摘要：天然气属于清洁能源，是目前我国经济发展过程中的重要能源。由于近期煤改气工程的大量推广，管道无法到达的偏于地区，只能采用LNG或者CNG来提供天然气的供应，这样以来LNG的需求量会大大增加，液化工厂的数量相应也会增加，通过加强对天然气相关技术工艺的研究，有助于进一步提高天然气的使用价值，推动经济发展。本文通过对天然气液化装置方面的研究，希望为今后研究提供参考。
关键词：天然气；液化流程；装置；制冷工艺
1 天然气液化装置
1.1 天然气净化
来自长输管网的二类天然气首先经过工厂内的调压计量增压单元稳压后，进入脱酸环节进行或脱酸单元进行酸性气体的脱除，该系统主要脱除天然气中的CO2、SO2和H2S气体，该单元一般采用MDEA溶液进行吸附再生作业，过程中有一个环节为胺液再生，正常情况下，胺液再生温度控制在100-130℃左右，因此需要大约150℃的热源。
脱酸后的原料气通过专用的载硫活性炭氧化铁脱硫剂氧化锌脱汞剂进行硫和汞的脱除工艺。
最后进入天然气脱水工艺，一般脱水采用两塔或三塔分子筛脱水以及脱重烃工艺，该阶段分为吸附、加热、冷吹三个阶段，其中有分子筛再生工序的加热阶段需要的温度为260～280℃左右，需要的热源温度为320℃，大多数液化工厂提供热源的介质为双温导热油或者直燃炉加蒸汽炉。
1.2 天然气液化
净化后的天然气到液化单元，常用的液化工艺流程有：阶式制冷工艺、混合冷剂制冷工艺、膨胀机制冷工艺
1.2.1阶式制冷循环
阶式制冷工艺是最早应用于液化天然气制冷产品，使用在美国的Clevelang，采用 NH3、C2H4 为第一、第二级制冷剂。
经典阶式制冷工艺由三个独立的制冷工艺组成。第一阶采用丙烷做为制冷剂，经过上述净化后的原料气在丙烷换热器中被冷却到-35～-40℃，分离出部分重烃后进入第二阶冷却。由丙烷换热器中换热后的丙烷气体经过丙烷压缩冷却后变为液体重新进入丙烷换热器进行往返循环冷却源源不断的原料气。第二阶采用乙烯做制冷剂，初步冷却后的原料气在第二阶段中被冷却到-80～-100℃，并被液化后进入第三阶段冷却[1]。乙烯换热器里面被换热的乙烯在成为气体后，被增压机增压并冷却，然后在丙烷换热器中冷却、液化，循环到乙烯换热器。第三阶依靠甲烷作制冷剂，来自第二阶段冷却后的天然气在甲烷换热器中被过冷到零下150℃～-160℃，依靠节流阀进行降压，温度降到-162℃以后，通过压差送到LNG贮罐中进行储存。甲烷换热器中被吸热的甲烷气化后经过增压冷却后，在丙烷化热中继续降温最后再乙烯换热器中被液化后循环到甲烷换热器中重复给原料气降温液化。
经典阶式制冷工艺通常都有2个及以上独立且互相关联的换热制冷阶段。因为使用了不同的制冷剂，使得经典阶式制冷工艺依靠多级或多台压缩机来进行压缩。所以，在每个换热阶段里面，制冷剂能够在不同压力下完成吸热蒸发，分成几个不同温度等级来给原料气进行制冷，各个压力下挥发的制冷剂进入其对应的压缩机或者压缩级别。
从目前来看，最初建LNG装置时就用阶式制冷工艺的着眼点应该是考虑到：能耗较低，设备运行稳定，无需改变即可将原先的工艺用于液化工厂LNG生产中。随着时间的推移，以及技术的革新，而后期建设的液化工厂工艺装置，这时的经典的阶式制冷工艺就会体现出来该工艺本身固有的缺点：①经典的阶式制冷工艺是三个独立的制冷工艺串联结合而来的[2]。压缩机组多（三台或更多压缩机）、冷剂消耗量大、为了使得冷剂之间也相互制冷而使得连接管路复杂，导致初期投资成本过高；②为使实际级间操作温度尽可能与原料天然气的液化温度曲线（Ｑ－Ｔ曲线）相靠近，以减少熵增，提高液化效率，这样分开阶段分开冷剂制冷效率是提高了，但流程复杂多了；③需要大量冷剂。
1.2.2混合冷剂循环
