2024/9/17LNG1第五章第五章第五章第五章LNGLNG生产主要设备生产主要设备生产主要设备生产主要设备液化天然气（液化天然气（液化天然气（液化天然气（LNGLNG）技术）技术）技术）技术2024/9/17LNG2第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组 液化工艺中主要工艺设备有制冷压缩机组、换热器、膨胀机等。在液化工艺中主要工艺设备有制冷压缩机组、换热器、膨胀机等。在LNG工厂的投资费用中，工艺设备占工厂的投资费用中，工艺设备占40以上，其中制冷压力机组占以上，其中制冷压力机组占50，换热器占，换热器占30。制冷压缩机组制冷压缩机组 制冷压缩机组，包括制冷压缩机组，包括压缩机压缩机和和驱动装置（原动机）驱动装置（原动机）。制冷压缩机。制冷压缩机组一般不备用。组一般不备用。 2024/9/17LNG3第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组一、离心式压缩机一、离心式压缩机 整套离心式压缩机组是由电气、机械、润滑、冷却、控制等部分组整套离心式压缩机组是由电气、机械、润滑、冷却、控制等部分组成的一个系统，主要由转子、定子、和辅助设备等部件组成。成的一个系统，主要由转子、定子、和辅助设备等部件组成。2024/9/17LNG4第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组离心压缩机的特点离心压缩机的特点流流量量大大。由由于于往往复复往往复复式式压压缩缩机机是是间间歇歇地地进进、排排气气，而而气气量量又又受受气气缸缸容容积积及及活活塞塞往往复复运运动动速速度度所所限限制制。离离心心压压缩缩机机中中气气体体是是连连续续流流动动，流流通通截截面面较较大大，同同时时叶叶轮转速很高，故流量很大。轮转速很高，故流量很大。转转速速高高。离离心心压压缩缩机机中中转转子子只只作作旋旋转转运运动动，转转动动惯惯量量小小，且且与与静静止止部部件件不不接接触触。这不仅减少了摩擦，还可大大提高转速。这不仅减少了摩擦，还可大大提高转速。结构紧凑。结构紧凑。机组重量及占地面积都比同一气量的活塞压缩机小得多。机组重量及占地面积都比同一气量的活塞压缩机小得多。运运转转可可靠靠。由由于于转转动动部部件件与与静静止止部部件件不不直直接接接接触触摩摩擦擦，因因而而运运转转平平稳稳、排排气气均均匀、易损件少。且不需备用机组，维修量小。匀、易损件少。且不需备用机组，维修量小。单级压力比不高。单级压力比不高。效效率率稍稍低低。由由于于离离心心压压缩缩机机中中气气流流速速度度较较大大，造造成成能能量量损损失失较较大大，故故效效率率较较活活塞压缩机稍低。塞压缩机稍低。由由于于离离心心压压缩缩机机转转速速高高、功功率率大大、无无备备机机，因因此此一一旦旦发发生生事事故故，后后果果是是严严重重的的，需有一系列紧急安全保障设施。需有一系列紧急安全保障设施。一、离心式压缩机一、离心式压缩机2024/9/17LNG5第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组 在天然气加工中通常需要三到四个叶轮的离心式压缩机用于制冷在天然气加工中通常需要三到四个叶轮的离心式压缩机用于制冷操作。操作。 为使用多个级间闪蒸节能器的机会并允许多个冷却温度水平以进为使用多个级间闪蒸节能器的机会并允许多个冷却温度水平以进一步降低功耗的机会。一步降低功耗的机会。 离心式压缩机装置的主要缺点：离心式压缩机装置的主要缺点：出口节流会引起气流波动。为了出口节流会引起气流波动。为了避免波动问题，在低负荷操作期间将排出的制冷剂蒸气循环回压缩机避免波动问题，在低负荷操作期间将排出的制冷剂蒸气循环回压缩机吸入口。吸入口。