กระบวนการขยายตัวแบบไครโอเจนิกใน LNG

กลไกหลักที่อยู่เบื้องหลังกระบวนการเปลี่ยนก๊าซธรรมชาติให้เป็นของเหลว

การผลิตก๊าซธรรมชาติเหลวขึ้นอยู่กับการดำเนินการพื้นฐานเพียงอย่างเดียว คือ การดึงความร้อนออกจากมีเทนจนกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิประมาณ -162 องศาเซลเซียส กระบวนการขยายตัวแบบไครโอเจนิกคือเครื่องยนต์ที่ทำให้สิ่งนี้เกิดขึ้น ไม่ใช่อุปกรณ์ชิ้นใดชิ้นหนึ่งหรือขั้นตอนที่แยกต่างหาก แต่เป็นกลยุทธ์เชิงเทอร์โมไดนามิกส์ที่ทำงานผ่านทั้งสายการผลิตก๊าซธรรมชาติเหลว

โดยพื้นฐานแล้ว กระบวนการนี้จะนำกระแสก๊าซที่มีความดันสูงมาผ่านการขยายตัวผ่านสิ่งกีดขวางหรือเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ ซึ่งการขยายตัวนี้ทำให้อุณหภูมิลดลง และกระแสเย็นที่ได้จะถูกใช้เป็นสารทำความเย็นสำหรับขั้นตอนถัดไป การขยายตัวแบบเป็นขั้นตอนร่วมกับการแลกเปลี่ยนความร้อนจะทำให้อุณหภูมิของก๊าซป้อนลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป จนกระทั่งถึงสภาวะที่สามารถกลายเป็นของเหลวได้

หน่วยกำจัดไนโตรเจน (NRU) เป็นการประยุกต์ใช้หลักการนี้อย่างสำคัญ เมื่อก๊าซธรรมชาติมีไนโตรเจนเกินปริมาณที่ยอมรับได้ — ซึ่งไม่มีค่าความร้อนและยังแย่งพื้นที่ในส่วนขนส่งก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) — หน่วย NRU จะแยกไนโตรเจนออกด้วยกระบวนการกลั่นที่อุณหภูมิต่ำมาก กระบวนการนี้อาศัยการขยายตัวและการควบแน่นเพื่อแยกไนโตรเจนออกจาก LNG โดยไม่ใช้สารเคมีใดๆ รูปแบบของการติดตั้งจะแตกต่างกันไปตามปริมาณไนโตรเจนที่ต้องจัดการ ตั้งแต่การปล่อยแรงดันแบบควบคุมอย่างง่าย ไปจนถึงระบบที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น เช่น ระบบสตริปเปอร์ หรือหอแยกส่วนแบบกลั่น .

สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากข้อกำหนดด้านก๊าซในท่อส่งและสัญญาส่งออกแอลเอ็นจีต่างกำหนดขีดจำกัดที่เข้มงวดสำหรับปริมาณไนโตรเจน หากระบบกำจัดไนโตรเจน (NRU) ไม่มีประสิทธิภาพ แอลเอ็นจีจะไม่ผ่านเกณฑ์ที่กำหนด หรือผู้ผลิตจะต้องจัดส่งพลังงานในปริมาตรหนึ่งลูกบาศก์เมตรน้อยกว่าที่ควรจะเป็น ไม่ว่ากรณีใดก็ตาม ผลตอบแทนทางเศรษฐกิจจะได้รับผลกระทบ

เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ เทียบกับวาล์วจูล-ธอมสัน: การเลือกที่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ

การขยายตัวแบบคริโอเจนิกสามารถทำได้ผ่านสองกลไกหลัก คือ วาล์วจูล-ธอมสัน และเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ ทั้งสองแบบลดความดันและอุณหภูมิของก๊าซ แต่ใช้วิธีการที่แตกต่างกัน และการเลือกระหว่างสองแบบนี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของโรงกลั่น

