CN102093921A - 一种海上天然气液化方法及液化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上天然气液化方法及液化装置，其包括以下步骤：1)将从海底采出的天然气经过预处理后输入到换热冷箱：2)二氧化碳预冷循环系统中预置的二氧化碳气体不断经降压降温后，进入换热冷箱；3)双氮气膨胀制冷循环系统中预置的氮气压缩为高压氮气后进入换热冷箱，被二氧化碳预冷后，一股直接经膨胀机降压降温；另一股继续预冷后经过膨胀机降压降温；两股低压氮气返流回换热冷箱，换热升温后再经过升压降温返回至换热冷箱；4)预处理后的天然气被换热冷箱中的二氧化碳气体预冷后，进入重烃分离单元，天然气被返流的氮气逐步冷却，利用气液分离器和精馏塔实现重烃的脱除后，先冷却再经节流阀节流降温，气液混合物进入缓冲罐，液相进入储罐储存，气相从缓冲灌顶排出收集。

Description

一种海上天然气液化方法及液化装置

技术领域

本发明涉及一种液化天然气(LNG，Liquefied Natural Gas)的生产方法及生产装置，特别是关于一种海上天然气液化方法及液化装置。

背景技术

我国近海天然气资源丰富，总地质资源量约为5.9万亿立方米，但是，这些天然气资源分散，分布于珠江口盆地、莺歌海盆地、琼东南盆地、东海陆架盆地和渤海湾盆地，且其中相当一部分为深海气田、边际小气田和低品味天然气资源。对于这些气源，若采用传统的海洋固定平台或者海底管道等方式，多数气田则会因成本或技术限制而无法投入开采。

如果采用LNG-FPSO(Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage& Offloading，液化天然气浮式生产储卸装置)，可以根据海上天然气田的生产状况灵活配置，在船上液化天然气，再运至目的地，具有便于迁移、可重复使用、生产效率高等优点，这对促进我国海域尤其是深海气田、小型气田开发，充分利用油气资源具有重要意义。作为LNG-FPSO的核心之一，液化装置的设计将对工程的基建成本、运行费用、运行可靠性及安全性产生很大的影响，但是目前尚未出现应用于LNG-FPSO的液化装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于LNG-FPSO的海上天然气液化方法及液化装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海上天然气液化方法，其包括以下步骤：1)将从海底采出的天然气经过预处理后输入到换热冷箱：2)二氧化碳预冷循环系统中预置的二氧化碳气体经压缩机增压至6MPa后，通过水冷器冷却到20℃，直至全部液化，液态二氧化碳再经过节流阀降压至0.6MPa，降温至-52℃，变为气液两相，用来预冷换热冷箱中输入的天然气和高压氮气；3)双氮气膨胀制冷循环系统中预置的氮气压缩至8MPa后，变为高压氮气输入换热冷箱，高压氮气被二氧化碳预冷至-50℃后，经分流器分为两股，一股直接经氮气膨胀机膨胀，压力降为2MPa，温度降为-115℃；另一股通过返流回换热冷箱中的低压氮气继续预冷至-85℃，然后经过氮气膨胀机膨胀，压力降为1.4MPa，温度降为-156℃；经过膨胀后的上述两股低压氮气返流回换热冷箱，用来冷却高压氮气和天然气，并使天然气液化、过冷；换热升温后的两股氮气经过膨胀机增压器和多个氮气压缩机，多级压缩至8MPa并由水冷器冷却后，返回至换热冷箱，继续被二氧化碳预冷；4)预处理后的天然气被换热冷箱中的二氧化碳气体预冷到-50℃后，进入重烃分离单元，在重烃分离单元中，天然气被返流的氮气逐步冷却，并利用气液分离器和精馏塔实现重烃的脱除，脱除重烃后的天然气先被冷却至-151℃使之全部液化并过冷，再经节流阀节流降温至-159℃，其中约7％的液体气化，气液混合物进入LNG缓冲罐，液相进入LNG储罐储存，气相从缓冲灌顶排出收集。

