天然气液化技术与应用研究

小芸

天然气液化技术与应用研究
作者姓名郭彦鑫
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2020-1-8 22:29 上传

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指导教师姓名、职称陈军斌教授互土高工
学科领域石油与天然气工程
提交论文日期年月日学位论文创新性声明
论文作者签名：日期：、
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成
果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他
人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位
或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做
了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
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公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接
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论文作者签名：够和日期：沙乂
导师签名：曰期：■
注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出（含解密年限等。中文摘要
论文题目
专业
硕士生
导师
天然气是一种高效、优质、清洁的能源，低温液化后体积缩小倍，十分有利于
运输和储存。我国天然气液化技术是一项新兴的技术，正在迅速发展。本文结合实际情
况，对天然气低温液化工艺流程做了详细分析与研究。
文中介绍了国内外天然气液化技术的发展和现状，重点讨论了天然气预处理和液化
工艺技术。在天然气预处理工艺流程中，对预处理过程中的常用方法进行了比较，给出
了天然气脱酸性气体、脱水、脱硫等典型工艺流程；液化工艺流程中，通过对各种常见
的现代天然气液化流程特点的分析，给出了流程的选择和设计原则。然后，确定了以
方程和方程作为计算天然气液化相平衡的基础模型并结合精度较高的方程来
计算混合物的焓和熵，给出了液化流程中的主要设备和混合制冷液化流程的模拟计算方
法。
根据延长油田某井区天然气的气质特点，通过对比分析，确定了天然气预处理及混
合制冷剂循环液化天然气的方案。混合制冷剂循环液化天然气流程是目前
世界上应用最广泛的工艺。同时，结合流程图对其中主要的操作单元作了详细的说明。
在流程设计中釆用了较先进的技术，对全国类似气源的油气田有一定的借鉴作用。
最后，讨论了液化天然气冷能利用的方式，指出利用冷能将有利于提高
的利用效率。
关键词：液化天然气液化流程预处理混合制冷剂循环热力学模型冷能利用
论文类型：应用研究
天然气液化技术的研究与应用
石油与天然气工，郭彦鑫签名陈军斌签名
王宁波签名、
摘要英文摘要
，
，
、
，目录
目录
親
目的及意义
国内外研究现状
本文研究的主要内容
第二章天然气预处理的方法
天然气脱水的方法
冷却脱水法
吸附脱水法
吸收脱水法
膜分离法脱水
脱水方法的比较
天然气脱酸性气体的方法
脱其他杂质的方法
本章小结
第三章天然气液化装置及流程
天然气液化装置
基本负荷型天然气液化装置
调峰型液化天然气装置
浮式液化天然气生产储卸装置
液化天气接收终端
天然气液化流程
级联式液化流程
混合制冷剂液化流程
带膨胀机的液化流程
液化天然气装置的主要设备
压缩机
透平膨胀机
换热器
液化天然气泵
本章小结
第四章天然气预处理及液化流程的设计应用
原料气组成及产品要求
原料气组成目录
产品要求
预处理方案
脱除酸性气体
财
脱汞
脱重烃及脱苯
液化流程设计方案
工艺流程分析
脱酸性气体流程
脱水脱萊流程
天然气液化的流程
辅助系统的流程
模拟计算结果
本章小结
第五章液化天然气冷能利用
冷能利用方式
冷能的直接利用法
冷能的间接利用方法
本章小结
第六章结论及建议
號
致谢
辦爐
攻读硕士期间发表的论文第一章绪论
第一章绪论
目的及意义
液化天然气（，简称是经过液化处理后以液体状态存在
的天然气，天然气液化后其体积缩小倍。对于液化天然气其优点非常的多，主要表
现在几个方面：①方便了储存和运输、降低了储运成本；②它的热值非常高，能够用作
发电及交通运输工具的燃料；③可能够用于燃气的调峰，缓解城市内高峰能源的紧张状
态；④增强了储运机动性并且不会受至于天然气的气源和管网限制，可弥补管道天然气
使用上的局限性⑴。
液化天然气是当今世界增长最快的能源。年世界贸易量达标
准状态，已占世界天然气总贸易量的近年平均年增长率。我国也开
始越来越重视天然气的开发和利用，液化天然气技术的开发和产业的发展体现出良好的
发展势头。
我国从世纪年代就开始着手液化天然气的研究，技术和设备日渐成熟，然而
工业在我国还是个新兴产业。很多技术和设备尚处于空白状态，亟需研究和开发。
基于这种情况，全面、细致的研究天然气液化流程对我国今后发展工业具有非常
重要的现实意义。
国内外研究现状
液化天然气工业是世纪初才发展起来的，然而发展的比较快速。在世纪的
年，美国最早开始了工业规模的天然气液化和开发方面的工作研究。年，卡波特
第一个获得了天然气的气化储存和运输的美国国家专利，同年卡波特建立世界
上第一家液化甲院工厂在美国的西弗吉利亚地区，并且进行甲烧液化的生产。年，
提出用液化天然气调节城市供气高峰负荷的英国埃吉汤工程师将天然气液化并
储存，用于冬季供气负荷和应急事故时的供应等。年，英国气体公司决定和康斯托
克公司签订合同，进行引进液化天然气以补充在城市供气紧张时的使用，而且建起世界
上第一个液化天然气接收基地，储存液化天然气并为调峰使用。年，美国一家公司
建造了世界上第一艘液化天然气运输船，起名叫一“甲烧先锋”号。开启了液化天然气
应用时代。
自年代起，全世界生产装置的数量和规模不断增加，己投入生产的
装置目前达多套。其中左右是调峰型装置，它们主要分布在北美。最大的
工厂在马来西亚鼓蒂，其天然气处理能力为。随着液化天然气产量和需求
的逐步增长，液化天然气技术的应用日益成熟，范围日益扩大，液化天然气已经成功地
用作汽车燃料，并且可以用作发电厂的燃料也可以利用冷能发电。一些国家正在
研究用作火车及飞机的替代燃料。西安石油大学硕士学位论文
我国虽于年在四川建成了国内第一个天然气提氮工厂可联产，但总体来
我国的工业仍处于起步阶段。我国的液化天然气事业真正开始规模化生产还始于
上个世纪年代。此后，中科院低温中心同四川省绵阳燃气集团总公司、中国石油天然
气总公司勘探局、吉林油田管理局等单位共同研制出两台国产天然气液化设备，一台天
然气液化设备容量为，并釆用天然气自身压力膨胀进行制冷循环。另一台容量
为天然气液化装置，釆用了氮气膨胀闭式制冷循环。年，该装置在中原油
田试车成功标志着我国工业化迈出了关键的一步。
随着上海浦东事故调峰型液化装置的建成投产、新疆广汇液化装置的建
设和深圳大鹏湾秤头角接收终端的开工建设为我国的液化天然气工业发展拉开了
序幕。
小型天然气液化装置
我国有台主要小型天然气液化装置见表，分别由中国科学研究院低温中心与
吉林油田和四川绵阳同长庆油田联合研制的其研制的目的是为了有效地的开发利用边
远小气田、油井残气和沼等。
表国内小型液化天然，装置的基参数
制造投产原料气量液化能力液化进气压外输压自耗气量工艺
厂家日期（率％力力方式
四川膨胀
年
绵阳制冷
吉林氮气循
年
油田环制冷
长庆气波膨
建设中
油田胀制冷
中国科学院北京科阳气体液化技术联合公司与四川绵阳市科阳低温设备公司合作研
制的天然气液化装置，是用作为民用和工业气调峰的，作为气代油的示范工程项
目。在年建成该装置后，它提供液化天然气给汽车。该气化装置能够充分利
用天然气其自身的压力，采用气体透平膨胀机制冷并使天然气液化，还可以用于民用天
然气关键时刻的调峰或生产。该工艺流程其实非常合理，技术也较为先进。这套装
置很少消耗水及电能，我们认为它属于节能环保工程。但是它有一个缺点那就是液化率
非常的低，约左右，这是与它的设计原则基本相符的。
对于吉林油田的液化天然气装置来说，它是由吉林油田及中科院低温中心与中国石
油天然气总公司联合开发的撬装式工业试验装置，它在年月整体试车成功以后。
氮气为冷剂的膨胀机制冷循环工艺技术被用在了此装置中，并且该装置使用个撬块组
成，设备全部是国产化的。整个装置的应用采用了气体轴承透平膨胀机和国产分子蹄深第一章绪论
度这样的技术可以脱除天然气中的、水等杂质简单工艺流程，撬装结构的使用，
都是以小型装置的特点为主的。
大庆油田和胜利油田的小型天然气液化装置正在筹建中。虽然这些装置液化能力较
低，液化成本高还没有形成商业化规模，但是小型液化天然气装置的研制与开发，为我国
探索天然气液化技术提供了宝贵的经验。
中原天然气液化装置，
河南中原绿能高科有限责任公司天然气净化液化处理工厂为我国第一套商业天然气
液化装置，是石化集团公司重点建设项目，并被国家经贸委列为重点技术创新项目。该
液化装置于年月建成由法国索菲燃气公司设计使用丙焼和乙稀为制冷剂的复叠
式制冷循环属于基本负荷型液化装置，一期生产能力为，二期计划扩建为
。原料气的入口压力为温度为，甲院含量为知。，液
化率达到。主要工艺为，高压原料天然气经分离、脱水、脱、脱烃，再经过阶
式制冷，温度从常温降到°，得到产品。
该装置成为了第一台我国实现商业化的天然气液化装置的标志，它的产品可以通过
罐车向河南、广东、山东、安徽和北等地供气并且满足了城市中燃气和工业用燃
气的需要。此设备既有两座容量为液化天然气储罐可满足正常生产时天的产
品储存量。
世界工业处于大发展时期，已成为世界上贸易量增长最快的一次能源。
在我国，既好又快地发展工业，可起到弥补石油资源的不足、提高能源供应的多
元化、逐步提高我国环境质量的作用。液化天然气的发展主要有以下趋势：
加快小型天然气液化装置的发展
小型天然气液化装置可用于开发利用边远小气田、油井残气等多种气源。小型液化
装置管网的限制，使零散气源和边远小气田也能进入天然气终端市场。小型天然气液化
装置可用作城市调峰用气。小型天然气液化装置生产的，也可为车辆提供燃
料。因此加快小型天然气液化装置的研发具有重要的现实意义。
加速液化天然气设备的国产化
在液化天然气流程中涉及到很多设备，如压缩机、栗、换热器等，加速这些低温设
备的国产化，可以降低成本，增强我国液化天然气工业的经济效益，提高液化天然气工
业的发展水平。
制定适合国情的液化天然气标准
国外工业起步早，发展快。欧、美等国家已建立了完善的标准体系。而
国内的工业起步晚，尚未确定完整的标准体系。建立适合我国国情的，并与
国际接轨的标准体系，对于规范行业生产、评定产品质量都有重大作用。
开发新型液化流程
由于装置的投资巨大，必须根据具体情况，对不同液化流程的投资成本、功西安石油大学硕士学位论文
耗、运行要求进行全面的对比分析。综合考虑各种液化流程的技术特点，开发适合我国
国情的新型液化流程。
发展大型液化天然气储槽技术
液化天然气的储存多采用大型储槽的形式，其最大容量已达到，液化天
然气低温储槽也是接收终端的一个重要环节，也关系到我国天然气资源储备，因
此发展液化天然气大型储槽技术意义重大。
经济快速发展加大了对清洁能源的需求量，作为一种优质、高效的清洁能源，
弥补了管道天然气的缺陷，具有很好的应用前景。在我国，液化天然气还是个新兴产业，
跟国际上各进出口国相比有一定差距，因此必须从液化天然气的生产及应用等各
个环节上进行研究，开发适合国情的液化天然气装置，从而提高我国液化天然气工业的
发展水平。
本文研究的主要内容
本文研究的主要内容有：
介绍了国内外液化天气技术的发展及趋势。
对比分析了天然气预处理过程中脱除酸性气体、脱水、脱硫及脱其他杂质的主要
方法及典型的工艺流程。
研究讨论了各种天然气液化技术的装置及流程。
依据天然气液化工艺中方程和方程，得出计算天然气液化相平衡的基础
模型，用方程来计算混合物的洽和炮。
针对延长气田某油井天然气的气质条件，选用合理的净化和液化方法，给出了一
套液化天然气工艺流程方案，并进行了详细的分析说明。
为提高液化天然气的利用效率，总结了液化天然气冷能利用的方式。第二章天然气预处理的方法
第二章天然气预处理的方法
天然气的液化一般包括天然气预处理过程和天然气液化过程两部分。天然气进入液
化装置和设备前，必须进行预处理。天然气的预处理是指脱除天然气中的硫化氢、二氧
化碳、水分、重烃和萊等杂质，以免这些杂质腐蚀设备及在低温状态下产生冻结而堵塞
设备和管道；另外还包括需要脱除多余的氮气、氦气等。由于清除掉了不利于天然气液
化流程顺利进行的成分，因此它是比管输气更为清洁的燃料。
对于调峰型液化天然气工厂，其原料气大多都是净化过的管输天然气，但由于管输
天然气的质量标准比液化前对原料气的气质要求低，因此对管输气还需进行再次净化。
基本负荷型液化天然气一般工厂靠近气源建立，井口气虽经过简单处理，但其中杂质含
量仍然较高。因此进行天然气液化前，一定要脱除原料气中的有害杂质及深冷过程中可
能固化的物质。表给出了基本负荷型工厂预处理指标及限制依据。
表负荷型工厂预处理指标及限制依据
杂质预处理指标限制依据
水
硫化物总量
萊
