1. 2　混合制冷剂液化过程

1) 闭式混合制冷剂液化流程(见图2) 。

图2　闭式混合制冷剂液化流程示意图

   在闭式液化流程中,制冷剂循环和煤层气液化过程分开,自成一个独立的制冷循环。制冷循环中制冷剂常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H12组成。这些组分都可以从煤层气中提取。液化流程中煤层气依次流过四个换热器后,温度逐渐降低,大部分煤层气被液化,最后节流后在常压下保存,闪蒸分离产生的气体可直接利用,也可回到煤层气的入口再进行液化。

在混合制冷剂液化流程的换热器中,提供冷量的混合工质的液体蒸发温度随组分的不同而不同,在换热器内的热交换过程是个变温过程,通过选择制冷剂,可使冷热流体间的换热温差保持比较低的水平。

2) 开式混合制冷剂液化流程,见图3。在开式液化流程,煤层气既是制冷剂又是需要液化的对象。原料煤层气经净化后,经压缩机压缩后达到高温高压,首先用水冷却,然后进入气液分离器,分离掉重烃,得到的液体经第一个换热器冷却并节流后,与返流气混合后为第一个换热器提供冷量。第一个分离器产生的气体经第一个换热器冷却后,进入第二个气液分离器。产生的液体经第二个换热器冷却并节流后,与返流气混合为第二个换热器提供冷量。第二个气液分离器产生的气体经第二个换热器冷却后,进入第三个气液分离器。产生的液体经第三个换热器冷却节流后,为第三个换热器提供冷量。第三个气液分离器产生的气体经第三个换热器冷却节流后,进入气液分离器,产生的液体进入液化煤层气储罐储存。

图3　开式混合制冷剂液化流程示意图

3) 丙烷预冷混合制冷剂液化流程。丙烷预冷混合制冷剂液化过程,结合了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点,流程既高效又简单。所以自20世纪70年代以来,这类液化流程在基本负荷型煤层气液化装置中得到了广泛的应用。目前世界上80%以上的基本负荷煤层气液化装置中,采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。流程由三部分组成:a) 混合制冷剂循环; b) 丙烷预冷循环; c) 煤层气液化回路。在此液化流程中,丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和煤层气,而混合制冷剂循环用于深冷和液化煤层气。

丙烷预冷循环中,丙烷通过三个温度级的换热器,为煤层气和混合制冷剂提供冷量。丙烷经压缩机压缩至高温高压,经冷却水冷却后流经节流阀降温降压,再经分离器产生气液两相,气相返回压缩机,液相分成两部分,一部分用于冷却煤层气和制冷剂,另一部分作为后续流程的制冷剂。在混合制冷剂液化流程中,煤层气首先经过丙烷预冷循环预冷,然后流经各换热器逐步被冷却,最后经节流阀进行降压,从而使液化煤层气在常压下储存。

4) CⅡ液化流程。煤层气液化技术的发展要求液化循环具有高效、低成本、可靠性好、易操作等特点。为了适应这一发展趋势,研究部门开发了新型的混合制冷剂液化流程,即整体结合式级联型液化流程,简称为CⅡ液化流程。CⅡ液化流程吸收了国外LNG技术最新发展成果,代表煤层气液化技术的发展趋势。

在上海建造的CⅡ液化流程是我国第一座调峰型煤层气液化装置中所采用的流程。该液化流程的主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三部分。整个液化流程可分为煤层气液化系统和混合制冷剂循环两部分。在混合制冷剂循环中,混合制冷剂是N2 和C1 ～C5 的烃类混合物。

CⅡ流程具有如下特点:

a) 流程精简、设备少。CⅡ液化流程出于降低设备投资和建设费用的考虑,简化了预冷制冷机组的设计。

b) 冷箱采用高效钎焊板翅式换热器,体积小,便于安装。整体式冷箱结构紧凑,分为上下两部分,由经过优化设计的高效钎焊板翅式换热器平行排列,换热面积大,绝热效果好。

c) 压缩机和驱动机的型式简单、可靠、降低了投资和维护的费用。

1. 3　带膨胀机的液化流程

带膨胀机液化流程( Expander - Cycle) ,是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机的克劳德循环制冷实现煤层气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时,能输出功,可用于驱动流程中的压缩机。当管路输进装置的原料气与输出液化装置的商品气有“自由”压差时,液化过程就可能不要“从外界”加入能量,而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷,使进入装置的煤层气液化。流程的关键设备是透平膨胀机。根据制冷剂的不同,可分为氮气膨胀液化过程和