一种实现上述海上天然气液化方法的液化装置，其特征在于：它包括一号换热冷箱、二号换热冷箱、三号换热冷箱和四号换热冷箱，一套二氧化碳预冷循环系统，一套双氮气膨胀制冷循环系统和一套天然气脱重烃及液化系统；所述二氧化碳预冷循环系统包括依次连接所述一号换热冷箱的二氧化碳压缩机、水冷器和二氧化碳节流阀，所述二氧化碳节流阀的输出端连接所述一号换热冷箱；所述双氮气膨胀制冷循环系统包括与所述一号换热冷箱连接的氮分流器，所述氮分流器输出端分为两条管路：一条管路直接连接氮气膨胀机，所述氮气膨胀机连接一膨胀机增压器，所述氮气膨胀机的输出端依次连接所述三号换热冷箱、二号换热冷箱和一号换热冷箱；另一条管路依次串联连接所述二号换热冷箱、三号换热冷箱和另一氮气膨胀机，该所述氮气膨胀机也连接一膨胀机增压器，该所述氮气膨胀机的输出端依次连接所述四号换热冷箱、三号换热冷箱、二号换热冷箱和一号换热冷箱；两所述膨胀机增压器的输入端均连接所述一号换热冷箱，输出端均依次串联连接水冷器、氮气压缩机、水冷器、混合器，最后连接所述一号换热冷箱；所述天然气脱重烃及液化系统包括与所述一号换热冷箱连接的一级分离器，所述一级分离器的输出端分为两条管路，一条管路直接连接精馏塔中部，另一条依次通过所述二号换热冷箱、二级分离器连接所述精馏塔顶部；所述精馏塔的顶部和所述二级分离器通过一混合器依次连接所述三号换热冷箱、四号换热冷箱、天然气节流阀和LNG缓冲罐，所述LNG缓冲罐的输出端连接LNG储罐；所述精馏塔的底部依次串联连接节流阀、水冷器和LPG缓冲罐，所述LPG缓冲罐的输出端连接LPG储罐。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用二氧化碳进行预冷，采用双氮膨胀制冷用于深冷和液化天然气，重烃分离单元充分利用了液化过程中的冷量实现重烃分离，减少了预处理单元的负荷；海水直流冷却提高了装置的运行效率、处理能力及海上适应性，较好地适用于海洋环境的LNG生产。2、本发明设置的冷却器均采用海水冷却循环，因此，具有取水温度低、资源丰富等优点，降低了压缩机的耗能。3、本发明中采用的两种制冷剂：氮气和二氧化碳，均属于非易燃气体，而且价格便宜，有利于降低生产成本，增加装置的安全性，其中，氮气可以通过氮气发生器制取，不需要储存，各系统之间的安全距离可以适当缩短，减少占地面积。4、本发明在制冷循环过程中，氮气始终处于气相，几乎不受船体运动的影响，预冷中循环二氧化碳虽然存在气液两相，但是作为纯组分，其气液分离过程受到船体晃动的影响比较小。5、本发明由于装置阀件少、设备少，而且为单一制冷剂，减少了很多辅助设备的启动时间，不需要制冷剂配比等操作，控制简单而且开车、停车迅速。6、本发明由于采用了二氧化碳作为预冷循环制冷剂，可以有效地利用二氧化碳汽化潜热，降低流程的能耗，较好地解决了现有液化技术海上适用性较差，及常规氮膨胀液化装置处理能力小、效率低等缺陷。本发明对天然气的组成、温度、压力等条件不敏感，比功耗、液化率等技术指标均符合要求，且整个装置可以进行模块化设置，设备紧凑、便于安装，可广泛用于海上天然气的开采液化过程中。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明换热冷箱模块示意图

