專利名稱：多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天然氣液化工藝，尤其是涉及一種多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
液化天然氣(LNG)具有清潔環(huán)保的性能，在無天然氣管道到達地區(qū)的中小城鎮(zhèn)城市燃?xì)狻⒐I(yè)燃料、城市燃?xì)庹{(diào)峰及事故應(yīng)急、燃?xì)馄?、高檔瓷器加工等諸多應(yīng)用領(lǐng)域迅速推廣。但受到國際原油價格的影響，天然氣價格不斷攀升，天然氣液化廠效益天然氣液化工廠原料成本不斷增加，從而導(dǎo)致液化工廠利潤空間不斷下降。近年來國內(nèi)外天然氣液化廠已向大型化、規(guī)?；较虬l(fā)展，目前單套最大液化能力已到達780萬噸/年。能耗低、建設(shè)成本相對較低、又能應(yīng)用于大規(guī)模的液化工藝是未來的我國液化技術(shù)的發(fā)展方向。目前國內(nèi)外天然氣液化工藝大致可分為以下三種
1)階式制冷循環(huán)；2)混合冷劑制冷循環(huán)，又細(xì)分為帶或不帶預(yù)冷的單級混合冷劑循環(huán)和多級混合冷劑循環(huán)；3)膨脹制冷，又細(xì)分為帶或不帶預(yù)冷的單級膨脹制冷和多級膨脹制冷。以上工藝因各自的特點而適應(yīng)于不同處理規(guī)模的天然氣液化廠。帶膨脹制冷循環(huán)的天然氣液化工藝因裝置能耗過高，單套裝置處理量小，近年來逐漸被單級混合冷劑制冷循環(huán)液化技術(shù)替代。單級混合冷劑制冷循環(huán)液化工藝是目前國內(nèi)外50X 104t/a以下處理規(guī)模的液化廠的主流工藝。而帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑制冷循環(huán)液化工藝(C3/MRC)及多級混合冷劑制冷液化流程，多用于天然氣以上的中大型基本負(fù)荷型天然氣液化裝置。階式制冷循環(huán)液化流程能耗低、適用于100X 104t/a以上超大型天然氣液化裝置。從以上分析可以看出，帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑制冷循環(huán)液化工藝(C3/MRC)、多級混合冷劑制冷液化流程以及階式制冷循環(huán)液化流程能適用于大型或超大型天然氣液化工藝。但受到國外天然氣液化技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的壟斷，我國大型液化廠建設(shè)成本無法得到有效地控制。開發(fā)一種能適用于大型又能使用我國自主化設(shè)備的天然氣液化工藝已非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明提供了一種多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)及方法，結(jié)合了傳統(tǒng)階式制冷工藝優(yōu)點，同時從關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化對傳統(tǒng)階式制冷工藝的技術(shù)進行了改進及創(chuàng)新，除具有傳統(tǒng)階式制冷工藝特點外，還具有冷劑壓縮機、換熱器國產(chǎn)化的特點，方便采購、投資更省。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)，包括丙烷預(yù)冷系統(tǒng)、乙烯液化制冷系統(tǒng)和乙烯液化制冷系統(tǒng)；所述丙烷預(yù)冷系統(tǒng)包括依次連接的丙烷壓縮機、丙烷儲罐、高壓丙烷蒸發(fā)器、中壓丙烷蒸發(fā)器和低壓丙烷蒸發(fā)器；所述乙烯液化制冷系統(tǒng)包括依次連接的乙烯儲罐、高壓乙烯蒸發(fā)器、中壓乙烯蒸發(fā)器、低壓乙烯蒸發(fā)器和乙烯壓縮機；所述乙烯液化制冷系統(tǒng)包括依次連接的天然氣過冷器和甲烷壓縮機；所述乙烯儲罐與低壓丙烷蒸發(fā)器連接，所述乙烯壓縮機與高壓丙烷蒸發(fā)器連接，所述甲烷壓縮機與高壓丙烷蒸發(fā)器連接。本發(fā)明還提供了一種多級單組分制冷天然氣液化方法，包括如下步驟