วาล์วจูล-ธอมสันมีโครงสร้างเรียบง่าย ราคาถูก และไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ก๊าซจะขยายตัวผ่านวาล์ว ส่งผลให้อุณหภูมิลดลงตามผลจูล-ธอมสัน ข้อจำกัดคือ การขยายตัวนี้เป็นไปแบบไอโซเอนธาลปิก — ไม่มีพลังงานเชิงกลถูกดึงออกมาจากแรงดันที่ลดลง พลังงานทั้งหมดถูกใช้เพื่อการทำความเย็นก๊าซ แต่ประสิทธิภาพมีขีดจำกัด

ตัวขยายเทอร์โบ ซึ่งแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง จะดึงงานออกจาแก๊สที่กำลังขยายตัว การขยายตัวนี้ใกล้เคียงกับกระบวนการไอโซเอนโทรปิกมากกว่า หมายความว่าพลังงานจากความดันส่วนใหญ่จะถูกเปลี่ยนไปเป็นงานที่มีประโยชน์ (โดยทั่วไปใช้ขับคอมเพรสเซอร์ที่ติดตั้งอยู่บนเพลาเดียวกัน) แม้จะยังคงบรรลุการลดอุณหภูมิได้ตามต้องการ ประสิทธิภาพแบบไอโซเอนโทรปิกของอุปกรณ์เหล่านี้มักอยู่ในช่วงร้อยละ 60 ถึง 70 ขึ้นอยู่กับการออกแบบและสภาวะการปฏิบัติงาน งานที่ดึงออกมานี้สามารถชดเชยภาระแฝงบางส่วนที่เกิดจากคอมเพรสเซอร์ตัวอื่นๆ ในชุดเครื่องจักรได้

ข้อแลกเปลี่ยนคือความซับซ้อนและการลงทุนที่สูงขึ้น ตัวขยายเทอร์โบเป็นเครื่องจักรที่ต้องผลิตด้วยความแม่นยำสูง มีช่องว่างระหว่างชิ้นส่วนที่แคบมาก ตลับลูกปืนที่หมุนด้วยความเร็วสูง และซีลพิเศษเฉพาะทาง จึงต้องการการบำรุงรักษาที่วาล์วเจอโวลต์-ธอมสัน (JT valve) ไม่จำเป็นต้องใช้ สำหรับโรงงานขนาดเล็ก หรือการใช้งานที่มีการลดความดันเพียงเล็กน้อย วาล์วเจอโวลต์-ธอมสันมักให้ต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของต่ำกว่า แต่สำหรับสายการผลิตก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ที่ทำงานต่อเนื่องตลอดเวลา (baseload) ซึ่งการเพิ่มประสิทธิภาพแปลงเป็นปริมาณการผลิตที่สูงขึ้นโดยตรง ตัวขยายเทอร์โบจะคืนทุนได้เองในระยะยาว

จุดที่การขยายตัวแบบคริโอเจนิกปรากฏขึ้นในสายการผลิต LNG

หลักการขยายตัวแบบไครโอเจนิกส์ปรากฏอยู่ในหลายจุดทั่วกระบวนการแปรรูปเอ็นจีธรรมชาติให้เป็นของเหลว (LNG) แบบมาตรฐาน การเข้าใจว่าเกิดขึ้นที่ใดและเหตุใดจึงช่วยทำให้เหตุผลที่กระบวนการโดยรวมทำงานเช่นนั้นชัดเจนยิ่งขึ้น

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไครโอเจนิกส์หลัก (MCHE) คือหัวใจสำคัญของโรงงานผลิต LNG แบบฐานหลักส่วนใหญ่ สารทำความเย็น — มักเป็นสารผสมทำความเย็นหรือไนโตรเจนบริสุทธิ์ — จะถูกอัดแรง ทำให้เย็นลง แล้วจึงขยายตัวจนถึงอุณหภูมิระดับไครโอเจนิกส์ ก่อนไหลเข้าสู่ด้านเย็นของ MCHE สารทำความเย็นที่เย็นจัดนี้จะดูดซับความร้อนจากก๊าซป้อนเข้าที่ด้านร้อน ส่งผลให้มีเทนกลายเป็นของเหลว ขั้นตอนการขยายตัวนี้เกิดขึ้นในเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์สำหรับวงจรสารทำความเย็น และกระแสที่ผ่านการขยายตัวแล้วจะไหลกลับเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอีกครั้ง