图3是本发明重烃分离模块示意图

图4是本发明流体动力模块示意图

图5是本发明产品储存模块示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明装置包括依次连接的四个换热冷箱10、20、30、40，一套二氧化碳预冷循环系统50、一套双氮气膨胀制冷循环系统60、一套天然气脱重烃及液化系统70及若干条液化管路。

如图1所示，二氧化碳预冷循环系统50包括连接换热冷箱10的二氧化碳压缩机501，二氧化碳压缩机501的输出端依次连接水冷器502、二氧化碳压缩机503、水冷器504和二氧化碳节流阀505，二氧化碳节流阀505的输出端连接换热冷箱10。

二氧化碳预冷循环系统50利用二氧化碳节流产生冷量，进入换热冷箱10实现预冷作用。二氧化碳预冷循环系统50的工作流程为：二氧化碳预冷循环系统50中预置的二氧化碳气体依次经过二氧化碳压缩机501和二氧化碳压缩机503的两级压缩至6MPa，每一级压缩后对应通过水冷器502和水冷器504冷却到20℃，此时，二氧化碳全部液化，液态二氧化碳经过二氧化碳节流阀505降压至0.6MPa，温度降至-52℃，此时二氧化碳为气液两相，进入换热冷箱10用来预冷进入换热冷箱10中的天然气和换热冷箱10中的氮气制冷剂，当换热升温后，继续进行上述循环流程。

双氮气膨胀制冷循环系统60包括与换热冷箱10连接的氮分流器601，氮分流器601输出端分为两条管路，一条管路直接连接氮气膨胀机602，氮气膨胀机602连接膨胀机增压器603，氮气膨胀机602的输出端依次连接换热冷箱30、换热冷箱20和换热冷箱10；膨胀机增压器603的输入端连接换热冷箱10，输出端依次串联连接水冷器604、氮气压缩机605、水冷器606、氮气压缩机607、水冷器608，最后通过混合器609连接换热冷箱10。氮分流器601输出端的另一条管路依次串联连接换热冷箱20、换热冷箱30和氮气膨胀机610，氮气膨胀机610连接膨胀机增压器611，氮气膨胀机610的输出端依次连接换热冷箱40、换热冷箱30、换热冷箱20和换热冷箱10；膨胀机增压器611的输入端连接换热冷箱10，输出端依次串联连接水冷器612、氮气压缩机613、水冷器614、氮气压缩机615、水冷器616，最后通过混合器609连接换热冷箱10。

双氮气膨胀制冷循环系统60的工作流程为：

双氮气膨胀制冷循环系统60中预置的氮气，经压缩至8MPa，变为高压氮气，高压氮气进入换热冷箱10，通过二氧化碳预冷循环系统50中的二氧化碳预冷至-50℃后，经过氮分流器601分为两股：

经氮分流器601分出的一股氮气直接经氮气膨胀机602膨胀，并向膨胀机增压器603输出机械功，压力降为2MPa，温度降为-115℃，然后依次进入换热冷箱30、换热冷箱20，返回到换热冷箱10，在此过程中，用来冷却经过换热冷箱30、换热冷箱20和换热冷箱10中的天然气和高压氮气。换热冷箱10中换热升温后的该股氮气进入膨胀机增压器603初级压缩后，通过水冷器604冷却到20℃，然后依次通过氮气压缩机605和氮气压缩机607压缩至8MPa，每级压缩后对应通过水冷器606和水冷器608冷却到20℃，最后通过混合器609返回换热冷箱10。