芳香族化合物（或
注：为无限制生产下的累积允许值；为溶解度限制；为产品规格。
天然气脱水的方法
天然气中水气的存在，减小了输气管道对其他有效组分的输送能力，降低了天然气
的热值；在天然气液化装置中，在低于零度时水常常会以冰霜的形式在换热器和节流阀
的工作部分冻结；并且，天然气和水凝结成了天然气水合物，它是一种半稳定固态化合
物，能够在零度以上形成化合物，它常常引起我们装置的管线、喷嘴及分离设备被堵塞。
为了避免天然气中由于水的存在造成堵塞现象，通常须在高于水合物形成温度时就将原
料气中的游离水脱除，使其露点达到以上。目前，可用于天然气脱水的方法有：
冷却脱水法、液体吸收脱水法、固体吸附脱水法、膜分离脱水法等。
冷却脱水法
冷却脱水是利用压力不变时天然气的含水量随温度降低而减少的原理，实现天然气西安石油大学硕士学位论文
脱水的一种方法。该方法用于天然气中大量水分的粗分离，又细分为以下几种方法：
直接冷却法
降低气体温度和增加气体压力都会使天然气中的水分液化。直接冷却法是当压力不
变时，天然气的水含量（即饱和水蒸气含量）随温度降低而减少。如果气体温度非常高
时，采用直接冷却法也是经济的。
加压冷却法
当在较高压力下，加压天然气水含量减少，同时将气体加压并使得部分水蒸气冷凝，
并把冷凝后的气液从压缩机出口分离排出。但是由于冷却脱水往往不能达到气体露点的
要求，故常与其他方法结合使用，这就是加压冷却法。
膨胀制冷冷却法
我们可直接利用井口的压力，把井口高压气体进行节流，把压力降低到管输气的压
力，根据焦耳汤姆逊效应，在降低压力过程中，天然气温度也相应降低。天然气中水的
含量很高，若露点在节流后的温度以上，则节流后便会有水得析出，从而达到脱水的目
的。
机械制冷冷却法
对于低压伴生气，可以釆用机械制冷方式（多采用蒸汽压缩制冷）获得低温，可以使天
然气中更多径类气体（同时还有水蒸气）冷凝析出，达到控制点、回收烃、又同时脱水
的目的。
吸附脱水法
吸附是指一个或多个组分在界面上的富集（正吸附或简单吸附）或损耗（负吸附）。
其机理是在两相界面上，由于异相分子间作用力不同于主体分子间作用力，使相界面上
流体的分子密度异于主体密度而发生“吸附”。天然气的吸附脱水则是利用该原理，釆用
有效的固体吸附剂实现对天然气脱水的目的。固体吸附脱水法中经常使用的吸附剂有：
活性炭、分子蹄、活性氧化银、桂胶等。
活性炭的脱水能力甚微，主要用于从天然气回收液烃。现代液化天然气工厂采用的
吸附脱水方法大多用分子蹄吸附。在天然气液化或深度冷冻之前，要求先将天然气的露
点降低至很低值，此时用分子蹄脱水比较合适。吸附脱水法对气温、流速、压力等变化
不敏感；相比之下没有腐烛、起泡等问题。它存在主要缺陷是基本投资建设费用很大；
一般情况下它压力降非常的髙；
吸附脱水通常适用于小流量气体的脱水。然而大流量、高压天然气的脱水问题，如
果要求的露点降为°时，通常釆用甘醇吸收脱水比较经济；如果要求露点降为
°时，我们通常采用甘醇法和吸附法均可，并可以参照其他的影响因素确定采用
什么方法；如果要求的露点高于，我们通常考虑吸附法脱水。表列出了一组釆
用分子蹄脱水的典型操作条件。第二章天然气预处理的方法
分子蹄脱除天然气中水分的典型操作条件
操作条件
天然气流量、
天然气进口含水量、饱和
天然气压力
吸附循环时间
天然气出口含水量或一°露点
干燥装置尾气，压力等于或低于原料气压力，根据再压缩条件需
再生气体
再生气体加热温度：床层进口
吸收脱水法
吸收脱水是利用溶剂与水的亲和力，用吸湿性液体（或活性固体）吸收脱除天然气
中的水蒸气。用作脱水吸收剂的物质常具备以下特性：①对天然气有很强的脱水能力，
粘度小，热稳定性好，脱水时不发生化学反应。②不易起泡和乳化，对天然气和烃的溶
解度较低。③对设备无腐烛性，容易再生，价格低廉等。
现在广泛使用的脱水吸收剂有：甘醇胺、二甘醇、三甘醇溶液等醇类吸收剂。
膜分离法脱水
天然气膜分离技术是利用特殊设计和制备的高分子气体分离膜，对天然气中酸性组
分的优先选择渗透性。当原料天然气流经膜表面时，其酸性组分（如、和少量
优先透过分离膜而被脱除掉。图示出膜分离法基本原理。
原料夭然气产品天然气
渗透废气
液联
图膜分离法脱水基本原理
天然气膜分离法脱水是近年来发展起来的新技术。它具有投资少、低能耗、维修保
养费用低、环境友好及结构紧凑等优点。膜分离法脱水具有较大的发展潜力和广阔的应
用前景，尤其适用于海上采油平台等对空间要求较严格的场所。另外，膜分离法在天然
气脱水同时，还可以进行部分轻径回收。膜分离脱水材料主要有聚砜、醋酸纤维素、聚
酰亚胺等，通常制备成中空纤维或卷式膜组件
脱水方法的比较西安石油大学硕士学位论文
综合以上介绍的四类脱水方法的原理及适用范围，对其进行比较，如表所示
表彳天巧气脱方法较
脱温大气露点安装运转分离
类别方法主要设备适用范围
度°面积维修理论
冷冻机、换热器、
冷却脱加压、降温、节
低大中凝聚或节流设备、透平大量水分的粗分离
水流、制冷方式等
膨胀机
女液仆装置中脱
吸收脱醇类脱水吸收吸收塔、换热器、’
中大难吸收除原料气所含的大
水剂栗
部分水分
吸附脱活性氧化锅、硅吸附塔、换热器、要求露点较高或小
高中中吸附
水胶、分子蹄转换开关、鼓风机流量气体的脱水
净化厂集中脱水和
膜分离中膜换热器、过滤器、
吹扫、真空小易透过集气站、边远井站单
法脱水高真真空栗
井脱水
天然气脱酸性气体的方法
天然气最常见的酸性气体是、、。含有酸性气体的天然气通常称为酸
性气体或含硫气。酸性气体不但对人身体有害，对设备管道有腐烛作用，而且因其沸点
较高，在降温过程中易呈固体析出，故必须脱除。
脱酸性气体的方法一般可分为化学吸收法、物理吸收法、联合吸收法、直接转化法、
非再生性法、膜分离法和低温分离法等。其中采用溶液或溶剂作脱硫剂的化学吸收法、
物理吸收法、联合吸收法及直接转化法，习惯上统称湿法；釆用固定床脱硫的海绵铁法、
分子蹄法统称为干法。表列出了有代表性的天然气脱酸性气体的方法及其原理和重
要特点。
表天然气脱酸性，体的方法
类别重要特点
、、、
化学吸靠酸碱反应吸收酸净化度高，适应性宽，
、、
收法气，升温脱除酸气经验丰富，应用广泛
等
再生能耗低，吸收重
物理吸靠物理溶解吸收酸
等轻，局净化度需要特
收法气，闪蒸脱除酸气
别再生措施第二章天然气预处理的方法
联合吸丨，兼有化学物理吸收脱有机硫较好，在生
收法法两者的优点能耗低，吸收重经
靠氧化还原反应，直接转、、、、集脱硫与硫回收为一
将氧化为元素
化法等体，溶液硫降低‘
非再生与反应，定期简易，废液需妥善处、、等
性法
膜分离吐靠气体中各组分渗能耗低，适合于处理、、、等
法透速率不同而分离髙气
低温分
、等靠低温分馏而分离用于驱油伴生气
离法
利用固体脱硫剂表适于含不高和含
干法海绵铁法、分子蹄法面对酸性气体的吸水量较低，再生温度
附作用
脱除酸性气体常被称为脱硫。在净化天然气时，可同时考虑脱除和：，因为
醇胺法和分子蹄吸附净化中，这两种组分可以一起被脱除。
对于天然气的脱硫，根据天然气的特点，选择方法时不仅需要考虑脱硫方法本身，
还要综合考虑对于下游设备工艺的影响、投资及操作费用、环境保护等。在具体的天然
气液化装置中，目前常用的脱硫方法有三种，即醇胺法、热钾碱法、砜胺法。
醇胺法：利用以胺为溶剂的水溶液，与天然气中的酸性气体发生化学反应，脱除天
然气中酸性气体。其原理为弱酸和弱碱反应形成水溶性盐类的可逆过程。这种方法可同
时脱除和。目前主要采用一乙醇胺及二乙醇胺为溶剂，当原料气中含有，
采用一乙醇胺法；若原料气中含有大量的和时，一乙醇会发生降解，要用二乙
醇胺法净化。
砜胺法：工艺流程与醇胺法相同，只是使用的吸收溶液不同。砜胺法的溶液包含有
物理吸收溶剂和化学吸收溶剂。通过物理与化学作用，选择性的吸收或同时吸收原料气
中的和，然后在常压（或稍高于常压）下，将溶液加热再生以供循环使用。物
理吸收溶剂是环丁砜，化学吸收溶剂可以用任何一种醇胺化合物。
热钾碱法：工艺的工艺流程与醇胺法相近。此外，为了适应各种净化气的
不同要求，同时降低能耗、提高效率、在原有基础工艺流程上又出现了、
等工艺流程。溶剂是碳酸与催化剂、防腐剂的多组分水成混合物。
供气压力在以上，酸性气体超过的工作条件，他都可以适应。碳酸钾水溶液
吸收生产碳酸氣钟，碳酸氢钾加热后分解释放出。
、醇胺法、热钾减法和砜胺法是目前天然气脱除酸气工艺中最常用的方法，它们各有西安石油大学硕士学位论文
特点，根据不同的天然气条件被广泛地应用。
脱其他杂质的方法
天然气脱除天然气中的其他杂质，包括脱除重经、萊、氮气、氧气、氦气等。
脱重烃
重烃通常指的烃类。在经类中，分子量由小到大时，其沸点是由低到高变化的，
所以在冷凝天然气的循环中，重烃总是先被冷凝下来。如果未把重径先分离掉，或在冷
凝后分离掉，则重烃将可能冻结，从而堵塞设备。用分子筛、活性氧化物或桂胶吸附脱
水时，重经可被部分脱除。但不能使重轻的含量降低到很低的要求，余下的重烃需用深
冷分离法脱除。
脱衆
极微量的萊含量足以给招制设备带来严重的破坏，而且萊还会造成环境污染，以及
检修过程中对人的危害，所以萊的含量应受到严格的控制。现代工业的去除方
法是使用可以再生的衆吸附剂。它可以同时对气体进行干燥并去除，能使
量从降至。美国匹兹堡公司，研制了一种专门用于从气体
中脱除亲的硫浸煤基活性炭。日本东京的公司，采用了一种新的吸收剂
用于净化天然气中的亲。它能使亲含量减低至以下，比的性能优良。
脱除氮气和氧气
当天然气中的氮含量越多，液化天然气越困难，以致液化过程的动力消耗增加。氧
气液化温度与氮气相近（常压下。高温下，氧气的存在还会导致净化溶液降解。对
于氮气，一般釆用最终闪蒸的方法从液化天然气中选择性地脱除氮气。当天然气中氮气
含量高，且液化后用于调峰时，可考虑釆用氮甲焼膨胀液化循环。
如果原料气中含有、量较大（如煤层气），需要对、和分离提纯
。目前提纯技术有：低温深冷分离技术；研究机构采用金属基液体吸收剂吸收
脱除（尚未现场试验；工艺利用碳氢溶剂脱除；膜分离法；变压吸附（技
术。
脱除氦气
天然气中氦的体积分数为，是氦气生产的主要来源。我国天然气中氦的含
量很低，若仅用传统的深冷法制取高纯氦气（》则需液化最大的甲烧和氮，
经多次提浓，能耗大、成本高，操作费用高。膜分离法从天然气中提氦有一定的优势。
目前已开发出能从贫氦天然气中提浓氦的工业化气体分离膜，但高纯氦的收率不高。因
此利用膜分离技术和深冷分离技术相结合的方法，即采用联合法从天然气中提取氦气，
在经济上具有较强的竞争力。
本章小结第二章天然气预处理的方法
本章讨论了天然气预处理过程中，脱除水分、脱除酸性气体、脱除其他杂质的一般
方法，并对这些常用的脱除方法的基本原理、重要特点和适用范围等进行了比较。结合
以上分析，在选择预处理方案时，应根据天然气的组成，液化工艺的要求，操作环境和
建设成本等，综合考虑后选用合适的脱水、脱酸性气体和脱杂质的方法。西安石油大学硕士学位论文
第三章天然气液化装置及流程
天然气液化装置有天然气预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统和消防系统
等组成。天然气液化流程是其最重要的组成部分。另外，液化天然气接收终端和浮式液
化天然气生产储卸装置，也是液化天然气装置中的两个重要组成部分。
天然气液化装置
天然气液化装置是一整套复杂庞大的系统。按照生产液化天然气的用途分为：基本
负荷型天然气液化装置和调峰型天然气液化装置两种。这两种装置因其用途不同，其液
化流程也有所不同。
基本负荷型天然气液化装置
基本负荷型天然气的液化装置是生产用来供当地使用的液化天然气或用了进行外运
的大型液化设备，由天然气的液化系统、预处理系统、装卸设施和消防安全系统等组成。
目前，因采用了比以往更大的设备，此类大容量装置经济性较好，并且装置容量有
了很大的上升，液化和储存连续进行，液化能力每天在万以上，大型的基本负荷
型液化装置的液化能力每天达到万。其工厂多建在气源附近，生产大量的液化
天然气供应给远距离的用户，每天可将的天然气液化，最大可达到
此外，储罐容量也较大。
基本上天然气的远洋运输都使用基本负荷型天然气液化装置，用它在国际间进行
贸易。除了被用于液化装置和公用工程以外，还需要在相应的输入国家，建设
港口接收站，储罐、配备卸货的装置设备、运气设备与汽化装置等。基本负荷型天
然气液化装置的投资非常高其中大多数在十几亿美元左右。由于该项目得投资非常巨大，
项目大多由资金雄厚的国际大公司如道达尔、壳牌等合资建设。
调峰型液化天然气装置
调峰型液化天然气装置指为调峰负荷或补充冬季燃料供应的天然气液化装置，调峰
型天然气液化装置全年分为个阶段运行，即液化阶段、备用阶段和蒸发输送阶段。
液化阶段周期在天范围内变化，将上游剩佘的天然气液化。备用阶段将液化天
然气存放在储罐中。蒸发输送阶段是将存的液化天然气汽化后，再送入天然气管网。
与基本负荷型天然气液化装置相比，调峰型装置的生产规模相对较小，但忙
存和汽化的容量较大，通常汽化能力是液化能力的倍。典型的调峰型工厂的
液化能力为，制冷动力大约为，存容量为
。调峰型天然气液化装置远离气源地，通常在大城市附近。
随着我国西气东输工程的实施，为保证用户用气的稳定性，调峰型天然气液化装置
是一个很好的选择。在国外，调峰型天然气装置多建于世纪年代，主要建于第三章天然气液化装置及流程
欧洲和北美，仅美国和加拿大就建有多套。此外，英国、德国、中国、澳大利亚以
及其它以天然气为主要燃料的国家也建有这类工厂。
浮式液化天然气生产储卸装置
