CN106441964A - 一种浮式天然气液化系统的试验平台 - Google Patents

一种浮式天然气液化系统的试验平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种浮式天然气液化系统的试验平台，包括：深冷压缩模块，所述深冷压缩模块依次与预冷换热模块、深冷换热模块连接构成循环；预冷压缩模块，所述预冷压缩模块与所述预冷换热模块连接构成循环；LNG汽化压缩模块，所述LNG汽化压缩模块依次与所述预冷换热模块、深冷换热模块连接构成循环；所述预冷换热模块和深冷换热模块设置在晃动单元上。能够用来测试天然气液化系统中板翅式换热器、绕管式换热器、节流阀、气液分离器等核心设备在海洋环境的运行性能，以及天然气液化系统的适应性。

Description

一种浮式天然气液化系统的试验平台
技术领域
本发明涉及试验平台技术领域，尤其涉及一种浮式天然气液化系统的试验平台。
背景技术
海洋下蕴藏着丰富的天然气资源，据国际石油天然气权威机构预计，海洋天然气储量占世界天然气总储量的50％-55％左右，2004年世界海洋天然气产量超过10000亿立方米，占全球天然气产量的28％，预计到2015年海洋天然气产量在全球天然气产量中所占比例将提高到34％，达到13000亿立方米。随着能源的日益短缺以及需求量的不断增加，海洋天然气资源的开发正逐步成为各国重要的能源发展战略。国家国土资源部2008年2月底宣布，通过五年的地质资源勘探调查，中国沿海共储藏有210多亿吨天然气。然而，我国海上天然气资源分散，广泛分布于东海和南海，且其中相当一部分为深海气田、边远小气田和油田伴生气资源。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。FLNG是近年来海洋工程界提出的，集海上天然气的液化、储存、装卸和外运为一体的新型FPSO装置，具有便于迁移及安全性高等特点，对促进我国东海、南海海域的边际气田、油田伴生气，充分利用油气资源具有重要意义。
FLNG的液化生产装置被放置于FPSO上，会随着FPSO一起随波浪晃动，而装置的晃动对正常生产造成的影响主要反映在两个方面：一是对液化工艺的影响，主要反映在对冷箱换热过程及气液两相平衡分离过程的影响；另一方面是对设备，包括各种运动设备和容器，主要反映在影响运动设备的工作性能及容器内气液分配等。陆上现有的天然气液化装置一般不能直接用在海上生产环境，虽然压缩机、缓冲罐等动设备在FPSO上已有应用，但是天然气液化装置的核心设备LNG主换热器、节流阀等对于海上环境的适应性尚无验证，特别是绕管式换热器在FLNG中的应用国内外鲜有相关报道，因此，需要研究一种测试浮式天然气液化系统的试验平台。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种浮式天然气液化系统的试验平台，能够用来测试天然气液化系统中板翅式换热器、绕管式换热器、节流阀、气液分离器等核心设备在海洋环境的运行性能，以及天然气液化系统的适应性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种浮式天然气液化系统的试验平台，包括：
深冷压缩模块，所述深冷压缩模块依次与预冷换热模块、深冷换热模块连接构成深冷混合冷剂循环；
预冷压缩模块，所述预冷压缩模块与所述预冷换热模块连接构成预冷混合冷剂循环；
LNG汽化压缩模块，所述LNG汽化压缩模块依次与所述预冷换热模块、深冷换热模块连接构成天然气循环；
所述预冷换热模块和深冷换热模块设置在晃动单元上。
所述晃动单元为六自由度摇摆平台。
所述预冷换热模块为板翅式换热器，包括第一换热冷箱和第二换热冷箱，所述第一换热冷箱的输出连接第一预冷混合冷剂节流阀后接入所述第一换热冷箱，同时第二换热冷箱的输出也接入所述第一换热冷箱；所述第二换热冷箱的输出连接第二预冷混合冷剂节流阀后接入所述第二换热冷箱。
所述第一换热冷箱的输出连接第一预冷混合冷剂节流阀后还连接预冷混合冷剂缓冲罐，第二换热冷箱的输出也接入所述预冷混合冷剂缓冲罐，预冷混合冷剂缓冲罐的输出通过连接第一预冷混合冷剂混合器后接入所述第一换热冷箱；
所述第二换热冷箱的输出连接第二预冷混合冷剂节流阀后还连接预冷冷剂缓冲罐，预冷冷剂缓冲罐连接第二预冷混合冷剂混合器后接入所述第二换热冷箱。
所述深冷换热模块为绕管式换热器，包括第三换热冷箱和第四换热冷箱，所述第二换热冷箱的输出连接深冷混合冷剂分离器后接入所述第三换热冷箱；