1)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對天然氣、甲烷和乙烯劑進行預(yù)冷
天然氣、甲烷和乙烯首先經(jīng)過三級丙烷器蒸發(fā)制冷冷卻至-35°C后，進入乙烯液化制冷系統(tǒng)換熱冷卻；從三級丙烷蒸發(fā)器出來的丙烷蒸氣經(jīng)丙烷壓縮機增壓至1. 32MPa. g后經(jīng)過丙烷冷卻器水冷至40°C，進入丙烷儲罐儲存；來自丙烷儲罐的制冷劑丙烷通過一級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 735MPa. g后進入高壓丙烷蒸發(fā)器，對天然氣、甲烷和乙烯進行冷卻；高壓丙烷蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣態(tài)丙烷回到丙烷壓縮機增壓，液態(tài)丙烷通過二級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 305MPa.g后進入中壓丙烷蒸發(fā)器，對天然氣、甲烷和乙烯進行冷卻；中壓丙烷蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣態(tài)丙烷回到丙烷壓縮機增壓，液態(tài)丙烷通過三級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. OllMPa. g后進入低壓丙烷蒸發(fā)器，對天然氣、甲烷和乙烯進行冷卻，低壓丙烷蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣態(tài)丙烷回到丙烷壓縮機增壓進行循環(huán)；
2)乙烯液化制冷系統(tǒng)將天然氣、甲烷冷卻至-95 -85°C
乙烯經(jīng)乙烯壓縮機增壓至1.9MPa.g后經(jīng)過乙烯冷卻器水冷至40°C，進入丙烷預(yù)冷系統(tǒng)冷卻到_35°C并液化，然后進入乙烯儲罐儲存；來自乙烯儲罐的_35°C液態(tài)乙烯經(jīng)一級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 95MPa. g后進入高壓乙烯蒸發(fā)器，對天然氣和甲烷進行冷卻； 高壓乙烯蒸發(fā)器蒸發(fā)的乙烯回到乙烯壓縮機增壓，液態(tài)乙烯經(jīng)二級J-T閥節(jié)流，壓力降至 0. 23MPa.g后進入中壓乙烯蒸發(fā)器，對天然氣和甲烷進行冷卻；中壓乙烯蒸發(fā)器蒸發(fā)的乙烯回到乙烯壓縮機增壓，液態(tài)乙烯通過三級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 017MPa. g后進入低壓乙烯蒸發(fā)器，對天然氣和甲烷進行冷卻，低壓乙烯蒸發(fā)器蒸發(fā)的乙烯回到乙烯壓縮機增壓進行循環(huán)；
3)甲烷過冷系統(tǒng)為天然氣和甲烷自身過冷提供冷量
甲烷過冷系統(tǒng)將乙烯液化制冷系統(tǒng)液化的天然氣通過天然氣過冷器過冷至-150°C，過冷后的天然氣節(jié)流后溫度降至-162°C，進入LNG儲罐儲存；同時，制冷劑甲烷在這一級中冷卻到-150°C左右，然后通過節(jié)流閥降溫降壓，壓力降至lOOKPa、溫度降至-152.9°C后再進入天然氣過冷器換熱，溫度升為-100°C -120°C后再出天然氣過冷器，并直接進入甲烷壓縮機增壓，增壓完成后進入丙烷預(yù)冷系統(tǒng)循環(huán)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是凈化天然氣在六個換熱器(蒸發(fā)器)和一個板翅換熱器(天然氣過冷器)中溫度逐漸降低，直至液化；液化過程所需的冷量由丙烷、乙烯、甲烷三個系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)調(diào)節(jié)手段豐富，能夠為天然氣液化過程提供相匹配的冷量， 從而體現(xiàn)出該方法在操作上的靈活性和對原料的適應(yīng)性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)占.