2024/9/17LNG6第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组离心式压缩机主要参数计算：离心式压缩机主要参数计算：离心式压缩机主要参数计算：离心式压缩机主要参数计算：（1 1）排气温度）排气温度离心式压缩机的排气温度按多变压缩计算：离心式压缩机的排气温度按多变压缩计算： （5-15-1）式中式中 T Td d离心式压缩机的排气温度，离心式压缩机的排气温度，K K； T Ts s离心式压缩机的进气温度，离心式压缩机的进气温度，K K； 压缩比；压缩比； m m多变指数。多变指数。（2 2）多变效率）多变效率 （5-25-2）式中式中 p p离心式离心式压缩机的多机的多变效率；效率； m m多多变指数；指数； k k气体气体绝热指数。指数。2024/9/17LNG7第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组（3 3）离心式压缩机的功率）离心式压缩机的功率离心式压缩机的离心式压缩机的理论功率理论功率： （5-35-3）式中式中 p p多变效率；多变效率； P Ps s进气压力，进气压力，kPakPa； V Vs s进气流量，进气流量，m m3 3/min/min； P Pd d排气压力，排气压力，kPakPa； p p绝热效率。绝热效率。2024/9/17LNG8第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组离心式压缩机的离心式压缩机的实际实际消耗功为：消耗功为： （5-45-4） g g机械效率，一般取以下数值：机械效率，一般取以下数值： N N2000kW2000kW， g g=97=9798%98% N N=1000-2000 kW=1000-2000 kW， g g=96=9697%97% N N1000kWkk，对于空气，对于空气m m1 1=1.5-1.6=1.5-1.6； 排气系数，对于对称圆弧型线排气系数，对于对称圆弧型线 =0.65-0.90=0.65-0.90，单边不对称型线，单边不对称型线 =0.7-0.95=0.7-0.95。2024/9/17LNG19第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组对于喷油螺杆压缩机对于喷油螺杆压缩机: : （5-165-16）式中式中 m m2 2喷油冷却的多变指数，喷油冷却的多变指数，m m2 2kk； 排排气气系系数数，对对于于对对称称圆圆弧弧型型线线 =0.75-0.9=0.75-0.9，单单边边不不对对称称型型线线 =0.8-0.95=0.8-0.95。内压缩比和外缩比不相等的指示功率内压缩比和外缩比不相等的指示功率对于喷油螺杆压缩机对于喷油螺杆压缩机 （5-175-17）式中式中 N N指标功率，指标功率，kWkW； inin内压缩比。内压缩比。2024/9/17LNG20第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组3 3）绝热功率和绝热效率）绝热功率和绝热效率 （5-185-18）绝热效率绝热效率 （5-195-19）低压缩比、大中排气量时，低压缩比、大中排气量时， adad=0.7=0.70.750.75；高压缩比、中小排气量时，高压缩比、中小排气量时， adad=0.6=0.60.70.7。2024/9/17LNG21第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组四、轴流式压缩机四、轴流式压缩机 轴流式压缩机主要用于轴流式压缩机主要用于大流量、低压力比的大流量、低压力比的场合场合，、效率、效率亚声速级轴流式压缩机的多变效率亚声速级轴流式压缩机的多变效率p p=0.84=0.84 0.930.93，跨声速级轴流式压缩机，跨声速级轴流式压缩机的多变效率的多变效率p p=0.8=0.8 0.890.89 。