海上浮式LNG預處理工藝系統(tǒng)適應性分析

摘 要

摘要：浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置(LNG-FPSO)集海上天然氣的凈化、液化、儲存、裝卸和外運為一體，是一種新型海上氣田開發(fā)技術。在該技術中，天然氣的預處理是一個關鍵環(huán)節(jié)，直接影
摘要：浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置(LNG-FPSO)集海上天然氣的凈化、液化、儲存、裝卸和外運為一體，是一種新型海上氣田開發(fā)技術。在該技術中，天然氣的預處理是一個關鍵環(huán)節(jié)，直接影響到后續(xù)工藝及整個裝置的正常運行。陸上天然氣預處理工藝已較成熟，而浮式LNG預處理系統(tǒng)由于受到海上特殊環(huán)境的限制，其工藝及設備的選擇、布置與陸上有較大差別，研究分析陸上各種預處理工藝及設備對浮式生產(chǎn)裝置的適應性，對LNG-FPS0的設計意義重大。給出了海上浮式LNG預處理工藝系統(tǒng)的設計原則及研究思路，分析了現(xiàn)有各種預處理工藝對浮式生產(chǎn)裝置的適應性，初選了各種雜質(zhì)的凈化方法。為減少浮式生產(chǎn)裝置運動對工藝及設備性能的影響，給出了設備在浮式生產(chǎn)裝置上的布置及選型的建議。
關鍵詞：浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置；預處理工藝；適應性分析
Adaptability Analysis of Offshore Floating LNG Pretreatment Process System
ZHANG Chun，TANG Jianfeng，LI Yuxing，LIN Riyi，WANG Shengji
Abstract：LNG floating production，storage and offloading(FPSO)unit is a new exploitation technology of offshore gas field that integrates purification，liquefaction，storage，loading，unloading and transportation of offshore natural gas.In this technology，natural gas pretreatment is a critical link that directly affects the nornlal operation of subsequent processes and the total unit.At present，onshore natural gas pretreatment process is very mature but due to the limitation of special marine environment，the selection of offshore process and equipment is very different from that of onshore process and equipment.Thus，it is of great significance to study the adaptability of various onshore processes and equipment for LNG-FPS0 design.The deign principle and research idea of offshore floating LNG pretreatment process system are given，the