所述第三换热冷箱的输出连接第一深冷混合冷剂节流阀后连接深冷混合冷剂混合器后接入第三换热冷箱，所述第四换热冷箱的输出也接入所述深冷混合冷剂混合器；
所述第四换热冷箱连接第二深冷混合冷剂节流阀后接入所述第四换热冷箱。
所述深冷压缩模块包括深冷混合冷剂空温式汽化器，深冷混合冷剂空温式汽化器的输入端连接所述第三换热冷箱的输出端，深冷混合冷剂空温式汽化器的输出端依次连接深冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐、深冷混合冷剂一级压缩机、第一水冷器及深冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐后接入所述第一换热冷箱，第二换热冷箱的输出再连接深冷混合冷剂分离器后接入所述第三换热冷箱，由此构成深冷混合冷剂循环。
所述深冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐与第一换热冷箱之间还依次连接深冷混合冷剂二级压缩机、第二水冷器及深冷混合冷剂截止阀。
所述预冷压缩模块包括预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐，预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐的输出端依次连接预冷混合冷剂一级压缩机、第三水冷器及预冷混合冷剂二级压缩机出口缓冲罐，预冷混合冷剂二级压缩机出口缓冲罐的输出连接所述第一换热冷箱，第一换热冷箱的输出通过连接预冷混合冷剂截止阀接入所述预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐，由此构成预冷混合冷剂循环。
所述第三水冷器和预冷混合冷剂二级压缩机出口缓冲罐之间还依次连接预冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐、预冷混合冷剂二级压缩机及第四水冷器。
所述LNG汽化压缩模块包括缓冲罐，缓冲罐的输出端依次连接LNG空温式汽化器、LNG入口缓冲罐、原料气压缩机、原料气压缩机出口水冷器及LNG循环压缩机出口缓冲罐后接入所述第一换热冷箱，所述第四换热冷箱的输出还通过连接LNG节流阀和原料气截止阀接入所述缓冲罐，由此构成天然气循环。
本发明的有益效果：
本发明中液化系统具有紧凑、节能、比功耗小等优点，采用双混合冷剂(深冷和预冷)四级冷却设计并利用根据能量消耗最低为目标对流程中深预冷混合冷剂节流后温度、深冷混合冷剂节流后温度、天然气节流前温度等参数进行了比选，提高了工艺的液化能力及效率，本工艺的液化能力可达到液化率96％，比功耗为0.37kWh/Nm3，远优于普通的天然气液化工艺。
采用双混合冷剂液化工艺设计，通过流程运行参数的优化使液化能力和效率大大提高，而且增大了原料气的处理规模，最大可达到500万吨每年。
混合制冷剂组成均为天然气中常规组分，可以在流程中不同节点进行补充，减少了冷剂储存设备的占地面积。其中，水冷器可以利用海水进行冷却循环，减少了冷却水处理设备的占地。该工艺利用冷剂的汽化潜热对原料气进行冷却、液化，提高了换热效率，降低了设备的占地面积，而且液化工艺的模块化设计可以使设备紧凑，便于安装。同时，流程中的换热冷箱均采用绕管式换热器，具有结构紧凑、传热温差小、抗高压、海上适应性强、可实现多种介质同时传热的优点，与双混合制冷剂液化工艺配合，可以降低主换热器的占地面积。
液化单元中包括两个混合冷剂循环，具有比功耗小、节能、海上适应性强的优点。较好的解决现有液化技术海上适用性较差及处理能力小、效率低的缺陷。该流程对天然气的组成、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。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明具体的液化工艺流程图；
图3为预冷换热模块、深冷换热模块和晃动单元的具体机械结构。
其中，I-绕管式换热器，II-板翅式换热器，III-六自由度摇摆平台，