多变效率多变效率p与绝热效率的换算关系为：与绝热效率的换算关系为： 式中式中p轴流式压缩机的多变效率；轴流式压缩机的多变效率； 压缩比；压缩比； 多变指数；多变指数； 气体绝热指数。气体绝热指数。2024/9/17LNG22第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组四、轴流式压缩机四、轴流式压缩机 2 2、级数、级数轴流式压缩机的级数轴流式压缩机的级数i i按下式计算：按下式计算：式中式中h hp p轴流式压缩机的总能量头，轴流式压缩机的总能量头，kgkgm mkgkg； 压缩因子；压缩因子； 气体常数，（气体常数，（ kgkgm m ）（）（kgkgk k）；）； T T1 1进气温度，；进气温度，； h hadmadm级的平均能量头，级的平均能量头， h hadmadm 150015002500 kg2500 kgm mkgkg 。2024/9/17LNG23五、压缩机的选择五、压缩机的选择五、压缩机的选择五、压缩机的选择（大型液化装置）（大型液化装置）（大型液化装置）（大型液化装置）预冷循环多选用离心式压缩机；预冷循环多选用离心式压缩机；气体液化循环，一级压缩多选用轴流式压缩机，气体液化循环，一级压缩多选用轴流式压缩机，次级压缩选用配有中间冷却器的离心式压缩机；次级压缩选用配有中间冷却器的离心式压缩机；甲烷压缩机多选用离心式压缩机。甲烷压缩机多选用离心式压缩机。液化工艺液化工艺工艺工艺流体数流体数最少压缩最少压缩机台数机台数所有压缩机的功所有压缩机的功率和速度是否可率和速度是否可比比阶式循环阶式循环3 33 3几乎不几乎不混合冷剂循环混合冷剂循环1 11 1是是预冷混合冷剂循环预冷混合冷剂循环2 22 2是是液化工艺及压缩机配置液化工艺及压缩机配置第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组2024/9/17LNG24一一一一. . . .液化制冷剂压缩机液化制冷剂压缩机液化制冷剂压缩机液化制冷剂压缩机1.1.1.1.低压混合制冷剂（低压混合制冷剂（低压混合制冷剂（低压混合制冷剂（LPMRLPMRLPMRLPMR）压缩机）压缩机）压缩机）压缩机 采用采用采用采用2 2 2 2台压缩机串联布置进行压缩操作。对于台压缩机串联布置进行压缩操作。对于台压缩机串联布置进行压缩操作。对于台压缩机串联布置进行压缩操作。对于LPMRLPMRLPMRLPMR的压缩（一级压缩），的压缩（一级压缩），的压缩（一级压缩），的压缩（一级压缩），需要流量相当大的压缩机。需要流量相当大的压缩机。需要流量相当大的压缩机。需要流量相当大的压缩机。大叶轮离心式压缩机和轴流式压缩机可用于大叶轮离心式压缩机和轴流式压缩机可用于大叶轮离心式压缩机和轴流式压缩机可用于大叶轮离心式压缩机和轴流式压缩机可用于LPMRLPMRLPMRLPMR的的的的压缩。压缩。压缩。压缩。 与离心与离心与离心与离心式压缩机相比，轴流式压缩机式压缩机相比，轴流式压缩机式压缩机相比，轴流式压缩机式压缩机相比，轴流式压缩机优点优点优点优点：流量较大流量较大流量较大流量较大，轴流式压缩机的，轴流式压缩机的，轴流式压缩机的，轴流式压缩机的多多多多变效率要高变效率要高变效率要高变效率要高5 5 5 5以上。另外，轴流式压缩机中采用的以上。另外，轴流式压缩机中采用的以上。另外，轴流式压缩机中采用的以上。另外，轴流式压缩机中采用的定子叶片可调定子叶片可调定子叶片可调定子叶片可调，这为进行，这为进行，这为进行，这为进行流量和压力调节提供了可能性，并能降低启动时的功率消耗。但轴流式压缩机流量和压力调节提供了可能性，并能降低启动时的功率消耗。但轴流式压缩机流量和压力调节提供了可能性，并能降低启动时的功率消耗。但轴流式压缩机流量和压力调节提供了可能性，并能降低启动时的功率消耗。但轴流式压缩机的的的的缺点缺点缺点缺点：容易发生喘振，或因吸入外来物而发生故障。