LNG项目之亚马尔LNG项目
难得的春节假期
我却一天到晚赖在沙发和床上
看似颓废的我
实则在响应国家的号召
抗击疫情,从我“坐”起
蜗居在家
享受暖气带来的舒适的温度
一个字“惬意”
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说到取暖
这些年鉴于环保面临的压力
之前采用煤炭逐渐在被淘汰中
很多地域都在推广煤改气
天然气逐渐成为主角
当然按照天然气目前的价格和气源分配
还不至于普及到每家每户
同时还面临着季节性调峰的压力
夏天用不完,冬天不够用
所以在我国新建了很多LNG储罐
用来调配天然气消耗的峰谷值
即使这样在,用气高峰的季节
依然面临着巨大的需求缺口
天然气的价格
以LNG为例
通常LNG每吨的价格在3000~4000之间
但是例外总是难免的
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就在近1个多月
液化天然气的价格又来了个断崖式下跌
从9000跌回4000块出头
与2017年末如出一辙
天然气的暴涨暴跌的背后的深层次逻辑是什么呢
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去年国内频频遭遇极端寒潮天气
多地创下历史最低温的记录
怎么办
还能怎么办,使劲儿的开空调、烧暖气啊
难不成要抱团取暖
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同时疫情之下,车船费也一路看涨
2021年第一周,LNG运输船的日租费达到35万刀
达到了历史新高
多重因素推高了今年年初的一波非正常行情
不过冬天终将过去
春天很快到来
异常的高价位必定不能维持太久
天然气储量
天然气到底够不够用呢?
据可靠消息
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截止到2019年底
世界天然气已探明的剩余的可采储量为
198.8万亿立方米
世界天然气消费量为3.93亿立方米
基于目前探明的储量和消费量可以供人类使用50年
在全世界已探明的天然气储量中
几乎50%的储量在俄罗斯境内
中东地区的天然气约占全球的25%
北美(美国、加拿大、墨西哥)约占10%
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我国天然气需求趋势
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作为全球第二大天然气进口国
2020年中国进口天然气突破1亿吨
进口天然气几乎占了一半
2020年LNG进口量为6739万吨
环比增长11.12%
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我们目前LNG进口依然保持多元化发展态势
目前LNG进口前三的国家
澳大利亚、卡塔尔和马来西亚
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但”袋鼠“显然靠不住
中澳关系的恶化
在煤炭进口领域已显现
2020年10月份
国有能源企业和钢企都接到口头通知
暂停从澳大利亚进口煤炭
那进口LNG是否受到影响
不言而喻
我们再看一下亲密战友俄罗斯这边
俄罗斯的亚马尔项目目前已经全部投产
北冰洋二期项目也在紧张有序的建设中
2020年前11个月
俄罗斯对欧洲及日本的LNG出口都在下降
而对中国出口增长35.1% 增长至350万吨
俄罗斯潜力还是很大的
液化天然气是怎样“练成”的呢
以我们上面提到的亚马尔LNG项目为例
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2018年12月11日
位于北极圈内的亚马尔LNG项目
第三条生产线正式投产
至此亚马尔项目LNG项目全部投产使用
年总产量为1650万吨
汽化后的天然气约为240亿方
什么概念呢
上海2020年的天然气需求量接近100亿方
亚马尔项目的供气量可以支撑上海2.5~3年天然气供应
亚马尔项目的前世今生
1974年,位于亚马尔半岛的南坦伯伊气田被发现
但直到2010年,俄罗斯政府开始着手规划亚马尔项目
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2013年年初,项目详细计划开始
并于2013年底,总投资270亿美金的超级工程开工建设
以下是投资方的出资比例
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亚马尔项目开始首先要考虑到是
修建基础设施
道路、机场及宿舍等
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亚马尔 LNG项目均采用模块化建造
由于北极圈内的温度极低
不适用本地建造
且项目的参建标准多为海工标准
所以模块的建造大都分配在各个船厂
其中125个模块分布在中国的7个知名模块EPC公司
模块完成后运至现场进行最后的总装
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亚马尔项目的核心工艺
亚马尔的南坦博伊气田是贫气气田