adaptability of existing various pretreatment processes is analyzed，and the purification method of various impurities is primarily selected.In order to reduce the influence of floating production facility movement on the performance of the process and equipment，suggestions on layout and selection of floating production facilities are made.
Key words：LNG floating production，storage and offloading(FPSO)unit；pretreatment
process；adaptability analysis
1 概述
    近年來，隨著全球天然氣勘探與開發(fā)的逐漸深入，越來越多的深海氣田、中小型邊際氣田及伴生氣田被發(fā)現(xiàn)。海上天然氣的開發(fā)不僅環(huán)境嚴峻、技術難度大、投資巨大，而且建設期長、資金回收期長、風險較大，不適于采用海上固定式平臺開采。浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置(LNG Floating Production Storage and Offloading Unit，簡稱LNG-FPSO)集海上天然氣的凈化、液化、儲存、裝卸和外運為一體，是一種新型海上氣田開發(fā)技術。該技術具有造價低、建造期短、便于遷移、可重復使用、遠離人口密集區(qū)、對環(huán)境的影響較小等優(yōu)點，可以靈活適應海上天然氣田的生產(chǎn)狀況，特別適用于深海和近海海域天然氣的開采[1～2]。
    在浮式LNG生產(chǎn)工藝中，天然氣的預處理是一個關鍵環(huán)節(jié)，直接影響到后續(xù)工藝的正常運行。目前，陸上LNG裝置的預處理工藝系統(tǒng)已比較成熟。然而浮式LNG生產(chǎn)裝置由于受到海上特殊環(huán)境的限制，要求所采用的凈化工藝不僅要適應氣源條件，還應具有流程簡單、設備緊湊、占用空間小、適用性強、安全可靠等特點，以滿足海況條件復雜變化的要求。其工藝及設備的選擇、布置與陸上預處理工藝有很大差別，還有許多關鍵技術有待解決，目前該項技術研究仍處于初期階段。
2 設計原則與研究思路
    海上浮式LNG預處理工藝系統(tǒng)的設計原則可大體概括為：①滿足天然氣凈化指標要求，在技術上可行；②適應海上浮式生產(chǎn)裝置的特點，即要求設備及工藝簡單，占用空間小，重量輕，適應范圍廣；③綜合經(jīng)濟效益要好。要綜合評價一種預處理工藝系統(tǒng)，即從初期投資、雜質(zhì)凈化效果、生產(chǎn)運行費用及維修周期等多個方面進行對比和評價，最后篩選出一種技術上適用、經(jīng)濟效益好的工藝系統(tǒng)。
    在進行浮式LNG預處理工藝及設備的選擇時，除了要考慮氣源條件(如天然氣組成、流量、壓力、溫度等)外，還應考慮海域的海況及環(huán)境因素，例如風速、波浪、海流速度、大氣溫度、壓力、相對濕度等。預處理工藝各有其特點及適用條件，在進行浮式LNG預處理工藝選擇時。應根據(jù)海上氣田的具體情況，按照造價低的原則，綜合考慮各種因素，對每種預處理工藝進行可行性研究，經(jīng)過對比分析，最后選擇出一種較為合理的方案。目前，浮式預處理技術研究仍處于初期階段，針對現(xiàn)狀可初步給出浮式LNG預處理工藝系統(tǒng)研究的思路框圖，見圖1。
 