1－第一换热冷箱，2－第二换热冷箱，3－第三换热冷箱，4－第四换热冷箱，5－原料气截止阀，6－缓冲罐，7－LNG空温式汽化器，8－LNG入口缓冲罐，10－深冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐，11－深冷混合冷剂一级压缩机，12－第一水冷器，13－深冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐，14－深冷混合冷剂二级压缩机，15－第二水冷器，16－深冷混合冷剂截止阀，17－深冷混合冷剂分离器，18－第二深冷混合冷剂节流阀，19－第一深冷混合冷剂节流阀，20－深冷混合冷剂混合器，21－深冷混合冷剂空温式汽化器，22－预冷混合冷剂截止阀，23－预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐，24－预冷混合冷剂一级压缩机，25－第三水冷器，26－预冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐，27－预冷混合冷剂二级压缩机，28－第四水冷器，29－预冷混合冷剂分离器，32－第一预冷混合冷剂节流阀，33－第二预冷混合冷剂节流阀，34－预冷冷剂缓冲罐，35－第二预冷混合冷剂混合器，36－预冷混合冷剂缓冲罐，37-第一预冷混合冷剂混合器，38-原料气压缩机，39-原料气压缩机出口水冷器，40-LNG循环压缩机出口缓冲罐，41-LNG节流阀。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种浮式天然气液化系统的试验平台，包括：
深冷压缩模块，所述深冷压缩模块依次与预冷换热模块、深冷换热模块连接构成循环；
预冷压缩模块，所述预冷压缩模块与所述预冷换热模块连接构成循环；
LNG汽化压缩模块，所述LNG汽化压缩模块依次与所述预冷换热模块、深冷换热模块连接构成循环；
所述预冷换热模块和深冷换热模块设置在晃动单元上。所述晃动单元为六自由度摇摆平台III。将液化系统中的预冷换热模块和深冷换热模块安装在六自由度摇摆平台上，利用六自由度摇摆平台模拟FPSO船体的晃动工况，通过试验测试设备的运行性能，评价天然气液化系统的海上适应性。
预冷的组分为：乙烯、丙烷和丁烷；深冷组分为：氮气、甲烷、乙烯和丙烷。
所述预冷换热模块为板翅式换热器II，包括第一换热冷箱1和第二换热冷箱2，所述第一换热冷箱1的输出连接第一预冷混合冷剂节流阀32后接入所述第一换热冷箱1，同时第二换热冷箱2的输出也接入所述第一换热冷箱1；所述第二换热冷箱2的输出连接第二预冷混合冷剂节流阀33后接入所述第二换热冷箱。
如图2所示，所述第一换热冷箱1的输出连接第一预冷混合冷剂节流阀32后还连接预冷混合冷剂缓冲罐36，第二换热冷箱2的输出也接入所述预冷混合冷剂缓冲罐36，预冷混合冷剂缓冲罐36的输出通过连接第一预冷混合冷剂混合器37后接入所述第一换热冷箱1；
如图2所示，所述第二换热冷箱2的输出连接第二预冷混合冷剂节流阀33后还连接预冷冷剂缓冲罐34，预冷冷剂缓冲罐34连接第二预冷混合冷剂混合器35后接入所述第二换热冷箱2。
如图1和图3所示，所述深冷换热模块为绕管式换热器I，包括第三换热冷箱3和第四换热冷箱4，所述第二换热冷箱2的输出连接深冷混合冷剂分离器17后接入所述第三换热冷箱3；
如图2所示，所述第三换热冷箱3的输出连接第一深冷混合冷剂节流阀19后连接深冷混合冷剂混合器20后接入第三换热冷箱3，所述第四换热冷箱4的输出也接入所述深冷混合冷剂混合器20；
所述第四换热冷箱4连接第二深冷混合冷剂节流阀18后接入所述第四换热冷箱4。
如图3所示，绕管式换热器I、板翅式换热器II、深冷混合冷剂分离器17、第二深冷混合冷剂节流阀18、第一深冷混合冷剂节流阀19都设置在六自由度摇摆平台III上。
如图1所示，所述深冷压缩模块包括深冷混合冷剂空温式汽化器21，深冷混合冷剂空温式汽化器21的输入端连接所述第三换热冷箱3的输出端，深冷混合冷剂空温式汽化器21的输出端依次连接深冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐10、深冷混合冷剂一级压缩机11、第一水冷器12及深冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐13后接入所述第一换热冷箱1，第二换热冷箱2的输出再连接深冷混合冷剂分离器17后接入所述第三换热冷箱3，由此构成深冷混合冷剂循环。深冷混合冷剂空温式汽化器21与深冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐10之间也可以连接有深冷混合冷剂截止阀。
