LNG生产主要设备

2022-10-4LNG1第五章第五章LNG生产主要设备生产主要设备液化天然气（液化天然气（LNG）技术）技术2022-10-4LNG2第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组 液化工艺中主要工艺设备有制冷压缩机组、换热器、膨胀机等。在液化工艺中主要工艺设备有制冷压缩机组、换热器、膨胀机等。在LNG工厂的投资费用中，工艺设备占工厂的投资费用中，工艺设备占40以上，其中制冷压力机组占以上，其中制冷压力机组占50，换热器占，换热器占30。制冷压缩机组制冷压缩机组 制冷压缩机组，包括制冷压缩机组，包括压缩机压缩机和和驱动装置（原动机）驱动装置（原动机）。制冷压缩机。制冷压缩机组一般不备用。组一般不备用。2022-10-4LNG3第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组一、离心式压缩机一、离心式压缩机 整套离心式压缩机组是由电气、机械、润滑、冷却、控制等部分组整套离心式压缩机组是由电气、机械、润滑、冷却、控制等部分组成的一个系统，主要由转子、定子、和辅助设备等部件组成。成的一个系统，主要由转子、定子、和辅助设备等部件组成。2022-10-4LNG4第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组离心压缩机的特点离心压缩机的特点流量大。流量大。由于往复往复式压缩机是间歇地进、排气，而气量又受气缸容积及活由于往复往复式压缩机是间歇地进、排气，而气量又受气缸容积及活塞往复运动速度所限制。离心压缩机中气体是连续流动，流通截面较大，同时叶塞往复运动速度所限制。离心压缩机中气体是连续流动，流通截面较大，同时叶轮转速很高，故流量很大。轮转速很高，故流量很大。转速高。转速高。离心压缩机中转子只作旋转运动，转动惯量小，且与静止部件不接触。离心压缩机中转子只作旋转运动，转动惯量小，且与静止部件不接触。这不仅减少了摩擦，还可大大提高转速。这不仅减少了摩擦，还可大大提高转速。结构紧凑。结构紧凑。机组重量及占地面积都比同一气量的活塞压缩机小得多。机组重量及占地面积都比同一气量的活塞压缩机小得多。运转可靠。运转可靠。由于转动部件与静止部件不直接接触摩擦，因而运转平稳、排气均由于转动部件与静止部件不直接接触摩擦，因而运转平稳、排气均匀、易损件少。且不需备用机组，维修量小。匀、易损件少。且不需备用机组，维修量小。单级压力比不高。单级压力比不高。效率稍低。效率稍低。由于离心压缩机中气流速度较大，造成能量损失较大，故效率较活由于离心压缩机中气流速度较大，造成能量损失较大，故效率较活塞压缩机稍低。塞压缩机稍低。由于离心压缩机转速高、功率大、无备机由于离心压缩机转速高、功率大、无备机，因此一旦发生事故，后果是严重的，因此一旦发生事故，后果是严重的，需有一系列紧急安全保障设施。需有一系列紧急安全保障设施。一、离心式压缩机一、离心式压缩机2022-10-4LNG5第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组在天然气加工中通常需要三到四个叶轮的离心式压缩机用于制冷在天然气加工中通常需要三到四个叶轮的离心式压缩机用于制冷操作。操作。为使用多个级间闪蒸节能器的机会并允许多个冷却温度水平以进为使用多个级间闪蒸节能器的机会并允许多个冷却温度水平以进一步降低功耗的机会。一步降低功耗的机会。离心式压缩机装置的主要缺点：离心式压缩机装置的主要缺点：出口节流会引起气流波动。为了出口节流会引起气流波动。为了避免波动问题，在低负荷操作期间将排出的制冷剂蒸气循环回压缩机避免波动问题，在低负荷操作期间将排出的制冷剂蒸气循环回压缩机吸入口。吸入口。2022-10-4LNG6第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组（1 1）排气温度）排气温度离心式压缩机的排气温度按多变压缩计算：离心式压缩机的排气温度按多变压缩计算：（5-15-1）式中式中 T Td d离心式压缩机的排气温度，离心式压缩机的排气温度，K K；T Ts s离心式压缩机的进气温度，离心式压缩机的进气温度，K K；压缩比；压缩比；m m多变指数。