    結(jié)合圖1，目前面臨的主要問題有：①由于浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置漂浮在海上，受風浪、氣候、海流等因素的影響，船體的穩(wěn)定性比固定平臺差，因此浮式LNG預處理工藝系統(tǒng)在設計時，要充分考慮浮式生產(chǎn)裝置運動對設備性能的影響。然而目前該項研究還存在許多不足，國內(nèi)沒有成熟的實驗研究裝置，還有許多未解決的技術問題。②工藝及設備關鍵點參數(shù)的確定尚不完善，只能通過相關軟件或借鑒現(xiàn)場經(jīng)驗確定，與海上工況還存在一定差別，尚不能很好地反映海上實際運行情況。
3 預處理工藝及設備的適應性分析
    天然氣的預處理是指深度脫除原料氣中的H2S、CO2、H2O、重烴、汞及芳香烴等雜質(zhì)，以免這些雜質(zhì)腐蝕設備及在低溫下凍結(jié)而堵塞設備和管道，此外，為了減少LNG的蒸發(fā)損失，還應控制原料氣中氮氣、氦氣等惰性氣體含量[3～4]。
3.1 脫酸氣
    在天然氣液化裝置中，常用的脫酸氣方法有3種，即醇胺法、熱鉀堿法和砜胺法。下面對這3種方法進行簡單比較[5]。
    ① 醇胺法
    醇胺法利用以醇胺為溶劑的水溶液，與原料天然氣中的酸性氣體發(fā)生化學反應來脫除天然氣中的酸性氣體。該法目前已相當成熟，可同時脫除C0，和H2S，尤其適用于酸性組分分壓低或要求酸性組分含量低的場所。
    醇胺法的主要缺點有：①有些醇胺溶液與COS和CS2的反應是不可逆的，會造成溶劑降解損失，故不宜用于COS和CS2含量高的天然氣脫酸氣；②醇胺溶液具有腐蝕性；③醇胺溶液作為脫酸氣溶劑，其富液在再生時需加熱，不僅能耗較高，而且高溫下醇胺易發(fā)生熱降解，損耗較大。
   ② 熱鉀堿法
   Benfield法是目前熱鉀堿法中使用最為廣泛的方法。其吸收劑是由碳酸鉀、催化劑、防腐劑和水組成的混合物，可同時脫除H2S和C02，在酸氣分壓較高時使用較為經(jīng)濟。該法的吸收溫度較高，凈化程度好，對含有大量二氧化碳的原料氣尤為適用。Benfield法已被世界上600多座天然氣預處理裝置所采用。
    ③ 砜胺法
    砜胺法是近年來使用最為廣泛的化學一物理溶劑法，其吸收溶劑是由物理溶劑環(huán)丁砜、化學溶劑二異丙醇胺或甲基二乙醇胺和少量水組成。該法兼有物理溶劑法和化學溶劑法兩者的優(yōu)點，具有能耗低、裝置處理能力大、腐蝕輕、不易發(fā)泡、溶劑變質(zhì)輕等優(yōu)點，對中、高酸氣分壓的天然氣有廣泛的適用性，同時具有良好的脫有機硫的能力。在脫除H2S及C02的同時脫除有機硫的工況，國內(nèi)外都首選砜胺法。該法的缺點是對烴類有較高的溶解度，會造成有效組分的損失[5～6]。
   ④ 其他方法
   由以上分析可知，這3種脫酸氣方法具有不同的應用場所，因此脫酸氣工藝的選擇應視原料氣的具體組成而定。除了上述3種方法之外，近年來又開發(fā)了一些新型凈化工藝，如膜分離法、吸附分離技術等。
    天然氣膜分離法是近20多年來發(fā)展起來的新技術，具有造價低、操作簡單、重量輕、占地面積小、能耗低，在脫除酸性氣體的同時可脫去大部分水蒸氣，裝置無運動部件且體積小，不易受外部環(huán)境的影響等優(yōu)點，對于海上浮式生產(chǎn)裝置具有較大的吸引力。但膜分離技術通常只能用于酸氣含量高的場所，而且只能作為H2S和C02的粗級凈化。當原料氣中C02體積分數(shù)高于2%時，可采用膜分離法和醇胺法相結(jié)合的酸氣凈化系統(tǒng)[7～8]。
3.2 脫水
    目前常用的天然氣脫水方法主要有冷卻法、吸收法、吸附法、膜分離法、超聲速脫水法，5種脫水方法的對比分析如下。
   ① 冷卻法
   冷卻法脫水利用壓力不變時天然氣含水量隨溫度降低而減少的原理實現(xiàn)天然氣脫水。此法只適用于大量水分的粗分離，其脫水深度達不到天然氣液化前對水露點的要求，須與其他方法結(jié)合使用。
