液化天然气(LNG)工厂设计的现状和前景外文翻译资料

液化天然气(LNG)工厂设计的现状和前景

摘要: 作为一种能够替代其它化石燃料的清洁能源，液化天然气(LNG)正引起人们极大的关注,主要原因是其易于运输和二氧化碳排放低，并是空气污染和全球变暖的主要因素。预计这种液化天然气的使用趋势将导致LNG的需求在未来几十年稳步增加。为了满足日益增长的对液化天然气的需求,天然气液化工厂在全世界被建造。此外,单一的生产能力已经加强以提高价格竞争力。为了实现更大的生产量, 更复杂的可以结合两个或两个以上的不同的传统单一的制冷循环的循环正在开发，以在液化过程中获得协同效应。与此同时, 最近的各种各样的研究集中在近海和小规模工厂的合适的流程的设计中，以提高滞留气田的盈利能力。液化天然气工厂以高能源、高成本而出名,因为他们需要大量的电力来进行压缩和制冷的过程,并且需要特殊设备，例如低温热交换器、压缩机和驱动程序。因此,液化天然气行业的主要挑战之一是改善当前天然气液化流程的效率与成本节约。在本文中,我们回顾最近液化天然气的发展过程,其重点是商用制冷循环。我们也讨论最近的研究并提出关于天然气液化流程的未来的发展方向。到目前为止,大多数研究都集中在操作成本。为了实现更好的结果,未来对液化天然气技术的优化设计和操作的研究，应该同时考虑资本成本和操作成本。

前言

全球能源消费预计每年以0.9minus;1.6%的比率增加。化石燃料预计在可预见的未来里仍是占据主导地位的能源。在世界上天然气是增长最快的主要能量资源，从2008年到2035年，它的平均消费预计每年以1.4minus;1.6%的比率增加，因为它比其他化石燃料对环境的影响低，天然气燃烧排放的二氧化碳和其他污染物低于煤和石油的燃烧。天然气是一个减少二氧化碳排放的有吸引力的选择。气藏和客户需求的区域不匹配反映在不断增加的全球天然气贸易中，在天然气贸易中的主导因素之一是选择经济可行的运输方法，广泛使用的运输方法是管道运输和液化天然气(LNG)。长距离运输超过3500公里,液化天然气是首选方法，因为其经济、技术、安全、政治等原因。管道和液化天然气贸易预计在未来将不断增加。然而,预计液化天然气贸易的增长速度高于管道贸易。因此,液化天然气在全球天然气贸易中起着重要作用。

为满足预期需求,天然气供应需求将增加近50%,在图1中所指定。一些国家已经将天然气资源商业化,并建造了LNG生产工厂以满足日益增长的需求。天然气的全球贸易正在快速转变,因为一些国家一直在稳步提高液化天然气的生产能力。在过去五年里,全球液化天然气生产能力增加了40%，从2008年到2035年液化能力预计将增加1倍以上,从8 万亿立方英尺到19 万亿立方英尺。

一个液化天然气项目被认为是最昂贵的能源项目之一，它包括了一组在供应链中的唯一值（称为液化天然气价值链），如图2.6。在液化天然气价值链中的每个元件平均资金成本的百分比在图3中所示。每个元件在常规天然气田的成本之间的差异也很明显。一个液化工厂的成本是在价值链中最大的，占到总成本的40％以上，其他组件的成本占其余总的部分几乎相等。根据天然气田来看，其中的组件、勘探和生产的成本相差是很大的。一个液化天然气项目的准确的成本预测取决于一系列因素，包括场地条件，安全性和交易量。从经济角度来看，液化工厂是液化天然气价值链中最重要的组成部分。

1、液化天然气(LNG)工厂

1.1液化天然气的发展

世界上第一个商业化的液化工厂于1964年在阿尔泽、阿尔及利亚建立，它的液化流程是基于级联液化流程,并在1969年应用于可奈、阿拉斯加液化天然气工厂。在19世纪70年代早期，在利比亚、斯基克达、阿尔及利亚，单一的混合制冷过程被改进了，在级联液化过程中，它有能够使用三个纯制冷循环的设备配置。由于单一的混合制冷过程的热力学效率低,它可以被丙烷预冷混合制冷过程所替换，此过程包括一个丙烷预冷循环和混合制冷循环。

由于热力学效率的提高,资本成本的降低,每列车的容量的扩张，液化技术已经取得了稳步的进展, 这些持续的改进促进了液化技术提供商之间的激烈的竞争,从而为液化技术的开发带来了新的挑战。

大多数早期的液化天然气项目的主要目的是扩大生产力，外加存在操作气田的生产工厂。然而,为满足对液化天然气需求的快速增长,一些作为液化天然气工厂的建筑基地的新气田一直在被探索,而且供应商竞争着开发出新的高性能、低成本的技术和工艺流程。由于液化技术的创新及相关设备的改进，如热交换器、燃气涡轮机、压缩机和其他公用事业设备，液化天然气生产成本每吨大幅下降了。