世界各国都对开采利用海上天然气资源高度重视。海洋蕴藏着丰富的天然气资源，
约占世界天然气总量的。目前，我国海上采油过程中的伴生气只有很少一部分得到、
应用（主要是用作采油平台上能源，大部分伴生气都不得不点火烧掉，据统计，每年烧
掉的海上石油伴生气约在亿以上，既是很大的资源浪费，又污染环境。因此，迫
切需要将海洋石油伴生气资源进行回收利用，随着海上大型气田数量减少，海洋天然气
开发已经从大规模集中型逐渐转向小规模分散型，边际气田开发日益受到重视。
作为一种新型的边际气田开发技术，浮式液化天然气生产储卸装置，集生产、
储存与卸载于一身，简化了边际气田的开发过程，有投资低、建设周期短、便于迁移等
优点。对于建设浮式液化天然气装置经常从以下几个方面进行研究：
总体布局
浮式液化装置的总体布局，既要保证液化流程的紧凑、高效，又要考虑火炬
福射对设备的影响、储槽的安全性，以及系泊系统、卸货系统的可靠性等诸多问题。
液化工艺流程
装置被作为天然气的液化工艺的关键环节，在整个装置运行过程中其合理
性和适用性直接受到影响。液化流程在海上的复杂条件下必须适应如下要求
流程简单，设备紧凑，占地少，在海上的安装需要能够满足；②液化流程中要有有
制取制冷剂的能力，对产地不同的天然气要有较强适应性强，热效率要较高；③安全可
靠，它的性能不应受到船体的运动地影响；④操作要简单方便，开机停机要快。
此外，还包括其他的一些标准例如：维护方便、效能较高、较低的成本等标准。当
前离岸天然气液化流程有级联式、混合制冷剂循环（和膨胀机循环这些主要离岸
天然气液化流程的。的液化工艺特性的评价见表。
表的液化工艺的特性评价
项目级联式膨胀机循环
效率高低
设备数量中低
换热器绕管式板翅式绕管式板翅式
投资中高
经凑性高
抗震性中高
适用度中中高
净化工艺流程西安石油大学硕士学位论文
首先，天然气净化工艺流程必须考虑到狭小空间场地对装置尺寸的严格要求，
因此预处理流程不能完全遵循传统的基本负荷型和调峰型工厂设计原则。在这里，
要求充分考虑成本、效率、寿命和经济性。其次，净化流程和工艺要充分考虑波浪引起
的晃动对设备性能可能产生的不良影响。通过比较设备数量和占用空间、对船体稳定与
安全的影响等方面，得出小型装置采用吸附法脱水、脱硫具有较大优势，是
合理的选择。
储存系统
储存设施为浮式装置稳定生产提供足够的缓冲容积。首先，要关注
储存方式和安全性问题。储存时注意的低温特性和蒸发气体的可燃性。其次，储
层容量和形式。根据天然气液化装置每天的生产能力、比较合适的输出周期，以及设施
上的可用空间来确定比较合适的储存设备容量。储存容量确定以后，可根据储存容量来
选择储存设备的形式，通常采用船的球形液舱形式。最后，潜在风险和危害。海
上平台和设施上生产和储存，主要危险是：①低温对平台结构和设施
的损害；②储罐超压引起的蒸汽爆炸，继而引发的化学爆炸。
动力提供
与陆地工厂的另一个显著不同是，上动力必须自给。对主要动力消耗装置，
如压缩机的动力提供有两种方式：膨胀机直接驱动缩机和燃气轮机发电。建议采用燃
气轮机发电，以电力带动压缩机。
卸载系统
卸载系统一般包括船卸货方式、系泊方式、卸货臂、快速连接装置、紧急脱
离装置、潜液泉、外输是的处理、外输低温软管等。
总之，海上石油伴生气的液化及储存是一个复杂的系统工程，虽然世界上各大油气
公司都在大力幵展相关研发工作，但目前世界上还没有正式运行的浮式液化天然气装置。
液化天气接收终端
液化天气接收终端，是指接收用运输船从基本负荷型天然气液化装置中运来
的的装置。
液化天然气接收终端的主要功能是接收、储存和再汽化，并通过天然气管网向
电厂和城市用户供气。通过年的发展，在全世界己建或正在建设的陆岸液化天然气接
收终端有多个。陆岸液化天然气接收终端大的相关技术已经相当成熟，并且新型液化
天然气接收终端也在发展中。接收站的整体项目包括几个如下：接收站、配
套新建电厂、油电厂改造、接收站、输气干线项目和城市管网用户。位于深圳市大
鹏湾内种头角镇的接收站它的供气范围达到珠江三角洲及香港特区。是我国第一
座接收站。该接收站引进的预计以上用于工业和发电，其余作为民用燃气。
路岸液化天然气接收终端包括以下组成部分：第三章天然气液化装置及流程
卸料系统
根据码头接收品种单一、量大的特点，以及运输船的条件，一般配备
卸船码头一座，并在码头上舍友台直径卸料臂和台直径的蒸发气返
回臂。
储存系统
确定接收站储存能力的因素是多方面的，如运输船的容量、接收站
得外输要求，以及其他计划或意外情况，例如：运输船的延期或维修、气候变化等。
储罐罐容和储耀的类型，与采用的标准，接收站的站址条件等有关。目
前世界上的储罐以为主；地下储罐的最大罐容已达到，
地上储罐的最大罐容已达到。卸船时可以从储罐的上部管口
进入储罐，也可以通过内部插入管有底部进入储罐。该设计可使不同密度的
一不同方式进入储罐。
汽化
接收站常用的汽化器有：海水幵架式汽化器、浸没燃烧式汽化器、管壳式汽化
器等。由于海水幵架式汽化器具有可靠性高、运行费用低的特点，因而在接收站
常操作时，使用海水开架式汽化器；浸没燃烧式汽化器虽然投资小，但运行成本高，需
要消耗天然气来作为燃料，排放的尾气对环境造成污染，因此通常只作为调峰或海水开
架式汽化器维修时使用；如果在接收站的附近建有电厂，则管壳式汽化器是较好
的选择，因为管壳式汽化器的换热介质（如乙二醇）可以为电厂的换热器所利用，从而
有效利用的冷能。另外，管壳式汽化器适合于海水含沙量高的现场。
输送系统
对于釆用再冷凝工艺的接收站，输送系统通常采用两级录输送系统。即
低压输送粟把从储罐输送到再冷凝器后，在经过高压输送菜把输送到
汽化器
蒸发气（处理
按照对液化天然气储罐蒸发气的处理方式不同，分为直接输出法和再冷凝
法两种。直接输出法是将蒸发气压缩到外输压力后，直接送至输气管网；再冷凝法是将
蒸发气压缩到较低的压力通常为，与由低压输送菜从储罐送出来的
在再沸器中混合。再冷凝法可以利用的冷量，并减少了蒸发气压缩功的消耗，
节省了能。
公用工程
液化天然气接收站终端还包括供电、压缩空气、仪表空气及氮气供应、燃料气、生
活水、海水、消防、火炬和放空、污水处理、应急电源等各种共用工程和支持系统。
路岸液化天然气接收终端的确定是建设成本昂贵，建设周期长。随着全世界
需求增长迅速，使用改进功能的液化天然气运输船，使新型液化天然气接收终端也在不西安石油大学硕士学位论文
断发展，如码头汽化接收终端和海上汽化接收终端。
码头汽化接收终端：这种新汽化终端站得方案是使在船上再汽化，之后，再
将其运转至路岸天然气管线。这是英格兰北部近期幵放的港采用的方案，
是世界上第一个码头再汽化港口。为了停泊改良的运输船，港所需
的陆基基础设施，比常规的陆岸终端站要少。该项目仅用了不到一年的时间建成，其建
设耗费了千万英镑，是具有相似容量的传统陆岸终端站费用的十分之一。
再汽化运输船（泊于码头，在此进行再汽化，通过专门的卸
载臂卸载下高压天然气。天然气通过一个氮气混合设备，经有长的管线，最后通
过现有的气体处理设备，进入英国国家管网系统。再汽化运输船（具有以不同
方式卸载气体货物的灵活性。可以一气态形式运输到路岸集输终端站，也可以以液
态形式运送到常规接收终端站，还可以运输到海上港口。
海上汽化接收终端：海上港口多采用沉没式转塔输送（浮筒，有一系列钢缆
和铺固定在海底，作为再汽化运输船的系泊系统。一旦再汽化运输船到达一个深水港，
它将重新定位浮筒并与之连接，之后在船上进行再汽化。天然气将通过浮筒
卸载后，进入到通往海底管汇的烧性立管。之后，通过海底管线将其输送到岸。当
浮筒与再汽化运输船断开时，它将沉入足够深的地方，以避免影响到海面其他船的往来。
采用另一种新技术的海上能源终端在墨西哥湾建设。个接收和再汽化终端
站，将建在具阿拉巴马的岛％公里外地海上。这将是第一套采用技术
实现海上卸载的设备。再汽化单元利用海湾温和的海水，通过标准的
列管式汽化器进行再汽化。该单元包含一个移动的形终端，它由摩擦性附近系
统附着在运输船上，这样就避免了运输船和终端之间任何的相对运动；它也配备
了标准的再汽化装置（卸载臂、菜和汽化器），而且能够适应任何运输船，无
需改造或进行特殊装置。再汽化完成后，将通过烧性立管和海底管线输送到支持平
台，并进行气体计量。之后，天然气将被输送到一些临近的现有海底管线。
天然气液化流程
天然气液化的实质就是通过换热器把天然气中的大量热能排出，从而使得天然气达
到气态到液态的临界点一下，并将其液化，所以，制冷系统才是天然气液化流程的核心
部分。
当前对于天然气液化的工艺有很多，比较成熟的在世界上有：节流制冷循环、混合
冷剂制冷循环、膨胀机制冷循环。
世纪年代初天然气液化装置的建设，使用的技术是成熟的级联液化工艺。反
过来至年，使用简化了的混合制冷剂液化流程（。上世纪年代后，随着新
建设和扩建基本负荷天然气液化装置，几乎无一例外，丙焼预冷混合制冷剂液化工
艺公司的新模式被采用第三章天然气液化装置及流程
对于液化流程一下几个方面的因素需要考虑选择：液化流程的选择需考虑以下几方
面的因素：①尽量地选择标准件设备；②流程设计简单、成本低；③液化厂的用途和处
理问题的效率；④能够较好地应对原料气组分和大气环境的变化；⑤二氧化碳、氮氧化
物等的排放量少。
另外，考虑液化装置运行特点：液化流程的启动与停机时间、操作难度、运行功耗
与运行的可靠性等。液化流程的运行可靠性则与液化流程及机械设备的稳定性有关，还
与控制回路的复杂程度有关；不同的液化流程流程和设备，导致启动时间也不同。例如，
液化装置热应力的消除和流程设备的数量影响调峰型装置的启动时间，因此，为防止启
动装置时产生较大的热应力，必须保证设备的冷却速率在°之间。
所以，在选择液化流程时，必须根据具体情况，对不同液化流程的投资成本、功耗、
运行要求等进行全面对比分析，最终决定采用何种液化流程。
基本负荷型液化天然气装置常采用：阶式制冷循环、混合冷剂制冷循环和带预冷的
混合冷剂制冷循环液化工艺。这里列举了采用三种不同工艺技术的主要指标，如表
所示。
表三种液化装主要指标的比较
级联式液化流闭式混合制冷剂液化丙焼预冷混合制冷剂液
比较项目
化流程
生产液化天然气的气量
用作厂内燃料的气量
进厂天然气总量
丙焼压缩机—
乙稀压缩机——
制冷压缩机功甲焼压缩机——
率混合制冷剂压
—
缩机
总功率
换热器总面积翅片式换热器
绕管式换热器
需要钢材及合金
工厂总投资美元
级联式液化流程西安石油大学硕士学位论文
级联式液化流程的称呼很多，通常被称为阶式液化流程，复叠式液化流程，或串联
蒸发冷凝液化流程。它应用于基本负荷天然气液化装置。
三级独立的制冷循环组成了液化流程，制冷剂分别用丙烧、乙烯和甲焼，每一个制
冷循环应用三个换热器，在级联式液化流程中，较低温度级的循环把热量转移给相邻的
较高温度级的循环。第一级丙焼的制冷循环为天然气、乙稀和甲院提供冷量；第二级乙
稀的制冷循环为天然气和甲焼提供冷量；第三级甲院制冷循环为天然气提供冷量。通过
九个换热器的冷却，天然气的温度逐步降低直至液化。图为级联式天然气液化流程
不意图。
二冷却器：冷知水
各宏賴两細冷
孝姆￥乙通断
曙糾冷却水—純冷
鎮
…一
图级联式天然气液化流程示意图
丙焼制冷循环过程中，丙院经过压缩机压缩以后，用水冷却后节流、降压、降温，
一部分两院进入换热器吸收乙稀、甲烧及天然气的热量最后汽化，进入丙焼第三级压缩
机入口。经过节流、降温、降压把余下的液态丙烧，一部分丙烧进换热器吸收乙稀、甲
焼和天然气的热量后汽化，进入丙院第二级压缩机的入口。余下的液态丙焼再节流、降
温、降压，全部进换热器吸收乙稀、甲焼和天然气的热量后汽化，进入丙焼第一级压缩
机的入口。
乙烯制冷循环与两烧制冷循环的不同之处，就是经压缩机压缩并水冷后，先流经丙
焼的三个换热器进行预冷，再进行节流降温，为甲焼和天然气提供冷量。在级联式液化
流程中，乙焼可替代乙炼作为第二级制冷循环的制冷剂。
甲焼制冷循环中，甲焼压缩并水冷后，先流经丙烧和乙稀的六个换热器进行预冷，
在进行节流、降温，为天然气提供冷量。
级联式液化流程中，每级制冷循环都是三级压缩。在实际的循环中釆用的压缩级数
要综合考虑初投资费用、运行费用等多方面的因素来决定。级数多则初投资成本大、功
耗低、运行费用小；级数少，则初投资成本低，但功耗大、运行费用高。级联式液化流
程的突出缺点是流程设备多、流程复杂、初投资成本大。第三章天然气液化装置及流程
级联式液化流程的优点是：①制冷剂为纯物质，无配比问题；②技术成熟，操作稳
定；③能耗低。缺点是：①机组多，流程复杂；②管道与控制系统复杂，维护不便；③
附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备。、
混合制冷剂液化流程
年，美国的波特北尼克提出了混合制冷剂液化流程（，
的概念。之后法国公司的佩雷特，详细描述了混合制冷剂液化流程用于
天然气液化的工艺过程。
是以至的碳氢化合物，以及等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，
进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天
然气的目的。克服了级联式液化流程复杂的缺点，同时还能达到与其类似的液化程
度。自世纪年代以来，对于基本负荷型天然气液化装置，广泛采用了各种不同类
型的混合制冷剂液化流程。
与级联式液化流程相比，其优点是：①机组设备少、流程简单、投资省，投资费用
比经典级联式液化流程约低②混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本