：容易发生喘振，或因吸入外来物而发生故障。：容易发生喘振，或因吸入外来物而发生故障。：容易发生喘振，或因吸入外来物而发生故障。 轴流式压缩机与固定速度燃气轮机组合轴流式压缩机与固定速度燃气轮机组合轴流式压缩机与固定速度燃气轮机组合轴流式压缩机与固定速度燃气轮机组合。第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组综综上上所所述述，对对于于LPMRLPMR的的压压缩缩操操作作，是是选选用用轴轴流流式式压压缩缩机机还还是是离离心心式式压缩机，要根据现场具体条件、业主的操作原理和要求。压缩机，要根据现场具体条件、业主的操作原理和要求。2024/9/17LNG252.2.2.2.高压混合制冷剂（高压混合制冷剂（高压混合制冷剂（高压混合制冷剂（HPMRHPMRHPMRHPMR）压缩机）压缩机）压缩机）压缩机 大型大型LNGLNG工厂的工厂的HPMRHPMR压缩操作要求采用径向对开式压缩操作要求采用径向对开式（简型结构）离心式压缩机，配有中间冷却器。（简型结构）离心式压缩机，配有中间冷却器。 达斯岛达斯岛(D.Island.)LNG(D.Island.)LNG生产厂采用了一种带中间冷生产厂采用了一种带中间冷却器的却器的45MW45MW单缸径向对开式离心压缩机。这种压缩机可单缸径向对开式离心压缩机。这种压缩机可用在生产能力为用在生产能力为3.963.96 10106 6t/at/a的生产厂进行的生产厂进行HPMRHPMR压缩操压缩操作。作。第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组2024/9/17LNG26二二二二. . . .预冷制冷剂压缩机预冷制冷剂压缩机预冷制冷剂压缩机预冷制冷剂压缩机 丙烷压缩机（以丙烷作预冷制冷剂）。丙烷压缩机（以丙烷作预冷制冷剂）。丙烷压缩机（以丙烷作预冷制冷剂）。丙烷压缩机（以丙烷作预冷制冷剂）。 选用选用选用选用离心式压缩机离心式压缩机离心式压缩机离心式压缩机，这是因为这种压缩机流速低，可实现多级调节，这是因为这种压缩机流速低，可实现多级调节，这是因为这种压缩机流速低，可实现多级调节，这是因为这种压缩机流速低，可实现多级调节，且现有产品选择余地大。且现有产品选择余地大。且现有产品选择余地大。且现有产品选择余地大。第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组 在在. . .石油公司的巴丹石油公司的巴丹LNGLNG工厂，丙烷压缩机的叶轮直径工厂，丙烷压缩机的叶轮直径1500mm1500mm，实际操作吸入流量约为实际操作吸入流量约为190000m190000m/h/h。这种离心式压缩机为。这种离心式压缩机为4 4叶轮结构叶轮结构（2+1+12+1+1）由于提供给压缩机第一级的体积流量较大，因此施加于初级）由于提供给压缩机第一级的体积流量较大，因此施加于初级丙烷制冷的负荷相对较高。对于能力达丙烷制冷的负荷相对较高。对于能力达3.963.9610106 6t/at/a的的LNGLNG生产厂，也生产厂，也可将每级丙烷压缩的实际吸入量限制到可将每级丙烷压缩的实际吸入量限制到190000m190000m/h/h。为此，可采用。为此，可采用6 6叶叶轮（轮（2+2+22+2+2）结构的压缩机进行）结构的压缩机进行3 3级预冷或采用级预冷或采用5 5叶轮（叶轮（1+1+1+21+1+1+2）结构的）结构的压缩机进行压缩机进行4 4级预冷。这几种结构都已在现有级预冷。这几种结构都已在现有LNGLNG工厂中获得了成功的运工厂中获得了成功的运用。用。2024/9/17LNG27五、驱动机的选择五、驱动机的选择五、驱动机的选择五、驱动机的选择 对对对对于于于于LNGLNGLNGLNG生生生生产产产产，可可可可供供供供选选选选择择择择的的的的压压压压缩缩缩缩机机机机驱驱驱驱动动动动装装装装置置置置（原原原原动动动动机机机机）有有有有：电电电电动动动动机机机机、蒸蒸蒸蒸气气气气涡涡涡涡轮轮轮轮机机机机和和和和燃燃燃燃气气气气涡涡涡涡轮轮轮轮机机机机。