LNG是通過將常壓下氣態(tài)的天然氣冷卻至－162℃，使之凝結(jié)成液體。天然氣液化后可以大大節(jié)約儲運(yùn)空間，而且具有熱值大、性能高、有利于城市負(fù)荷的平衡調(diào)節(jié)、有利于環(huán)境保護(hù)，減少城市污染等優(yōu)點。
由于進(jìn)口LNG有助于能源消費(fèi)國實現(xiàn)能源供應(yīng)多元化、保障能源安全，而出口LNG有助于天然氣生產(chǎn)國有效開發(fā)天然氣資源、增加外匯收入、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因而LNG貿(mào)易正成為全球能源市場的新熱點。為保證能源供應(yīng)多元化和改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，一些能源消費(fèi)大國越來越重視LNG的引進(jìn)，日本、韓國、美國、歐洲都在大規(guī)模興建LNG接收站。我國對LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也越來越重視，LNG項目在我國天然氣供應(yīng)和使用中的作用尤為突出，其地位日益提升。LNG儲罐作為一項必要，在壓力容器低溫儲罐中銷售量也名列前茅。
I.天然氣液化流程
液化是LNG生產(chǎn)的核心，目前成熟的天然氣液化流程主要有:級聯(lián)式液化流程、混合制冷劑液化流程、帶膨脹機(jī)的液化流程。
1.1級聯(lián)式液化流程
級聯(lián)式(又稱復(fù)迭式、階式或串級制冷)天然氣液化流程，利用冷劑常壓下沸點不同，逐級降低制冷溫度達(dá)到天然氣液化的目的。常用的冷劑為水、丙烷、乙烯、甲烷。該液化流程由三級獨(dú)立的制冷循環(huán)組成，制冷劑分別為丙烷、乙烯、甲烷。每個制冷循環(huán)中均含有三個換熱器。第一級丙烷制冷循環(huán)為天然氣、乙烯和甲烷提供冷量;第二級乙烯制冷循環(huán)為天然氣和甲烷提供冷量;第三級甲烷制冷循環(huán)為天然氣提供冷量;通過9個換熱器的冷卻，天然氣的溫度逐步降低，直至液化如圖1所示。
1.2混合制冷劑液化流程
混合制冷劑液化流程(Mixed－RefrigerantCycle，MRC)是以C1～C5的碳?xì)湮锛癗2等五種以上的多組分混合制冷劑為工質(zhì)，進(jìn)行逐級的冷凝、蒸發(fā)、膨脹，得到不同溫度水平的制冷量，逐步冷卻和液化天然氣�；旌现评鋭┮夯鞒谭譃樵S多不同型式的制冷循環(huán)。
1.2.1閉式混合制冷劑液化流程
圖2為閉式混合制冷劑液化流程(ClosedMixed RefrigerantCycle)。在閉式液化流程中，制冷劑循環(huán)和天然氣液化過程分開，自成一個獨(dú)立的制冷循環(huán)。
制冷劑循環(huán)中制冷劑常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H10組成。這些組分都可以從天然氣中提取。液化流程中天然氣依次流過四個換熱器后，溫度逐漸降低，大部分天然氣被液化，最后節(jié)流后在常壓下保存，閃蒸分離產(chǎn)生的氣體可直接利用，也可回到天然氣入口在進(jìn)行液化。
1.2.2開式混合制冷劑液化流程
圖3為開式混合制冷劑液化流程(Open Mixed Refrigerant Cycle)。在開式液化流程中，天然氣既是制冷劑又是需要液化的對象。原料天然氣經(jīng)凈化后，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后達(dá)到高溫、高壓，首先用水冷卻，經(jīng)分離器分離掉重?zé)N，得到的液體經(jīng)換熱器1冷卻，并經(jīng)節(jié)流后，與返流氣混合后為換熱器1提供冷量。分離器1分離的氣體經(jīng)換熱器1冷卻后，進(jìn)入氣液分離器2，產(chǎn)生的液體經(jīng)換熱器2冷卻，并經(jīng)節(jié)流后，與返流氣混合為換熱器2提供冷量。分離器2分離的氣體經(jīng)換熱器2冷卻后，進(jìn)入氣液分離器3，產(chǎn)生的液體經(jīng)換熱器3冷卻，并經(jīng)節(jié)流后，與返流氣混合為換熱器3提供冷量。氣液分離器3分離的氣體經(jīng)換熱器3冷卻后，并經(jīng)節(jié)流后，進(jìn)入氣液分離器4，產(chǎn)生的液體進(jìn)入液化天然氣儲罐儲存。
