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《上海交通大学》 2012年
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浮式油田伴生气的净化与液化工艺流程研究分析

李秋英  
【摘要】:随着大型油气田的逐渐减少,海上小型油田伴生气的开发日益受到重视,浮式液化天然气生产储卸装置(LNG-FPSO)是开发海上油田伴生气的新技术,由于海上环境恶劣,LNG-FPSO经常在由海浪、台风等因素引起的不规则晃动状态下作业,而且浮动平台上空间非常狭小。因此应用于LNG-FPSO上的天然气净化与液化处理流程既要能适应海上恶劣的操作环境,还要紧凑,占用较少的甲板面积。传统的吸收方法采用液体做吸收剂,应用于浮动平台上天然气脱酸净化遇到了较大的挑战,而吸附方法应用于天然气脱酸方面的研究缺乏系统性;在液化方面,目前氮气膨胀液化流程(N2膨胀液化流程)和混合制冷剂液化流程的呼声最高,但至于哪类流程更加适用于浮动平台,各国专家目前并未给出综合的比较分析结果。鉴于此,在净化方面,本文设计并研制了吸附净化实验台,进行了系统的脱酸实验测试,探明了不同酸气含量和不同吸附压力对吸附剂吸附性能的影响规律,并根据实验测得的分子筛的动态吸附数据设计了海上浮动平台上的吸附净化流程,并与传统的吸收净化流程进行了比较,确定出了吸附方法应用于浮动平台的条件;在液化方面,分别设计了N2膨胀液化流程和混合制冷剂液化流程(包括丙烷预冷的混合制冷剂液化流程:C_3/MRC和无预冷的混合制冷剂液化流程:MRC),针对LNG-FPSO的特点,对两类流程进行了全面分析,确定出了最适合于浮动平台上的液化流程,并对确定出的液化流程实施改进。主要内容如下: (1)设计并研制了吸附净化实验台,选用典型的X型分子筛13X-PG、13X-HP和APG-II进行测试,针对每一种分子筛,研究了不同吸附压力和混合气体中不同CO_2含量对吸附剂吸附性能的影响。结果表明,吸附压力的增加可在一定程度上提高吸附剂的吸附性能,混合气体中CO_2含量的增加会导致吸附剂吸附性能明显下降。不同种类分子筛的吸附性能差异比较大,13X-PG的吸附性能比较差,相比之下,13X-HP和APG-II的吸附性能比13X-PG好很多,而且APG-II的吸附性能略好于13X-HP。 (2)实验对分子筛的解吸过程进行了详细的实验测试。结果表明,在相同的加热温度条件下,解吸时间随着N2流量的增加而缩短,在相同的N2流量条件下,解吸时间随着加热温度的提高而缩短;分子筛吸附性能越好,解吸过程越困难,相同操作工况条件下,解吸所用时间越长,耗费N2量越多。本文根据实验分析结果确定了最佳实验工况条件。 (3)根据实验测试的分子筛动态吸附数据,针对20×10~4Nm~3/d的天然气处理量,设计了吸附脱酸净化流程,并与传统的吸收净化流程进行了比较分析。结果表明,虽然吸附方法具有应用于LNG-FPSO上天然气脱酸净化的诸多优点,但吸附方法的再生热比较大,当混合气体中CO_2含量为2%时,吸附方法的再生热已接近2000kW,因此当混合气体中CO_2含量超过2%时,不建议采用吸附方法对海上浮动平台上天然气进行脱酸净化处理。 (4)构建了N_2膨胀液化流程、C3/MRC和MRC流程,采用相平衡方程对流程进行了计算和比较分析。结果表明,N2膨胀液化流程虽然能耗比较高,而且流程运行的经济性也略差,但该流程对不同产地气源的适应性较强,而且对陆上小型煤层气源也有较好的适应性;对浮动平台的晃动不敏感;制冷剂为单一工质N_2,不具可燃性,操作安全可靠,且不存在制冷剂配比问题;运行开/停车迅速,因而是应用于海上浮动平台的较为合适的液化流程。 (5)与C_3/MRC和MRC相比,虽然N_2膨胀液化流程应用于海上浮动平台具有明显的竞争力,但是该流程的一个最明显的缺点就是能耗太高。本文从分析的角度对流程进行了分析,并借助效率的概念分析了流程的能量利用率。根据分析结果,采用R410A制冷剂对流程进行预冷,计算分析结果表明,流程的能耗明显降低,效率大幅提高,进一步提升了N2膨胀液化流程应用海上浮动平台上的竞争力。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TE868

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