这里的贫气并不是气量比较少
是指高热值的气比较少
一般来说贫气的甲烷的含量都在95%以上
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天然气凝析液(NGL)回收
亚马尔项目设计凝析液回收的产量为每年120万吨
所谓的NGL“天然气凝析液”
为啥要回收他们呢
先来了解一些他们是什么
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就是乙烷、丙烷及丁烷为主的轻烃混合物
基本上可以理解除了LNG就是NGL
NGL的主要的用途有哪些呢
简单的来说,NGL是化工产物的重要原料
如NGL可通过管式炉裂解制乙烯、丙烯等
介不就是塑料袋吗
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NGL& LNG
两者分明长的差不多
顺序排列不一样
关注度明显差很多
尽管如此
NGL的价格也不便宜
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这是个什么价格
11.20美刀每MMBTU
MMBTU也叫 百万英制热量单位
国际常用的LNG计价单位
差不多每公斤三块钱(米国价)
略贵于天然气
价格贵还有需求量
当然要回收了
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如何回收呢
不急不急
先来了解两个名词
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等熵膨胀(Isentropically expanded)
气体膨胀机中绝热膨胀对外做功,由于同外界没有热量交换,这个过程称其为等熵。
等焓膨胀(Isenthalpically expanded)
那是1852年
一个叫焦耳和一个叫汤姆逊的故事
他们做了个有趣的实验
具体自己谷百吧
这个试验叫J-T效应,也叫等焓膨胀
可以归纳成我们熟知的
胀冷缩热
基于等熵原理生产的设备
也是NGL的核心设备
就是透平膨胀机
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透平膨胀机的基础理论是什么呢
基于热力学定律推导出的公式
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可以看出
当体积从V1增大至V2时
温度T1会降至T2
另外从做功的角度来看
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系统只要对外做工,温度就会下降
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透平膨胀机的工作原理
就是气体在膨胀机内进行等熵绝热膨胀过程
对外做的功用于驱动同轴的压缩机
能量下降导致温度下降
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基于等焓膨胀而形成的设备
J-T valve 也叫节流阀
也在天然气液化中广泛应用
在后面LNG液化的过程中
会频繁用到
即J-T valve
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铺垫了这么多
那NGL的回收具体流程如何呢
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经过上游处理的天然气
首先进入换热器(外加冷源)
在一定压力下
高沸点较重烃类先冷凝出来
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两相流体进入气液分离器
干气进入透平膨胀机膨胀端
膨胀后的低温气体进入有一定压力的脱甲烷塔
甲烷塔是用来对进气进行加热
确保甲烷完全释放
冷凝剩余的轻烃
在塔底布置再沸器
用来加热凝液
确保凝液中的甲烷
释放出来
甲烷则从塔顶流出
作为冷源进入热交换器
冷却原料气进气
然后进入透平膨胀机的压缩机端
对下游的液化(LNG)提供压力
脱除甲烷的气体
进入脱乙烷塔
经过气液分离
气相从塔顶经过冷凝器
进入回流罐
塔顶的压力连锁来控制
乙烷的气相采出量
其余部分回流至塔中
维持全塔的液体平衡
塔底同样使用再沸器
把凝液中的乙烷
蒸发出来
丙烷及丙烷以上从塔底流入
按照市场的需求
对分离的凝液(NGL和LPG)进行分别存储
天然气液化(Liquefaction)
亚马尔项目采用Air products的C3MR技术和产品
在天然气液化领域
AP-C3MR目前占有全球80%的市场份额
技术较为成熟
主要分为两个步骤
丙烷预冷(C3 Precooling)
上游来的天然气
首先进入预冷器(C3 Precooling)
预冷器的介质就是丙烷即C3
通常丙烷预冷分为高温、中温和低温冷却器
丙烷除了预冷天然气外
还对混合制冷剂进行预冷
预冷的温度可以达到-35℃
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完成预冷的丙烷返回至压缩机
亚马尔项目丙烷压缩机采用的是
GE(Nuovo Pignone) 3MCL
卧式三级离心压缩机
