撬装天然气液化装置——偏散天然气的“夺宝奇兵”
撬装天然气液化装置——偏散天然气的“夺宝奇兵”
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撬装天然气液化装置
撬装天然气液化装置紧凑高效，移动方便，具有高度的集成化和自动化；制造和施工周期短，初始投资低，有利于滚动发展；突破了技术瓶颈，达到了国际领先水平，是真正意义上的偏散天然气超级“夺宝奇兵”。
Background
Knowledge
顾名思义，“天然气”是一种天然存在的 气体 ，它主要储存在地下岩层中，主要成分是 甲烷 ，一种“三无”气体： 无色、无味、无毒 。天然气燃烧后就变成了水和二氧化碳，因此相比于其他两种广泛应用的化石燃料——煤炭和石油，它是一种 非常清洁的化石能源 。提高天然气的消费占比，可以显著降低气体及固体颗粒污染物的排放，对于缓解我国严峻的空气污染现状，优化能源结构，促进社会可持续发展具有重大意义。
然而2015年天然气在我国一次能源消费中的 比重只有6%，远低于24%的世界平均水平 。于是国务院制定的能源发展战略行动计划（2014—2020年）提出，要大力发展天然气，计划到2020年天然气在一次能源消费中的比重 提高到10%以上 。
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1 2015
年中国一次能源消费占比
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2 2015
年全球一次能源消费占比
我国天然气的获取有两种途径：一是通过管道、船运等方式从国外进口；二是从国内的天然气、油气田井中开采出来经天然气液化装置液化后运输。天然气之所以要被液化，是因为它不同于煤炭和石油，是一种密度很低的气体，非常不利于运输。 天然气变成液体以后的体积是相同质量气体的 1/625 ，这样就使得其运输变得非常便利。
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3 大型LNG运输船
Operator
Principles
那么该如何将天然气液化呢？答案是让它降温：通过天然气液化装置，将热量从气态天然气不停地转移到外部环境，温度随之逐渐降低， 当低至-162℃左右时，天然气就会成为液体 。-162℃可是一个非常低的温度，设想一下自然界所能达到的最低温度也只有-94.5℃，于1967年在南极洲沃斯托克湖被探测到。
图 4 南极洲沃斯托克湖
要想理解天然气液化装置的工作原理确实不太容易，不过可以联想一下水泵，它将水从低处不断泵送到高处，这个过程需要消耗能量，比如电能；我们可以把天然气液化装置类比为水泵，只不过它泵送的不是水而是热量。 这套“热量泵”通过消耗电能，将热量源源不断地从温度低的天然气泵送到温度高的外界环境，从而实现了天然气的降温乃至液化。
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天然气液化装置工作原理（类比水泵）
天然气液化装置运用内部循环流动的“制冷剂”（又 叫“工质”） 作为天然气与外界环境之间热量传递的载体，它有几个非常重要的部件： 压缩机 （将电能转化为机械能，为整个系统提供动力，推动制冷剂流动）， 换热器 （实现低温流体与高温流体之间的热量交换，吸收天然气的热量，向外界释放热量）， 油分离器 （从油润滑的压缩机出来的制冷剂会含有少量的润滑油，润滑油没有制冷能力还会堵塞管道，影响系统的效率，因此需要油分离器把制冷剂和润滑油分离开来）等。
Technological
Innovations
电视里高耸入云的大型天然气液化工厂令人印象深刻，然而这些笨重的大家伙只能有效利用集中分布的常规天然气，而对于总体储量巨大、局部储量分散、分布异常广泛的非常规偏散天然气源（煤层气、气田分散单井气、页岩气、油田伴生气、工艺放散气等）却变得“笨手笨脚”、无计可施，这有点类似于“高射炮打蚊子”的道理。这时候就需要一种 机动灵活、高度集成的可移动式液化装置 ，以区域内多套装置集群使用代替大型液化工厂：一来可以大幅降低开发项目的启动资金，缩短制造和施工周期，实现滚动发展；二来可以“打一枪换一个地方”，有效回收分布偏散的天然气资源。