    ② 吸收法
    甘醇法是吸收法中使用最為廣泛的一種方法。該法具有造價較低、壓力降較小、可連續(xù)操作、補充甘醇較容易等優(yōu)點，并且可方便應用于某些固體吸附劑易受污染的場所。該法的缺點是：a.天然氣的水露點要求低于-32℃時，需采用汽提法進行再生，能耗較高。b.甘醇受污染或分解后具有腐蝕性。甘醇法脫水的露點降通常為30～60℃，適用于大型天然氣液化裝置中原料氣所含的大部分水分的脫除。
    ③ 吸附法
    吸附法脫水能夠提供非常低的水露點，可使天然氣水露點降至-70℃以下，水的體積分數(shù)可降至0.1×10-6以下；對氣溫、流速、壓力等變化不敏感；沒有腐蝕、形成泡沫等問題。其主要缺點是：基本建設造價高，一般情況下壓力降較大，吸附劑易中毒或破碎，再生時需要的熱量較多?，F(xiàn)代液化天然氣工廠采用的吸附脫水方法大都是分子篩吸附脫水[9]。
   ④ 膜分離法
   膜分離法可同時脫除天然氣中的C02、H2S及水。該法的優(yōu)點是：a.對氣體處理量和C02的含量不存在上限的問題，操作費用較低，造價與甘醇法相當；b.靈活性大，適應性強；c.設備結(jié)構簡單緊湊，占用空間小，重量輕；d.對環(huán)境產(chǎn)生的影響較小?，F(xiàn)場試驗證明，在不同的操作條件下，膜分離法能使水露點降到-48℃以下，水的體積分數(shù)＜100×10-6。
    膜分離法用于天然氣脫水有其內(nèi)在的優(yōu)勢，潛力較大。但是從目前的應用角度來看，該法在工業(yè)上尚未得到廣泛應用。在現(xiàn)有條件下膜的性能尚存在不穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)脫水工藝相比，膜分離法脫水在烴損失、濃差極化、膜的塑化等方面仍存在著挑戰(zhàn)[10]。
    ⑤ 超聲速脫水法
    超聲速脫水法利用天然氣在超聲速狀態(tài)下的蒸汽冷凝現(xiàn)象進行天然氣脫水。該法的優(yōu)點是：a.工藝簡單，設備少，裝置易橇裝；b.可靠性很高，允許在苛刻環(huán)境中運轉(zhuǎn)；c.能夠在瞬間啟停，無需大量的外部能源供應；d.造價低，操作方便，可靠性高，不需外加動力，運行費用低。然而該法的脫水深度不高，通常達不到LNG裝置對原料氣的凈化指標要求[11]。
   ⑥ 比較結(jié)果
   由以上對比分析可知，冷卻脫水只適用于大量水分的粗分離。膜分離法及天然氣超聲速脫水系統(tǒng)雖然具有設備簡單、占地面積小、操作靈活等優(yōu)點，但其脫水深度達不到天然氣液化前含水量的要求，尚不能直接用于天然氣液化裝置。由于甘醇法脫水所采用的脫水劑為液體工質(zhì)，浮式生產(chǎn)裝置的運動易導致液體分布不均，造成傳質(zhì)效果惡化，從而降低吸收效率，故該法不適用于海上浮式生產(chǎn)裝置。
    與其他方法相比，吸附法中的分子篩脫水法不僅具有脫水效果好、可達到液化裝置脫水深度要求(水體積分數(shù)＜0.1×10-6)的優(yōu)點，而且作為吸附法的一種，針對浮式LNG生產(chǎn)裝置的特點，分子篩脫水還具有較大的優(yōu)勢：a.流程簡單，設備少，體積小。b.海上浮式生產(chǎn)裝置的特點是比較機動、靈活，開停方便，由于受臺風等因素的影響，運行可能不連續(xù)。吸附法可以間歇工作，可適應浮式LNG裝置的特點。c.浮式LNG生產(chǎn)裝置經(jīng)常會發(fā)生一定程度的傾斜，吸附過程不存在液體工質(zhì)，且氣體的均勻分布又不受塔體傾斜的影響，因此無需為考慮傾斜而放大裝置尺寸。
    鑒于分子篩脫水工藝在浮式LNG凈化方面具有的獨特優(yōu)勢，故建議采用分子篩脫水法。此外，當原料氣含水量較高時，可先用冷卻法、膜分離法或超聲速法脫除大部分的水分，再采用分子篩工藝進行深度脫水。