经氮分流器601的另一股氮气进入换热冷箱20被返流的低压氮气继续预冷至-65℃，然后进入换热冷箱30被返流的低压氮气继续冷却到-85℃，再经过氮气膨胀机610膨胀，并向膨胀机增压器611输出机械功，压力降为1.4MPa，温度降为-156℃，最后依次通过换热冷箱40、换热冷箱30、换热冷箱20，返回到换热冷箱10，在此过程中，可以用来冷却换热冷箱40、换热冷箱30、换热冷箱20和换热冷箱10中经过的天然气和高压氮气。换热冷箱10中，换热升温至17℃后的该股氮气进入膨胀机增压器611初级压缩后，经过水冷器612冷却到20℃，然后依次经过氮气压缩机613和氮气压缩机615压缩至8MPa，每级压缩后对应通过水冷器614和水冷器616冷却到20℃，最后通过混合器609返回至换热冷箱10。

上述通过混合器609返回至换热冷箱10的两股氮气，再次通过二氧化碳预冷循环系统50的二氧化碳预预冷到-50℃后，继续进行上述循环过程。

天然气脱重烃及液化系统70包括与换热冷箱10连接的分离器701，分离器701的输出端分为两条管路，一条管路直接连接精馏塔702中部，另一条依次通过换热冷箱20、分离器703连接精馏塔702顶部和混合器704；

精馏塔702的顶部和分离器703连接混合器704，混合器704的输出端依次连接换热冷箱30、换热冷箱40、天然气节流阀705和LNG缓冲罐706，LNG缓冲罐706的输出端连接LNG储罐707。

精馏塔702的底部依次串联连接节流阀708、水冷器709和LPG(液化石油气，Liquefied Petroleum Gas)缓冲罐710，LPG缓冲罐710的输出端连接LPG储罐711。

天然气脱重烃及液化系统70的工作流程为，由海底采出的天然气首先经过预处理，去除其中的泥沙、水、酸性气体、汞、苯等杂质后，进入换热冷箱10，天然气经二氧化碳预冷循环系统50中的二氧化碳预冷到-50℃后，进入分离器701进行一级分离，分离出的液相直接进入精馏塔702，做为精馏塔702的中部进料，分离出的气相进入换热冷箱20通过返流的氮气冷却到-65℃后，进入分离器703进行二级分离。

分离器703分离出的液相进入精馏塔702，做为精馏塔702的顶部进料；将分离器703分离出的气相与精馏塔702的顶部产品经混合器704混合后依次进入换热冷箱30和换热冷箱40，通过返流的氮气冷却至-151℃，使之全部液化并过冷，再经天然气节流阀705节流降温至-159℃，其中约7％的液体气化，气液混合物进入LNG缓冲罐706，经LNG缓冲罐706分离出的液相进入LNG储罐707储存，分离出的气相从灌顶排出后，可作为天然气冷却法脱水的冷源，复热后可作为预处理系统中吸收塔的再生气，最后进入燃料气管网作为燃料或发电使用。

精馏塔702的底部产品经节流阀708降压至1.0MPa，然后经水冷器709换热至35℃进入LPG缓冲罐710，经过LPG缓冲罐710分离出的气体可作为燃料使用，分离出的液相进入LPG储罐711，LPG储罐711中的LPG产品含有较多的C₅以上组分，需经陆上设施进一步处理才能作为合格的产品。

结合图1所示天然气的液化流程，本发明装置可以划分为四个模块，分别是换热冷箱模块、重烃分离模块、流体动力模块和产品储存模块。

如图2所示，换热冷箱模块中，将上述四个换热冷箱10、20、30、40封装在一个保温装置里面，该保温装置连接二氧化碳节流阀505、天然气节流阀705和氮分流器601。

其中，与换热冷箱10连接的管路801～802，与换热冷箱20连接的管路803～804，与换热冷箱30和换热冷箱40连接的管路805～806分别为天然气作为热源在换热冷箱中的液化过程，其中，天然气节流阀705设置在管路806上。

与换热冷箱10连接的管路807～808为二氧化碳制冷剂节流后作为冷源在换热冷箱10中预冷天然气和氮气制冷剂的过程，节流阀505设置在管路807上。

与换热冷箱10、20、30连接的管路809～810为压缩后的氮气制冷剂作为热源在换热冷箱中被预冷的过程，其上设置有氮分流器601；与换热冷箱10、20、30、40连接的管路811～812和换热冷箱10、20、30连接的管路813～814为膨胀后的氮气制冷剂作为冷源冷却天然气和高压氮气制冷剂的过程。

