黄冈LNG工厂为中石油昆仑能源投资建设的大型LNG工厂，天然气处理能力为500×104 m3/d，是目前国内最大的LNG工厂，处理工艺及关键设备均采用国产化。黄冈LNG工厂于2014年5月24日开始进气调试生产，5月31日生产出合格的LNG产品，工厂运行正常，一次性试运投产成功，创国内LNG工厂系统调试周期最短纪录。填补了我国液化天然气工业的空白。在此之前我国液化天然气工业主要依靠引进国外成套技术和设备。
黄冈LNG工厂为基本负荷型液化天然气生产工厂，每年运行时间8 000 h，液化能力142 t/h，操作弹性50%~110%。工厂设有2座30 000 m3的单包容罐，能满足7.5天产量的储存需要。
黄冈LNG工厂主要包括天然气脱碳、脱水脱汞、液化、LNG储存与装车及BOG增压等系统。工厂原料气来自西气东输二线黄冈分输站，压力约为6.9 MPa，天然气经计量后首先进入脱碳装置，脱除天然气中的CO2、H2S等杂质，再进入脱水脱汞装置脱除天然气中的水与汞，然后进入液化装置进行逐级冷却降温，直至液化，最后进入LNG储罐进行常压低温储存，销售时通过LNG潜液泵将LNG输送至装车区进行装车外运。工厂技术自主化率达100%。
目前国内其他LNG工厂大多采用醇胺法中的MEA脱除CO2[1]，该技术容易发泡，脱碳效果较差，影响工厂正常生产。黄冈LNG工厂脱碳工艺首次采用自主知识产权专利技术“一种脱除天然气中CO2的复配型脱碳溶剂”，装置采用一定浓度的活化MDEA水溶液吸收脱除天然气中的CO2，该溶剂具有脱碳效率高、再生能耗低、不降解及抗发泡、抗腐蚀性好等良好特性。工厂从2014年运行至现在没有出现任何发泡现象，装置运行情况良好，脱碳后的天然气CO2体积分数不超过2×10-6 。
黄冈LNG工厂脱水脱汞装置为自主知识产权专利技术，为保证脱水脱汞深度要求，脱水采用分子筛脱水工艺，利用分子筛的吸附特性，选择性地脱除天然气中的饱和水，装置采用两塔方案，12 h吸附、6 h加热再生、6 h冷却；脱汞采用化学反应吸附法脱除天然气中的汞。工厂脱水脱汞装置与其他LNG工厂相比，结合了天然气液化过程中产生的湿净化气体的脱水、脱汞、再生、冷却、分离和压缩于一体，具有工艺简单、控制方便和运行稳定的优点。天然气出脱水脱汞装置后，水的体积分数不到0.1×10-6 ，低于目前大多数LNG工厂脱水指标1×10-6 (φ)[2]，可最大限度地避免对液化装置管线与设备造成冰堵。
黄冈LNG工厂制冷工艺为多级单组分制冷天然气液化工艺，在黄冈LNG工厂属首次运用。该工艺结合传统阶式制冷工艺的优点，从关键设备国产化对传统阶式制冷工艺的技术进行了改进及创新，除具有传统阶式制冷工艺特点外，还具有冷剂压缩机、换热器国产化的特点，方便采购，投资更省。
多级单组分制冷工艺由三级独立的制冷循环组成，制冷剂分别为丙烯、乙烯和甲烷。天然气液化丙烯、乙烯及甲烷制冷系统采用自主知识产权专利技术，其基本原理是，通过较低温度级的循环，将热量传给相邻的较高温度级的循环，从而实现逐级冷却、冷凝。第一级丙烯制冷循环为天然气、制冷剂乙烯和制冷剂甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和制冷剂甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气及自身提供冷量。通过6个换热器和1个板翅式换热器冷却，天然气的温度逐渐降低，直至液化。
净化后的天然气首先用丙烯作为第一冷却级冷却至-36 ℃左右，后进入第二冷却级。丙烯蒸发器中蒸发出来的丙烯气体经压缩机增压，冷却后重新变为液体回到丙烯蒸发器。
第二冷却级用乙烯作为制冷剂，天然气冷却到-55 ℃左右，分离C5以上的重烃后，再被乙烯冷却至-96 ℃，并被液化后进入第三冷却级。乙烯蒸发器蒸发出来的乙烯气体经增压，通过丙烯蒸发器换热液化后，最后进入乙烯蒸发器中。