1.2.3丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程
丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程由三部分組成:①混合制冷劑循環(huán)，②丙烷預(yù)冷循環(huán)，③天然氣液化回路。在此液化流程中，丙烷預(yù)冷循環(huán)用于預(yù)冷混合制冷劑和天然氣，和混合制冷劑循環(huán)用于深冷和液化天然氣。圖4為丙烷預(yù)冷循環(huán)和混合制冷劑循環(huán)，在混合制冷劑液化流程中，天然氣首先經(jīng)過丙烷預(yù)冷循環(huán)預(yù)冷，然后流經(jīng)換熱器1～3逐步被冷卻，最后經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)行降壓，從而使液化天然氣在常壓下儲存。
1.2.4雙混合制冷劑循環(huán)流程
雙混合制冷劑循環(huán)流程如圖5所示，包括兩個制冷循環(huán)，都采用的混合制冷劑。系統(tǒng)中主要設(shè)備有預(yù)冷制冷劑壓縮機(jī)和深冷制冷劑壓縮機(jī)，預(yù)冷和深冷換熱器。
雙混合制冷液化流程是以傳統(tǒng)的MRC為基礎(chǔ)的。與丙烷預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán)類似，雙混合制冷劑液化流程的天然氣液化流程包括兩個密閉的制冷劑液化系統(tǒng)。兩者的區(qū)別主要在于前者采用了單組分(丙烷)制冷劑作為預(yù)冷級的冷源;而后者則由高沸點混合制冷劑(C2～C5烴類)為預(yù)冷級換熱器提供冷源。與丙烷預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán)相比，雙混合制冷劑循環(huán)降低了系統(tǒng)功率、提高了系統(tǒng)生產(chǎn)能力，在投資方面比丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程更有競爭力。
上圖為許潤能源正在為客戶制作60立方米的LNG儲罐
1.3帶膨脹機(jī)的液化流程
帶膨脹機(jī)的液化流程是指利用高壓制冷劑通過透平膨脹機(jī)絕熱膨脹的逆克勞德循環(huán)制冷實現(xiàn)天然氣液化的流程。氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時，能夠輸出功，可用于驅(qū)動流程中的壓縮機(jī)。帶膨脹機(jī)的液化流程分為氮?dú)馀蛎浹h(huán)、氮甲烷膨脹循環(huán)和天然氣膨脹循環(huán)。
1.3.1氮?dú)馀蛎浺夯鞒?/strong>
氮?dú)馀蛎浺夯鞒?圖6)較為簡單、緊湊、造價略低、運(yùn)行靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。制冷劑采用單組分氣體，但其能耗要比混合制冷劑液化流程高40%左右，二級氮?dú)馀蛎浺夯鞒淌墙?jīng)典氮膨脹液化流程的一種變形。如圖6所示，該液化流程有原料氣回路和N2膨脹液化循環(huán)組成。
在天然氣回路中，原料氣經(jīng)預(yù)處理裝置預(yù)處理，進(jìn)入換熱器冷卻，再進(jìn)去重?zé)N分離器分離掉重?zé)N，經(jīng)換熱器2換熱后進(jìn)入氮?dú)馓崴蛛x部分氮?dú)�，在進(jìn)入換熱器3進(jìn)一步冷卻和過冷后，LNG進(jìn)儲罐儲存。
在氮?dú)馀蛎浺夯h(huán)中，氮?dú)饨?jīng)循環(huán)壓縮機(jī)壓縮進(jìn)換熱器1冷卻后，進(jìn)入透平膨脹機(jī)膨脹降溫后，為換熱器提供冷量，離開換熱器1的低壓氮?dú)膺M(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)壓縮，開始下一輪的循環(huán)。
1.3.2氮－甲烷膨脹液化流程
為減低膨脹機(jī)的功耗，采用氮－甲烷混合氣體代替純N2，與混合制冷劑液化流程相比，氮－甲烷膨脹液化流程(N2－CH4Cycle)具有啟動時間短，流程簡單，控制容易、混合制冷劑測定及計算方便等優(yōu)點，由于縮小冷鍛換熱溫差，它比純氮膨脹液化流程等節(jié)省10%～20%的動力消耗。