身提取与补充。③管理方便。缺点是：①能耗较高，比级联式液化流程高左
右；②流程模拟须提供各组分可靠的平衡数据与物性参数，计算难度大；③混合制冷剂
的合理配比控制有一定难度。
主要的混合制冷液化流程有一下四种，包括闭式混合制冷剂液化流程、开式混合制
冷剂液化流程，丙焼预冷混合制冷剂液化流程和液化流程。下面就逐一介绍这四种
流程。
闭式混合制冷剂液化流程
图为闭式混合制冷剂液化流程（示意图。
在闭式液化流程中，制冷剂循环和天然气的液化过程分开，自成一个独立的制冷循环。
压纖冷丨水
纖
制冷剂
换热器
卜办分娜丨—十；！；丨孩热器
器
丨丨换热器
—￠
换热器燃料、
———分离器
图闭式混合制冷剂液化流程示意图时安彳油人学硕士学位论文
制冷循环中制冷剂常用、、、、和组成。这些组
分都可以从天然气中提取。液化流程中天然气一次流过四个换热器后，温度逐渐降低，
大部分天然气被液化，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
可回到天然气的入口再进行液化。
液化流程中的制冷过程经过伍缩机压缩至高温高压后，首先用水进行冷却，然后进
入气液分离器，分离的气体和液体分别进入换热器液体在换热器中过冷，再经过
节流阀节流降温，与后续流程的返流气混合后，共同为换热器提供冷量，冷却天然气。
气态制冷剂和需过冷的液态制冷剂。气态制冷剂经换热器冷却后，进入闪蒸分离器，
液体经过冷和节流降压、降温后，与返流气混合为换热器提供冷量，天然气进一步降
温，气相流体也被部分冷凝。换热器中的换热过程同换热器和。制冷剂在换热器
中被冷却后，在换热器中进行过冷，然后节流降压降温后返回改换热器，冷却天然
气和制冷剂。
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，通过合理选择制冷剂，可使冷、
热流体间的换热温差保持较低的水平。
幵式混合制冷剂液化流程
图为）「式混合制冷剂液化流程（示意图。在开式
液化流程中，天然气既是制冷剂又是需要液化的对象。
摘压職！
分衡器觅径
换热器
挽热器
■分离器
——拽热器然料气
——！
分尚器
图开式混合制冷剂液化流程示意图
原料天然气经净化后，经压缩机伍缩后达到高温、高压，首先用水冷却，然后进入
气液分离器，分离掉重经，得到的液体经换热器冷却，并经节流后，与返流气混合
后为换热器提供冷量。分离器产生的气体经换热器冷却后，进入气液分离器。第三章天然气液化装置及流程
产生的液体经换热器冷却，并经节流后，与返流气混合为换热器提供冷量。气液分
离器产生的气体，经换热器冷却后，进入气液分离器。产生的液体经换热器冷
却，并经节流后，为换热器提供冷量。气液分离器产生的气体，经换热器冷却，
并经节流后，进入气液分离器，产生的液体进入液化天然气储罐储存。
丙焼预冷混合制冷剂液化流程
丙院预冷混合制冷剂液化流程（，见图。
此流程结合了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，既高效又简单。
混合制冷剂循环见图。混合制冷剂经两级压缩机压缩至高压，首先用水冷却，
带走一部分热量；然后通过丙焼预冷循环预冷，预冷后进入气液分离器，分离成气相
和液相。液相经换热器冷却后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为
换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂；气相制
冷剂经换热器冷却后，进入气液分离器，分离成气相和液相。液相经换热器冷却
后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为换热器提供冷量，冷却天然
气和从分离器出來的气相和液相两股混合制冷剂。从换热器出来的气相制冷剂，经换
热器冷却后，节流、降温后又进入换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。
分器分离器？
压缩机机〒—」燃口—
飞两冷换热器换热器换热器減闽丫
混合
天然气制冷剂
織―—
丨——￡缩机
图丙院预冷混合制冷剂液化流程示意图
混合制冷剂循环丙院预冷循环
丙院预冷循环见图。丙焼预冷循环中，丙焼通过高温、中温、低温三个换热器，
为天然气和混合制冷剂提供冷量。丙焼经压缩机压缩至高温、高压，经冷却水冷却后流安油大学硕士学位论文
经节流阀，降温、降压后，再经分离器产生气、液两相，气相返回压缩机，液相部分
分两部分，一部分用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为常压下储存。
在混合制冷剂液化流程中，天然气首先经过丙烧预冷循环预冷，然后流经换热器
逐步被冷却，最后经图中节流阀进行降压，从而是液化天然气在常压下储存。
图为丙院预冷混合制冷剂液化流程示意图丨。在此流程中，天然气先经
丙焼预冷、然后用混合制冷剂进一步冷却液化。低压混合制冷剂经两级压缩机压缩后，
先用水冷却，然后流经两焼换热器进一步降温至约°，之后进入气液分离器，分离
成气、也液两相。生成的液相流体在混合制冷剂换热器温度较高区域（热区）冷却后，
经节流阀降温，并与返流的气相流体混合后为热区提供冷量；气相流体经混合制冷剂换
热器冷却后，节流降温为其冷却提供冷量，之后与液相流体混合为热区提供冷量。混合
后的低压混合制冷剂进入压缩机压缩。
混合制冷剂剂
压紐換热器
分齒器
图丙院预冷混合制冷剂液化流程示意图
在丙焼预冷循环中，从丙焼换热器来的高、中、低压的丙焼，用一个压缩机压缩；
压缩后先用水进行预冷，然后节流、降温、降压后为天然气和混合制冷剂提供冷量。这
种液化流程的操作弹性很大。当生产能力降低时，通过改变制冷剂组成及降低吸入压力
来保持混合制冷剂循环的效率；当需液化的原料气发生变化时，可通过调整混合制冷剂
组成及混合制冷剂压缩机吸入和排除压力，也能使天然气高效液化。
的液化流程
天然气液化技术的发展，要求液化循环具有高效、低成本、可考性好、易操作等特
点。为了适应这一发展趋势，法国燃气公司的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（简称为液化流
程。液化流程吸收了国外技术最新发展成果，代表天然气液化技术的发展趋势。
在上海建造的液化流程，是我国第一座调峰型天然气液化装置所采用的流程。
液化流程如入所示。其液化流程的主要设备包括混合制冷剂伍缩机、混合制冷剂
分馈设备和整体式冷箱三部分。整个液化流程可分为天然气系统和混合制冷剂循环两部
分。第三章天然气液化装置及流程
流程具有如下特点：
流程精简、设备少。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。在流程镇南关增加了分馆塔，将混合制冷剂分馏为中组分（以丁
烧和戊焼为主）和轻组分（以氮、甲焼、乙烧为主）两部分。重组分冷却、节流降温后
返流，作为冷源进入冷箱上部分预冷天然气和混合制冷剂；轻组分气液分离后进入冷箱
下部，用于冷凝、过冷天然气。
压缩机和驱动机的形式简单、可靠，降低了投资于维护费用。
冷箱采用高效钎偉招板翘式换热器，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高效钎揮招板翅式换热器平行排列，换热面积
大，绝热效果好。天然气在冷箱内由环境温度冷却至左右液体，减少了漏热损失，
并较好解决了两相流体分布问题。冷箱以模块化得形式制造，便于安装，只需在施工现
场对预留管路进行连接，降低了建设费用。
带膨胀机的液化流程
带膨胀机液化流程（，是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨
胀的克劳德循环制冷，实现天然气液化的流程。
根据制冷剂的不同，可分为氮气膨胀液化流程和天然气膨胀液化流程。这类流程的
优点是：①流程简单、调节灵活、工作可靠、易启动、易操作、维护方便；②用天然气
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
需全部深度干燥；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，如果循环，则在增加循环压缩机后，功耗大增加。
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
峰型天然气液化装置。
天然气膨胀液化流程
是指在膨胀机中直接使用高压天然气是天然气绝热膨胀到输出管道压力，从而使天
然气液化的流程，它的有优点是功耗小，只需要对液化部分天然气除杂，使得预处理的
天然气量大为减少，但是获得低的温度在液化流程中式不能得到的，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。
天然气膨胀液化流程见图。原料气经脱水器脱水后，部分进入脱二氧化碳塔
进行脱除二氧化碳。这部分天然气脱除二氧化碳后，经换热器及过冷器后液化，
部分节流后进入储罐储存，另一部分节流后为换热器和过冷器提供冷量。储罐
中自蒸发的气体，首先为换热器提供冷量，在进入放回气压缩机，压缩并冷却后，
与未进脱二氧化碳塔的原料气混合，进换热器冷却后，进入膨胀机，膨胀降温后，
为换热器提供冷量。安々油人今硕士学位论文
返回气
■
和
图天然气膨胀液化流程
一脱水器—脱二氧化碳塔—水冷却器一返回气压缩机、、—换热器
—过冷器一储膨胀机一压縮机
对于这里流程，为了能得到较大的液化量，在流程中增加了一台压缩机，这种流程
称为带循环压缩机的天然气膨胀液化流程。其缺点是流程功耗大。
图所示的天然气直接膨胀液化流程属于开始循环，即高压的原料气经冷却、膨
胀制冷与回收冷量后，低压天然气直接（或经培压达到所需的压力）作为商品气去配气
管网。弱将回收冷量后的低压天然气用压缩机培压到原料气相同的压力后，返回至原料
气中幵始下一个循环，则这类循环属于闭式循环。
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、热态起动即可获得满负荷产品，运行灵活、适应性强、场于操
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左右。
二级氮膨胀液化流程是经典氮膨胀液化流程的一种变形，如图所示。该液化流
程由原料气液化回路和膨胀液化循环组成。
原料气
「：三
纯甲位
雄
‘—至储辑
图氮气膨账液化流程
一预处理装置、、—换热器—重经分离器—氮气提塔—透平膨胀机
—氮甲院分离塔一循环压缩机第三章天然气液化装置及流程
在天然气液化回路中，原料气经预处理装置预处理后，进入换热器冷却，再进
入重烃分离器分离掉重径，经换热器冷却后，进入氮气提塔分离掉部分，再进
入换热器进一步冷却和过冷后，进储罐储存。
在氮气膨胀液化循环中，氮气经循环压缩机压缩和换热器冷却后，进入透平膨
胀机膨胀降温后，为换热器提供冷量，在进入透平膨胀机膨胀降温后，为换热器
、、提供冷量。离开换热器的低压氮气进入循环压缩机压缩，幵始下一轮的循
环。天然气液化回路中，由氮甲焼分馆塔产生的低温气体，与二级膨胀后的氮气混合，
共同为换热器、提供冷量。
氮甲焼膨胀液化流程
为了降低膨胀机的功耗，采用混合气体代替纯，发展了膨胀液化
流程。与混合制冷剂液化流程相比较，氮甲烧膨胀液化流程（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的动力消耗。
图为氮甲烧膨胀液化流程示意图。膨胀机液化流程，由天然气液化系统
与制冷系统两个各自独立部分。
天然气管进
———
———补充坟
‘‘
一
图氮甲院膨胀液化流程
一预处理装置、、—换热器气液分离器—透平膨胀机—制动压缩机
、一水冷却器循环压縮机一储罐—预热器—压縮机
天然气液化系统中，经过预处理装置脱酸、脱水后的天然气，经换热器冷却后，
在气液分离器中进行气液分离，气相流体进入换热器冷却液化，在换热器中过冷，
节流降后进入储罐。安石油人学硕士学位论文
制冷系统中，制冷剂经循环压缩机和制动压缩机压缩到工作压
力，经水冷却器冷却后，进入换热器被冷却到透平膨胀机的入口温度。一部分制冷
剂进入膨胀机，膨胀到循环压缩机的入口压力，与返流制冷剂混合后，作为换热器
的冷源，回收的膨胀功用于驱动制动压缩机另外一部分制冷剂经换热器和冷凝
过冷后，经节流阀节流、降温后返流，为过冷换热器提供冷量。
其他膨胀液化流程
带膨胀机的液化流程中，由于换热器的传热温差太大，从而使流程的损很大，为了
降低流程的损，可采取一些措施：采用预冷方法，对制冷剂进行预冷；提高进入透平膨
胀机气流的压力，并降低其温度；将带膨胀机液化流程与其他液化流程例如混合冷剂液
化流程结合起来使用。
图为带丙焼预冷的天然气膨胀液化流程图。用两级丙焼压缩制冷循环对天然气
进行预冷后，进入膨胀机进行膨胀。膨胀后的天然气进入气液分离器，产生的气
相流体返流，为换热器、、、提供冷量；产生的液相流体经节流后，与原料天然气
混合进入气液分离器，产生的气相流体为换热器、、提供冷量，产生的液相
流体经节流降压后，进入气液分离器，产生的进入储罐。
，卜
拥，
“卜
图带丙院预冷的天然气膨胀液化流程图
、、、、—换热器、一丙院换热器—水冷却器一压缩机一膨账机
一气液分离器
在这种流程中，当原料气压力为，增压后为并进行液化时，经计算其第三章天然气液化装置及流程