为达到使用较少的生产线来达到同样的生产量的目的，单个液化系统生产线的大小一直在增加，以提高价格竞争力。此外，滞留气田的盈利能力也大大增强。液化流程效率的发展主要集中在更换液体膨胀或两相膨胀机的膨胀阀、降低液化过程中的功率，或增加在相同功率下的LNG生产量。在行业发展初期，大部分生产线的容量每年大约1-2万吨，现在最大的生产线有7.8 万吨的容量。

1.2液化天然气工厂流程

一般来说,液化天然气工厂主要由预处理、液化、储存设施所组成。图4显示了传统的基本负荷液化天然气工厂的流程。天然气是一种碳氢化合物的混合物，包括甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等。它还包含水、二氧化碳、氧、氮和其他气体组成部分。在天然气液化之前，水、二氧化碳、氧、氮、和硫化氢等杂质必须清除,以防止内部腐蚀或冷却过程中形成的固体造成的设备损坏。

天然气预处理过程包括三个主要步骤。酸性气体的清除,如二氧化碳和硫化氢，是液化天然气液化生产之前的一个重要的一步,因为如果二氧化碳浓度超过一定限制，管道里的天然气将冻结；下一步是脱水,以防止冻结；最后一步是移除汞气体，保护铝热交换器不受腐蚀。

液化天然气预处理后,在大气压力下冷却至minus;161°C,会发生相变的液化过程,从而使天然气成为液体。液化天然气其体积减少超过了600倍。液化过程中需要大量的能量,由于大型的和复杂的制冷系统和其他所需高资本成本的设备，例如压缩机,热交换器和其他低温设备，液化流程被认为是一个能源密集型或资本密集型的过程。天然气液化后,它可以存储在专门设计的容器中。根据液化天然气的特点，储罐和相关设备应该满足严格的设计标准。

2. 天然气液化流程

2.1基本原则

天然气的液化需要消除可感觉到的和潜在的热量，在很大的温度范围内，需要使用一个或多个制冷剂,因此一个复杂的压缩制冷或者吸收制冷系统是必不可少的。液化天然气工厂通常采用压缩制冷循环。理想的压缩制冷循环如图5所示。
循环工作如下：第一步(1→2) 在一个蒸发器中制冷剂在恒定压力和温度下吸收热量;第二步(2→3), 压力在压缩机内恒定熵增加。第三步(3→4) ,在恒压下焓降低, 脱热和凝结在冷凝器里发生；最后一步(3→4) 在定熵条件下，制冷剂回到原来的压力和扩展器中。

当冷却温度在两相区域时，天然气液化过程完成。一个简单的Linde液化过程完全取决于节流膨胀，见图8。在之前的循环中,原料气和不凝结的部分气体混合，之后混合物由多级压缩机压缩。压缩气体预冷到环境温度,可以进一步冷却制冷。高压气体在热交换器中冷却为返回气流,然后通过节流阀扩大和在出口流出，最后以液体和蒸汽两者阶段的一个平衡态存在。在分离器出口流出, 在底部生产成液化产品。气体分离器用于在上面的热交换器里冷却高压气体流。

2.2商业天然气液化流程

在过去的几十年里，许多液化流程已经被开发并应用于液化天然气工厂里。这过程可以分为三个大类，分类基于制冷循环的类型和设备类型的使用:级联过程使用纯制冷剂, 混合制冷的过程使用制冷剂混合物, 膨胀过程使用扩展器而不是焦耳 - 汤姆逊（J-T）阀。每个类别在接下来的三个小节中也进行了详细描述。额外的分类像是根据是否施加了预冷却过程也是有可能的。

2.3标准流程的选择

我们已经描述了各种不同的商业天然气液化流程,目前这种流程广泛用于液化天然气工厂或已经提出了的液化天然气项目中。液化天然气项目的成功关键在于天然气液化流程的选定。因此我们需要从技术和经济方面的考虑，提出一套标准选择的适当的流程。

流程的效率是一个关键的方面。它不仅与热力学效率相关,同时与设备的效率相关。提高热力学效率能够使能源消耗和资本成本减少。更高的热力学效率可以通过应用复合曲线，典型的升温和降温曲线在液化过程中展示了，如图25所示。

在热交换的过程中，混合制冷过程比纯制冷过程有着平均温度差异更小的曲线,其反映了在混合制冷剂的过程中有更好的换热性能。然而,这导致需要比纯制冷过程中更大的热交换器。根据Ransbarger, 液化过程的性能的提高可以通过改变制冷阶段的数量，这意味着有必要优化制冷阶段的数量,提高效率。

在其他方面, 选择适当的流程时我们应该考虑其可靠性、现场条件、安全性、流程需求(天然气凝析或液化石油气恢复)、运载能力、设备的可用性,空间和总成本(包括资本和运营成本)。然而,这个列表中每一项的优先级将根据液化天然气项目的不同的特点。在海外工厂项目,与陆上项目相比，其能源效率可能没有比安全性,可操作性,密实度更重要。成功的海上液化天然气项目的评估标准如表4所示。对液化天然气工厂使用的液化流程操作进行了总结，如图26所示。