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一、天然氣液化過程能耗低。對于天然氣液化而言，影響能耗的主要因素為制冷溫度和制冷換熱過程的換熱溫差。在相同的制冷溫度工況下，換熱溫差越大，制冷系統(tǒng)的能耗越高。采用本發(fā)明的多級單組分進行天然氣液化，丙烷、乙烯在3個不同的蒸發(fā)壓力下蒸發(fā)，分成3個溫度等級冷卻天然氣，各個壓力下的蒸發(fā)制冷劑進入相應(yīng)的壓縮機壓縮。最后采用甲烷作為過冷劑為天然氣和自身的冷卻提供冷量。整個換熱過程溫差較為均勻，無傳熱瓶頸，有效能損失小，節(jié)能明顯。比目前普遍使用的C3/MRC工藝能耗低約5%。二、冷劑壓縮機均為單組分壓縮機，設(shè)計更容易，采購更方便，壓縮機運行更穩(wěn)定， 并可采用國產(chǎn)化設(shè)備，有效降低了液化廠建設(shè)投資。冷劑壓縮機包括丙烷壓縮機，乙烯壓縮機，甲烷壓縮機，其中丙烷壓縮機最低吸氣溫度為-40 _35°C，乙烯壓縮機最低吸氣溫度為_101°C，對于丙烷壓縮機和乙烯壓縮機在國內(nèi)低溫行業(yè)已經(jīng)廣泛運用，因此該壓縮機很容易采購，實現(xiàn)國產(chǎn)化。在傳統(tǒng)的階式制冷工藝中的甲烷壓縮機最低吸氣溫度為-150°C，國產(chǎn)設(shè)備無法使用，限制了該工藝的推廣。采用本發(fā)明的天然氣液化工藝，甲烷壓縮機的最低吸氣溫度提高到-120°C，采用一級進氣，此工況的壓縮機在國內(nèi)低溫行業(yè)中已有成熟業(yè)績，解決了國內(nèi)大型LNG工廠國產(chǎn)化的瓶頸。三、液化過程換熱器選擇范圍大，可采用冷箱結(jié)構(gòu)，也可采用管殼式結(jié)構(gòu)，或兩者相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外LNG工廠的主換熱器設(shè)備主要是繞管換熱器和板翅式換熱器，繞管換熱器的現(xiàn)有世界生產(chǎn)商只有APCI和LINDE兩家，價格較高，而板翅式換熱器在國內(nèi)的生產(chǎn)廠家較多。國外大型LNG工廠中的主換熱器都采用的繞管。采用本發(fā)明的天然氣液化工藝，主換熱器采用管殼式結(jié)構(gòu)和板翅式換熱器，大型液化工廠國產(chǎn)化不再受主換熱器的形式限制。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理示意圖。
具體實施例方式一種多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)，如圖1所示，包括丙烷壓縮機1、乙烯壓縮機2、甲烷壓縮機3、高壓丙烷蒸發(fā)器4、中壓丙烷蒸發(fā)器5、低壓丙烷蒸發(fā)器6、高壓乙烯蒸發(fā)器7、中壓乙烯蒸發(fā)器8、低壓乙烯蒸發(fā)器9、天然氣過冷器10、丙烷冷卻器11、乙烯冷卻器 12、甲烷冷卻器13、丙烷儲罐14、乙烯儲罐15。其中
丙烷壓縮機1、丙烷冷卻器11、丙烷儲罐14、高壓丙烷蒸發(fā)器4、中壓丙烷蒸發(fā)器5和低壓丙烷蒸發(fā)器6依次連接，構(gòu)成丙烷預(yù)冷系統(tǒng)，用于對天然氣、甲烷和乙烯劑進行預(yù)冷。乙烯儲罐15、高壓乙烯蒸發(fā)器7、中壓乙烯蒸發(fā)器8、低壓乙烯蒸發(fā)器9、乙烯壓縮機2和乙烯冷卻器12依次連接，構(gòu)成乙烯液化制冷系統(tǒng)，用于將天然氣、甲烷冷卻至-95 -85"C。天然氣過冷器10、甲烷壓縮機3和甲烷冷卻器13依次連接，構(gòu)成甲烷過冷系統(tǒng)，用于為天然氣和甲烷自身過冷提供冷量。一種多級單組分制冷天然氣液化方法，包括如下步驟 1)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對天然氣、甲烷和乙烯劑進行預(yù)冷
天然氣、甲烷和乙烯首先經(jīng)高壓丙烷蒸發(fā)器4、中壓丙烷蒸發(fā)器5和低壓丙烷蒸發(fā)器6 三級丙烷蒸發(fā)制冷冷卻至_35°C后，進入乙烯液化制冷系統(tǒng)換熱冷卻。從三級丙烷蒸發(fā)器出來的丙烷蒸氣經(jīng)丙烷壓縮機1增壓至1. 32MPa. g后經(jīng)過丙
6烷冷卻器11水冷至40°C，進入丙烷儲罐14儲存；來自丙烷儲罐14的制冷劑丙烷通過一級 J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 735MPa. g后進入高壓丙烷蒸發(fā)器4，對天然氣、甲烷和乙烯進行冷卻；高壓丙烷蒸發(fā)器4蒸發(fā)的丙烷回到丙烷壓縮機1增壓，部分液態(tài)丙烷通過二級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 305MPa. g后進入中壓丙烷蒸發(fā)器5，對天然氣、甲烷和乙烯進行冷卻；中壓丙烷蒸發(fā)器5蒸發(fā)的丙烷回到丙烷壓縮機1增壓，部分液態(tài)丙烷通過三級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. OllMPa. g后進入低壓丙烷蒸發(fā)器6，對天然氣、甲烷和乙烯進行冷卻，低壓丙烷蒸發(fā)器6蒸發(fā)的丙烷回到丙烷壓縮機1增壓進行循環(huán)。2)乙烯液化制冷系統(tǒng)將天然氣、甲烷冷卻至-95 -85°C