在经典阶式制冷工艺装置上进行了简单的改进，避免了经典阶式制冷工艺管路复杂、前期投资高等诸多缺点，为此技术研发出的混合冷剂制冷工艺简称MRC混合制冷工艺。他是将多种冷剂混合为一种制冷剂（常用N2、CH4、C2H4、C3H8、C5H12 等混合），该混合冷剂的Q-T曲线与原料天然气液化温度曲线相接近。利用混合物在不同温度冷凝的特点来达到所需的不同温度水平，这样以来既保留了阶式制冷工艺的优点，又可以减少阶间管路的复杂性，同时也减少了压缩机的数量，使流程及操作简单化，投资成最低化。
1.2.3膨胀机制冷循环
膨胀机制冷工艺是指利用较高压力的制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德工艺制冷来实现天然气的液化。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能输出功且可用于驱动工艺中的压缩机。
根据冷剂的不同，膨胀机制工艺可分为：①氮气膨胀制冷工艺、②氮气甲烷混合膨胀制冷工艺、③天然气膨胀制冷工艺。
天然气膨胀制冷工艺又称差压制冷。
2 天然气液化制冷工艺的选择
2.1阶式制冷工艺
该制冷工艺是各类制冷工艺里面耗能最低的一种，同时，天然气液化与制冷系统是互为独立的，这两个系统间并没有过多影响，操作起来也较为稳定。然而，却需要很多储存制冷剂的设备和大量压缩机组，系统间必须保证没有任何渗漏，管路及控制都显得极为复杂，维护的难度比较大[3]。因此，主要应用于日处理量大于500×104Nm3/d的基本负荷型天然气液化装置里面。
2.2 混合制冷工艺
一般来讲，换热器的总冷却曲线同制冷剂蒸发曲线之间的温差最好在2℃至3℃。这类工艺对机械设备的需求量不大，只需要一台制冷压缩机，操作与维护的难度较小。然而，该工艺流程对能耗的需求量较大[4]，而且不适用含甲烷高的天然气液化。主要应用于日处理量不大于300×104Nm3/d的基本负荷型天然气液化工厂
2.3 膨胀制冷工艺
其中氮气膨胀制冷是利用氮气膨胀机制冷原理，该工艺结构简单，设备量少维修简单，而且通用性强，但其缺点是能耗较高，能耗为阶式制冷工艺的1.5倍。
天然气膨胀制冷是利用天然气管网的压差，从而实现天然气液化并且达到制冷循环目的[5]。其液化率受膨胀前后压力比影响。一般来讲，膨胀制冷工艺的液化率是7%～15%，制冷的过程不需要耗电，但需要消耗管道差压能，所以，该类工艺适用于日处理量为7～70*104Nm3/d的液化装置。
2.4 三种工艺的技术经济比较
⑴下面我们将各制冷工艺能耗同阶式制冷相比较，得出表下表：
结语
通过理论分析并结合项目实践，第2种液化工艺流程能满足大部分液化工厂的生产工艺要求以及投资成本，运行人员的劳动强度也可以大大减少，故大部分新建液化工厂如果没有很高压力气源及充足的下游用气用户的情况下一般都会采用该工艺流程。如果上游压力高，且下游用户燃气用量稳定且量大压力小的情况下还建议选择天然气膨胀制冷工艺更为经济。
参考文献：
[1]贺天彪，巨永林.小型撬装式天然气液化流程模拟与分析[J].低温与超导，2013，41（05）：5-9.
[2]万宇飞，刘人玮，程涛.改进的管道天然气液化装置及优化研究[J].当代化工，2013，42（07）：992-995+1002.
[3]万宇飞，邓道明，刘人玮，程涛.利用系统压差膨胀液化天然气流程模拟[J].天然气与石油，2013，31（04）：33-36+8.
[4]龙家久.浅谈撬装天然气液化装置的设计与综合应用[J].化工设计通讯，2016，42（03）：92.
[5]林畅，白改玲，王红，李玉龙.大型天然气液化技术与装置建设现状与发展[J].化工进展，2014，33（11）：2916-2922.
论文作者:他旭升
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/11/17
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