选选选选择择择择原原原原动动动动机机机机时时时时，应应应应认认认认真真真真考考考考虑虑虑虑和和和和分分分分析析析析这这这这样样样样一一一一些些些些因素：因素：因素：因素： 总体设计依据，总体设计依据，总体设计依据，总体设计依据， 工艺选择设计，工艺选择设计，工艺选择设计，工艺选择设计， 原动机的使用经验，原动机的使用经验，原动机的使用经验，原动机的使用经验， 对公用设施的影响，对公用设施的影响，对公用设施的影响，对公用设施的影响， 环境影响，环境影响，环境影响，环境影响， 安全性，安全性，安全性，安全性， 可靠性，可靠性，可靠性，可靠性， 可维修性，可维修性，可维修性，可维修性， 投资和操作费等。投资和操作费等。投资和操作费等。投资和操作费等。 第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组2024/9/17LNG28第一节第一节第一节第一节 制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组制冷压缩机组1.1.电动机电动机 在基本负荷型在基本负荷型LNGLNG工厂中采用电动机作压缩机原动机的情况较少。工厂中采用电动机作压缩机原动机的情况较少。2.2.蒸汽透平蒸汽透平蒸汽透平已成功地用于基本负荷型蒸汽透平已成功地用于基本负荷型LNGLNG生产。生产。3.3.燃气透平燃气透平选用燃气透平作压缩机的原动机。选用燃气透平作压缩机的原动机。2024/9/17LNG29第二节第二节第二节第二节 换热器换热器换热器换热器液化用换热器液化用换热器液化用换热器液化用换热器液化工艺液化工艺换热器类型换热器类型说明说明阶式循环、两级阶式循环、两级MR板翅式板翅式每条生产线需每条生产线需2台台单级单级MR工艺工艺绕管式：铝壳、铝管绕管式：铝壳、铝管单级单级MRC3-MR绕管式：铝壳、铝管绕管式：铝壳、铝管每条生产线每条生产线1台，由台，由23组组管束组成管束组成在LNG生产中选用的换热器有绕管式、板翅式和管壳式几种类型，见下表。它们的主要功能有：对原料气进行预冷和液化，提供酸气脱除、分馏装置和公用设施所需的冷量。其中对原料气进行液化是这种设备的最大功能。2024/9/17LNG30一一一一. . . .绕管式换热器绕管式换热器绕管式换热器绕管式换热器 基基基基地地地地型型型型LNGLNGLNGLNG工工工工厂厂厂厂多多多多采采采采用用用用大大大大型型型型立立立立式式式式绕绕绕绕管管管管式式式式换换换换热热热热器器器器作作作作主主主主换换换换热热热热。直径可达直径可达直径可达直径可达4.2m4.2m4.2m4.2m，高，高，高，高54m54m54m54m，重，重，重，重240t240t240t240t。 中中中中心心心心心心心心轴轴轴轴上上上上缠缠缠缠绕绕绕绕上上上上许许许许多多多多管管管管条条条条，其其其其长长长长度度度度可可可可达达达达80m80m80m80m，管管管管条条条条端端端端头头头头连连连连接接接接到到到到管管管管板板板板上上上上。管管管管条条条条内内内内为为为为高高高高压压压压气气气气体体体体或或或或液液液液体体体体，制制制制冷冷冷冷剂剂剂剂通通通通过过过过冷冷冷冷却却却却套套套套在在在在管管管管条条条条外外外外循循循循环环环环。在在在在这这这这种种种种换换换换热热热热器器器器内内内内可可可可以以以以同同同同时时时时冷冷冷冷却却却却几几几几种种种种流流流流体体体体，冷却面积可达冷却面积可达冷却面积可达冷却面积可达10000m10000m10000m10000m2 2 2 2。