多变指数。（2 2）多变效率）多变效率 （5-25-2）式中式中 p p离心式压缩机的多变效率；离心式压缩机的多变效率；m m多变指数；多变指数；k k气体绝热指数。气体绝热指数。mmsdTT111kkmmp2022-10-4LNG7第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组（3 3）离心式压缩机的功率）离心式压缩机的功率离心式压缩机的离心式压缩机的理论功率理论功率：（5-35-3）式中式中 p p多变效率；多变效率；P Ps s进气压力，进气压力，kPakPa；V Vs s进气流量，进气流量，m m3 3/min/min；P Pd d排气压力，排气压力，kPakPa；p p绝热效率。绝热效率。pmmsdssppmmVpN1)(1634.112022-10-4LNG8第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组离心式压缩机的离心式压缩机的实际实际消耗功为：消耗功为：（5-45-4）g g机械效率，一般取以下数值：机械效率，一般取以下数值：N N2000kW2000kW，g g=97=9798%98%N N=1000-2000 kW=1000-2000 kW，g g=96=9697%97%N N1000kWkk，对于空气，对于空气m m1 1=1.5-1.6=1.5-1.6；排气系数，对于对称圆弧型线排气系数，对于对称圆弧型线=0.65-0.90=0.65-0.90，单边不对称型线，单边不对称型线=0.7-0.95=0.7-0.95。)1(11)1(10167.01111111111mmmmssmmkkmmVpN2022-10-4LNG19第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组对于喷油螺杆压缩机对于喷油螺杆压缩机:（5-165-16）式中式中 m m2 2喷油冷却的多变指数，喷油冷却的多变指数，m m2 2kk；排气系数，对于对称圆弧型线排气系数，对于对称圆弧型线=0.75-0.9=0.75-0.9，单边不对称型线，单边不对称型线=0.8-0.95=0.8-0.95。内压缩比和外缩比不相等的指示功率内压缩比和外缩比不相等的指示功率对于喷油螺杆压缩机对于喷油螺杆压缩机 （5-175-17）式中式中 N N指标功率，指标功率，kWkW；inin内压缩比。内压缩比。)1(11)1(10167.02222122122mmmmssmmkkmmVpN)()1(11)1(10167.0211221111122indminmminmminssPPmmkkmmPVN2022-10-4LNG20第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组3 3）绝热功率和绝热效率）绝热功率和绝热效率 （5-185-18）绝热效率绝热效率 （5-195-19）低压缩比、大中排气量时，低压缩比、大中排气量时，adad=0.7=0.70.750.75；高压缩比、中小排气量时，高压缩比、中小排气量时，adad=0.6=0.60.70.7。)1(10167.01kkssadkkVpNsadadNN2022-10-4LNG21第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组四、轴流式压缩机四、轴流式压缩机 轴流式压缩机主要用于轴流式压缩机主要用于大流量、低压力比的大流量、低压力比的场合场合，、效率、效率亚声速级轴流式压缩机的多变效率亚声速级轴流式压缩机的多变效率p p=0.84=0.84 0.930.93，跨声速级轴流式压缩，跨声速级轴流式压缩机的多变效率机的多变效率p p=0.8=0.8 0.890.89 。多变效率多变效率p与绝热效率的换算关系为：与绝热效率的换算关系为：式中式中p轴流式压缩机的多变效率；轴流式压缩机的多变效率；压缩比；压缩比；多变指数；多变指数；气体绝热指数。