如图3所示，重烃分离模块包括两个分离器701、703，一个混合器704和一个精馏塔702。其中，连接分离器701的管路802是经换热冷箱10预冷后的天然气，连接分离器701气相输出端的管路803另一端连接换热冷箱模块的换热冷箱20，连接分离器701液相输出端的管路另一端连接精馏塔702。连接分离器703的管路804是来自换热冷箱模块经换热冷箱20冷却后的天然气，连接分离器703气相输出端的管路805另一端连接换热冷箱模块的换热冷箱30，连接分离器703液相输出端的管路另一端连接精馏塔702。精馏塔702底部的管路815连接产品储存模块的水冷器708。

如图4所示，流体动力模块包括两个氮气膨胀机602、610，两个二氧化碳压缩机501、503，四个氮气压缩机605、607、613、615，两个膨胀机增压器603、611，八个水冷器502、504、604、606、608、612、614、616。

连接氮气膨胀机602的管路816～813，以及连接氮气膨胀机610的管路810～811为氮气膨胀过程。连接膨胀机增压器603、氮气压缩机605、607的管路814～817，以及连接膨胀机增压器611、氮气压缩机613、615的管路812～818为氮气压缩过程。连接二氧化碳压缩机501、503的管路808～807为二氧化碳压缩过程。

如图5所示，产品储存模块包括LNG缓冲罐706，LNG储罐707，LPG缓冲罐710，LPG储罐711，水冷器709。与LNG缓冲罐706连接的管路806另一端连接换热冷箱模块的天然气节流阀705，与LNG缓冲罐706连接的管路819为液化天然气(LNG)闪蒸汽；通过水冷器709与LPG缓冲罐710连接的管路815另一端连接重烃分离模块的节流阀708，连接LPG缓冲罐710的管路820为液化石油气(LPG)闪蒸汽。

上述实施例中，所有水冷器所用的冷却水均是海水。

本发明的液化方法包括以下步骤：

1)将从海底采出的天然气经过预处理后输入到换热冷箱：

2)二氧化碳预冷循环系统中预置的二氧化碳气体经压缩机增压至6MPa后，通过水冷器冷却到20℃，直至全部液化，液态二氧化碳再经过节流阀降压至0.6MPa，降温至-52℃，变为气液两相，用来预冷换热冷箱中输入的天然气和高压氮气；

3)双氮气膨胀制冷循环系统中预置的氮气压缩至8MPa后，变为高压氮气输入换热冷箱，高压氮气被二氧化碳预冷至-50℃后，经分流器分为两股，一股直接经氮气膨胀机膨胀，压力降为2MPa，温度降为-115℃；另一股通过返流回换热冷箱中的低压氮气继续预冷至-85℃，然后经过氮气膨胀机膨胀，压力降为1.4MPa，温度降为-156℃；经过膨胀后的上述两股低压氮气返流回换热冷箱，用来冷却高压氮气和天然气，并使天然气液化、过冷；换热升温后的两股氮气经过膨胀机增压器和多个氮气压缩机，多级压缩至8MPa并由水冷器冷却后，返回至换热冷箱，继续被二氧化碳预冷；

4)预处理后的天然气被换热冷箱中的二氧化碳气体预冷到-50℃后，进入重烃分离单元，在重烃分离单元中，天然气被返流的氮气逐步冷却，并利用两个气液分离器和一个精馏塔实现重烃的脱除，脱除重烃后的天然气先被冷却至-151℃使之全部液化并过冷，再经节流阀节流降温至-159℃，其中约7％的液体气化，气液混合物进入LNG缓冲罐，液相进入LNG储罐储存，气相从缓冲灌顶排出收集。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式、设置数量等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种海上天然气液化方法，其包括以下步骤：