单位能耗可降低到液化天然气。如果预冷后的温度进一步降低，则
液化过程能耗还可大幅度减少。
表列出了几步液化流程能耗的比较。典型级联式液化流程的比功耗为
。在表中以级联式液化流程的比功耗为比较标准，取为。
表液化流程能耗比较
液化流程“能耗比较
级联式液化流程
单级混合制冷液化流程
丙焼预冷的单级混合制冷剂液化流程
多级混合制冷剂液化流程
单级膨胀机液化流程
丙烧预冷的单级膨胀机液化流程
两级膨胀机液化流程
液化天然气装置的主要设备
液化天然气装置中涉及到的设备类型较多，下面重点讨论与相关的主要设备，
如压缩机、透平膨胀机、换热器等。
压缩机
压缩机是天然气液化装置中的关键设备，很多工艺过程都需要有压缩机，如原料气
增压和输送、制冷剂循环、蒸发气体（增压和输送、天然气管网气体增压和输送
等。在工厂中还需要其他用途的压缩机，如氮气系统和仪表风系统的空气压缩机。
压缩机有往复式、离心式（或轴流式）螺杆式等多种型式。往复式压缩机通常用于
天然气处理量比较小（以下）的液化装置。轴流式压缩机从世纪年代
开始用于天然气液化装置，主要用于混合制冷剂循环装置。离心式压缩机早已在液化装
置中广为釆用，主要用于大型液化装置。大型离心式压缩机的功率可高达。大
型离心机压縮机的驱动方式除了电力驱动以外，还有蒸汽轮机和燃气轮机两种驱动方式，
各有优缺点。
透平膨胀机
在天然气液化的工艺流程中，利用透平膨胀机的主要作用是制取冷量，对外输出的
功可以用于气体的压缩，可以减少功耗；而对于接收站，透平膨胀机则可以用于
冷能发电，回收的冷能。它是当前天然气液化过程中的重要制冷方法之一。
采用透平膨胀机的天然气液化流程，具有系统效率高、设备布局紧凑和系统弹性操
作范围大的特点。透平膨胀机主要应用领域和能量范围：空气分离碳
氧回收气体液化至。西安石油大学硕士学位论文
目前透平膨胀机进口压力最高可达到进口温度最高可达到°，最低
可达到°流量最大可达到，转速最高可达。国际上一些
著名的透平膨胀机制造商主要有：美国的公司、德莱赛兰公司、
公司和日本三菱重工等。国内也有一定的透平膨胀机的制造能力，但因天然气液化
流程的处理量大，这类透平膨胀机基本上都是采用进口设备。
换热器
在天然气液化装置中，天然气从常温冷却到液化温度，需要经过多次的热交换，将
天然气逐级冷却到天然气液化温度。这些不同温度级别的换热器，工作温度均低于环境
温度。为了较少冷损，这些工作温度较低的换热器通常集中在一个保冷性很好的箱体之
内，该箱体称为“冷箱”，它是天然气液化装置的关键设备之一。天然气液化流程中釆用
的换热器结构形式主要有两种：一种是板翅式换热器；另一种是管壳式换热器。
在天然气汽化供气的装置中，需要汽化恢复到常温才能向外供气，因此，用于
汽化的换热器是汽化供气系统的重要设备。对于大型的接收站，用于汽
化的换热器主要以下几种：①开架式海水汽化器一用于正常供气时的汽化；②具
有中间冷媒的汽化器一用于冷量回收系统的汽化；③燃烧式汽化器一主要用于调
峰目的，在供气高峰时起补充作用；④空气加热式汽化器一用于终端用户的汽化。
液化天然气泵
粟是液化天然气系统常见关键性设备，主要用于液化天然气的装卸、输送、增
压等目的。液化天然气的温度较低，又是易燃易爆的危险品，因此菜的制作要求
比较高。目前，我国使用的一些大型菜还需要从国外进口。
用于液化天然气工业领域的果，从结构形式上主要是离心菜和往复式粟两大
类型。离心泉多用于的输送，而往复式泉多用于增压。由于的特殊性，
用于输送的离心菜大多釆用潜液式离心泉，也就是粟体浸没在液体中。这种
型式的菜在各种使用场合得到了广泛应用。往复式菜在汽车燃料加注站的应
用也不断增长，随着天然气作为汽车的替代燃料的进展，将转变为压缩天
然气）的技术得到推广，技复菜在其中起了重要的作用。往复泉可以将增压到近
与常规的多级气体压缩相比，简单方便。
本章小结
本章重点介绍了液化天然气的装置、流程和主要设备，但由于液化天然气是一
个庞大的系统工程，天然气的液化流程与原料天然气的组成、装置规模、资金等多种因
素有关，所以对液化流程开展深入的研究是一项十分重要的技术性的基础工作，本章为
合理选择液化流程工艺和设备提供了一定的理论依据。第四章天然气预处理及液化流程的设计应用
第四章天然气预处理及液化流程的设计应用
通过前面章节对天然气液化技术的研究与分析，本章将针对实际中延长石油集团某
一井区的天然气组成，设计天然气预处理及液化流程的方案，并进行详细分析。
原料气组成及产品要求
原料气组成
根据专业测试，该气田天然气中甲焼含量约占，其中含有酸性气体、水分、苯、
重烃和机械杂质，如、、、苯和重烃等，所以，为避免在液化过程中出项不
利影响，在进行液化前必须对原料气进行预处理。
以下为实际中测得的原料气数据：
原料气流量原料气压力原料气温度°原料气的
组成：如表所示
表原料气组成
组份摩尔分数％
；
合计西安石油大学硕士学位论文
产品要求
国内尚无液化天然气产品的标准，目前液化天然气产品一般遵循欧洲标准
；“《液化天然气装置和
设备》。该标准规定中甲焼的含量应高于、氮的含量应低于。
本产品天然气预处理杂质的控制指标参照表。
表天然，预处理杂质控制指标
杂质控制指标
苯
预处理方案
脱除酸性气体
天然气中含有的和统称为酸性气体，它们的存在会造成金属腐烛并污染环
境。此外，不燃烧、无热值，含量过髙，会降低天然气的热值，运输和液化它是不
经济的。并且在低温时会凝结为固体堵塞管道。因此，必须严格控制天然气中酸性
组分的含量，以达到工艺和产品质量的要求。
前文中介绍的用于天然气脱除酸气的方法有化学吸收法、物理吸收法、联合吸收法
和直接转化法等。目前普遍公认和广泛应用的是化学吸收法。它是以可逆的化学反应为
基础，以碱性溶剂为吸收剂，天然气中的酸组分（主要是和（：反应，形成化合
物。当吸收了酸性气体的溶液（富液）温度升高、压力降低时，改化合物即分解放出酸
性气体，从而实现溶剂的再生利用。化学吸收法用于酸性气体分压低得天然气脱硫，特
别是含量高、含量低的天然气，这样可以降低成本。其原因是化学吸收法的溶
剂用量与天然气中酸性气体含量成正比，再生富液是所需的蒸汽耗量则与溶剂循环量成
正比。
本净化工艺采用湿法脱除天然气中的，选用活化甲基二乙醇胺）为
吸收剂，一段吸收，一段再生，溶液循环使用。
脱水
根据天然气实测数据，原料气组成中水分含量达到了，水分与天然气在
一定条件下形成水合物阻塞管路，影响冷却液化过程，还会造成不必要的动力消耗，并第四章天然气预处理及液化流程的设计应用
且在液化的低温过程中，导致设备冻堵等问题。
本净化工艺采用变温变压吸附法脱除天然气中的水分。在某些情况下，特别是在气
体流量、温度、压力变化频繁的情况下，由于吸附法脱水适应性强、操作灵活，而且可
保证脱水后的气体中无液体，所以成本虽高仍应采用吸附法脱水。图为不同温度下
的吸附等温线示意图：
二
【、常温
解吸压吸附压杂
图不同温度下的吸附等温线图
从上图的—和—可以看出，当温度一定时，随着压力的降低吸附容量逐渐‘
减小；从上图—和—可以看出：当压力一定时，随着温度的升高吸附容量逐渐
减小。实际上，变温变压吸附过程正是利用上图中吸附剂在及段的特性来实现
吸附与解吸的。吸附剂在常温高压（点下大量吸附原料气中的水分，然后在常温低压
点）使吸附的水分得以解析，最后升高温度点使水分得以充分解吸。
采用两台脱水塔，一台加热器、一台冷却器、一台气液分离器和程序控制阀的组合，
可实现用冷热两股气对脱水塔的解吸和冷吹，完成分子筛的再生，从而使脱水塔
可连续进行原料天然气脱水吸附。
脱萊
根据组分表的参数，原料气萊含量超标，萊必须脱除。当萊（包括单质衆，衆离子
及有机萊化合物）存在时，招会与水反应生成白色粉末状的腐蚀产物，严重破坏锅的性
质。极微量的萊含量足以给招制设备带来严重的破坏，而且萊还会造成环境污染，以及
检修过程中对人员的危害，所以萊的含量应受到严格的控制。根据组分表的参数，原料
气亲含量超标，萊必须脱除。
图出示公司萊脱除、干燥及再生系统。天然气经过两个吸收塔脱
除衆和水分，同时将产生的无萊干气的一部分用于吸附剂再生；然后经冷却分离，再经
压缩机后与进气混合。吸附剂与传统的分子筛相似，用相同方法安装在吸附塔内。
无需专门费用，只要在现有干燥用的吸附剂上加一层脱萊吸附剂，就能同时达到
脱水及脱萊的目的。安石油大学硕十学位论文
吸吸冉液态求收收生
—塔塔塔
无采干天然气‘
一部分产品气用作再生气
图公司录脱除、干燥及再生系统
脱萊工艺主要采用专用脱萊剂吸收束，即用分子蹄吸附法或采用浸硫活性炭使萊与
硫产生化学反应生成硫化亲并吸附在活性炭上。在高的流速下，可脱除含量低于
的亲，萊的脱出不受可凝混合物烃及水的影响。从原料气组成中看到萊含量
超标，萊必须脱除，本装置采用专用脱束剂脱萊，可以根据萊分析仪的检测数据设置脱
未剂的更换周期。
脱重经及脱苯
重烃在冷凝天然气的循环中总是先被冷凝下来，如果未把重经先分离掉，或在冷凝
后分离掉，则重烃将可能冻结，从而堵塞设备。重烃和苯的脱除目前有两种十分成熟的
工艺，一种是低温分离脱重烃、异戊焼溶解脱苯工艺，另一种是采用活性炭吸附脱重烃、
脱苯工艺。本装置采用异戊焼洗漆法溶解脱苯、低温分离脱重烃工艺，该工艺成熟可靠，
已在国内多套装置使用。
液化流程设计方案
延长气田天然气主要成份是甲焼，组分的含量约，正常情况下只有很少重
经产生。混合制冷工艺能够处理组分很宽的天然气。混合制冷工艺流程简单，多组分制
冷剂采用一台冷剂压缩机，简化了流程，降低了造价。原料天然气液化所需的冷量大约
为冷箱整个热负荷的左右，因而原料天然气的组分、压力、流量等变化对冷箱性能
的影响较小，混合制冷工艺有比较强的适应性。原料天然气的压力对其液化会有一定的
影响，力越高，越有利于液化，压力越低，越不利于液化。天然气液化所需的比较经
济的操作压力一般高于其临界压力，通常在左右。
混合制冷工艺原理为：采用氮气和烃类混合物（、、、、、作为制
冷剂，制冷剂组成根据原料气的组成和压力而定，利用多组分混合物中重组分先冷凝、
轻组分后冷凝的特性，将其依次冷凝、分离、节流、蒸发得到不同温度级的冷量，然后
利用这不同温度级的冷量将净化后的原料气进行预冷、液化和过冷。第四章天然气预处理及液化流程的设计应用
本工艺采用的是闭式混合制冷工艺：采用、、、、作为制冷剂，制冷剂
组成根据原料气的组成和压力而定，利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝
的特性，将其依次冷凝、分离、节流蒸发得到°、°、°温度级的冷
量，在冷箱内冷量传给净化后的原料气，原料气逐渐被预冷、液化，最后过冷到
出冷箱，再经节流降压到，最终得到温度约为°的产品。
工艺流程分析
脱酸性气体流程
原料气分离和脱二氧化碳的流程，如图所示。
进站后的原料天然气（、、°经压力调节阀调节压力
到，进入原料气气液分离器分离原料气中夹带的游离液体和机械杂质后，
再经原料气过滤器进一步分离天然气中夹带的液体及大于的机械杂质。从
气液分离器及过滤器上、下部分离出的液体经相应的液位调节阀减压后进
入到残液收集罐，闪蒸出的气体进入火炬系统，废水装车后拉到厂外处理。
从顶部来的原料天然气经流量计进行流量计量，之后进入脱系统。为防
止冬季进入吸收塔的原料天然气温度过低，本工艺设置天然气换热器，采
用温度较高的活化贫胺溶液将原料天然气预热至，气体入塔的温度采用自
动控制。该设置还可防止由于冬季进入吸收塔的原料天然气温度过低而产生的重
烃冷凝现象，从而消除潜在的发泡现象。
温度为的天然气从吸收塔（一的下部进入，自下而上通过吸收塔，
与从吸收塔上部喷淋下来的活化贫胺溶液逆流接触，进行了完全的传热传质后，
天然气中的被吸收，脱除了后的原料天然气从吸收塔顶部引出，与来自再生气
压缩机出口分液罐的再生气一起经吸收塔顶冷却器冷却至°，再经吸收
塔顶气液分离器、吸收塔顶过滤器分离游离水及机械杂质后，气体送入天
然气脱水单元，从塔顶气液分离器、吸收塔顶过滤器分离出的液体被收集
到富氧闪蒸罐。
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？？〒他：」
图原料气分离和脱二氧化碳流程图安石油人学硕士学位论文
胺再生的流程，如图所示
活化溶液在吸收塔（吸收后称为富胺溶液，富胺溶液从吸收塔
底部离开吸收塔，吸收塔液位由液位调节阀控制。从吸收塔底部来的富胺溶液经减压至
然后进入富胺闪蒸罐，将溶解在富胺溶液中的气体闪蒸出来，闪蒸后得
富胺溶液经富胺过滤器过滤掉机械杂质后进入贫富液换热器当过滤器
前后压差大于后可切换），与贫胺溶液进行换热升温至°后，经节流到
后从再生塔上部进入再生塔。
从再生塔上部进入的富胺溶液，自上而下经过再生塔填料层，与自下而上的
汽提蒸汽逆流充分接触并进行传热传质，富胺溶液中的二氧化碳气体从富胺溶液
中解析出来后，此时溶液称为贫胺溶液。
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图胺再生流程图
解析出来的富含二氧化碳和蒸汽的气体，从再生塔顶部离开再生塔，经再生塔顶冷
却器冷却至，经再生塔顶气液分离器进行气液分离后，酸性气体就近
高点放空冷凝液经回流粟送入再生塔继续再生。
贫胺溶液从重沸器的底部引出，经贫富液换热器回收热量温度由
°下降到°左右，进入贫胺缓冲罐。贫胺缓冲罐中的贫胺溶液经贫胺粟
增压到后送入贫胺冷却器冷却至然后分成两路，
一路约的贫胺溶液部分去原料气换热器与原料气换热降温至°后，与
其余部分混合后进入吸收塔吸收原料天然气中的酸性气体；另一路约的贫胺
溶液，分流至贫胺过滤器在线过滤。