乙烯經(jīng)乙烯壓縮機2增壓至1. 9MPa. g后經(jīng)過乙烯冷卻器12水冷至40°C，進入丙烷預(yù)冷系統(tǒng)冷卻到_35°C并液化，進入乙烯儲罐15儲存；來自乙烯儲罐15的_35°C液態(tài)乙烯經(jīng)一級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 95MPa. g后進入高壓乙烯蒸發(fā)器7，對天然氣和甲烷進行冷卻；高壓乙烯蒸發(fā)器7蒸發(fā)的乙烯回到乙烯壓縮機2增壓，部分液態(tài)乙烯經(jīng)二級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 23MPa.g后進入中壓乙烯蒸發(fā)器8，對天然氣和甲烷進行冷卻；中壓乙烯蒸發(fā)器8蒸發(fā)的乙烯回到乙烯壓縮機2增壓，部分液態(tài)乙烯通過三級J-T閥節(jié)流，壓力降至 0. 017MPa. g后進入低壓乙烯蒸發(fā)器9，對天然氣和甲烷進行冷卻，低壓乙烯蒸發(fā)器9蒸發(fā)的乙烯回到乙烯壓縮機2增壓進行循環(huán)。3)甲烷過冷系統(tǒng)為天然氣和甲烷自身過冷提供冷量
甲烷作為過冷段的制冷劑，將液化段(乙烯液化制冷系統(tǒng))已液化的天然氣通過天然氣過冷器10 (板翅式換熱器)過冷至-150°C，過冷后的天然氣節(jié)流后溫度降至-162°c，進入LNG儲罐儲存；同時，制冷劑甲烷在這一級中冷卻到-150°C左右，然后通過節(jié)流閥降溫降壓，壓力降至lOOKPa，溫度降至-152.9°C，再進入天然氣過冷器10，為天然氣和自身過冷提供冷量。節(jié)流后的甲烷出天然氣過冷器10的溫度為-100°C -120°C，該氣體直接進入甲烷壓縮機3增壓，增壓完成后通過甲烷冷卻器13水冷，然后進入丙烷預(yù)冷系統(tǒng)循環(huán)。多級單組分制冷天然氣液化工藝的基本原理是較低溫度級的循環(huán)將熱量轉(zhuǎn)給相鄰的較高溫度級的循環(huán)。第一級丙烷制冷循環(huán)為天然氣、制冷劑乙烯和制冷劑甲烷提供冷量；第二級乙烯制冷循環(huán)為天然氣和制冷劑甲烷提供冷量；第三級甲烷制冷循環(huán)為天然氣及自身提供冷量。通過六個換熱器(蒸發(fā)器4至9)和一個板翅式換熱器(天然氣過冷器10) 冷卻，天然氣的溫度逐漸降低，直至液化。
權(quán)利要求
1.一種多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)，其特征在于包括丙烷預(yù)冷系統(tǒng)、乙烯液化制冷系統(tǒng)和乙烯液化制冷系統(tǒng)；所述丙烷預(yù)冷系統(tǒng)包括依次連接的丙烷壓縮機、丙烷儲罐、 高壓丙烷蒸發(fā)器、中壓丙烷蒸發(fā)器和低壓丙烷蒸發(fā)器；所述乙烯液化制冷系統(tǒng)包括依次連接的乙烯儲罐、高壓乙烯蒸發(fā)器、中壓乙烯蒸發(fā)器、低壓乙烯蒸發(fā)器和乙烯壓縮機；所述乙烯液化制冷系統(tǒng)包括依次連接的天然氣過冷器和甲烷壓縮機；所述乙烯儲罐與低壓丙烷蒸發(fā)器連接，所述乙烯壓縮機與高壓丙烷蒸發(fā)器連接，所述甲烷壓縮機與高壓丙烷蒸發(fā)器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)，其特征在于在所述丙烷壓縮機和丙烷儲罐之間設(shè)置有丙烷冷卻器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)，其特征在于在所述乙烯壓縮機與高壓丙烷蒸發(fā)器之間設(shè)置有乙烯冷卻器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)，其特征在于在所述甲烷壓縮機與高壓丙烷蒸發(fā)器之間設(shè)置有甲烷冷卻器。