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6 大型
天然气液化工厂
撬装天然气液化装置就能起到上述的作用。所谓撬装，可以理解为轻便、可移动，它们就如同一群“身怀绝技”的“探宝者”，对偏散天然气源这一庞大而又分散的“宝藏资源”实行精准捕获收集，是真正意义上的偏散天然气源超 级“夺宝奇兵”， 身怀四大“绝技” 。
一套高效的流程将多个独立的设备连接为一个整体，共同担负起天然气液化的任务。这两者就如同项链的链条与珠宝之间的关系：一条合适的链条，将多个分散的珠宝恰如其分地串在一起，形成了一件精美的艺术品。
传统的大型液化系统这套“老式珠宝”采用固定的“链条”，为了适应这一“链条”采用了造价高昂且笨重的“珠宝”——多级无油高压压缩机。这种高端压缩机在国际上只有少数几家专业公司能够制造，处于设备垄断的状态；而且由于流程的设备要承受很高的工作压力，其壁面要非常的厚实，导致制造成本很高、技术难度很大。
另一方面，空调、冰箱等领域具有成熟的制冷压缩机，效率高、成本低、性能可靠、来源广泛， 但因为缺乏相匹配的低压高效液化流程而无法在撬装液化装置中应用 。这是一种价廉 物美的“珠宝”，但却和老式的“链条”不匹配。这时候，我们应该打破常规的用“珠宝”适应“链条”的老思路，转而改进原有的“链条”来匹配“珠宝”。
如何改进呢？有以下三点：
① 新型分凝分离子流程 ，用单台压缩机，利用低温流体提供冷凝分离驱动力，在换热器内部就能实现满足要求的分离效果；
② 混合工质双循环低温液化子流程 ，使用第二制冷循环，在提高安全性的基础上增加了制冷量；
③ 混合工质节流制冷子流程 ，通过设置外输管路实现冷量的远距离传输；
通过这种采用油润滑单级螺杆压缩机的技术，装置调节能力增强，设备维护成本和频率降低。
图7 单级油润滑压缩机驱动低压液化流程技术
所谓“祸福相依”， 上面的流程改进技术解决了压缩机的问题，但是也增加了换热器的负担 ，不仅直接影响换热器的性能而且间接影响整个系统的性能，需要更加优秀的换热器。这就好比，为了匹配一颗精美绝伦的“珠宝”所采用的“链条”，对包括换热器在内的其他“珠宝”提出了更高的要求。
高效紧凑的多股流换热器可以适应这一高要求，这个技术 对板翅式换热器的流道翅型结构进行优化 ，通过调节流道的尺寸，改变流道的截面积，进而调控流体在换热器中的流动速度，从而获得更高的换热性能。
这样一来，换热器结构更加紧凑、换热效率更高，从而大幅度降低装置的高度， 更加有利于整体撬装运输 。
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8 高效紧凑的多股流换热技术
长寿命低成本的油润滑单级螺杆 压缩机这颗“珠宝”需要另一颗新的“珠宝”与之相匹配——油分离器。这是因为从压缩机出来 的制冷剂会携带少量润滑油进入换热器，为了避免润滑油在低温下成为固体堵塞流道，必须要将润滑油高效分离出去。 然而现有的普通油分离器体积庞大并且无法满足撬装液化装置的要求 ，而增加润滑油精滤系统将进一步增大装置体积，使装置难以撬装，并且会大幅度提高生产成本。
一种新型深度分离技术专门解决上面提到的问题：设计出一种高效油分离器， 集成离心分离、挡板变流向以及多孔介质过滤的多种分离效应 ，可以使制冷剂与润滑油达到深度分离。
应用这种技术，在不需要增加精滤系统的情况下，低成本地解决了压缩机润滑油与混合制冷剂的分离问题，避免了润滑油在换热器中的低温固体堵塞，这样一来液化装置就可以长时间安全平稳运行。
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9 润滑油与混合制冷剂的深度分离技术