气体绝热指数。2022-10-4LNG22第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组四、轴流式压缩机四、轴流式压缩机 2 2、级数、级数轴流式压缩机的级数轴流式压缩机的级数i i按下式计算：按下式计算：式中式中h hp p轴流式压缩机的总能量头，轴流式压缩机的总能量头，kgmkgmkgkg；压缩因子；压缩因子；气体常数，（气体常数，（kgmkgm ）（）（kgkkgk）；）；T T1 1进气温度，；进气温度，；h hadmadm级的平均能量头，级的平均能量头，h hadmadm 150015002500 kgm2500 kgmkgkg 。2022-10-4LNG23五、压缩机的选择五、压缩机的选择（大型液化装置）（大型液化装置）预冷循环多选用离心式压缩机；气体液化循环，一级压缩多选用轴流式压缩机，次级压缩选用配有中间冷却器的离心式压缩机；甲烷压缩机多选用离心式压缩机。液化工艺液化工艺工艺工艺流体数流体数最少压缩最少压缩机台数机台数所有压缩机的功所有压缩机的功率和速度是否可率和速度是否可比比阶式循环阶式循环3 33 3几乎不几乎不混合冷剂循环混合冷剂循环1 11 1是是预冷混合冷剂循环预冷混合冷剂循环2 22 2是是液化工艺及压缩机配置液化工艺及压缩机配置第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组2022-10-4LNG24一一.液化制冷剂压缩机液化制冷剂压缩机1.1.低压混合制冷剂（低压混合制冷剂（LPMRLPMR）压缩机）压缩机 采用采用2 2台压缩机串联布置进行压缩操作。对于台压缩机串联布置进行压缩操作。对于LPMRLPMR的压缩（一级压缩），的压缩（一级压缩），需要流量相当大的压缩机。需要流量相当大的压缩机。大叶轮离心式压缩机和轴流式压缩机可用于大叶轮离心式压缩机和轴流式压缩机可用于LPMRLPMR的的压缩。压缩。与离心与离心式压缩机相比，轴流式压缩机式压缩机相比，轴流式压缩机优点优点：流量较大流量较大，轴流式压缩机的，轴流式压缩机的多多变效率要高变效率要高5 5以上。另外，轴流式压缩机中采用的以上。另外，轴流式压缩机中采用的定子叶片可调定子叶片可调，这为进行，这为进行流量和压力调节提供了可能性，并能降低启动时的功率消耗。但轴流式压缩机流量和压力调节提供了可能性，并能降低启动时的功率消耗。但轴流式压缩机的的缺点缺点：容易发生喘振，或因吸入外来物而发生故障。：容易发生喘振，或因吸入外来物而发生故障。轴流式压缩机与固定速度燃气轮机组合轴流式压缩机与固定速度燃气轮机组合。第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组综上所述，对于综上所述，对于LPMRLPMR的压缩操作，是选用轴流式压缩机还是离心的压缩操作，是选用轴流式压缩机还是离心式压缩机，要根据现场具体条件、业主的操作原理和要求。式压缩机，要根据现场具体条件、业主的操作原理和要求。2022-10-4LNG252.2.高压混合制冷剂（高压混合制冷剂（HPMRHPMR）压缩机）压缩机 大型LNG工厂的HPMR压缩操作要求采用径向对开式（简型结构）离心式压缩机，配有中间冷却器。达斯岛(D.Island.)LNG生产厂采用了一种带中间冷却器的45MW单缸径向对开式离心压缩机。这种压缩机可用在生产能力为3.96106t/a的生产厂进行HPMR压缩操作。第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组2022-10-4LNG26二二.预冷制冷剂压缩机预冷制冷剂压缩机 丙烷压缩机（以丙烷作预冷制冷剂）。丙烷压缩机（以丙烷作预冷制冷剂）。选用选用离心式压缩机离心式压缩机，这是因为这种压缩机流速低，可实现多级调，这是因为这种压缩机流速低，可实现多级调节，且现有产品选择余地大。节，且现有产品选择余地大。第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组 在在.