煤层气膨胀液化过程。这类流程的优点是:1) 流程简单、调节灵活、工作可靠、易振动、易操作、维护方便; 2) 用煤层气本身为工质时,省去专门生产、运输、储存冷冻剂的费用。缺点是:

1) 送入装置的气流须全部深度干燥; 2) 回流压力低,换热面积大,设备金属投入量大; 3) 受低压用户多少的限制; 4) 液化率低,如再循环,则在增加循环压缩机后,功耗大大增加。

由于带膨胀机的液化流程操作比较简单,投资适中,特别适用于液化能力较小的调峰型煤层气液化装置。常用的几种带膨胀机的液化流程如下:

1) 煤层气膨胀液化流程。煤层气膨胀液化流程,是指直接利用高压煤层气在膨胀机中绝热膨胀到输出管道压力而使煤层气液化的流程。这种流程最突出优点是功耗小,只对需液化的那部分煤层气脱除杂质,因而预处理的煤层气量可大为减少。但液化流程不能获得像氮气膨胀液化流程那样低的温度、循环气量大、液化率低。膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大,对系统的安全性要求较高。

2) 氮气膨胀液化流程。与混合制冷剂液化流程相比,氮气膨胀液化流程较为简化、紧凑,造价略低。起动快,热态起动1～2 h即可获得满负荷产品,运行灵活,适应性强,易于操作和控制,安全性好,放空不会引起火灾或爆炸危险。制冷剂采用单组分气体。但其能耗要比混合制冷剂液化流程高40%左右。二级氮膨胀液化流程是经典氮气膨胀液化流程的一种氮气膨胀液化流程变形,见图4。该液化流程由原料气液化回路和N2 膨胀液化循环组成。

图4　甲烷膨胀液化流程示意图

3) 氮—甲烷膨胀液化流程。为了降低膨胀机的功耗,采用了N2 - CH4 混合气体代替纯N2 ,发展了N2 - CH4 膨胀液化流程。与混合制冷剂液化流程相比较,氮—甲烷膨胀液化流程具有起动时间短、流程简单、控制容易、混合制冷剂测定及计算方便等优点。由于缩小了冷端换热温差,它比纯氮膨胀液化流程节省10%～20%的动力消耗,见图5。N2 - CH4 膨胀液化流程由煤层气液化系统与N2- CH4 制冷系统两个各自独立的部分组成。

1—预处理装置　2, 4, 5—换热器　3—气液分离器

6—透平膨胀机　7—制动压缩机　8, 9—水冷却器

10—循环压缩机　11—储槽　12—预热器　13—压缩机

图5　氮—甲烷膨胀液化流程示意图

4) 其它膨胀液化流程。带膨胀机的液化流程,由于换热器的传热温差太大,从而使流程的火用损很大,为了降低流程的火用损,可采取以下措施:

a) 采用预冷方法,对制冷剂进行预冷。b) 提高进入透平膨胀机气流的压力,并降低其温度。c) 将带膨胀机液化流程与其它液化流程结合起来使用。在这种流程中,当原料气压力为5 MPa,增压后为7MPa并进行液化时,经计算其单位能耗可降低到0. 38～0. 42 kW·h /kg。如果预冷后的温度进一步降低,则液化过程的能耗还可大幅减少。

2　煤层气液化装置

煤层气液化装置由煤层气预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统及消防系统等组成。液化流程是其最重要的组成部分。大型LNG工厂常包括几套煤层气液化装置,在一套液化装置中可能包括几条生产线。

基本负荷型液化装置是指生产供当地使用或外运的大型液化装置。调峰型液化装置指为调峰负荷或补充冬季燃料供应的煤层液化装置,通常指将低峰负荷时过剩的煤层气液化储存,在高峰时或紧急情况下再汽化使用。