脱水脱采流程
脱水脱束流程，如图所示。第四章天然气预处理及液化流程的设计应用
变温变压吸附脱水（简称
系统由两台吸附器（、一台再生气加热器（、一台再生气冷
却器、一台再生气液分离器（组成。两台吸附器交替进行吸附、再生。
经后的产品气体中水含量小于等于。
吸附系统的工艺过程如下（以塔为例）：
从脱二氧化碳单元吸收塔顶过滤器来的天然气直接进入脱水塔进行吸
附脱水，吸附脱水操作时间小时。脱水后的干气经分子蹄粉尘过滤器进入
脱萊塔脱萊，脱亲后的原料天然气经活性炭粉尘过滤器过滤后去液化
系统。净化后的原料天然气分出三路气体，一路作再生气不足时的补充气（再生
气约占总气量的，对进行再生；另一路到冷剂压缩机冷剂吸入罐
作为冷剂组分补充气体；主路直接进入液化单元。
—
……广丨
…“—：
图脱水脱萊单元流程图
脱水塔的再生过程包括降压、加热、吹冷和升压四个过程：
的降压过程：在脱水塔达到吸附前沿，完成一次吸附任务后，程序
控制阀门切换到脱水塔进行吸附工作。这时脱水塔通过程控阀及限流孔
板缓慢降压。
的加热过程：从压缩机来的再生气，经加热器升温至
°后从塔底进入脱水塔逆流对脱水塔进行加热再生，将塔内
吸附剂吸附的水解吸出来，吸收水分后的再生气从塔顶流出后去再生气冷却器
冷却降温，经气液分离器分离水分后去再生气压缩机增压，再经降温后循环利用。
的冷却过程：从压缩机来的作为再生冷却气，从再生气加热
器旁路经塔底进脱水塔对其进行冷吹，再生冷却气从塔顶流出后去再生气冷却
器冷却，经气液分离器分离水分后去再生气压缩机增压，再经降温后循
环利用。安石油人学硕士学位论文
的升压过程：从脱水干气中分出一路气体经限流孔板控制流量后从塔底
进入对脱水塔进行充压，充压时间为分钟，当脱水塔的压力平衡后即停止充
压。
当脱水塔完成充压后，切换到脱水塔吸附，塔再生，如此循环。
脱萊流程
干燥脱水后的天然气经分子蹄粉尘过滤器后从塔顶进入脱萊塔，在
专用脱萊剂的作用下，将出塔气体中的萊脱除至小于，再经活性炭粉尘过滤
器除尘后，净化天然气送至冷箱。
天然气液化的流程
天然气液化的流程，如图所示。
经过净化的天然气分别进入原料气闪蒸气换热器和来自罐区的换
热，原料气的温度降到°，然后从冷箱顶部进入冷剂换热器。
流经换热器的天然气先预冷到°，然后出冷箱进入气液分离器
分离出天然气中及以上重烃组分，脱除重烃后的天然气自下而上通过脱苯
塔，与从上而下的异戊院液体逆流接触。用异戊焼脱除天然气中的苯和芳香烃。
异戊说來自异戊焼储罐经异戊烧增压泵增压到，流量约，异戊焼可
以脱除掉天然气中的苯和芳香烃。脱除重烃和苯以后的天然气再次进入冷箱继续冷却、
液化和过冷到再经流量调节阀节流降压到后得到°的
产品，同时产生部分闪蒸气（即，约，闪蒸出的这部分和
储罐的及装车产生的—起进入与净化后的天然气换热回收冷量，
被加热到°的进入压缩机，增压到后一部分进入燃料气系统作为
导热油系统的燃料气，另一部分作为干燥单元分子蹄再生气。
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一…丄破…
…
巴七？—！；
图液化流程图
从重烃分离器分离的低温重烃（：进入和从
来的中压液体冷剂换热，经液位调节阀后压力降到，从脱苯塔第四章天然气预处理及液化流程的设计应用
底部来的富含苯的低温异戊焼°进入和中压冷剂液体换热，
经液位调节阀后压力降到，两股液体汇合后再经再次与
中压冷剂液体换热，最终混合重轻液体被复温到后进入重烃分液罐，气相与
从再生气分离器來的再生气一起到再生气压缩机增压后循环利用。重经分液罐分
离出的液体（主要成分为富含苯的异戊焼及重烃）进入重烃罐储存，然后装槽车外运。
辅助系统的流程
导热油流程
导热油系统原理：气体作为燃料气，加热导热油至需要温度，导热油循环利用。
采用高温导热油与低温导热油单独循环以及自动温度调节系统，获得两路不同温度的导
热油，分别用于分子蹄再生和胺再生系统。以前多用蒸汽锅炉，现状为了提高自动化程
度用导热油炉幵始取代蒸汽锅炉了，因为导热油系统效率比蒸汽系统高，而且一套油炉
提供两路不同温度的导热油，投资省、操作简便。导热油流程如图所示：
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图导热油流程图
从压缩机來的燃料气，进入燃气缓冲罐稳压缓冲后，经流量计
计量，减压阀—减压后，进入自动控制的导热油加热炉进口，为导热油
加热炉提供燃料。
导热油循环分为两路，一路提供温度为的低温导热油，另一路提供温度为
°的高温导热油。从加热炉来的高温导热油分为两路，一路送低温导热油系统，
调整低温导热油油温，低温导热油油温由自动控制，低温导热油系统去脱二氧
化碳单元再生塔底重沸器作为再生热源；另一路去脱水单元再生气加热器
作为脱水塔分子蹄再生气加热热源。高温导热油油温由燃烧器控制器自动控制。
导热油系统仅提供工艺系统用热。
冷剂循环流程
混合制冷系统采用闭式循环制冷工艺，冷剂经过压缩、冷却、冷凝、节流气化，然
后给天然气液化及自身提供冷量。制冷剂由氮气、甲院、乙炼、丙焼和异戊院等组成。
冷剂循环的液化流程如图所示。内安石油人硕士学位论文
从换热器顶部出来的低压冷剂首先进入压缩机入口分液罐进行气液分
离以防止液体进入冷剂压缩机损坏设备。顶部出来的气体进入冷剂压缩机的一级
入口，压缩到，分出一小部分高温气体用于液态冷剂的加热（需要时用），压
缩后的冷剂气体先经空冷器冷到，再经水冷器冷到°，然后进入
冷剂压缩机机间分液罐进行气液分离，气体进入压缩机二级入口，液体（约占冷
剂循环总量先后进入、、与重烃分离耀及脱苯塔
來的重经换热，后进入换热器冷却。
來自的级间冷剂气相在的二级被压缩到，先经空冷器
冷到，再经水冷器冷到°然后进入压缩机出口分液罐进
行气液分离，气体（约占冷剂循环总量、液体（约占冷剂循环总量分别
进入换热器。
来自的高压冷剂气相自上而下进入换热器，在换热器内经预冷、液化、
过冷到从冷箱底部出来。然后经过阀节流降压到。由于压
力的降低温度随之降到°，并且有部分冷剂气化。然后低压低温冷剂又由下部重
新流入，向上流动给天然气、高冷剂、中压冷剂提供冷量。最后温度升为
°从换热器顶部出来，压力为。
來自的中压液体冷剂自上而下进入冷剂换热器被冷却到°出冷箱，
然后经过阀节流降压到，温度降到°，并且有部分冷剂气化。
节流后的低压低温冷剂重新流入，与来自换热器底部的低压冷剂混合后，向上流
动给原料气、高压冷剂、中压冷剂高温段提供冷量。
来自的高压冷剂液体自上而下进入换热器被冷却到出冷箱，然后
经过阀节流降压到温度降到°，并且有部分冷剂气化。
节流后的低压冷剂重新流入，与来自换热器底部的低压冷剂混合后，向上流动给
原料气、高压冷剂、中压冷剂中高温段提供冷量。
丨”申
——
西十
一、一
“。‘
图冷剂循环液化流程图
从换热器出来的低压冷剂一般在露点以上，因此不存在液体。当出现故障或开工出第四章天然气预处理及液化流程的设计应用
现液体时，冷剂吸入罐用来保护压缩机，液体不排放，用压缩机出口来的小流量
热气加热气化，进入循环系统，这样能够防止在不正常情况下冷剂的损失。
闪蒸气（与再生气压缩机流程
从储罐及装车区来的气体（约，经过原料气闪蒸气换热器
和原料气换热，温度升高到°，进入压缩机，闪蒸气压缩机为两台往
复式无油润滑压缩机，一幵一备。经三级压缩到，经出口冷却器冷
到°。经增压后—部分进入燃料气系统作为导热油系统的燃料气，约，
剩余部分用作脱系统的再生气及冷吹气，约，同时还用于为残液收集罐
、重烃储罐充压。图是闪蒸气（与再生气压缩机流程图。
￠￠！
！；—丫■，
先‘
图闪蒸气（与再生气压縮机流程图
从脱系统再生气气液分离器来的的气体及重烃分液耀
来的气体约共，压力为进入再生气压缩机入口分液罐
，进行气液分离后进入再生气压缩机压缩到，经再生气压缩机
出口空冷器冷到°，进入再生气压缩机出口气液分离器进行气液
分离，气相返回到吸收塔顶冷却器，重新进入工艺系统。
模拟计算结果
本文利用软件对整个工艺系统进行了模拟计算。是一款功
能强大的流程模拟软件，其应用领域包括：油气、石化、化工、精细化工和制药工业。
模拟的流程包括：蒸馈萃取（间歇与连续）、各种反应（间歇与连续、热力学物性计
算、气液平衡计算、设备设计、换热器网络、公用工程网络、环境影响计算、安全性能
分析、投资费用估算、火炬总管系统。
经模拟软件计算液化天然气产品的组成如表所示。
表液化天然气产品组分表西安石油大学硕士学位论文
计算值
经计算还得出：
产暈为，；
液化率：除、等加工损失和工厂自用燃料气外全部液化；
温度：°
压力：
本章小结
本章针对延长油田某井区的天然气特质进行了工艺流程设计，在流程设计中选用目
前较为先进的技术工艺，设计出合理的预处理与液化流程，并做了详细的分析。在天然
预处理中采用活化为吸收剂脱、变温变压吸附法脱水、异戊焼洗漆法溶解脱
苯、低温分离脱重烃工艺、和专用脱萊剂吸收萊。在液化流程中采用混合制冷工艺。另
夕卜，对辅助系统的工艺流程，即冷剂循环单元、与再生气压缩单元及导热油单元的
工艺流程进行了设计。最后，经软件计算得出该方案的液化天然气产品的组
成。；第五章液化天然气冷能利用
第五章液化天然气冷能利用
天然气液化后有利于运输和储存，常压下天然气的液化温度为°，耗电约为
而在接收站一般需将通过气化器汽化复温后使用，汽化时要放出很大的冷能约
为。若拥有的冷能得到充分利用，则每吨可利用的冷能折合电量约
为座万的接收站，每年可利用的冷能约为亿七。
按照全国万的进口规模，每年可利用的冷能约为亿。因此，可
供利用的冷能是相当可观，而且这种冷能也具有较高的利用价值。
冷能的利用主要是依靠与周围环境间的温度差和压力差，将高压低温的
变为常压常温的天然气时，回收储存在中的能量。从初态经一系列的可逆过
程，最终达到与环境的平衡态时，由系统稳定流动能量方程可得完成的最大有用
功。
冷能利用方式
按利用冷能的过程可分为两类：直接利用和间接利用。直接利用包括发电、
低温空分、冷冻仓库、海水淡化、制造液化、轻烃回收、制造冰雪、空调和低温养
殖、栽培等；间接利用包括用空分后的液氮、液氧、液氩来低温破碎，低温干燥、水和
污染物处理、冷冻干燥及冷冻食品等。
冷能的直接利用法
冷能发电
利用冷能发电是较为新颖的能源利用方式。根据利用的方式不同可以有
不同的循环系统：（用冷能来改善现有各种发电动力循环系统，提高效率以增
加发电量；（釆用相对独立的低温动力循环来发电；（带液化回收的燃气发电
系统。
利用冷能改善现有动力循环
利用来冷却燃气轮机入口空气时，针对不同湿度的空气，其整个循环的输出
功有不同程度的增加。相对湿度小于的系统，其输出功率将会增加而对相对
湿度是的系统，其输出功率将增加〗。
用冷能的相对独立的低温动力循环
冷能还可以通过构建相对独立的低温动力循环加以利用。冷能将循环的
温度范围拓展到低温领域而一般工业余热或环境温度则成为低温动力循环的高温热源。
从目前的研究情况来看，回收利用冷能来发电系统主要有以下几种方式：
直接膨胀法：根据的储存状态，使用低温泵对加压，然后利用海水或工
业余热使之受热汽化，再送至膨胀机中做功，输出电能，参见图。安七‘油人学硕士学位论文
—海水或余热
膨雅机■」海水或余热—■“
—
图直接膨胀
二次冷媒法：这是利用中间载热体的朗肯循环冷能发电。将低温的液化天然气作为
冷凝液，通过冷凝器把冷量转化到某一冷媒上，利用液化天然气与环境之间的温差，推
动冷媒进行蒸汽动力循环，从而对外做功。二次媒体法对冷能的利用效率要优
于直接膨胀法，但是由于高于冷凝温度的这部分冷能没有加以利用，冷能回收效
率也受到限制，的冷能发电量约为。二次冷媒法基本流程图见图。
海水或余热——
—
————机
丙娱栗
海水或余热菜———丨爲————
图二次冷媒法基本流程
联合法：综合了直接膨胀法与二次媒体法联合法的冷能回收率通常保持在左右，
综合造价低的发电量为左右。其发电的稳定性也有优势，多年来全
世界己投入运行的机组还未发生过因故障导致的停电事故。
改进及复合的循环：为了提高余热和冷能的利用效率，有学者提出了根据不
同循环工作温度的差别，采用复合发电系统，梯级利用。例如一种被称为
的冷能利用方案丨、它采用了多级压缩和多级换热的方法，只要保
持最后一级压缩的出口温度在环境温度之上，冷能就被逐级利用。当燃气轮机进口
温度为时，经计算，系统热效率可达，明显优于其他利用方式。
用冷能回收的燃气发电
近年来，排放引起的温室效应円益受到关注，因此如何实现零排放，从回
收利用始，使之作为燃气轮机动力系统的副产品成为研究热点。针对捕捉电站所
产生的技术方案主要有以下几种：物理和化学吸收法、低温分馆法、膜分离法。这
些方法需要消耗较多的能量，使得发电效率下降左右。利用冷能的准零
排放循环系统，实现的高回收率，保证较高的发电效率。中科院工程物理研发所张
娜和宾夕法尼亚大学等提出了利用冷能的准零排放燃烧汽轮机发第五章液化天然气冷能利用
电循环系统并给出了基本循环系统流程图，如图所示，该系统中近似认为
组分中只含有。
：
“！丨§
；〇——————。
图基本循环系统流程图
—空分装置—燃烧室—发动机—换热器—低高压压縮机
、—低压、高压燃气透平—液态栗—栗—水分离器
空气分离
常用的空气分离法是将空气液化后，通过氟里昂冷冻机，透平膨胀进行空气的液化
分离制成液态的，等。而冷能用于空气分离则是通过循环的冷却来实
现的如图所示。空分装置利用冷量的流程可以有多种方式。目前主要有
冷却循环氮气，冷却循环空气，以及与空分装置联合运行的发电系统三种方
式。
一般情况下利用传统方式液化空气时，液化空气需要冷却能，在制