如图2所示，所述深冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐13与第一换热冷箱1之间还依次连接深冷混合冷剂二级压缩机14、第二水冷器15及深冷混合冷剂截止阀16。
如图1所示，所述预冷压缩模块包括预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐23，预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐23的输出端依次连接预冷混合冷剂一级压缩机24、第三水冷器25及预冷混合冷剂分离器29，预冷混合冷剂分离器29的输出连接所述第一换热冷箱1，预冷混合冷剂分离器29与第一换热冷箱1之间分为两条支路，每条支路上都可以连接预冷混合冷剂截止阀(如图2所示)，第一换热冷箱1的输出通过连接预冷混合冷剂截止阀22(图2中)接入所述预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐23，由此构成预冷混合冷剂循环。
如图2所示，所述第三水冷器25和预冷混合冷剂分离器29之间还依次连接预冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐26、预冷混合冷剂二级压缩机27及第四水冷器28。
深冷混合冷剂由深冷混合冷剂一级压缩机11、深冷混合冷剂二级压缩机14压缩至4MPa，每级压缩后都经过第一水冷器12、第二水冷器15冷却到25℃，再经过第一换热冷箱1、第二换热冷箱2分别冷却至-21℃、-50℃，再经过深冷混合冷剂分离器17气液分离。气相深冷混合冷剂经过第三换热冷箱3、第四换热冷箱4后，经第二深冷混合冷剂节流阀18降压至0.3MPa，温度降至-159℃，进入第四换热冷箱4冷却天然气。其中液相冷剂经过第三换热冷箱3后，经第一深冷混合冷剂节流阀19降压至0.28MPa，温度降至-127.7℃，与第四换热冷箱4出口的深冷混合冷剂混合器20后进入第三换热冷箱3冷却天然气和气相深冷混合冷剂，之后经过深冷混合冷剂空温式汽化器21升温后进入下一轮循环。
预冷混合冷剂由预冷混合冷剂一级压缩机24、预冷混合冷剂二级压缩机27压缩至1.5MPa，每级压缩后分别经过第三水冷器25、第四水冷器28冷却至30℃、25℃，再经过预冷混合冷剂分离器29气液分离。气相预冷混合冷剂经过第一换热冷箱1、第二换热冷箱2后，经第二预冷混合冷剂节流阀33降压至0.29MPa，温度降至-56.7℃，进入第二换热冷箱2预冷天然气和深冷混合冷剂。其中液相冷剂经过第一换热冷箱1后，经第一预冷混合冷剂节流阀32降压至0.28MPa，温度降至-34.8℃，与第二换热冷箱2冷流出口的预冷混合冷剂在预冷混合冷剂缓冲罐36中混合后，此时预冷混合冷剂为气液两相，进入第一换热冷箱1预冷天然气、深冷混合冷剂和气相预冷混合冷剂，之后进入下一轮循环。
如图1所示，所述LNG汽化压缩模块包括缓冲罐6，缓冲罐6的输出端依次连接LNG空温式汽化器7、LNG入口缓冲罐8、原料气压缩机38、原料气压缩机出口水冷器39及LNG循环压缩机出口缓冲罐40后接入所述第一换热冷箱1，所述第四换热冷箱4的输出还通过连接LNG节流阀41和原料气截止阀5(图2中)接入所述缓冲罐6，由此构成天然气循环。
预处理后的天然气进入第一换热冷箱1、第二换热冷箱2、第三换热冷箱3、第四换热冷箱4分别被冷却至-21℃、-50℃、-110℃、-153℃使之全部液化并过冷，随后进入LNG节流阀41降温至-160℃，其中约4％的液体汽化，气液混合物进入缓冲罐6，继续进入LNG空温式汽化器7重新汽化为常温天然气，进入LNG入口缓冲罐8，再进入原料气压缩机38后，压力增加为4MPa，进入换热器后继续进行下一轮循环。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，包括：
深冷压缩模块，所述深冷压缩模块依次与预冷换热模块、深冷换热模块连接构成深冷混合冷剂循环；
预冷压缩模块，所述预冷压缩模块与所述预冷换热模块连接构成预冷混合冷剂循环；
LNG汽化压缩模块，所述LNG汽化压缩模块依次与所述预冷换热模块、深冷换热模块连接构成天然气循环；
所述预冷换热模块和深冷换热模块设置在晃动单元上。