第二节第二节第二节第二节 换热器换热器换热器换热器2024/9/17LNG31多多股股流流绕绕管管式式换换热热器器第二节第二节第二节第二节 换热器换热器换热器换热器2024/9/17LNG324.1 LNG4.1 LNG4.1 LNG4.1 LNG液化主要设备液化主要设备液化主要设备液化主要设备二、板翅式换热器二、板翅式换热器2024/9/17LNG33第二节第二节第二节第二节 换热器换热器换热器换热器1.板翅式换热器的基本计算(一)选择翅片光直型翅片适用于温差和压差比较大的情况，反之则应选用锯齿形翅片；锯齿型翅片适用于粘度大或有杂质析出的状况；在有相变（冷凝、蒸发）等的情况下，则宜选用光直型或多孔型翅片。放热系数大的一侧宜选用低而厚的翅片；放热系数小的一侧尽量选用高而薄的翅片。图5.4 翅片的几何参数种类种类尺寸尺寸2024/9/17LNG34第三节第三节第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机一、气（液）膨胀机原理一、气（液）膨胀机原理 2024/9/17LNG35第三节第三节第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机三、气（液）膨胀机的基本计算三、气（液）膨胀机的基本计算（1 1）实际气体的焓）实际气体的焓理想气体焓值对于纯组分理想气体理想气体焓值对于纯组分理想气体 (5-51)(5-51)对于混合理想气体对于混合理想气体 (5-52)(5-52)式中式中 H H0 0理想气体混合物的焓值，理想气体混合物的焓值，kJ/kgkJ/kg； h h0 0m m组分组分m m理想焓值，理想焓值，kJ/kgkJ/kg； T T温度，温度，K K； y ym m各组分的摩尔分率，各组分的摩尔分率，% %； m m 组分数；组分数； A Am m、B Bm m、C Cm m、D Dm m、E Em m、F Fm m组组分分m m的的常常数数。具具体体常常数数值值可可查查美美国国石石油油学学会会（APIAPI）数据手册。）数据手册。2024/9/17LNG36实际气体焓值实际气体焓值H式中式中 简单流体和参考流体的实际焓；简单流体和参考流体的实际焓；混合气体的实际焓。混合气体的实际焓。 （5-53） 2024/9/17LNG37第三节第三节第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机2024/9/17LNG38第三节第三节第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机2024/9/17LNG39第三节第三节第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机2024/9/17LNG40第三节第三节第三节第三节 气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机气（液）膨胀机 在在进进行行工工艺艺计计算算时时。主主要要计计算算指指定定膨膨胀胀后后压压力力P P2 2下下的的膨膨胀胀温温度度。所所涉涉及及的的计计算步骤算步骤归结如下：归结如下：2024/9/17LNG41第五章第五章第五章第五章LNGLNGLNGLNG生产主要设备生产主要设备生产主要设备生产主要设备习习 题题1.1.在选择制冷压缩机时需要计算哪些参数？在选择制冷压缩机时需要计算哪些参数？2.2.小型液化天然气工程，制冷压缩机一般选什么形式的？为什么？小型液化天然气工程，制冷压缩机一般选什么形式的？为什么？3.3.如何选择压缩机的驱动机？如何选择压缩机的驱动机？4.4.说明绕管式换热器的原理？说明绕管式换热器的原理？5.5.说明板翅式换热器的特点，如何选型计算？。说明板翅式换热器的特点，如何选型计算？。6.6.气（液）膨胀机的作用是什么？一般用在什么地方？气（液）膨胀机的作用是什么？一般用在什么地方？7.7.说明气（液）膨胀机原理和计算方法。说明气（液）膨胀机原理和计算方法。2024/9/17LNG42