甲烷作为过冷段的制冷剂，将液化段已液化的天然气过冷至-155 ℃，过冷后的天然气节流后温度降至-162 ℃，进入LNG储罐储存。同时，制冷剂甲烷在这一级中冷却到-155 ℃左右，然后通过节流阀降温降压，压力降至140 kPa，温度降至-158.9 ℃，进入板翅式换热器，为天然气和自身过冷提供冷量。节流后的甲烷出换热器的温度为-100 ℃，该气体直接进入甲烷压缩机增压，增压完成后进入丙烯蒸发器、乙烯蒸发器及冷箱中冷却循环。
目前世界上运行的LNG工厂所采用的制冷工艺大多数为级联式制冷工艺、膨胀制冷工艺和混合制冷工艺[3]。相比于多级单组分制冷工艺，4种制冷循环工艺的优缺点对比见表 1。液化循环特性比较见表 2。
从表 1和表 2可知，级联式制冷工艺能耗小，各制冷循环系统与天然气液化系统相互独立，但流程复杂，附属设备多，管理维修不方便[5]。混合制冷循环工艺流程复杂程度相对简单，机组设备少，投资省，效率较高。在规模较小的天然气液化厂中，该工艺运用较多[6]。带膨胀机的液化流程虽然复杂程度最低，但是比功耗最高，运行成本高[7]，在规模较大的天然气液化中，经济性不好，和其他流程相比不具有优势。而多级单组分制冷工艺能耗较小，效率较高，各制冷循环系统与天然气液化系统相互独立，操作稳定，适应性强，流程复杂程度适中。因此，在天然气处理规模较大的液化厂中，该工艺具有优势。
经丙烯冷却后的-36 ℃天然气节流降压后进入重烃洗涤塔，脱除天然气中的重烃组分。现有LNG工厂重烃洗涤塔多是进行一次处理完成，这种方法存在脱重烃不完全，并且处理时不稳定，导致冷箱时常冻堵[8]。黄冈LNG工厂重烃洗涤塔为自主知识产权专利技术，采用多组筒体组合的结构，方便了重烃洗涤塔的安装和维护，另一方面设置了多层处理单元进行脱除重烃的处理，使其运行安全和稳定，避免冷箱发生冻堵。黄冈LNG工厂运行至今，从未发生因重烃导致冷箱冻堵的事故。
LNG自液化装置进入LNG储罐，为降低LNG在储罐内出现分层的风险，LNG分两种方式进入LNG储罐，一种上部进料，另一种是通过内部插入管从下部进料。储罐在没有LNG进出或LTD出现预警时，启动LNG潜液泵对罐内LNG进行循环，防止罐内LNG分层和发生翻滚。储罐的所有开口均设置在罐顶部，内罐底部不设置任何开口，在出现管线应力拉断事故时可以保证储存LNG不会大量泄漏。储罐设置有压力、液位变送器以及温度热电偶检测。任何不正常的运行状态均能被检测和报警，并依靠SIS联锁控制以防止储罐过满、超压以及其他危害安全的情况发生。
LNG装车区设置26台装车撬，LNG通过潜液泵输送至装车系统，充装一辆槽车的时间约为40 min。LNG产品装车采用定量装车系统控制，装车过程中系统检测温度和压力，当数据异常时，控制系统报警。溢流等情况产生的LNG进入BOG凝液罐，经电加热器加热至气相后输送到BOG增压装置。
BOG增压装置主要用于对来自LNG罐区的LNG闪蒸气(BOG)及装车过程中产生的气体进行增压。-150 ℃的BOG输送到本装置后首先利用来自脱水脱汞装置的净化气加热至-30 ℃，然后进入BOG压缩机，先增压(表压)至0.5 MPa，抽出一部分作为燃料气，剩余部分继续增压至西二线管网压力，经出站阀组外输至黄冈分输站，经计量后最终进入西气东输二线。本装置共设置3台BOG压缩机，当低于60%生产负荷时，机组1用2备；当超过60%生产负荷时，机组2用1备。
黄冈LNG工厂定位于国产化示范工厂，设备国产化率达99%。在目前国内大部分LNG工厂中，其关键设备如冷剂压缩机、变频器及冷箱全为国外进口，而黄冈LNG工厂主要关键国产设备冷剂压缩机、电机、变频器、BOG压缩机、冷箱等均实现了国产化。工厂运行至今，各设备均能正常运行，证明了LNG工厂设备国产化的可行性。
工厂液化装置共有3台冷剂压缩机，均为多级离心式压缩机，分别为丙烯压缩机、乙烯压缩机及甲烷压缩机。丙烯压缩机由四段七级组成，轴端密封为干气密封，机壳为水平剖分式，设计出口流量417 065 m3/h，出口压力(绝压)1.78 MPa，轴功率25 570 kW，转速2 967 r/min。乙烯压缩机由低压缸与高压缸组成，低压缸与高压缸共三段九级，轴端为干气密封，机壳为水平剖分式，设计出口流量249 959 m3/h，出口压力(绝压)1.78 MPa，轴功率14 192 kW，转速3 886 r/min。甲烷压缩机由低压缸与高压缸组成，低压缸与高压缸共十三级，轴端为干气密封，机壳为垂直剖分式，设计出口流量103 958 m3/h，出口压力(绝压)4.5 MPa，轴功率11 367 kW，转速6 222 r/min。3台压缩机功率均为目前国内同类型最大的压缩机。机组目前运行良好，振动、位移及温度等各项指标均在设计可控范围内，改变了国产设备不能连续稳定生产LNG的状况，达到国内先进水平。