3.3 脫重烴
    在天然氣液化裝置中，進液化單元的原料氣中重烴質(zhì)量濃度不應高于70mg/m3。在用分子篩吸附脫水時，重烴可被部分脫除，但通常達不到凈化要求，余下的重烴通常采用冷凝分離法除去。
    根據(jù)制冷方式的不同，冷凝分離法可分為制冷劑制冷、節(jié)流制冷、膨脹制冷3種。制冷劑制冷過程中天然氣的壓力損失較小，當天然氣采用混合制冷劑液化工藝時使用此法較為經(jīng)濟。節(jié)流制冷的優(yōu)點是簡單易行、設備造價低，在原料氣壓力很高、有剩余壓力可供利用時可采用此法，但通常不能使重烴含量降低至所要求的值。膨脹制冷過程制冷溫度較低，可達到天然氣液化前對重烴含量的要求，且操作簡單、易于模塊式橇裝，用于天然氣液化過程具有較大的優(yōu)越性。
    此外，若在浮式生產(chǎn)裝置上實現(xiàn)C3、C4(或稱LPG)與天然汽油(C5+)的分離，則還需采用輕油穩(wěn)定塔。塔器是實現(xiàn)氣液傳質(zhì)的設備，浮式生產(chǎn)裝置的運動對塔器的傳質(zhì)效果影響較大，塔器的設計需充分考慮浮式生產(chǎn)裝置各種不利因素的影響。因此，是否要在浮式生產(chǎn)裝置上實現(xiàn)LPG與天然汽油的分離，應視原料氣中C3、C4及C5+含量多少進行技術經(jīng)濟比較后確定。
3.4 其他雜質(zhì)的脫除
    天然氣中除了含有水、酸性氣體、重烴外，還含有汞、芳香烴(主要是苯)、氮氣等雜質(zhì)。
    在天然氣凈化中，國內(nèi)外常用的脫汞方法主要有HgSIV吸附劑脫汞和浸漬硫活性炭脫汞，兩種方法均可應用于海上浮式LNG生產(chǎn)裝置。HgSIV吸附劑是由美國UOP公司研發(fā)的一種新型脫汞材料，該吸附劑具有良好的汞清除特性并且可再生，可同時對氣體干燥并除去Hg。在Pacific Rim的一個LNG工廠中，該吸附劑的功效能使Hg含量從25μg/m3降至0.01μg/m3。目前該法已經(jīng)投入工業(yè)應用[12]。美國Calgon公司活性炭分公司研制的一種專門用于從氣體中脫除汞的浸漬硫活性炭HGR，具有良好的脫汞效果，并可再生。我國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所南京科技開發(fā)總公司研發(fā)的浸漬硫活性炭性能相當于美國Calgon公司的浸漬硫活性炭。該吸附劑可國產(chǎn)化，目前已成功應用于海南海然天然氣液化裝置[13～14]。
    在天然氣脫苯中，常用的方法有吸收法和吸附法。吸收法脫苯工藝采用的吸收劑為異戊烷。目前國內(nèi)已有廠家研制出異戊烷脫苯方法，并已應用于河南中原綠能高科有限責任公司LNG工廠[15]。然而由于該法采用的吸收劑為液體工質(zhì)，浮式生產(chǎn)裝置的運動不利于傳質(zhì)過程的進行，故不適用于海上浮式LNG裝置。吸附法脫苯工藝常用的吸附劑為活性炭，活性炭吸附脫苯技術具有工藝流程簡單、造價低、能耗少的優(yōu)點”[16]，并且浮式生產(chǎn)裝置運動對其影響較小，在浮式LNG凈化方面表現(xiàn)出較大的技術優(yōu)勢，故建議采用活性炭吸附脫苯工藝。
    氮氣一般采用最終閃蒸的方法從液化天然氣中選擇性地脫除。
3.5 凈化設備
    浮式生產(chǎn)裝置因海上環(huán)境的變化(風、浪、流)會產(chǎn)生一定自由度的運動，主要有6種形式的運動：縱蕩(surge)、橫蕩(sway)、垂蕩(heave)、橫搖(roll)、縱搖(pitch)和首搖(yaw)，其中前3種屬線性運動，后3種為角度運動。對工藝設備性能影響較大的運動形式主要有4種：縱搖、橫搖、垂蕩和縱蕩[17]。