3天然气液化流程的专利活动

现在已经有大量的和天然气液化技术相关的专利。虽然相关专利发表活动开始于19世纪70年代之前,但是专利活动在19世纪70年代中期才迅速增加。专利活动停滞在19世纪90年代，然而, 由于天然气液化工厂需求的急剧增加，其活动在20世纪00年代才急剧增加。

一般来说,天然气液化工厂的盈利能力是高度依赖于液化流程设计和配置的。
流程技术已经从简单的循环到复杂循环，从而提高流程效率，这与工厂容量,天然气组成、项目目标和现场条件相关。然而早期部分的天然气液化主要是部分冷凝专利,自19世纪90年代以来,已经把重点转移到液化或冷凝的气体或气体混合物中。最近的专利出版物涉及复杂的循环,有更高的效率，由于其组合了两个或两个以上的不同的传统的单循环产生了协同效应。天然气液化流程的技术专利趋势如图29所示。

天然气液化技术的设备主要集中在改善热交换器和膨胀设备。早期的专利主要是关心铝制低温热交换器设备和压缩机膨胀设备，包括了泵和压缩机，而且线圈热交换器已经出现了。专利与设备相关的技术趋势如图29所示。

4.液化流程的研究

大量的研究主要调查如何降低成本和提高液化过程的效率。这些研究大致可以分为哪些评估液化过程的性能,哪些研究液化过程的优化设计和操作，哪些改善整个液化天然气工厂的性能。

4.1评价液化流程的性能

已评估过的关于液化流程的研究大多数都集中在热力学效率，而一些其他的研究则通过计算压缩机的轴功率来比较流程效率。如果在预先指定的原料、产品和液化流程设计的情况下，其轴功率是操作成本的主要决定因素。具体的工作是由液化天然气的每单位质量功率消耗来确定，并且可以相对容易地计算出来。

为了准确地比较各个流程，评价标准应该不仅包括运营成本，而且还包括投资成本。然而，液化流程的成本的估计由于缺乏详细的信息从而变得十分困难，只有少数的研究已将资本成本纳入经济分析中。

4.2最佳设计和操作

现已经有许多与设计、仿真研究、液化流程优化相关的研究。研究主要集中于在一个液化天然气工厂中，关于运用模拟研究的液化流程的设计。

最近的研究已经讨论了的混合制冷剂系统，通过优化其操作条件，如压力、流速和混合制冷剂的组成，减轻了制冷剂压缩的能源需求。

4.3LNG工厂的性能

商业LNG工厂曾随着设备的节约成本的改善而演变。设备的改进对实际工厂的操作的液化流程的设计很重要。下面的研究主要集中在更换配置设备来提高液化流程。

仅有少数研究都集中在整个工厂和价值链的性能改进。就性能和成本方面，许多热交换器（MSHE）在LNG工厂是非常重要的，因此，一些研究人员专注于开发一个严格MSHE模式。而且换热网络的上层结构和用于计算各个阶段的焓值的分段二次函数已经被采用了。

5未来的研究方向和结论

在LNG工厂使用的天然气液化过程中潜在的改进方案可以通过采取以下措施来实现。

bull;在LNG工厂的容量和天然气田的特点方面，发展先进的液化流程：应该考虑技术和经济因素，来决定最佳的单系列容量及列车的数量，以实现经济化的LNG生产。此外，该方法应根据天然气田的特性进行开发和修改。

bull;在经济规模方面，拟用于大型LNG工厂的液化流程的改进：由于替代设备已开发和现有设备的效率得到了提高，液化流程应该在设备的可用性的基础上所设计。在大型液化天然气工厂中，对于液化过程的优化设计，工艺设计的方法必须整合或驱动选择同时一并考虑。

bull;多种最近的研究都集中在改善搁浅的气田的盈利能力。设备和环境的限制影响了在中小型规模的LNG工厂中液化流程的设计。未来的研究应不仅着眼于提高效率，也应该减少与液化流程相关的资金成本。

bull;强烈建议使用有效的可控制的动态模型。如果一个流程的设计约束被改变，整个控制设计结构可能会受到影响。因此，当流程设计改变时，控制结构设计也应随之考虑。这可以通过优化工艺和控制设计来产生经济效益。其他用来提高全厂范围的控制动态仿真与优化研究也是需要的。

bull;极少的研究集中在NGL的分馏、物料回收，或在液化过程中的能量回收。若在这些研究领域中有所发现，将有助于实现利润最大化，提高整个LNG工厂和项目的效率。

bull;最近的研究关注的是发展新的液化天然气流程或优化现有的LNG工艺。由于设备和工艺的改进，商业LNG工厂的效率也得到了提高。因此，对主要设备如MSHEs、驱动程序的进一步的研究将是值得的。

bull;在大多数研究中，其流程

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