1.3.3天然氣膨脹液化流程
天然氣膨脹液化流程，是指直接利用高壓天然氣在膨脹機(jī)中絕熱膨脹到輸出管道壓力而使天然氣液化的流程。這種流程最突出優(yōu)點是功耗小、只對需液化的那部分天然氣脫除雜質(zhì)，因而預(yù)處理的天然氣量可大為減少(約占?xì)饬康?0%～35%)但液化流程不能獲得像氮?dú)馀蛎浺夯鞒棠菢拥偷臏囟�、循環(huán)氣量、液化率低。膨脹機(jī)的工作性能受原料氣壓力和組成變化的影響較大，對系統(tǒng)的安全性要求較高。
II.液化流程對比分析
2.1級聯(lián)式液化流程
級聯(lián)式液化流程主要運(yùn)用于基本負(fù)荷型液化裝置，能耗低，采用九臺串聯(lián)換熱器，每臺換熱器內(nèi)部溫差較小，減少了因溫差引起的不可逆損失，從而降低了系統(tǒng)的比功耗;技術(shù)成熟，操作穩(wěn)定。在實際循環(huán)中采用的壓縮級數(shù)要綜合考慮初投資費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用等多方面因素。級數(shù)多、則初投資成本大、功耗低、運(yùn)行費(fèi)用小;級數(shù)少，則初投資成本低，但功耗大、運(yùn)行費(fèi)用高。級聯(lián)式液化流程的突出特點是流程設(shè)備多、流程復(fù)雜、初投資大，管理復(fù)雜。
康菲優(yōu)化級聯(lián)技術(shù)(POC)，在阿拉斯加Kenai液化廠項目應(yīng)用的級聯(lián)工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列改進(jìn)，優(yōu)化技術(shù)采用開放式甲烷制冷循環(huán)，在乙烯蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷凝產(chǎn)品與部分蒸發(fā)了的甲烷相遇后，進(jìn)入開放式制冷循環(huán)，生成甲烷制冷劑回收氣和LNG產(chǎn)品。表1列出來了部分國內(nèi)LNG級聯(lián)式液化流程項目。
2.2 混合制冷劑液化流程
混合制冷劑液化流程既達(dá)到類似級聯(lián)式液化流程的目的，又克服了其系統(tǒng)復(fù)雜的缺點。與級聯(lián)式液化流程相比，其優(yōu)點是:機(jī)組設(shè)備少、流程簡單、投資省，投資費(fèi)用比經(jīng)典級聯(lián)式液化流程約低15%～20%;管理方便;混合制冷劑組分可以部分或全部從天然氣本身提取與補(bǔ)充。缺點是能耗高，組分配比比較困難。
美國氣體化工產(chǎn)品公司(APCI)擁有C3－MRC技術(shù)，該技術(shù)可設(shè)計為由兩臺渦輪機(jī)驅(qū)動的LNG液化生產(chǎn)線，年產(chǎn)量可達(dá)450萬噸。殼牌的C3－MRC技術(shù)，提供了一種丙烷預(yù)冷混合制冷劑工藝的專有技術(shù)，在文萊的LNG工廠得到第一次應(yīng)用。該項目使用了蒸汽輪機(jī)作為壓縮機(jī)的驅(qū)動，如采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動，單條生產(chǎn)線年產(chǎn)量可達(dá)到450萬噸。該技術(shù)可通過使用分體丙烷技術(shù)增加產(chǎn)量至500萬噸。
殼牌的雙循環(huán)混合制冷劑技術(shù)(DMR)，使用二級混合制冷劑循環(huán)，并將每個循環(huán)的壓縮驅(qū)動機(jī)并聯(lián)配置。該技術(shù)已在俄羅斯薩哈林州LNG項目上應(yīng)用，能夠年產(chǎn)520萬噸的LNG的產(chǎn)品。
法國Axens公司與法國石油研究院合作開發(fā)了Liquenfin液化天然氣技術(shù)，該技術(shù)生產(chǎn)LNG的費(fèi)用每噸可降低25%，帶有2臺標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)馔钙降腖iquenfin技術(shù)的系列裝置，能夠年產(chǎn)600萬噸的LNG產(chǎn)品。
