LNG是通过将常压下气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体。天然气液化后可以大大节约储运空间，而且具有热值大、性能高、有利于城市负荷的平衡调节、有利于环境保护，减少城市污染等优点。
由于进口LNG有助于能源消费国实现能源供应多元化、保障能源安全，而出口LNG有助于天然气生产国有效开发天然气资源、增加外汇收入、促进国民经济发展，因而LNG贸易正成为全球能源市场的新热点。为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，日本、韩国、美国、欧洲都在大规模兴建LNG接收站。我国对LNG产业的发展也越来越重视，LNG项目在我国天然气供应和使用中的作用尤为突出，其地位日益提升。
1天然气液化流程
液化是LNG生产的核心，目前成熟的天然气液化流程主要有: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。
1.1 级联式液化流程
级联式(又称复迭式、阶式或串级制冷)天然气液化流程，利用冷剂常压下沸点不同，逐级降低制冷温度达到天然气液化的目的。常用的冷剂为水、丙烷、乙烯、甲烷。该液化流程由三级独立的制冷循环组成，制冷剂分别为丙烷、乙烯、甲烷。每个制冷循环中均含有三个换热器。第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量;第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量;第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量;通过9个换热器的冷却，天然气的温度逐步降低，直至液化如下图所示。
1.2 混合制冷剂液化流程
混合制冷剂液化流程(Mixed-RefrigerantCycle，MRC)是以C1~C5的碳氢物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、膨胀，得到不同温度水平的制冷量，逐步冷却和液化天然气。混合制冷剂液化流程分为许多不同型式的制冷循环。
1.2.1 闭式混合制冷剂液化流程
下图为闭式混合制冷剂液化流程(Closed MixedRefrigerant Cycle)。在闭式液化流程中，制冷剂循环和天然气液化过程分开，自成一个独立的制冷循环。
制冷剂循环中制冷剂常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H10组成。这些组分都可以从天然气中提取。液化流程中天然气依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，也可回到天然气入口在进行液化。
1.2.2 开式混合制冷剂液化流程
下图为开式混合制冷剂液化流程(Open MixedRefrigerantCycle)。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。原料天然气经净化后，经压缩机压缩后达到高温、高压，首先用水冷却，经分离器分离掉重烃，得到的液体经换热器1冷却，并经节流后，与返流气混合后为换热器1提供冷量。
分离器1分离的气体经换热器1冷却后，进入气液分离器2，产生的液体经换热器2冷却，并经节流后，与返流气混合为换热器2提供冷量。
分离器2分离的气体经换热器2冷却后，进入气液分离器3，产生的液体经换热器3冷却，并经节流后，与返流气混合为换热器3提供冷量。气液分离器3分离的气体经换热器3冷却后，并经节流后，进入气液分离器4，产生的液体进入液化天然气储罐储存。
1.2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化流程
丙烷预冷混合制冷剂液化流程由三部分组成:①混合制冷剂循环，②丙烷预冷循环，③天然气液化回路。
在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，和混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气。
下图为丙烷预冷循环和混合制冷剂循环，在混合制冷剂液化流程中，天然气首先经过丙烷预冷循环预冷，然后流经换热器1~3逐步被冷却，最后经节流阀进行降压，从而使液化天然气在常压下储存。
1.2.4 双混合制冷剂循环流程
双混合制冷剂循环流程如下图所示，包括两个制冷循环，都采用的混合制冷剂。系统中主要设备有预冷制冷剂压缩机和深冷制冷剂压缩机，预冷和深冷换热器。
双混合制冷液化流程是以传统的MRC为基础的。与丙烷预冷的混合制冷剂循环类似，双混合制冷剂液化流程的天然气液化流程包括两个密闭的制冷剂液化系统。两者的区别主要在于前者采用了单组分(丙烷)制冷剂作为预冷级的冷源;而后者则由高沸点混合制冷剂(C2~C5烃类)为预冷级换热器提供冷源。与丙烷预冷的混合制冷剂循环相比，双混合制冷剂循环降低了系统功率、提高了系统生产能力，在投资方面比丙烷预冷混合制冷剂液化流程更有竞争力。
1.3 带膨胀机的液化流程
带膨胀机的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逆克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能够输出功，可用于驱动流程中的压缩机。带膨胀机的液化流程分为氮气膨胀循环、氮甲烷膨胀循环和天然气膨胀循环。
1.3.1 氮气膨胀液化流程
氮气膨胀液化流程如下图所示较为简单、紧凑、造价略低，运行灵活、适应性强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40％左右，二级氮气膨胀液化流程是经典氮膨胀液化流程的一种变形，如下图所示，该液化流程有原料气回路和N2膨胀液化循环组成。
在天然气回路中，原料气经预处理装置预处理，进入换热器冷却，再进去重烃分离器分离掉重烃，经换热器2换热后进入氮气提塔分离部分氮气，在进入换热器3进一步冷却和过冷后，LNG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进换热器1冷却后，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1的低压氮气进入循环压缩机压缩，开始下一轮的循环。