2.如权利要求1所述一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，所述晃动单元为六自由度摇摆平台。
3.如权利要求1所述一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，所述预冷换热模块为板翅式换热器，包括第一换热冷箱和第二换热冷箱，所述第一换热冷箱的输出连接第一预冷混合冷剂节流阀后接入所述第一换热冷箱，同时第二换热冷箱的输出也接入所述第一换热冷箱；所述第二换热冷箱的输出连接第二预冷混合冷剂节流阀后接入所述第二换热冷箱。
4.如权利要求3所述一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，所述第一换热冷箱的输出连接第一预冷混合冷剂节流阀后还连接预冷混合冷剂缓冲罐，第二换热冷箱的输出也接入所述预冷混合冷剂缓冲罐，预冷混合冷剂缓冲罐的输出通过连接第一预冷混合冷剂混合器后接入所述第一换热冷箱；
所述第二换热冷箱的输出连接第二预冷混合冷剂节流阀后还连接预冷冷剂缓冲罐，预冷冷剂缓冲罐连接第二预冷混合冷剂混合器后接入所述第二换热冷箱。
5.如权利要求3所述一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，所述深冷换热模块为绕管式换热器，包括第三换热冷箱和第四换热冷箱，所述第二换热冷箱的输出连接深冷混合冷剂分离器后接入所述第三换热冷箱；
所述第三换热冷箱的输出连接第一深冷混合冷剂节流阀后连接深冷混合冷剂混合器后接入第三换热冷箱，所述第四换热冷箱的输出也接入所述深冷混合冷剂混合器；
所述第四换热冷箱连接第二深冷混合冷剂节流阀后接入所述第四换热冷箱。
6.如权利要求5所述一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，所述深冷压缩模块包括深冷混合冷剂空温式汽化器，深冷混合冷剂空温式汽化器的输入端连接所述第三换热冷箱的输出端，深冷混合冷剂空温式汽化器的输出端依次连接深冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐、深冷混合冷剂一级压缩机、第一水冷器及深冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐后接入所述第一换热冷箱，第二换热冷箱的输出再连接深冷混合冷剂分离器后接入所述第三换热冷箱，由此构成深冷混合冷剂循环。
7.如权利要求6所述一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，所述深冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐与第一换热冷箱之间还依次连接深冷混合冷剂二级压缩机、第二水冷器及深冷混合冷剂截止阀。
8.如权利要求3所述一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，所述预冷压缩模块包括预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐，预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐的输出端依次连接预冷混合冷剂一级压缩机、第三水冷器及预冷混合冷剂二级压缩机出口缓冲罐，预冷混合冷剂二级压缩机出口缓冲罐的输出连接所述第一换热冷箱，第一换热冷箱的输出通过连接预冷混合冷剂截止阀接入所述预冷混合冷剂一级压缩机入口缓冲罐，由此构成预冷混合冷剂循环。
9.如权利要求8所述一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，所述第三水冷器和预冷混合冷剂二级压缩机出口缓冲罐之间还依次连接预冷混合冷剂二级压缩机入口缓冲罐、预冷混合冷剂二级压缩机及第四水冷器。
10.如权利要求5所述一种浮式天然气液化系统的试验平台，其特征是，所述LNG汽化压缩模块包括缓冲罐，缓冲罐的输出端依次连接LNG空温式汽化器、LNG入口缓冲罐、原料气压缩机、原料气压缩机出口水冷器及LNG循环压缩机出口缓冲罐后接入所述第一换热冷箱，所述第四换热冷箱的输出还通过连接LNG节流阀和原料气截止阀接入所述缓冲罐，由此构成天然气循环。
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