石油公司的巴丹石油公司的巴丹LNGLNG工厂，丙烷压缩机的叶轮直径工厂，丙烷压缩机的叶轮直径1500mm1500mm，实际操作吸入流量约为实际操作吸入流量约为190000m190000m/h/h。这种离心式压缩机为。这种离心式压缩机为4 4叶轮结构叶轮结构（2+1+12+1+1）由于提供给压缩机第一级的体积流量较大，因此施加于初级）由于提供给压缩机第一级的体积流量较大，因此施加于初级丙烷制冷的负荷相对较高。对于能力达丙烷制冷的负荷相对较高。对于能力达3.963.9610106 6t/at/a的的LNGLNG生产厂，也生产厂，也可将每级丙烷压缩的实际吸入量限制到可将每级丙烷压缩的实际吸入量限制到190000m190000m/h/h。为此，可采用。为此，可采用6 6叶叶轮（轮（2+2+22+2+2）结构的压缩机进行）结构的压缩机进行3 3级预冷或采用级预冷或采用5 5叶轮（叶轮（1+1+1+21+1+1+2）结构）结构的压缩机进行的压缩机进行4 4级预冷。这几种结构都已在现有级预冷。这几种结构都已在现有LNGLNG工厂中获得了成功工厂中获得了成功的运用。的运用。2022-10-4LNG27五、驱动机的选择五、驱动机的选择 对于对于LNGLNG生产，可供选择的压缩机驱动装置（原动机）有：生产，可供选择的压缩机驱动装置（原动机）有：电动机、电动机、蒸气涡轮机和燃气涡轮机蒸气涡轮机和燃气涡轮机。选择原动机时，应认真考虑和分析这样一些。选择原动机时，应认真考虑和分析这样一些因素：因素：总体设计依据，总体设计依据，工艺选择设计，工艺选择设计，原动机的使用经验，原动机的使用经验，对公用设施的影响，对公用设施的影响，环境影响，环境影响，安全性，安全性，可靠性，可靠性，可维修性，可维修性，投资和操作费等。投资和操作费等。第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组2022-10-4LNG28第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组1.1.电动机电动机 在基本负荷型在基本负荷型LNGLNG工厂中采用电动机作压缩机原动机的情况较少。工厂中采用电动机作压缩机原动机的情况较少。2.2.蒸汽透平蒸汽透平蒸汽透平已成功地用于基本负荷型蒸汽透平已成功地用于基本负荷型LNGLNG生产。生产。3.3.燃气透平燃气透平选用燃气透平作压缩机的原动机。选用燃气透平作压缩机的原动机。2022-10-4LNG29第二节第二节 换热器换热器液化工艺液化工艺换热器类型换热器类型说明说明阶式循环、两级阶式循环、两级MR板翅式板翅式每条生产线需每条生产线需2台台单级单级MR工艺工艺绕管式：铝壳、铝管绕管式：铝壳、铝管单级单级MRC3-MR绕管式：铝壳、铝管绕管式：铝壳、铝管每条生产线每条生产线1台，由台，由23组组管束组成管束组成在LNG生产中选用的换热器有绕管式、板翅式和管壳式几种类型，见下表。它们的主要功能有：对原料气进行预冷和液化，提供酸气脱除、分馏装置和公用设施所需的冷量。其中对原料气进行液化是这种设备的最大功能。2022-10-4LNG30一一.绕管式换热器绕管式换热器 基地型基地型LNGLNG工厂多采用大型立式绕管式换热器作主换热。工厂多采用大型立式绕管式换热器作主换热。直径可达直径可达4.2m4.2m，高，高54m54m，重，重240t240t。中心心轴上缠绕上许多管条，其长度可达中心心轴上缠绕上许多管条，其长度可达80m80m，管条端，管条端头连接到管板上。管条内为高压气体或液体，制冷剂通过冷头连接到管板上。管条内为高压气体或液体，制冷剂通过冷却套在管条外循环。在这种换热器内可以却套在管条外循环。在这种换热器内可以同时冷却几种流体同时冷却几种流体，冷却面积可达冷却面积可达10000m10000m2 2。第二节第二节 换热器换热器2022-10-4LNG31第二节第二节 换热器换热器2022-10-4LNG324.1 LNG4.1 LNG液化主要设备液化主要设备二、板翅式换热器二、板翅式换热器2022-10-4LNG33第二节第二节 换热器换热器1.