1.3.2 氮-甲烷膨胀液化流程
为减低膨胀机的功耗，采用氮-甲烷混合气体代替纯N2，与混合制冷剂液化流程相比，氮-甲烷膨胀液化流程(N2-CH4Cycle)具有启动时间短，流程简单，控制容易、混合制冷剂测定及计算方便等优点，由于缩小冷锻换热温差，它比纯氮膨胀液化流程等节省10％~20％的动力消耗。
1.3.3 天然气膨胀液化流程
天然气膨胀液化流程，是指直接利用高压天然气在膨胀机中绝热膨胀到输出管道压力而使天然气液化的流程。这种流程最突出优点是功耗小、只对需液化的那部分天然气脱除杂质，因而预处理的天然气量可大为减少(约占气量的20％~35％)但液化流程不能获得像氮气膨胀液化流程那样低的温度、循环气量、液化率低。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。
2液化流程对比分析
2.1 级联式液化流程
级联式液化流程主要运用于基本负荷型液化装置，能耗低，采用九台串联换热器，每台换热器内部温差较小，减少了因温差引起的不可逆损失，从而降低了系统的比功耗;技术成熟，操作稳定。在实际循环中采用的压缩级数要综合考虑初投资费用，运行费用等多方面因素。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特点是流程设备多、流程复杂、初投资大，管理复杂。
康菲优化级联技术(POC)，在阿拉斯加Kenai液化厂项目应用的级联工艺基础上进行了一系列改进，优化技术采用开放式甲烷制冷循环，在乙烯蒸发器产生的冷凝产品与部分蒸发了的甲烷相遇后，进入开放式制冷循环，生成甲烷制冷剂回收气和LNG产品。下表列出来了部分国内LNG级联式液化流程项目。
2.2 混合制冷剂液化流程
混合制冷剂液化流程既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。与级联式液化流程相比，其优点是: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15％~20％;管理方便;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。缺点是能耗高，组分配比比较困难。
美国气体化工产品公司(APCI)拥有C3-MRC技术，该技术可设计为由两台涡轮机驱动的LNG液化生产线，年产量可达450万吨。
壳牌的C3-MRC技术，提供了一种丙烷预冷混合制冷剂工艺的专有技术，在文莱的LNG工厂得到第一次应用。该项目使用了蒸汽轮机作为压缩机的驱动，如采用燃气轮机驱动，单条生产线年产量可达到450万吨。该技术可通过使用分体丙烷技术增加产量至500万吨。
壳牌的双循环混合制冷剂技术(DMR)，使用二级混合制冷剂循环，并将每个循环的压缩驱动机并联配置。该技术已在俄罗斯萨哈林州LNG项目上应用，能够年产520万吨的LNG的产品。
法国Axens公司与法国石油研究院合作开发了Liquenfin液化天然气技术，该技术生产LNG的费用每吨可降低25％，带有2台标准燃气透平的Liquenfin技术的系列装置，能够年产600万吨的LNG产品。
挪威国家石油公司与林德公司(Statoil-Linde)共同开发的混合制冷剂级联技术(MFC)，该技术综合了混合制冷剂工艺和级联工艺的优点，以其适应较低冷却水温度的能力，在挪威SNOHVIT430万吨/年的LNG项目上首次应用。
法国燃气公司开发了新型混合制冷剂液化工艺，即整体结合式级联型液化技术(IntegralIncorporated CascadeCII)技术吸收了国外LNG液化技术最新发展成果，代表了天然气液化技术的发展趋势。上海浦东建造的我国第一座调峰型天然气液化装置，采用CII技术。
壳牌在双循环混合制冷剂工艺基础上的优化和改进，开发了并联混合制冷剂技术(PMRTM)，壳牌PMRTM技术是为大型LNG生产线开发的技术，采用成熟设备，不需要增大现有设备规模。两条并行而独立的液化混合制冷循环，在其中一套设备出现故障时，仍能保证60％的产能不间断生产。在建造期间工期延误时，液化厂并列的两个液化循环可分期投产。当壳牌PMRTM工艺采用3台涡轮机时，单线LNG生产能力可达800万吨/年。
自20世纪70年代，对于基本负荷型天然气液化装置，广泛采用了各种不通类型的混合制冷剂液化流程，下表列出了部分国内典型LNG混合制冷液化工艺流程项目。
2.3 带膨胀机的液化流程
带膨胀机的液化流程流程简单、调节灵活、工作可靠，易启动、易操作、维护方便;用天然气本身为工质，节省生产、运输、储存冷冻机的费用。缺点是:原料气需要深度干燥，回流压力低，换热面积大，设备金属投入量大;液化率低，如在循环，则在增加循环压缩机后，功耗大大增加。
林德公司拥有氮双膨胀机技术，该技术采用一台两级压缩机，将氮制冷剂从2MPa压缩到5MPa，并保留了LNG调峰工厂所采用的氮循环的简单性。一般用海水进行中间冷却和后冷却，也可用空冷。
2001年APCI注册了AP-XTM专利，AP-XTM技术利用氮膨胀机制冷系统来实现LNG低温冷却，从而扩展了C3-MR循环，并提高了LNG的产能。氮膨胀机制冷系统分担了制冷负荷，降低了丙烷和混合制的用量，减少了制冷系统设备的要求。该技术在卡塔尔的QatargasLNG工厂4#和5#生产线上应用，单线生产能力780万吨/年。
由于带膨胀机的液化流程操作比较简单。投资适中，特别适合用于液化能力小的调峰型天然气液化装置。下表列出了部分国内带膨胀机的液化流程项目。
3结语
随着世界能源需求的不断增长以及人们环保意识的不断加强，液化天然气(LNG)产业进入了前所未有的黄金发展期。LNG液化工艺技术也在不断改进，根据天然气储量、市场需求、原料气性质、厂址和投资情况，采用不同的液化工艺技术，优缺点各不相同。如何选择合适的工艺流程降低LNG液化过程中消耗的大量能量，提高制冷系统的效率，提高经济效益，是投资者和研究者看中的重点。
戴兴星等
新疆石油勘察设计研究院(有限公司)
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