ในการใช้งานการแยกไนโตรเจน กระบวนการขยายตัวจะสร้างอุณหภูมิต่ำที่จำเป็นสำหรับการกลั่น ก๊าซป้อนเข้าจะถูกทำให้กลายเป็นของเหลวบางส่วน โดยส่วนของของเหลวซึ่งตอนนี้มีมีเทนเข้มข้นขึ้นจะไหลลงไปยังส่วนล่างของคอลัมน์การกลั่น ในขณะที่ไอที่มีไนโตรเจนสูงจะลอยขึ้นไปยังส่วนบน การไหลย้อนกลับ (reflux) ที่ขับเคลื่อนการแยกนี้เกิดจากไนโตรเจนที่ผ่านการขยายตัวและกลายเป็นของเหลว จากนั้นจึงถูกทำให้ระเหิดใหม่เพื่อให้ความเย็นเพิ่มเติม

โรงงานแอลเอ็นจีขนาดเล็กบางแห่งใช้วัฏจักรเครื่องขยายตัวแบบไนโตรเจนล้วน ซึ่งไนโตรเจนทำหน้าที่ทั้งเป็นสารทำความเย็นและของไหลทำงาน ไนโตรเจนจะถูกอัดแรง ทำให้เย็นลงโดยแลกเปลี่ยนความร้อนกับก๊าซป้อนเข้าที่ไหลเข้ามา ผ่านการขยายตัวด้วยเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ จากนั้นนำไปใช้ในการทำให้มีเทนกลายเป็นของเหลวในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบง่าย วัฏจักรนี้เรียบง่ายและให้ผลดีสำหรับกำลังการผลิตขนาดเล็ก ซึ่งความซับซ้อนของระบบสารทำความเย็นผสมไม่คุ้มค่า

การพิจารณาปัญหาการแยกไนโตรเจนจากกรณีจริง

หน่วยกำจัดไนโตรเจนฟังดูเรียบง่ายในเชิงทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติ ถือเป็นหนึ่งในส่วนที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงมากที่สุดของโรงกลั่นก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG)

ในโครงการหนึ่งที่ดำเนินการในภูมิภาคตะวันตกของแคนาดาเมื่อไม่กี่ปีก่อน ผู้ประกอบการได้นำหน่วยกำจัดไนโตรเจน (NRU) ใหม่เข้าสู่การใช้งาน ซึ่งถูกออกแบบมาเพื่อจัดการกับก๊าซป้อนที่มีไนโตรเจนประมาณร้อยละ 8 หลักเกณฑ์การออกแบบมีความเหมาะสม เครื่องจักรถูกกำหนดคุณลักษณะอย่างถูกต้อง และผู้รับเหมา EPC มีประสบการณ์ที่แข็งแกร่งในการแยกสารแบบไครโอเจนิก อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบจริงของก๊าซป้อนกลับแปรผันมากกว่าที่แบบจำลองแหล่งก๊าซด้านต้นน้ำทำนายไว้ โดยเนื้อหาไนโตรเจนพุ่งสูงขึ้นเกือบร้อยละ 11 ในบางช่วงของการผลิต

ระบบ NRU มีปัญหาในการรักษาสมดุล ภาระไนโตรเจนที่เพิ่มขึ้นทำให้คอลัมน์กลั่นเข้าสู่ภาวะที่ผู้ปฏิบัติการเรียกว่า "flooding" — ซึ่งเกิดจากอัตราการไหลของไอระเหยสูงเกินไปจนของเหลวไม่สามารถไหลผ่านถาดได้อย่างเหมาะสม ส่งผลให้การแยกสารไม่มีประสิทธิภาพ โดยมีมีเทนจำนวนมากถูกปล่อยออกทางช่องระบายด้านบน และมีไนโตรเจนค้างอยู่ในผลิตภัณฑ์ด้านล่างมากเกินไป โรงงานจึงจำเป็นต้องลดอัตราการป้อนวัตถุดิบเพื่อให้ก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ยังคงสอดคล้องตามมาตรฐาน ซึ่งเท่ากับการลดกำลังการผลิตโดยตรง