板翅式换热器的基本计算(一)选择翅片光直型翅片适用于温差和压差比较大的情况，反之则应选用锯齿形翅片；锯齿型翅片适用于粘度大或有杂质析出的状况；在有相变（冷凝、蒸发）等的情况下，则宜选用光直型或多孔型翅片。放热系数大的一侧宜选用低而厚的翅片；放热系数小的一侧尽量选用高而薄的翅片。图5.4 翅片的几何参数种类种类尺寸尺寸2022-10-4LNG34第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机一、气（液）膨胀机原理一、气（液）膨胀机原理 2022-10-4LNG35第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机三、气（液）膨胀机的基本计算三、气（液）膨胀机的基本计算（1 1）实际气体的焓）实际气体的焓理想气体焓值对于纯组分理想气体理想气体焓值对于纯组分理想气体 (5-51)(5-51)对于混合理想气体对于混合理想气体 (5-52)(5-52)式中式中 H H0 0理想气体混合物的焓值，理想气体混合物的焓值，kJ/kgkJ/kg；h h0 0m m组分组分m m理想焓值，理想焓值，kJ/kgkJ/kg；T T温度，温度，K K；y ym m各组分的摩尔分率，各组分的摩尔分率，%；m m 组分数；组分数；A Am m、B Bm m、C Cm m、D Dm m、E Em m、F Fm m组分组分m m的常数。具体常数值可查美国石油学会（的常数。具体常数值可查美国石油学会（APIAPI）数据手册。数据手册。54320TFTETDTCTBAhmmmmmmmmmmhyH002022-10-4LNG36实际气体焓值实际气体焓值H)0(0)(0)()0(00cmmRcmmRcmmcRTHHRTHHRTHHRTHHmHH式中式中 简单流体和参考流体的实际焓；简单流体和参考流体的实际焓；混合气体的实际焓。混合气体的实际焓。（5-53）2022-10-4LNG37第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机2022-10-4LNG38第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机2022-10-4LNG39第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机2022-10-4LNG40第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机 在进行工艺计算时。主要计算指定膨胀后压力在进行工艺计算时。主要计算指定膨胀后压力P P2 2下的膨胀温度。所涉及的下的膨胀温度。所涉及的计计算步骤算步骤归结如下：归结如下：计算膨胀机入口条件下的计算膨胀机入口条件下的H H1 1、S S1 1 在膨胀机出口压力在膨胀机出口压力P P2 2下假定出口温度下假定出口温度T T2 2 作平衡闪蒸计算，求作平衡闪蒸计算，求H H2 2、S S2 2和汽化率和汽化率e 比较比较S S1 1=S S2 2？计算等熵出口焓差计算等熵出口焓差H H1 1-H H2 2 计算实际出口焓计算实际出口焓2H 计算实际出口温度和实际功计算实际出口温度和实际功 是是否否2022-10-4LNG41第五章第五章LNGLNG生产主要设备生产主要设备习习 题题1.1.在选择制冷压缩机时需要计算哪些参数？在选择制冷压缩机时需要计算哪些参数？2.2.小型液化天然气工程，制冷压缩机一般选什么形式的？为什么？小型液化天然气工程，制冷压缩机一般选什么形式的？为什么？3.3.如何选择压缩机的驱动机？如何选择压缩机的驱动机？4.4.说明绕管式换热器的原理？说明绕管式换热器的原理？5.5.说明板翅式换热器的特点，如何选型计算？。说明板翅式换热器的特点，如何选型计算？。6.6.气（液）膨胀机的作用是什么？一般用在什么地方？气（液）膨胀机的作用是什么？一般用在什么地方？7.7.说明气（液）膨胀机原理和计算方法。说明气（液）膨胀机原理和计算方法。2022-10-4LNG42