有了上面的一套稳定高效的流程和若干件性能优越的设备，接下来需要做的就是如何把这条“链条”和 若干“珠宝”完美地 串接在一起，并且进行清洁、检测和包装。撬装式天然气液化装置集成技术便呼之欲出，这个技术包括一系列适应项目需求的、低成本的生产工艺和技术装备： 液化装置整体结构布局及集成工艺及设备，混合工质的标准化充配工艺及设备，装置清洁及快速检漏工艺及设备，整体液化性能测试平台 等。依托这些生产工艺和技术装备，实现了撬装式天然气液化装置完全工厂化生产以及测试，极大降低了现场施工周期，大幅提高了规模生产效率，降低了生产成本。
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撬装天然气液化装置模型图
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撬装天然气液化装置实物图
Achievement
Transformation
集以上四种“绝技”之大成，系列规格撬装天然气液化装置技术这一超级“夺宝奇兵”终于横空出世，并且形成 日液化量5000至100000标准立方多种规格的系列产品 。具有初始投资低、运行稳定可靠、紧凑高效、移动方便等特点， 在降温速率、系统功耗、硬件成本等指标方面优于国内外类似液化装置，其单位功耗与国内外日液化量数十万至数百万标方规模的固定式装置相当 ，体现了显著的技术进步，具有很强市场竞争力，有力推动了我国自主天然气液化设备的开发和生产。
该项目已 授权发明专利17件，发表论文100余篇，SCI论文60余篇，专著1部 。自2012年逐步实施产业化，已有 12套不同规格的撬装液化装置实现了现场应用 ，另有5套装置在生产及现场调试，累计占据国内日液化量十万标准立方米及以下的撬装液化装置 市场份额近半，销售收入近3亿元 。2016年上半年累计签订合同额约6000万，其中包括3套6万方井口天然气液化装置，用于 内蒙鄂尔多斯大牛地气田3组天然气井口 。1套2万方煤层气液化装置，用于 山西潞安矿务局金源煤层气公司 ，项目地点位于长治市高河镇。
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内蒙古鄂尔多斯偏散井口气液化装置
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陕西延安撬装石油伴生气液化装置
Social
Benefits
这项技术发明的应用，实现了对广泛分布于全国各地的偏散天然气源的低成本液化回收，避免了因排放或燃烧带来的环境污染，具有显著的社会效益。
能源消费调整是当前经济转型的必然要求，同时也是着眼可持续发展，促进经济效益与环境效益协调共进的必然结果。这项技术发明的应用可以有效推动天然气的使用。而作为最清洁高效的化石能源，天然气的使用可显著减少二氧化硫、氮氧化物及固体颗粒的排放，有效 改善大气环境、保护生态环境 。据估算，应用撬装天然气液化装置 每年回收利用天然气近亿标方，减少碳排放近13万吨 ，推动落实《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》，推动实施京津冀地区能源利用清洁化的“煤改气”工程。
中国的偏散天然气源主要分布在西北部地区，该地区的传统民用燃料是木材，这就造成了森林砍伐和植被破坏。这项技术发明的应用可以有效 促进中西部地区地方能源气化的实现，推广民用天然气，改善城市环境质量，缓解乡村因森林砍伐、植被破坏所带来的环境压力 。
应用这项技术发明生产的撬装液化装置已有12套实现了现场应用，每年回收天然气近亿标方，部分运往首都城市圈。 优化了首都地区的能源结构，推动了京津冀地区“煤改气”工程加速实施；可以取代储气罐进行城市天然气LNG调峰，调整城市天然气需求负荷，满足了首都经济高速发展对天然气利用的需求。
这项技术发明的应用可以 推动天然气汽车等清洁能源产业发展，结合物联网技术推动传统产业优化升级，为加快首都地区地毯城市建设，打造绿色之都，实现“北京蓝”做出积极贡献。
撬装天然气液化装置技术虽然得到了广泛肯定和有效应用，然而距离全国乃至世界范围内的推广应用还有很长的路要走。我国偏散天然气源分布非常广泛、储量非常巨大，其充分回收需要诸如此类技术的大力推广和应用，我们有理由对撬装天然气液化装置技术的前景保持乐观，对偏散天然气源回收利用的未来充满期待！
来源： 混合工质制冷 微信公众号