แนวทางแก้ไขประกอบด้วยการติดตั้งเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ตัวที่สองเข้าไปในวงจรทำความเย็น และเปลี่ยนเส้นทางการไหลย้อนกลับบางส่วนของคอลัมน์ใหม่ วิธีนี้ใช้การได้ผล แต่ทำให้ผู้ดำเนินการสูญเสียการผลิตไปหลายเดือน และต้องลงทุนเพิ่มเติมซึ่งไม่ได้รวมไว้ในงบประมาณเดิม

บทเรียนที่ได้คือ กระบวนการขยายตัวแบบไครโอเจนิกมีความไวต่อความแปรปรวนของวัตถุดิบ ผู้รับเหมาที่เข้าใจประเด็นนี้จะออกแบบระบบที่มีความยืดหยุ่น เช่น เลือกใช้อุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่เกินความจำเป็น ติดตั้งระบบควบคุมการลดกำลังการผลิต (turndown capability) และติดตั้งทางลัด (bypasses) เพื่อให้สามารถปรับการดำเนินงานได้ตามสถานการณ์จริง ส่วนผู้รับเหมาที่มองกระบวนการนี้เป็นสูตรตายตัว จะส่งมอบโรงผลิตที่ทำงานได้ดีเยี่ยมบนกระดาษ แต่กลับเผชิญปัญหาเมื่อนำไปใช้งานจริง

ข้อพิจารณาด้านประสิทธิภาพและความหมายที่แท้จริงของตัวเลข

ในอุตสาหกรรม LNG มีการพูดถึงประสิทธิภาพของกระบวนการกันอย่างมาก แต่ตัวเลขเหล่านั้นไม่ได้สื่อความหมายตามที่ผู้คนมักเข้าใจ

กระบวนการขยายตัวแบบไครโอเจนิกสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการกลายเป็นของเหลวได้อย่างมาก หากมีการปรับแต่งอย่างเหมาะสม งานวิจัยชี้ให้เห็นว่า การออกแบบเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ที่ผ่านการปรับแต่งอย่างเหมาะสมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกได้ประมาณร้อยละ 5 เมื่อเทียบกับวิธีการเฉลี่ยแบบดั้งเดิม ในบริบทของสายการผลิตแอลเอ็นจีแบบทำงานต่อเนื่อง สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดการเพิ่มขึ้นของปริมาณการผลิตที่วัดค่าได้ บางการประมาณการระบุว่า การปรับปรุงประสิทธิภาพของเอ็กซ์แพนเดอร์อาจเพิ่มการผลิตแอลเอ็นจีได้ร้อยละ 5 ถึง 7

แต่ตัวเลขเหล่านี้มีข้อจำกัดสำคัญ ผลการเพิ่มประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการปฏิบัติงานเฉพาะ เช่น ความดันขาเข้า องค์ประกอบของก๊าซ อุณหภูมิแวดล้อม และการจัดวางระบบส่วนที่เหลือของสายการผลิต การเพิ่มประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกของเอ็กซ์แพนเดอร์ร้อยละ 5 ไม่ได้หมายความว่ากำลังการผลิตโดยรวมของโรงงานจะเพิ่มขึ้นร้อยละ 5 ผลกระทบจริงนั้นมีขนาดเล็กกว่าและแตกต่างกันไปในแต่ละสถานที่ติดตั้ง

ปัจจัยอีกประการหนึ่งคือความน่าเชื่อถือ ตัวขยายเทอร์โบที่หยุดทำงานจะทำให้วงจรการทำความเย็นทั้งหมดหยุดตามไปด้วย ในโรงงานผลิต LNG แบบสายการผลิตเดียว ส่งผลให้การผลิตทั้งหมดหยุดชะงัก ด้วยเหตุนี้ ผู้ดำเนินการหลายรายจึงเก็บชุดโรเตอร์สำรองไว้ และมีข้อตกลงแลกเปลี่ยนกับผู้ผลิต ต้นทุนของความสำรองนี้จำเป็นต้องรวมอยู่ในการวิเคราะห์เศรษฐศาสตร์ตลอดอายุการใช้งาน ไม่ใช่เพียงแค่เปรียบเทียบต้นทุนเริ่มต้นระหว่างวาล์วเจอร์รี-ธอมสัน (JT valve) กับตัวขยายเทอร์โบเท่านั้น