挪威國家石油公司與林德公司(Statoil－Linde)共同開發(fā)的混合制冷劑級聯(lián)技術(shù)(MFC)，該技術(shù)綜合了混合制冷劑工藝和級聯(lián)工藝的優(yōu)點，以其適應(yīng)較低冷卻水溫度的能力，在挪威SNOHVIT430萬噸/年的LNG項目上首次應(yīng)用。
法國燃?xì)夤鹃_發(fā)了新型混合制冷劑液化工藝，即整體結(jié)合式級聯(lián)型液化技術(shù)(IntegralIncorporatedCascadeCII)技術(shù)吸收了國外LNG液化技術(shù)最新發(fā)展成果，代表了天然氣液化技術(shù)的發(fā)展趨勢。上海浦東建造的我國第一座調(diào)峰型天然氣液化裝置，采用CII技術(shù)。
殼牌在雙循環(huán)混合制冷劑工藝基礎(chǔ)上的優(yōu)化和改進(jìn)，開發(fā)了并聯(lián)混合制冷劑技術(shù)(PMRTM)，殼牌PMRTM技術(shù)是為大型LNG生產(chǎn)線開發(fā)的技術(shù)，采用成熟設(shè)備，不需要增大現(xiàn)有設(shè)備規(guī)模。兩條并行而獨(dú)立的液化混合制冷循環(huán)，在其中一套設(shè)備出現(xiàn)故障時，仍能保證60%的產(chǎn)能不間斷生產(chǎn)。在建造期間工期延誤時，液化廠并列的兩個液化循環(huán)可分期投產(chǎn)。當(dāng)殼牌PMRTM工藝采用3臺渦輪機(jī)時，單線LNG生產(chǎn)能力可達(dá)800萬噸/年。
自20世紀(jì)70年代，對于基本負(fù)荷型天然氣液化裝置，廣泛采用了各種不通類型的混合制冷劑液化流程，表2列出了部分國內(nèi)典型LNG混合制冷液化工藝流程項目。
2.3 帶膨脹機(jī)的液化流程
帶膨脹機(jī)的液化流程流程簡單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠，易啟動、易操作、維護(hù)方便;用天然氣本身為工質(zhì)，節(jié)省生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存冷凍機(jī)的費(fèi)用。缺點是:原料氣需要深度干燥，回流壓力低，換熱面積大，設(shè)備金屬投入量大;液化率低，如在循環(huán)，則在增加循環(huán)壓縮機(jī)后，功耗大大增加。
林德公司擁有氮雙膨脹機(jī)技術(shù)，該技術(shù)采用一臺兩級壓縮機(jī)，將氮制冷劑從2MPa壓縮到5MPa，并保留了LNG調(diào)峰工廠所采用的氮循環(huán)的簡單性。一般用海水進(jìn)行中間冷卻和后冷卻，也可用空冷。
2001年APCI注冊了AP－XTM專利，AP－XTM技術(shù)利用氮膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)來實現(xiàn)LNG低溫冷卻，從而擴(kuò)展了C3－MR循環(huán)，并提高了LNG的產(chǎn)能。氮膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)分擔(dān)了制冷負(fù)荷，降低了丙烷和混合制的用量，減少了制冷系統(tǒng)設(shè)備的要求。該技術(shù)在卡塔爾的QatargasLNG工廠4#和5#生產(chǎn)線上應(yīng)用，單線生產(chǎn)能力780萬噸/年。
由于帶膨脹機(jī)的液化流程操作比較簡單，投資適中，特別適合用于液化能力小的調(diào)峰型天然氣液化裝置。表3列出了部分國內(nèi)帶膨脹機(jī)的液化流程項目。
III.總結(jié)
隨著世界能源需求的不斷增長以及人們環(huán)保意識的不斷加強(qiáng)，液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了前所未有的黃金發(fā)展期。LNG液化工藝技術(shù)也在不斷改進(jìn)，根據(jù)天然氣儲量、市場需求、原料氣性質(zhì)、廠址和投資情況，采用不同的液化工藝技術(shù)，優(yōu)缺點各不相同。如何選擇合適的工藝流程降低LNG液化過程中消耗的大量能量，提高制冷系統(tǒng)的效率，提高經(jīng)濟(jì)效益，是投資者和研究者看中的重點。
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