艺技术和装置建设的进一步 发展，以用于海上浮式液化装置和极端气候环境下 的液化装置的设计建设。开发浮式液化技术、适应 极寒气候的工艺技术及建设施工技术是技术研究新 方 向。 参考文献 顾安忠．液化天然气技术[ M] ．北京机械工业出版社，2 0 0 9 1 l 6 - l 1 7 ． Ne w L NG e x p o r t p r o j e c t s [ J ] ．L N G J o u r n a l ，2 0 1 2，N o v e mb e r ／ De c e mb e r ， P 4 5 ． An d r e s s D L， Wa t k i n s R J ． B e a u t y o fs imp l i c i t yP h i l l i p s o p t i mi z e d c a s c a d e L N G l iq u e f a c t i o n p r o c e s s [ C ] ／／ A d v a n c e s in C r y o g e n i c E n g in e e r i n g T r a n s a c t i o n s o f t h e Cryo g e n i c En g i n e e rin g Co n f e r e n c e ， 2 0 0 4 ， Al a s k a ． Co n o c o p h i l l i p s LNG t e c h n o l o g y l i c e n s in g，L NG t e c hn o l o g y， o p t i mi z e d c a s c a d e p r o c e s s [ E B ／ O L ] 2 0 1 4 ．h t t p ／ ／ ln g l i c e n s i n g ． c o n o c o p hil l ip s ． c o m／ E N／ ln g _ t e c h _ l i c e n s i n g ／ c a s c a d e p r o c e s s ／ P a g e s ／ i n [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 】 【 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 1 [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 O ] [ 2 1 ] 【 2 2 】 [ 2 3 ] d e x ．a s p x ． T a r i q S h u k r i ． L NG t e c h n o lo g y s e l e c t i o n [ J ] ． H y d r o c a r b o n E n g i n e e r i n g，2 0 0 4 9 7 1 - 7 6 Pi l l a r e l l a M a r k， L i u Ytma n，P e t r o ws k i J o s e p h，e t a l Th e C3 MR L i q u e f a c t i o n C y c l e Ve r s a t il ity f o r a F ast Gr o wi n g，E v e r C h ang i n g L NG l n d u s t r y [ C ] ／ ／ T h e 1 5 t h I n t e rna t io n a l C o n f e r e n c e E x h i b it i o n o n Liq u e fie d Na t u r a l Ga s ， Barc e l o n a S p a i n，2 0 0 7 ． 0 2，PS 2 5 ． T a r i q S h u k r i ． L NG t e c h n o lo g y s e l e c t i o n [ J ] ． H y d r o c a r b o n En g i n e e r i n g， 2 0 0 4 9 7 1 - 7 6 Re n e V e r b u r g ，S a n d e r K a a r t ，B e r t B e n c k h u ij s e n ． S a k h a li n e n e r g y ’s i n i t i a l o p e r a t i n g e x p e ri e n c e fr o m s i mu l a t i o n t o Re a l i t y Ma k i n g t h e D MR p r o c e s s wo r k [ C ] ／ ／ T h e 1 6 t h l n t e ma t i o n a l C o n f e r e n c e E x h ib i t i o n o n L i q u e fi e dNa t u r a l Gas ，Or a nAl g e r i a ， 2 01 0 ． Hy d r o c ar b o n s I n d u s t r y p r o j e c t s， [ E B ／ OL ] h t t p ／ ／ w w w． h y dro c arb o n s t e c hno l o g y ． c o m／p r o j e c t s ／ ． S h o h v i t L NG E x p o T e r mi n a l， M e l k o y a I s l a n d ， No r wa y ， H y d r o c a r b o n s T e c h n o l o g y [ E B ／ O L ] ．h t t p ／ ／ ww w ． h y d r o c a r b o n s t e c h n o l o g y ． c o m ／ p r o j e c t s ／ s n o h v i t I n g／ Co n o c o p h i l l i p s L NG T e c h n o l o g y Li c e n s i n g，LNG T e c h n o l o g y， L NG L i c e n s e d P r o j e c t s [ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ ln g l i c e n s i n g ．