    浮式LNG預處理工藝系統(tǒng)中，受浮式生產(chǎn)裝置運動影響較大的設備主要是氣液接觸和傳質(zhì)的設備，即各類塔器和分離器。為了減少浮式生產(chǎn)裝置運動對工藝設備性能的影響，可采取以下措施：
    ① 合理布置容器，盡可能減少設備的運動振幅，壓載系統(tǒng)必須保證浮式生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)。對浮式生產(chǎn)裝置危害最大的運動是縱搖，故工藝容器的軸向應當布置成沿最小的縱搖方向，并盡可能靠近浮式生產(chǎn)裝置的重心，使得垂蕩運動保持最小值。
    ② 合理設計容器的尺寸和內(nèi)件。增加臥式容器的直徑，減少長度，減少浮式生產(chǎn)裝置運動的影響；增加容器內(nèi)堰板的數(shù)量，初級撓動會降低，而次級撓動會增加，因此為使總的撓動達到最小值，應當優(yōu)化堰板的數(shù)量，并改進堰板的形式，可減少橫搖運動對臥式容器性能的影響?，F(xiàn)場試驗表明，經(jīng)特殊內(nèi)件設計的臥式容器經(jīng)受6°的橫搖和3°的縱搖時，仍能保證滿意的操作。
    ③ 對于浮式生產(chǎn)裝置，塔器應優(yōu)先選擇填料塔設備。填料塔工作性能穩(wěn)定，比塔盤塔有利于傳質(zhì).且減小了塔徑和整體高度。最小化塔尺寸和重量對于減小浮式生產(chǎn)裝置彎曲撓度和晃動引起的剪切力是非常必要的。填料塔是天然氣液化流程中最高、最重的設備(尤其是原料氣壓力高時)，應布置在浮式生產(chǎn)裝置的中軸線上。由于液化及分餾模塊中的蒸餾塔的直徑和高度遠小于吸收塔和再生塔，對塔盤、堰板進行改進后，可以選用塔盤塔。
    此外，20世紀70年代末出現(xiàn)的一種新型高效傳質(zhì)設備——超重力技術的旋轉(zhuǎn)填充床(又稱超重力機)，克服了傳統(tǒng)塔器的缺點，逐漸受到關注。超重力機是利用高速旋轉(zhuǎn)的填料床產(chǎn)生的強大離心力強化傳質(zhì)與混合過程的新型設備。該設備具有體積小、傳質(zhì)效率高、能耗低、物料停留時間短、運行平穩(wěn)可靠、耐振動及顛簸、維修方便等優(yōu)點，對于海上油氣田的開發(fā)具有很大的吸引力[18]。在天然氣脫酸氣工藝中，采用超重力機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的吸收塔及再生塔強化傳質(zhì)與反應過程，將是一項革新性技術。
4 結(jié)論
    海上浮式LNG預處理工藝系統(tǒng)的設計應根據(jù)海上氣田的具體情況，按照造價低的原則，綜合考慮各種因素，對每種預處理工藝系統(tǒng)進行可行性研究，經(jīng)過對比分析，最后選擇一種較為合理的方案。本文提出了預處理工藝系統(tǒng)研究的思路框圖，對比分析了現(xiàn)有預處理工藝對浮式生產(chǎn)裝置的適應性，初步選擇出了各種雜質(zhì)的凈化方法。浮式生產(chǎn)裝置的運動對工藝設備的性能產(chǎn)生一定影響，為了減少浮式生產(chǎn)裝置運動的影響，給出了設備在浮式生產(chǎn)裝置上的布置及選型方面的建議，對于海上浮式預處理工藝系統(tǒng)的設計具有一定的指導意義。
    目前，海上浮式預處理工藝系統(tǒng)的研究仍處于初期階段。為確保實際裝置的安全性、經(jīng)濟性及可靠性，除了理論分析之外，還應運用實驗及模擬軟件等手段研究海洋環(huán)境中浮式LNG預處理工藝系統(tǒng)的實際運行情況。
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(本文作者：張春1 唐建峰1 李玉星1 林日億1 王盛吉2 1.中國石油大學(華東)儲建學院 山東青島 266555；2.中石化勝利油田分公司東辛采油廠 山東東營 257000)