取液氮、液氧时一般采用回收的冷能和两极压缩制冷机，并且很容易实现小型化，
能够减少的电能及的水耗，很大程度上减少了液氮。液氧的成本，并具有可观
的经济效益。
。输气酣
循环氣气
°蒸发热交换器
热交换器
经过切换式热交换器
管道
去卿塔贿
图冷能用于空分西安石油大学硕士学位论文
制造液态二氧化碳和干冰生产
液态是二氧化碳气体经压缩、提纯，最终液化得到的。使用的冷量，则
很容易获得冷却和液化所需的低温，将液化装置的工作压力降至左右。传
统的液化工艺是将压缩至，再利用制冷设备冷却和液化。与传统的液
化工艺相比，制冷设备的负荷大为减少，电能也降低为原来的。以化工厂的
副产品为原料，利用回收的冷能制造液态或干冰不但电耗小，只有
且其产品的纯度高质量分数可达，比传统方法节约了以上的电能
消耗和的建设费。
轻回收
轻烃是一种优质的化工原料，用气代替石油作为乙稀原料，乙稀装置投资可节省，
能耗降低，综合成本降低。常压下的是°的液体，蕴藏了大量
高品质的冷能。利用冷量以较低的成本将湿气重的轻烃资源分离出来，有利于实
现天然气资源的综合利用。因此，发展轻烃分离技术，不仅能够为我国的石化企
业提供大量优质的原料，优化我国乙稀工业的原料路线，增强乙稀装置的市场竞争力，
从而节省了原油，缓解我国石油资源的短缺。
制冰与空调
制冰与空调的基本原理，是利用中间冷媒和换热，使得冷媒获得冷量，温度
降低，再利用这个中间冷媒在空调房制冷或制冰室制冰。
文献的液化天然气汽化时冷能利用方法中，提出了一种利用冷能的中央空
调系统，采用的是水作为中间冷媒。其具体的过程是：的液态天然气经栗输入到
蒸发器中，与来自中央空调约°的循环水进行热交换后变为气态，然后进入天然气管
路输送至用户；而循环水在蒸发器中获得冷能后，温度下降到°，然后被粟打入
到空调换热器中，与室内空气进行热交换，降低室内空气温度，从而达到制冷的目的。
制冰基本的过程是冷能在换热器中蒸发，把冷量传给中间的二次冷媒，有二
次冷媒进入制冰机中进行制冰。为充分利用冷能，选择的二次冷媒凝固点要尽量
低于°，蒸发温度在°左右。从目前的烧烃来看，丙烧是比较符合的，其常压沸
点是°，凝固点是，则在稍微加压下则能满足要求，并且其市场上最大，
价格便宜。
海水淡化
冷能利用于海水淡化是属于冷冻法海水淡化的一种。海水部分冻结时，海水的
盐分富集浓缩于未冻结的海水中，而冻结形成的冰种的含盐量大幅度减少；将冰晶洗漆、
分离、融化后即可的到淡水。
由于温度较低，在常压下为°，结合考虑冷冻法海水淡化的几种形式，归
结出有一定实践意义的方法如下：引入二次冷媒，使其与换热，换热过程中，
温度升高，二次冷媒温度降低，从而实现了冷能的转移；之后，低温的二次冷媒第五章液化天然气冷能利用
与海水进行换热，使海水冻结形成冰，通过搜集、洗漆、融化等一系列过程，最终得到
淡水。根据二次冷媒与海水接触形式的不同，可以分为间接法和直接法两种形式。
冷能的间接利用方法
冷能回收用于食品冷冻
回收的冷能供给冷库的利用方使冷冻冷藏，可以将与冷媒进行换热
在低温交换器的作用下，冷媒在冷却后管道进入冷藏室。并通过冷却盘释放冷气，达到
对物体的冷冻，它不仅节约电力，降低运营成本，并且冷能的利用效率较高，整体比机
械制冷降低的成本。
日本是利用冷能最多的国家之一，其神奈川县根岸基地的金枪鱼超低温冷库，
自年开始营业至今效果良好。与传统低温冷库相比，釆用冷量的冷库具有
占地少、投资省、温度梯度分明、维护方便等优点。可以简化制冷系统，极大地降低电
耗。
低温粉碎
使用冷媒例如“低温粉碎回收工业”通过液氮低温粉碎而形成，就是利用大多数材
料的“低温脆性”特征，来低温粉碎它们并回收其中的贵金属。同时橡胶是高分子弹性
材料，可以通过液氮在低温下使其变硬和变脆，怎样我们就方便的利用机械作用粉碎并
回收了，我们对废轮胎常常也是利用液氮低温粉碎，其实这是一个非常不错的好方法。而
且回收的液态氮还能够降低成本。
本章小结
本章综合了各种冷能利用的方法，对他们的基本原理、应用范围、经济效益等
进行了分析。主要介绍冷能的直接利用法和间接利用法，其中直接利用法有：冷
能发电、空气分离、轻烃回收、制造液态二氧化碳和干冰生产、制冰与空调、海水淡化；
间接利用法有：食品冷冻、低温粉碎。西安石油大学硕士学位论文
第六章结论及建议
结论
本文介绍了国内外天然气液化技术的现状及发展趋势，分析了天然气预处理、天然
气液化和天然气冷能利用的方法，建立了有关液化工艺计算的数学模型，针对延长油田
某井区天然气的气质条件，选用合理的净化和液化方案，分析研究了其工艺流程。得出
以下结论：
对比分析天然气预处理过程中脱水、脱酸性气体及脱除其他杂质的常用方法，给
出了选择天然气预处理方法的基本原则。
详细介绍了基本负荷型和调峰型天然气液化装置及流程，以及浮式液化天然气生
产储卸装置、液化天然气接收终端和小型天然气液化技术，分析了级联式、混合制冷剂
和带膨胀机液化流程的特点，针对天然气液化装置的不同用途，提供出合理选择天然气
液化流程的依据。
选用方程和方程作为烃类系统汽液平衡的基础模型，选用精度较高的
方程作为计算洽熵的基础模型，使整个液化流程的模拟计算更加符合实际。对流程
中典型设备，主要包括压缩机、混合器、多股流换热器等进行了热力学模拟，建立了数
学模型，给出了计算方法。给出了两种常用的混合制冷液化流程的模拟计算方法。
针对延长某一气田的气质特点，确定了天然气预处理的方案，具体包括湿法脱除
、吸附法脱水、洗漆法溶解脱苯等。并根据原料气的组成和压力，选择了闭式混合
制冷工艺作为液化方案，并且设计出冷剂循环单元、与再生气压缩单元及导热油单
元的工艺流程。最后，经模拟计算给出了液化天然气产品的组成。该方案对全国类似气
源的油气田有一定的借鉴作用。
总结了目前液化天然气下游冷能的主要应用途径，如冷能发电、空气分离、制造
干冰等，为研究液化天然气冷能利用，推动能源资源的循环综合利用提供参考。
建议
天然气液化工艺是一个复杂而庞大的系统工程，包括天然气预处理、天然气液化、
储存和运输系统、设备选型、消防安全系统等，本文重点讨论了其中的预处理和液化工
艺，还有一些未能涉及到的方面，需要做进一步研究：
对降低天然气液化流程中的能耗，可结合热力学模型进行研究，并提出相关的经
济评价指标，从而进一步优化天然气液化工艺流程，为天然气液化工艺流程的选择提供
理论依据。
由于延长油田的该天然气液化项目还在试车运行阶段，目前的试运行状态良好，
但还没有正式投产，所以该方案的运行结果和经济效益还有待今后再作进一步考证。
我国缺少天然气液化研究行业规范及标准，给研究工作带来不便。致谢
本文在尊敬的导师陈军斌教授和西北化工研究院王宁波高级工程师的精心指导下得
以顺利完成。从论文的选题到资料的收集、研究思路的制定等、各个环节都得到了导师
认真而严格的辅导，使我认识到了搞研究的重要性，对科研的态度有了新的认识新的思
考。同时在论文的开题计划到中期汇报再到定稿都经过导师认真辅导，最终才得以顺利
完成，在导师无微不至的关怀及帮助下。我自己也开阔的思路，理顺了研究中存在的问
题，这些都使我今后学习能够终身受益，在此我诚挚的表示感谢！
在三年的学习和研究过程中，得到了西安石油大学研究生院、石油工程学院各位领
导和老师的热情帮助和支持，在此向他们致以最衷心的感谢和最崇高的敬意！
最后我谨向所有关心过我、帮助过我的老师、同学和亲友致以诚挚的谢意！西安石油大学硕士学位
参考文献
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天然气工业，，
王海华，张同液化天然气冷能发电公用科技，
佘黎明江克忠张慕我国液化天然气冷能利用技术综述化学工业，，参考文献
朱俊华，周兆英，叶雄英，等微型險道效应磁强计的设计和加工工艺研究微细加工技
术，
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汤学华，尤政，杨拥军水平式險穿磁强计的建模与仿真压电与声
光，
华贲利用海外资源的张略思考天然气工业
华贲，郭慧，李亚军，等用好两个市场的轻烃资源优化乙稀原料路线石油化
工，
谢红飞液化天然气汽化时冷量的利用方法中国，
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贺红明，林文胜，基于冷呢的发电技术低温技术，，；
，：
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华贲利用海外资源的张略思考天然气工业，，西安石油大学硕士学位
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华贲，郭慧，李亚军，等用好两个市场的轻烃资源优化乙稀原料路线石油化
工，，
谢红飞液化天然气汽化时冷量的利用方法中国，
王强，历彦忠，陈曦，等液化天然气冷能分析及其回收利用流体机
械’攻读硕士期间发表的论文
攻读硕士期间发表的论文
郭彦鑫天然气液化技术研究石油化工应用，
郭彦鑫沉淀法制备铜基甲醇合成催化剂的研究进展化学工业与工程技术，
，分类号学号
密级
乂學
工程硕士
硕士学位论文
详细摘要
题目天然气液化技术与应用研究
作者姓名郭彦鑫
指导教师姓名、职称陈军斌教授王宁波高工
学科领域石油与天然气工程
提交论文日期年月日西安石油大学硕士学位论文详细摘要
第一章绪论
目的及意义
液化天然气（，简称是经过液化处理后以液体状态存在
的天然气，天然气液化后其体积缩小倍。对于液化天然气其优点非常的多，主要表
现在几个方面：①方便了储存和运输、降低了储运成本；②它的热值非常高，能够用作
发电及交通运输工具的燃料；③可能够用于燃气的调峰，缓解城市内高峰能源的紧张状
态；④增强了储运机动性，并且不会受至于天然气的气源和管网限制，可弥补管道天然气
使用上的局限性。
我国从世纪年代就开始着手液化天然气的研究，技术和设备日渐成熟，然而
工业在我国还是个新兴产业。很多技术和设备尚处于空白状态，亟需研究和开发。
基于这种情况，全面、细致的研究天然气液化流程对我国今后发展工业具有非常
重要的现实意义。
国内外研究现状
液化天然气工业是世纪初才发展起来的然而发展的比较快速。在世纪的
年，美国最早开始了工业规模的天然气液化和开发方面的工作研究。年，美国一家
公司建造了世界上第一艘液化天然气运输船，起名叫一“甲烷先锋”号。开启了液化天
然气应用时代。
自年代起，全世界生产装置的数量和规模不断增加，己投入生产的
装置目前达多套。随着液化天然气产量和需求的逐步增长，液化天然气技术的应用
日益成熟，液化天然气已经成功地用作汽车燃料，并且可以用作发电厂的燃料也可以利
用冷能发电。
我国虽于年在四川建成了国内第一个天然气提氮工厂可联产，但总体来
我国的工业仍处于起步阶段。年中原油田试车成功的液化天然气装置标志着
我国工业化迈出了关键的一步。
小型天然气液化装置中原天然气液化装置
液化天然气的发展主要有以下趋势：
加快小型天然气液化装置的发展加速液化天然气设备的国产化制定适合国情
的液化天然气标准幵发新型液化流程发展大型液化天然气储槽技术
本文研究的主要内容
本文研究的主要内容有：
介绍了国内外液化天气技术的发展及趋势。
对比分析了天然气预处理过程中脱除酸性气体、脱水、脱硫及脱其他杂质的主要西安石油大学硕士学位论文详细摘要
方法及典型的工艺流程。
研究讨论了各种天然气液化技术的装置及流程。
针对延长气田某油井天然气的气质条件，选用合理的净化和液化方法，给出了一
套液化天然气工艺流程方案，并进行了详细的分析说明。
为提高液化天然气的利用效率，总结了液化天然气冷能利用的方
第二章天然气预处理的方法
天然气的液化一般包括天然气预处理过程和天然气液化过程两部分。天然气进入液化
装置和设备前，必须进行预处理。天然气的预处理是指脱除天然气中的硫化氢、二氧化
碳、水分、重烃和汞等杂质，以免这些杂质腐蚀设备及在低温状态下产生冻结而堵塞设
备和管道；另外还包括需要脱除多余的氮气、氦气等。
天然气脱水的方法
天然气中水气的存在，减小了输气管道对其他有效组分的输送能力，降低了天然气的
热值；在天然气液化装置中，在低于零度时水常常会以冰霜的形式在换热器和节流阀的
工作部分冻结；天然气和水凝结成了天然气水合物，能够在零度以上形成化合物，它常
常引起我们装置的管线、喷嘴及分离设备被堵塞。
冷却脱水法
冷却脱水是利用压力不变时天然气的含水量随温度降低而减少的原理，实现天然气
脱水的一种方法。该方法用于天然气中大量水分的粗分离，又细分为以下几种方法：
直接冷却法加压冷却法膨胀制冷冷却法机械制冷冷却法
吸附脱水法
天然气的吸附脱水采用有效的固体吸附剂实现对天然气脱水的目的。固体吸附脱水
法中经常使用的吸附剂有：活性炭、分子筛、活性氧化铝、硅胶等。
吸收脱水法
吸收脱水是利用溶剂与水的亲和力，用吸湿性液体（或活性固体）吸收脱除天然气
中的水蒸气。用作脱水吸收剂的物质常具备以下特性：①对天然气有很强的脱水能力，
粘度小，热稳定性好，脱水时不发生化学反应。②不易起泡和乳化，对天然气和烃的溶
解度较低。③对设备无腐蚀性，容易再生，价格低廉等。
膜分离法脱水
天然气膜分离技术是利用特殊设计和制备的高分子气体分离膜，对天然气中酸性组
分的优先选择渗透性。当原料天然气流经膜表面时，其酸性组分（如、和少量
优先透过分离膜而被脱除掉。西安石油大学硕士学位论文详细摘要
脱水方法的比较
天然气脱酸性气体的方法
天然气最常见的酸性气体是、、。含有酸性气体的天然气通常称为酸
性气体或含硫气。酸性气体不但对人身体有害，对设备管道有腐蚀作用，而且因其沸点