对于基本负荷型煤层气液化装置,其液化单元常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程。采用级联式液化流程的优点是能耗低,且各种制冷循环及煤层气液化系统各自独立,相互牵制少,操作稳定。它的缺点是流程复杂,机组多,要有生产和储存各种制冷剂的设备,各种制冷循环系统间不能有任何渗漏,维修也不方便。与级联式液化流程相比,采用混合制冷剂液化流程的液化装置具有机组设备少,流程简单,投资较少,操作管理方便等优点。同时,混合制冷剂中各组分一般可部分或全部从煤层气本身提取和补充,因而没有提供纯制冷剂的困难,且纯度要求也不严格。其缺点是能耗较高,混合制冷剂各组分的配比要求严格,流程计算困难。相比之下,丙烷预冷混合制冷剂液化流程的消耗功率最小,所以这种液化流程在基本负荷型装置中得到了最广泛的应用。调峰型煤层气液化装置主要采用三种类型的液化流程: 1) 级联式液化流程,曾经被广泛采用,现在基本上不用; 2) 混合制冷剂液化流程; 3) 膨胀机液化流程,这类装置充分利用原料气与管网气之间的压力差,达到节能的目的。

3　液化煤层气装置的相关设备

3. 1　压缩机

压缩机在煤层气液化装置中,主要用于增压和气体输送。对于逐级式液化装置,还有不同温区的制冷压缩机,是煤层气液化装置中的关键设备之一。在煤层气液化流程中采用压缩机型式,主要有往复式压缩机,离心式压缩机和轴流式压缩机。往复式压缩机通常用于煤层气处理量比较小( 100 m3 /min)的液化装置。轴流式压缩机组主要用于混合制冷剂循环装置。离心式压缩机机组主要用于大型液化装置。

3. 2　换热器

在煤层气液化装置中,无论是液化工艺过程或是液—气转换过程,都要使用不同的换热器。在工艺流程中,主要有绕管式和板翅式换热器两种型式。大多数基本负荷型的液化装置都采用绕管式换热器。板翅式换热器则主要应用于调峰型的LNG装置,但基本负荷型的LNG装置中也有使用这种换热器的情况。

3. 3　LNG泵

LNG在转移过程中,都存在输送问题。输送的方法通常有两种类型: 一种是压力输送; 另一种是LNG泵输送。在输送量比较大和管路流动阻力比较大的情况下,不适合用压力输送的方法,而采用泵进行输送。通常采用潜液式电动泵和LNG高压泵。潜液式电动泵是专门用于输送LNG和LPG等易燃、易爆的低温介质。LNG高压泵用于液化煤层气储槽向外输出LNG。

3. 4　透平膨胀机

膨胀机是煤层气液化装置中获取冷量的关键设备,由于煤层气液化装置的气体处理量很大,一般都采用透平膨胀机。该机具有体积小、重量轻、结构简单、气体处理量大、运行效率高、操作维护方便和使用寿命长等特点。

4　液化煤层气的储运

在液化煤层气(LNG)工业链中, LNG的储存和运输是两个主要环节。无论基本负荷型LNG装置还

是调峰型装置,液化后的煤层气都要储存在液化站内储罐或储槽内。煤层气是易燃、易爆的燃料, LNG的储存温度很低,对其储存设备和运输工具需要提出安全可靠、高效的严格要求。

5　结束语

随着我国煤层气工业的蓬勃发展,“西气东输”等大型煤层气输配工程以及一批LNG装置的纷纷启动,我国液化煤层气工业必然会进入一个迅猛发展的时期,将会从理论性和适用性角度提出更高、更深层次的要求。

从降低液化流程功耗的目的出发,对调峰型煤层气液化流程进行优化和分析,提出评价液化流程的综合性经济指标,进而在收集具体的LNG装置投资费用与运行费用的基础上,对煤层气液化流程进行热经济学优化。将优化的热力学目标与经济目标有机地结合起来,对不同的工艺过程进行比较,达到液化流程运行能耗和投资费用最少的效果。

另外,我国的煤层气蕴含量丰富,但集中分布于中部地区( 31. 5%) 、西部地区( 28. 43% ) 和海域(21%)等边远地区,煤层气气质条件亦各不相同。如何具体地针对煤层气的气质条件、储量及气田位置,开发不同类型的灵活机动、高效、运行可靠的液化流程,有效利用这一宝贵的能源,具有重要的现实意义。