c o n o c o p h i l l ip s ． c o m ／ E N ／ ln g p r o j e c t s ／pa g e s ／ i n d e x ．a s p x ． C a s G r o o t h u i s ． C h ang mg t h e L N G g a me [ C ] ／ ／ Th e 1 3 t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e an d E x h i b i t io n o n L i q u e fi e d Na t u r a l Ga s ，2 0 0 1 ． Di o c e e T S，Htint e r P， E a t o n A， e t a 1 ． At l ant i c LNG t r a i n 4“ T h e w o r l d ’ s l ar g e s t L NG t r a in ” [ C ] ／ ／ T h e 1 4 th I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e and E x h i b i t io n o n Liq u e fi e dNa t u r a l Ga s ，2 0 0 4 7 5 8 7 Pe l a g o t t i An t o n i o， T o c i E mi l i a n o， Ni b b e lk e Ro b， e t a 1 ．P l u t o L NG - L N G o p t i mi z a t i o n u s in g e x i s t in g p l a n t e x p e r i e n c e [ C ] ／ ／ T h e 1 6 t h I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e Ex h i b i t i o n o n Liq u e fi e d Na t u r a l Ga s ， Or an Alg e r i a ，2 0 1 0 ． M e h e r - Ho i Cy ms B ， Y a t e s Do u g ， We y e rm an n Ha n s P Ae r o d e r i v a t i v e g a s tu r b in e d r i v e r s for t h e c o n o c o p h i l li p s c a s c a d e s ML N G Wo r l d ’s fi r s t a p p l i c a t io n a n d f u t u r e p o t e n t i a l [ C ] ／ ／ T h e 1 5 t h I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e E x h i b i t i o n o n L i q u e fi e d Na t u r a l Ga s ， Ba r c e l o n a S p a i n，2 0 0 7． Air P r o d u c t s E n e r g yL i q u e fi e d Na t u r a l Ga s L N G [ E B ／ o L 】 h t t p ／ ／ www．a i r p r o d u c t s ． c o m／ LNG／ E x p e r i e n c e ／ Ba s e l o a d Pl a n t s ．h t m S o l o mo n J a m e s ，L i u Y u n an A P公司和液化天然气[ c ] ／ ／ 第二 中国 液化天然气论坛，上海，2 0 0 9 ． G T I ． Wo r ld L N G S o u r c e B o o k 2 0 0 1 [ M] ． Ga s T e c h n o lo g y I n s t i t u t e ， 2 0 0 1 ． I G U． Wo r l d L N G R e p o rt - 2 0 1 4 E d it io n [ R ] ． 2 0 1 4 ，5 3 5 4 ． S a nd e r Ka a r t ， W iv e k a E l i o n Bare n d P e k， Ro b Kl e i n Na g e l v o o r t ． A No v e l d e s ig n f o r 1 0 1 2 MT P A L NG t r a in s [ C ] ／ ／ T h e 1 5 t h I n t e rna t i o n a l Co n f e r e n c e E x h i b i t i o n o n L i q u e fi e d Na t u r a l Ga s ， Barc e l o n a S p a i n ， 2 0 0 7 ． K l a u s L e i s c hne r ，T e c h n o lo g y a p p l i c a t i o n s [ C ] ／ ／ S HE L L C NP C Ma s t e r C l a s s F o r u m o n D e e p w a t e r F L N G， B e U i n g C NP C B u i l d i n g ， 2 0 l 3 ． B are n d P e k S h e l l ’ s F L N G j o u me y [ C ] ／ ／ S H E L L C N P C Ma s t e r C l a s s F o r u m o n De e p w a t e r F L NG，B e O i n g C N P C B u i l d i n g ，2 0 1 3 ． Wo r l e y P ars o n s r e s o u r c e s e n e r g y ，L NG e x p o p r o j e c t s [ J ] ． L N G J o u r n a l ， 2 0 1 4 3 6 1 ． p 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m