1)将从海底采出的天然气经过预处理后输入到换热冷箱：

2)二氧化碳预冷循环系统中预置的二氧化碳气体经压缩机增压至6MPa后，通过水冷器冷却到20℃，直至全部液化，液态二氧化碳再经过节流阀降压至0.6MPa，降温至-52℃，变为气液两相，用来预冷换热冷箱中输入的天然气和高压氮气；

3)双氮气膨胀制冷循环系统中预置的氮气压缩至8MPa后，变为高压氮气输入换热冷箱，高压氮气被二氧化碳预冷至-50℃后，经分流器分为两股，一股直接经氮气膨胀机膨胀，压力降为2MPa，温度降为-115℃；另一股通过返流回换热冷箱中的低压氮气继续预冷至-85℃，然后经过氮气膨胀机膨胀，压力降为1.4MPa，温度降为-156℃；经过膨胀后的上述两股低压氮气返流回换热冷箱，用来冷却高压氮气和天然气，并使天然气液化、过冷；换热升温后的两股氮气经过膨胀机增压器和多个氮气压缩机，多级压缩至8MPa并由水冷器冷却后，返回至换热冷箱，继续被二氧化碳预冷；

4)预处理后的天然气被换热冷箱中的二氧化碳气体预冷到-50℃后，进入重烃分离单元，在重烃分离单元中，天然气被返流的氮气逐步冷却，并利用气液分离器和精馏塔实现重烃的脱除，脱除重烃后的天然气先被冷却至-151℃使之全部液化并过冷，再经节流阀节流降温至-159℃，其中约7％的液体气化，气液混合物进入LNG缓冲罐，液相进入LNG储罐储存，气相从缓冲灌顶排出收集。

2.一种实现如权利要求1所述海上天然气液化方法的液化装置，其特征在于：它包括一号换热冷箱、二号换热冷箱、三号换热冷箱和四号换热冷箱，一套二氧化碳预冷循环系统，一套双氮气膨胀制冷循环系统和一套天然气脱重烃及液化系统；

所述二氧化碳预冷循环系统包括依次连接所述一号换热冷箱的二氧化碳压缩机、水冷器和二氧化碳节流阀，所述二氧化碳节流阀的输出端连接所述一号换热冷箱；

所述双氮气膨胀制冷循环系统包括与所述一号换热冷箱连接的氮分流器，所述氮分流器输出端分为两条管路：

一条管路直接连接氮气膨胀机，所述氮气膨胀机连接一膨胀机增压器，所述氮气膨胀机的输出端依次连接所述三号换热冷箱、二号换热冷箱和一号换热冷箱；

另一条管路依次串联连接所述二号换热冷箱、三号换热冷箱和另一氮气膨胀机，该所述氮气膨胀机也连接一膨胀机增压器，该所述氮气膨胀机的输出端依次连接所述四号换热冷箱、三号换热冷箱、二号换热冷箱和一号换热冷箱；

两所述膨胀机增压器的输入端均连接所述一号换热冷箱，输出端均依次串联连接水冷器、氮气压缩机、水冷器、混合器，最后连接所述一号换热冷箱；

所述天然气脱重烃及液化系统包括与所述一号换热冷箱连接的一级分离器，所述一级分离器的输出端分为两条管路，一条管路直接连接精馏塔中部，另一条依次通过所述二号换热冷箱、二级分离器连接所述精馏塔顶部；

所述精馏塔的顶部和所述二级分离器通过一混合器依次连接所述三号换热冷箱、四号换热冷箱、天然气节流阀和LNG缓冲罐，所述LNG缓冲罐的输出端连接LNG储罐；

所述精馏塔的底部依次串联连接节流阀、水冷器和LPG缓冲罐，所述LPG缓冲罐的输出端连接LPG储罐。

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