5.一種多級單組分制冷天然氣液化方法，其特征在于包括如下步驟1)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對天然氣、甲烷和乙烯劑進行預(yù)冷天然氣、甲烷和乙烯首先經(jīng)過三級丙烷器蒸發(fā)制冷冷卻至_35°C后，進入乙烯液化制冷系統(tǒng)換熱冷卻；從三級丙烷蒸發(fā)器出來的丙烷蒸氣經(jīng)丙烷壓縮機增壓至1. 32MPa. g后經(jīng)過丙烷冷卻器水冷至40°C，進入丙烷儲罐儲存；來自丙烷儲罐的制冷劑丙烷通過一級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 735MPa. g后進入高壓丙烷蒸發(fā)器，對天然氣、甲烷和乙烯進行冷卻；高壓丙烷蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣態(tài)丙烷回到丙烷壓縮機增壓，液態(tài)丙烷通過二級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 305MPa. g后進入中壓丙烷蒸發(fā)器，對天然氣、甲烷和乙烯進行冷卻；中壓丙烷蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣態(tài)丙烷回到丙烷壓縮機增壓，液態(tài)丙烷通過三級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. OllMPa. g后進入低壓丙烷蒸發(fā)器，對天然氣、甲烷和乙烯進行冷卻，低壓丙烷蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣態(tài)丙烷回到丙烷壓縮機增壓進行循環(huán)；2)乙烯液化制冷系統(tǒng)將天然氣、甲烷冷卻至-95 -85°C乙烯經(jīng)乙烯壓縮機增壓至1.9MPa.g后經(jīng)過乙烯冷卻器水冷至40°C，進入丙烷預(yù)冷系統(tǒng)冷卻到_35°C并液化，然后進入乙烯儲罐儲存；來自乙烯儲罐的_35°C液態(tài)乙烯經(jīng)一級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 95MPa. g后進入高壓乙烯蒸發(fā)器，對天然氣和甲烷進行冷卻； 高壓乙烯蒸發(fā)器蒸發(fā)的乙烯回到乙烯壓縮機增壓，液態(tài)乙烯經(jīng)二級J-T閥節(jié)流，壓力降至 0. 23MPa.g后進入中壓乙烯蒸發(fā)器，對天然氣和甲烷進行冷卻；中壓乙烯蒸發(fā)器蒸發(fā)的乙烯回到乙烯壓縮機增壓，液態(tài)乙烯通過三級J-T閥節(jié)流，壓力降至0. 017MPa. g后進入低壓乙烯蒸發(fā)器，對天然氣和甲烷進行冷卻，低壓乙烯蒸發(fā)器蒸發(fā)的乙烯回到乙烯壓縮機增壓進行循環(huán)；3)甲烷過冷系統(tǒng)為天然氣和甲烷自身過冷提供冷量甲烷過冷系統(tǒng)將乙烯液化制冷系統(tǒng)液化的天然氣通過天然氣過冷器過冷至-150°C，過冷后的天然氣節(jié)流后溫度降至-162°C，進入LNG儲罐儲存；同時，制冷劑甲烷在這一級中冷卻到-150°C左右，然后通過節(jié)流閥降溫降壓，壓力降至lOOKPa、溫度降至-152.9°C后再進入天然氣過冷器換熱，溫度升為-100°C -120°C后再出天然氣過冷器，并直接進入甲烷壓縮機增壓，增壓完成后進入丙烷預(yù)冷系統(tǒng)循環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多級單組分制冷天然氣液化方法，其特征在于所述天然氣過冷器為板翅式換熱器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多級單組分制冷天然氣液化系統(tǒng)及方法，凈化天然氣在六個換熱器(蒸發(fā)器)和一個板翅換熱器(天然氣過冷器)中溫度逐漸降低，直至液化；液化過程所需的冷量由丙烷、乙烯、甲烷三個系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)調(diào)節(jié)手段豐富，能夠為天然氣液化過程提供相匹配的冷量，從而體現(xiàn)出該方法在操作上的靈活性和對原料的適應(yīng)性。本發(fā)明的積極效果是天然氣液化過程能耗低；冷劑壓縮機均為單組分壓縮機，設(shè)計更容易，采購更方便，壓縮機運行更穩(wěn)定，并可采用國產(chǎn)化設(shè)備，有效降低了液化廠建設(shè)投資；液化過程換熱器選擇范圍大，可采用冷箱結(jié)構(gòu)，也可采用管殼式結(jié)構(gòu)，或兩者相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。
文檔編號F25J1/02GK102538391SQ20121003658
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月19日
發(fā)明者冼祥發(fā), 劉家洪, 孫林, 宋光紅, 宋德琦, 汪宏偉, 琚宜林, 胡益武, 蒲黎明, 郭成華, 鐘志良, 陸永康, 陳運強, 龍增兵 申請人:中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司