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气态丙烷经过压缩机后进入丙烷冷凝器
气态丙烷冷凝成液态丙烷
液态丙烷通过换热器
对天然气和混合剂进行制冷
再次汽化从而完成整个循环
MR 混合制冷剂深冷
混合制冷剂由氮、甲烷、丙烷等组成
混合制冷剂经过压缩机增压后
温度也同步升高,先通过水和空气进行冷却
然后通过压力不同的丙烷冷却至-35°
冷却后的制冷剂部分液化
进入闪蒸分离器(flash separator)
进行气液分离
液态的混合制冷剂MRL和汽化的混合制冷剂MRV
进入主冷器MCHE ( Main Cryogenic Heat Exchanger)
换热器是长酱样婶的
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MRL通过专用的管束进入主冷器底部
在主冷器中部通过J-T阀
节流,降压降温进入MCHE容器壳体内
并对在主冷器内的天然气和进入MCHE的MRV进行制冷
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从闪蒸罐分离出来的气态的混合制冷剂MRV
进入MCHE后对天然气进行制冷
同时MRV与壳体内的MRL接触
一部分MRV液化
MRV(混合流)最终通过壳体上部的J-T阀
进一步降温使LNG冷却至液化温度(-160℃)
完成使命的MRV后进入MCHE壳体
再次对进入MCHE的天然气及混合制冷剂MR进行深冷
此后MRV和MRL一同MCHE底部流出进入MR压缩机
开始周而复始新的一轮循环
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亚马尔项目的特点
AP-C3MR的上一代产品 AP-SplitMR®
采用两个Gas Turbine 驱动压缩机
一台用来驱动丙烷和MR的高压压缩机
另外一台用来驱动MR低压和中压压缩机
最大效率使用燃气透平机的功率
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亚马尔项目位于北极圈内
极昼极夜的温度差较大
范围区间-50~10℃
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当在“夏季”温度较高的月份
对预冷制冷剂(丙烷)的需求增多
驱动丙烷和MR 高压压缩机的透平达到最高效率
而MR 低压和中压压缩机的消耗的功率则相对降低
在严寒的“冬季” 则完全相反
这样就导致原来的布置不完全适用于北极圈内的亚马尔项目
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鉴于此情况
在亚马尔项目于FEED阶段
为了最大化的利用透平机的效率
采用了APCI 2x50% Parallel AP-C3MR™ 技术
即用完全相同的两套驱动配置
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采用这样的配置可以根据气温
调节透平机的输出功率
而相连接的丙烷压缩机、MR高低压压缩机采用同样的速率
从而保证透平机的使用效率达到100%
同时也为设备运转提供了冗余
原来AP-SplitMR®设计,相关一旦设备维修
可能会导致LNG生产设施完全停掉
我们知道整体设备的停车、重启会有很多潜在的风险
导致的运营及维护成本非常高
而现有2x50%的AP-C3MR
若其中的一台进行维修保养
代替整体停车的是
气田的产能只是降低了50%
当然采用此配置
也更利于设备本身的优化
如压缩机轴的尺寸相比于1*100%降低了很多
压缩机轴承间的间距也缩小了
......
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天然气或是说LNG相关产业链有着巨大的市场
小编参与的项目只是其中非常小的一个领域
触及的仅是行业内的一隅
从项目单一的维度去窥探天然气产业
且鉴于小编的有限的经验
难免在分析过程中存在遗漏或有失偏颇
还望业内大拿多多指教
作为一枚业余的知识搬运工
本文仅是对相关文献的提炼进行了归纳和整理
适当的加入了小编的一些心得体会
可用来辅助参考,但并不作为理论依据
参考资料:
Wikipedia:Turboexpander https://en.wikipedia.org/wiki/Turboexpander
Mechademy Engineering solutions: Yamal LNG
Yamal LNG: meeting the Chanllenges of natural gas liquefaction in the arctic
https://www.mechademy.com/lng_plant/yamal-lng/
Isentropic process: https://en.wikipedia.org/wiki/Isentropic_process
Yamal LNG Delivering worldclass LNG project Michael Borrel, Stephane Le Galles
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