与冷剂压缩机配套的防爆电机和变频器也为国内生产制造，其中丙烯压缩机电机功率达30 MW，较以往国内制造最大20 MW防爆电机功率高50%，创国内制造防爆电机功率最大记录；丙烯压缩机变频器容量也达到30 MW，同样创国内制造变频器容量最大新纪录。电机与变频器运行至今，各项参数均正常。
工厂BOG压缩机为往复式压缩机，其额定功率为2.3 MW，创国内制造低温BOG压缩机功率最大纪录，机组运行至现在，各项参数一切正常。
工厂冷箱为铝制板翅式换热器，冷剂与天然气能充分进行换热，高压液态甲烷冷剂进入预冷换热器中，过冷后节流进入混冷分离器进行两相分离，分离后的气相和液相在主换热器中汇合后复热出主换热器。LNG出冷箱温度可达-155 ℃，达到设计指标要求。
黄冈LNG工厂为国内最大的国产化LNG工厂，很多设备均为国内最大，工厂开车运行并无成功经验可借鉴。在工厂开车初期，邀请国内相关行业专家及设备厂家专业技术人员进行指导，解决多项开车技术难题，使工厂能正常平稳运行，积累了大型LNG工厂顺利开车运行经验。
冷剂压缩机是整个生产装置的核心设备，压缩机的运转直接影响工厂的正常生产。黄冈LNG工厂的3台冷剂压缩机均为国内同类型最大的压缩机，正常启动程序复杂，需严格控制工艺参数及机械运行参数，启机时间较长。压缩机启动升速时需按照升速曲线进行升速，尽快跨过临界区，在升速过程中，密切关注压缩机轴振动、轴位移、温度及电流值的变化，通过调节防喘振阀及急冷液控制阀控制系统温度及电流，尽量减小电流值，保证各参数值在报警值范围内波动。丙烯压缩机因功率最大，启动时电流也最大，因此在升速时，通过关小防喘振阀，减小电流值；乙烯压缩机在启动时需尽量降低低压缸温度，因压缩机正常运行时低压缸温度较低，其轴承材质较为特殊，在低温条件下轴承韧性及刚性增强，轴振动值较小，因此在启动时，通过控制急冷液控制阀，降低压缩机低压缸温度，降低轴振动值；另外，3台冷剂压缩机是相互关联的，运行过程中，调整天然气处理量或其他工艺参数时，注意收放压缩机的防喘振阀，避免压缩机发生喘振而导致工厂联锁停车。
冷剂压缩机变频器功率较大，运行时电流较大，温度升高较快。在工厂试运行期间，变频器模块时常烧坏，导致压缩机停车；经过现场检查与分析，变频器模块连接方式存在缺陷，原连接方式为插件连接方式，此种连接方式易导致模块接触不均匀，在高电流作用下易导致模块局部温度较高，从而导致模块损坏；后改变模块连接方式，使模块充分接触，变频器运行至今，再未发生变频器模块损坏情况。
冷箱在初次运行时，需对冷箱内设备管路进行干燥，使内部管路、设备内的水露点低于-60 ℃，避免冷箱发生冻堵。当冷剂进入冷箱时，注意控制降温速度，缓慢开启节流阀，使冷箱慢慢预冷，冷却速率通过人工调节节流阀来控制，冷却速率不超过2 ℃/min，冷箱正常运行时需随时注意冷、热流体在换热器中的任一截面温差应不高于30 ℃，同一流体的温度变化率应小于50 ℃/h。
黄冈LNG工厂技术自主化率100%，设备国产化率99%，自2014年5月24日运行以来情况良好，已达到国内先进技术水平，多级单组分制冷天然气液化工艺在黄冈LNG工厂的成功运用，填补了我国液化天然气工业的空白，为海外市场的拓展奠定了基础。该制冷工艺能耗较小，效率高，各制冷循环系统与天然气液化系统相互独立，操作稳定，适应性强，针对大型的LNG装置，采用多级单组分制冷工艺将是最好的选择。黄冈LNG工厂的成功建设及连续平稳运行，对国内LNG产业的发展也起到积极的推动作用，对未来建设大型LNG工厂具有一定的借鉴作用。
2016, Vol. 45 Issue (6): 38-42
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