เหตุใดการเลือกวิธีการดำเนินกระบวนการจึงมีความสำคัญต่อการปฏิบัติงานในระยะยาว

วิธีการขยายความเย็นที่เลือกใช้ในระยะออกแบบจะกำหนดประสบการณ์การดำเนินงานในอีก 20 ถึง 30 ปีข้างหน้า โรงงานที่ออกแบบโดยใช้เฉพาะวาล์วเจอร์รี-ธอมสัน (JT valve) จะมีต้นทุนการก่อสร้างต่ำกว่า และบำรุงรักษาง่ายกว่า แต่จะใช้พลังงานมากกว่าต่อตันของ LNG ที่ผลิตได้ ขณะที่โรงงานที่ออกแบบรอบตัวขยายเทอร์โบจะมีต้นทุนลงทุนครั้งแรกสูงกว่า และการบำรุงรักษายุ่งยากกว่า แต่สามารถผลิต LNG ได้มากกว่าจากปริมาตรก๊าซป้อนเข้าเท่ากัน

ไม่มีคำตอบที่ถูกต้องแบบสากล ทางเลือกที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับเศรษฐศาสตร์ของโครงการเฉพาะ — ต้นทุนพลังงาน มูลค่าของการผลิตแอลเอ็นจีเพิ่มเติม ความพร้อมของช่างเทคนิคที่มีทักษะด้านการบำรุงรักษา และระดับความเสี่ยงที่ผู้ดำเนินการยอมรับได้ต่อการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้

สิ่งสำคัญคือ ผู้รับจ้างแบบ EPC ต้องเข้าใจข้อแลกเปลี่ยนต่าง ๆ และสามารถอธิบายให้ชัดเจนได้ ผู้รับจ้างที่เสนอใช้เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ในทุกโครงการเพียงเพราะฟังดูทันสมัยกว่านั้น กำลังทำให้เจ้าของโครงการเสียเปรียบ ในทำนองเดียวกัน ผู้รับจ้างที่เลือกใช้วาล์ว JT ในทุกโครงการเพียงเพราะมีความเรียบง่าย ก็กำลังปล่อยให้โอกาสในการประหยัดต้นทุนหลุดลอยไป ซึ่งอาจได้รับจากการเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงขึ้น

วิธีที่ดีที่สุดคือการออกแบบที่ปรับระดับความซับซ้อนของกระบวนการให้สอดคล้องกับสถานการณ์เฉพาะของโครงการ สำหรับโครงการที่รู้องค์ประกอบของวัตถุดิบอย่างชัดเจนและมีเสถียรภาพ แผนการขยายกำลังการผลิตแบบเรียบง่ายอาจเพียงพออย่างสมบูรณ์ แต่สำหรับโครงการที่วัตถุดิบมีความแปรปรวน หรือต้นทุนพลังงานสูง การลงทุนเพิ่มเติมในเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์และวงจรทำความเย็นที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นมักคุ้มค่าในระยะยาว

การขยายตัวแบบไครโอเจนิกไม่ใช่เทคโนโลยีแบบใช้ได้ทั่วไปกับทุกกรณี มันคือชุดเครื่องมือทางเลือกที่ต้องนำมาจับคู่ให้เหมาะสมกับการใช้งานจริง ผู้รับเหมาที่เข้าใจหลักการนี้ — และมีประสบการณ์ปฏิบัติจริงในการตัดสินใจอย่างถูกต้อง — คือผู้ที่ควรร่วมงานด้วย กรีนเฟอร์นำการตัดสินใจเชิงวิศวกรรมที่เน้นการประยุกต์ใช้งานจริงมาสู่โครงการแปรรูปก๊าซแบบไครโอเจนิก พร้อมรับรองมาตรฐาน ASME U-stamp และมีศูนย์ออกแบบที่มีพื้นฐานอันมั่นคงในอุตสาหกรรมอุปกรณ์ไครโอเจนิกภายในประเทศ .