较高，在降温过程中易呈固体析出，故必须脱除。
脱酸性气体的方法一般可分为化学吸收法、物理吸收法、联合吸收法、直接转化法、
非再生性法、膜分离法和低温分离法等。
脱其他杂质的方法
天然气脱除天然气中的其他杂质，包括脱除重烃、汞、氮气、氧气、氦气等。
脱重烃脱汞脱除氮气和氧气脱除氦气
本章小结
本章讨论了天然气预处理过程中，脱除水分、脱除酸性气体、脱除其他杂质的一般方
法，并对这些常用的脱除方法的基本原理、重要特点和适用范围等进行了比较。结合以
上分析，在选择预处理方案时，应根据天然气的组成，液化工艺的要求，操作环境和建
设成本等，综合考虑后选用合适的脱水、脱酸性气体和脱杂质的方法。
第三章天然气液化装置及流程
天然气液化装置
天然气液化装置是一整套复杂庞大的系统。按照生产液化天然气的用途分为：基本
负荷型天然气液化装置和调峰型天然气液化装置两种。这两种装置因其用途不同，其液
化流程也有所不同。
基本负荷型天然气液化装置
基本负荷型天然气的液化装置是生产用来供当地使用的液化天然气或用了进行外运
的大型液化设备，由天然气的液化系统、预处理系统、装卸设施和消防安全系统等组成。
调峰型液化天然气装置
调峰型液化天然气装置指为调峰负荷或补充冬季燃料供应的天然气液化装置，调峰
型天然气液化装置全年分为个阶段运行，即液化阶段、备用阶段和蒸发输送阶段。
浮式液化天然气生产储卸装置
我国海上采油过程中大部分伴生气都不得不点火烧掉，迫切需要将海洋石油伴生气
资源进行回收利用，随着海上大型气数量减少，海洋天然气开发己经从大规模集中型安石油大学硕士学位论文详细摘要
逐渐转向小规模分散型，边际气田开发日益受到重视。作为一种新型的边际气开发技
术，浮式液化天然气生产储卸装置，集生产、储存与卸载于一身，简化了边际气
田的开发过程，有投资低、建设周期短、便于迁移等优点。
对于建设浮式液化天然气装置经常从以下几个方面进行研究总体布局液化工艺
流程净化工艺流程储存系统动力提供卸载系统
液化天气接收终端
液化天然气接收终端是指接收用运输船从基本负荷型天然气液化装置中运来的
的装置。
液化天然气接收终端的主要功能是接收、储存和再汽化，并通过天然气管网向
电厂和城市用户供气。陆岸液化天然气接收终端大的相关技术已经相当成熟，并且新型
液化天然气接收终端（码头汽化接收终端、海上汽化接收终端）也在发展中。
天然气液化流程
天然气液化的实质就是通过换热器把天然气中的大量热能排出，从而使得天然气达
到气态到液态的临界点一下，并将其液化，所以，制冷系统才是天然气液化流程的核心
部分。
液化流程的选择需考虑以下几方面的因素：①尽量地选择标准件设备；②流程设计
简单、成本低；③液化厂的用途和处理问题的效率；④能够较好地应对原料气组分和大
气环境的变化；⑤二氧化碳、氮氧化物等的排放量少。所以，在选择液化流程时，必须
根据具体情况，对不同液化流程的投资成本、功耗、运行要求等进行全面对比分析，最
终决定采用何种液化流程。
级联式液化流程
级联式液化流程的称呼很多，通常被称为阶式液化流程，复叠式液化流程，或串联
蒸发冷凝液化流程。它应用于基本负荷天然气液化装置。
级联式液化流程中，每级制冷循环都是三级压缩。在实际的循环中采用的压缩级数
要综合考虑初投资费用、运行费用等多方面的因素来决定。
混合制冷剂液化流程
混合制冷剂液化流程简称是以至的碳氢化合物，以及等五种以上
的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷
量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。
主要的混合制冷液化流程有四种闭式混合制冷剂液化流程开式混合制冷剂液化
流程丙烷预冷混合制冷剂液化流程的液化流程西安石油大学硕士学位论文详细摘耍
带膨胀机的液化流程
带膨胀机液化流程（是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨
胀的克劳德循环制冷，实现天然气液化的流程。根据制冷剂的不同，可分为氮气膨胀液
化流程和天然气膨胀液化流程。
天然气膨胀液化流程氮气膨胀液化流程氮甲烷膨胀液化流程
液化天然气装置的主要设备
液化天然气装置中涉及到的设备类型较多，下面重点讨论与相关的主要设备，
如压缩机、透平膨胀机、换热器等。
压缩机
压缩机是天然气液化装置中的关键设备，很多工艺过程都需要有压缩机，如原料气
增压和输送、制冷剂循环、蒸发气体（增压和输送、天然气管网气体增压和输送
等。
透平膨胀机
在天然气液化的工艺流程中，利用透平膨胀机的主要作用是制取冷量，对外输出的
功可以用于气体的压缩，可以减少功耗；而对于接收站，透平膨胀机则可以用于
冷能发电，回收的冷能。
换热器
为了较少冷损，这些工作温度较低的换热器通常集中在一个保冷性很好的箱体之内，
该箱体称为“冷箱”，它是天然气液化装置的关键设备之一。
液化天然气栗
泵是液化天然气系统常见关键性设备，主要用于液化天然气的装卸、输送、增
压等目的。液化天然气的温度较低，又是易燃易爆的危险品，因此泵的制作要求
比较高。
本章小结
本章重点介绍了液化天然气的装置、流程和主要设备，但由于液化天然气是一个庞
大的系统工程，天然气的液化流程与原料天然气的组成、装置规模、资金等多种因素有
关，所以对液化流程开展深入的研究是一项十分重要的技术性的基础工作，本章为合理
选择液化流程工艺和设备提供了一定的理论依据。
第四章天然气预处理及液化流程的设计应用西安石油大学硕士学位论文详细摘耍
原料气组成及产品要求
原料气组成
根据专业测试，该气天然气中甲烷含量约占其中含有酸性气体、水分、苯、
重烃和机械杂质，如、、、苯和重烃等，所以，为避免在液化过程中出现不
利影响，在进行液化前必须对原料气进行预处理。
以下为实际中测得的原料气数据：原料气流量原料气压力
原料气温度°
产品要求
国内尚无液化天然气产品的标准，目前液化天然气产品一般遵循欧洲标准
：《液化天然气装置和
设备》。该标准规定中甲烷的含量应高于、氮的含量应低于。
预处理方案
脱除酸性气体
本净化工艺采用湿法脱除天然气中的，选用活化甲基二乙醇胺）为
吸收剂，一段吸收，一段再生，溶液循环使用。
脱水
本净化工艺采用变温变压吸附法脱除天然气中的水分。在某些情况下，特别是在气体
流量、温度、压力变化频繁的情况下，由于吸附法脱水适应性强、操作灵活，而且可保
证脱水后的气体中无液体，所以成本虽高仍应采用吸附法脱水。
脱汞
脱汞工艺主要采用专用脱汞剂吸收汞，即用分子筛吸附法或采用浸硫活性炭使汞与
硫产生化学反应生成硫化汞并吸附在活性炭上。本装置采用专用脱汞剂脱汞，可以根据
汞分析伩的检测数据设置脱汞剂的更换周期。
脱重烃及脱苯
重烃在冷凝天然气的循环中总是先被冷凝下来，如果未把重烃先分离掉，或在冷凝
后分离掉，则重烃将可能冻结，从而堵塞设备。本装置采用异戊烷洗涤法溶解脱苯、低
温分离脱重烃工艺，该工艺成熟可靠，已在国内多套装置使用。
液化流程设计方案西安石油大学硕士学位论文详细摘要
本工艺采用的是闭式混合制冷工艺：采用、、、作为制冷剂，制冷剂
组成根据原料气的组成和压力而定，利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝
的特性，将其依次冷凝、分离、节流蒸发得到°、°、°温度级的冷
量，在冷箱内冷量传给净化后的原料气，原料气逐渐被预冷、液化，最后过冷到°
出冷箱，再经节流降压到，最终得到温度约为°的产品。
工艺流程分析
脱酸性气体流程
原料气分离和脱二氧化碳的流程，胺再生的流程
脱水脱汞流程
变温变压吸附脱水（简称
脱汞流程
天然气液化的流程
经过净化的天然气分别进入原料气闪蒸气换热器和来自罐区的换
热，原料气的温度降到°，然后从冷箱顶部进入冷剂换热器。
流经换热器的天然气先预冷到°，然后出冷箱进入气液分离器
分离出天然气中及以上重烃组分，脱除重烃后的天然气自下而上通过脱苯
塔，与从上而下的异戊院液体逆流接触。用异戊烷脱除天然气中的苯和芳香烃。
异戊烷来自异戊烷储罐经异戊烷增压泵增压到，流量约，异戊烷可
以脱除掉天然气中的苯和芳香烃。脱除重烃和苯以后的天然气再次进入冷箱继续冷却、
液化和过冷到°，再经流量调节阀节流降压到后得到°的
产品，同时产生部分闪蒸气（即，约，闪蒸出的这部分和
储罐的及装车产生的—起进入与净化后的天然气换热回收冷量，
被加热到°的进入压缩机，增压到后一部分进入燃料气系统作为
导热油系统的燃料气，另一部分作为干燥单元分子筛再生气。
从重烃分离器分离的低温重烃（°进入和从
来的中压液体冷剂换热，经液位调节阀后压力降到，从脱苯塔
底部来的富含苯的低温异戊烷（°进入和中压冷剂液体换热，
经液位调节阀后压力降到，两股液体汇合后再经再次与
中压冷剂液体换热，最终混合重烃液体被复温到°后进入重烃分液罐，气相与
从再生气分离器来的再生气一起到再生气压缩机增压后循环利用。重烃分液罐分
离出的液体（主要成分为富含苯的异戊烷及重烃）进入重烃罐储存，然后装槽车外运。安石油大学硕士孚位论文详细摘耍
辅助系统的流程
导热油流程冷剂循环流程闪蒸气（与再生气压缩机流程
模拟计算结果
本文利用软件对整个工艺系统进行了模拟计算。经计算还得出：
产量为；
液化率：除、等加工损失和工厂自用燃料气外全部液化；
温度：。
压力：
本章小结
本章针对延长油田某井区的天然气特质进行了工艺流程设计，在流程设计中选用目
前较为先进的技术工艺，设计出合理的预处理与液化流程，并做了详细的分析。在天然
预处理中采用活化为吸收剂脱、变温变压吸附法脱水、异戊烷洗涤法溶解脱
苯、低温分离脱重烃工艺、和专用脱汞剂吸收汞。在液化流程中采用馄合制冷工艺。另
夕卜，对辅助系统的工艺流程，即冷剂循坏单元、与再生气压缩单元及导热油单元的
工艺流程进行了设计。最后，经软件计算得出该方案的液化天然气产品的组
成。
第五章液化天然气冷能利用
冷能利用方式
按利用冷能的过程可分为两类：直接利用和间接利用。
冷能的直接利用法
冷能发电
利用冷能发电是较为新颖的能源利用方式。根据利用的方式不同可以有
不同的循环系统：（用冷能来改善现有各种发电动力循环系统，提高效率以增
加发电量；（釆用相对独立的低温动力循环来发电；（带液化回收的燃气发电
系统。
空气分离
常用的空气分离法是将空气液化后，通过氟里昂冷冻机，透平膨胀进行空气的液化
分离制成液态的，，等。
制造液态二氧化碳和干冰生产
液态是二氧化碳气体经压缩、提纯，最终液化得到的。
轻烃回收西安石油大学硕士学位论文详细摘耍
轻烃是一种优质的化工原料，用气代替石油作为乙烯原料，乙烯装置投资可节省，
能耗降低，综合成本降低。
制冰与空调
制冰与空调的基本原理，是利用中间冷媒和换热，使得冷媒获得冷量，温度
降低，再利用这个中间冷媒在空调房制冷或制冰室制冰。
海水淡化
冷能利用于海水淡化是属于冷冻法海水淡化的一种。
冷能的间接利用方法
冷能回收用于食品冷冻
回收的冷能供给冷库的利用方便了冷冻冷藏，可以将与冷媒进行换热在
低温交换器的作用下，冷媒在冷却后管道进入冷藏室。
低温粉碎
使用冷媒例如“低温粉碎回收工业”通过液氮低温粉碎而形成，就是利用大多数材
料的“低温脆性”特征，来低温粉碎它们并回收其中的贵金属。‘
本章小结
本章综合了各种冷能利用的方法，对他们的基本原理、应用范围、经济效益等
进行了分析。主要介绍冷能的直接利用法和间接利用法，其中直接利用法有：冷
能发电、空气分离、轻烃回收、制造液态二氧化碳和干冰生产、制冰与空调、海水淡化；
间接利用法有：食品冷冻、低温粉碎。
第六章结论及建议
结论
本文介绍了国内外天然气液化技术的现状及发展趋势，分析了天然气预处理、天然
气液化和天然气冷能利用的方法，建立了有关液化工艺计算的数学模型，针对延长油田
某井区天然气的气质条件，选用合理的净化和液化方案，分析研究了其工艺流程。得出
以下结论：
对比分析天然气预处理过程中脱水、脱酸性气体及脱除其他杂质的常用方法，给
出了选择天然气预处理方法的基本原则。
详细介绍了基本负荷型和调峰型天然气液化装置及流程，以及浮式液化天然气生
产储卸装置、液化天然气接收终端和小型天然气液化技术，分析了级联式、混合制冷剂
和带膨胀机液化流程的特点，针对天然气液化装置的不同用途，提供出合理选择天然气
液化流程的依据。
针对延长某一气田的气质特点，确定了天然气预处理的方案，具体包括湿法脱除西安石油大学硕士学位论文详细摘耍
、吸附法脱水、洗涤法溶解脱苯等。并根据原料气的组成和压力，选择了闭式混合
制冷工艺作为液化方案，并且设计出冷剂循环单元、与再生气压缩单元及导热油单
元的工艺流程。最后，经模拟计算给出了液化天然气产品的组成。该方案对全国类气
源的油气田有一定的借鉴作用。
总结了目前液化天然气下游冷能的主要应用途径，如冷能发电、空气分离、制造
干冰等，为研究液化天然气冷能利用，推动能源资源的循环综合利用提供参考。
建议
天然气液化工艺是一个复杂而庞大的系统工程，包括天然气预处理、天然气液化、
储存和运输系统、设备选型、消防安全系统等，本文重点讨论了其中的预处理和液化工
艺，还有一些未能涉及到的方面，需要做进一步研究：
对降低天然气液化流程中的能耗，可结合热力学模型进行研究，并提出相关的经
济评价指标，从而进一步优化天然气液化工艺流程，为天然气液化工艺流程的选择提供
理论依据。
由于延长油的该天然气液化项目还在试车运行阶段，目前的试运行状态良好，
但还没有正式投产，所以该方案的运行结果和经济效益还有待今后再作进一步考证。
我国缺少天然气液化研究行业规范及标准，给研究工作带来不便。