液化天然氣供應技術

    為緩解當前的能源緊張，作為有巨大發展潛力、污染較小的能源——天然氣，越來越受到許多國家的重視。各國政府、跨國石油公司、大型能源用戶、學術研究機構又掀起了新一輪研究天然氣的熱潮。為改變能源結構、改善環境狀態，我國也十分重視天然氣的開發和利用，近十年來，我國的液化天然氣、壓縮天然氣已起步，并取得了較大的發展。

未來幾年內，我國天然氣需求增長將快于煤炭和石油，天然氣市場將在全國范圍內得到發展。預計2010年，天然氣在能源總需求構成中的比重約為6％，需求量將達到900億立方米。2020年，需求量將達到2000億立方米。

    天然氣的主要成分是甲烷。甲烷臨界溫度為190．58K，故在常溫下屬超臨界氣體，無法僅靠加壓將其液化，需要采用天然氣液化工藝，將天然氣在溫度為112K、壓力為0．1MPa左右的條件下液化成為液化天然氣(LNG)。LNG密度為標準狀態下甲烷的600多倍，體積能量密度為汽油的72％，十分有利于輸送和儲存。對于有水運條件、運距超過4000km時，水運比管輸天然氣經濟。

LNG運輸靈活、儲存效率高，用作城市輸配氣系統擴容、調峰等方面，與儲氣柜等其他方式相比更具優勢，并且具有建設投資小、建設周期短、見效快、受外部影響因素小等優點。作為優質的車用燃料，與汽車燃油相比，LNG具有辛烷值高、抗爆性好、燃燒完全、排氣污染少、發動機壽命長、運行成本低等優點；與壓縮天然氣(CNG)相比，LNG則具有儲存效率高，續駛里程長，儲瓶壓力低、重量輕、數量小，建站不受供氣管網的限制等優點。

    LNG從液化天然氣工廠用液化天然氣專用運輸槽車運到LNG接收供氣站，將LNG卸到接收站的LNG低溫儲罐內。卸車工藝采用天然氣增壓器(或壓縮機)，則LNG將自動流向LNG儲罐內。氣化時，經過空溫式氣化器(或水浴式氣化器)，將液體天然氣氣化成氣體天然氣，然后經調壓、計量、加臭后送往用戶。

    (一)天然氣液化

    天然氣液化系統主要包括天然氣的預處理、液化、儲存、運輸、利用這5個子系統。一般生產工藝過程是：將含甲烷90％以上的天然氣經過“三脫”(即脫水、脫烴、脫酸性氣體等)凈化處理后，采取先進的膨脹制冷工藝或外部冷源，使甲烷變為-162℃的低溫液體。目前天然氣液化裝置工藝路線主要有三種類型：階式制冷工藝、混合制冷工藝和膨脹制冷工藝。

    1．階式制冷工藝

    階式制冷工藝是一種常規制冷工藝。天然氣液化過程，一般是由丙烷、乙烯和甲烷為制冷劑的三個制冷循環階組成，逐級提供天然氣液化所需的冷量，制冷溫度梯度分別為-30⁰C 、-90⁰C及-150⁰C 左右。凈化后的原料天然氣在三個制冷循環的冷卻器中逐級冷卻、冷凝、液化并過冷，經節流降壓后獲得低溫常壓液態天然氣產品，送至儲罐儲存。

    階式制冷工藝制冷系統與天然氣液化系統相互獨立，制冷劑為單一組分，各系統相互影響少，操作穩、定，較適合于高壓氣源(利用氣源壓力能)。但由于該工j藝制冷機組多，流程長，對制冷劑純度要求嚴格，且不；適用于含氮量較多的天然氣，因此這種液化工藝在天然氣液化裝置上已較少應用。   

    2．混合制冷工藝  

混合制冷工藝是20世紀60年代末期由階式制冷工藝演變而來的，多采用烴類混合物作為制冷劑，代替{階式制冷工藝中的多個純組分。其制冷劑的組成根據原8料氣的組成和壓力而定，利用多組分混合物中重組分先《冷凝、輕組分后冷凝的特性，將其依次冷凝、分離、節3流、蒸發得到不同溫度級的冷量。根據混合制冷劑是否與原料天然氣相混合，又分為閉式和開式兩種混合制冷工藝。

閉式循環    

  制冷劑循環系統自成一個獨立系統。混合制冷被制冷壓縮機壓縮后，經水(空氣)冷卻后在不同溫度下逐級冷凝分(換熱器)的不同溫度段疊_給原料天然氣提供冷量。原料天然氣經“三脫”娜后，進入冷箱分離，節流后進入冷箱(換熱器)逐級冷卻冷凝、節流、降壓后獲得液態天然氣產品。  

    開式循環

    原料天然氣經“三脫”處理后與混合制冷劑混合，依次流經各級換熱器及氣液分離器，在逐漸冷凝的同時，也把所需的制冷劑組分逐一冷凝分離出來，按鈕冷劑沸點的高低將分離出的制冷劑組分逐級蒸發，并匯集構成一股低溫物流，與原料天然氣逆流換熱的制冷循環。開式循環系統啟動時間較長，且操作較困難，技術尚不完善。

    與階式制冷工藝相比，混合制冷工藝具有流程短、機組少、投資低等優點；其缺點是能耗比階式高，對滑合制冷劑各組分的配比要求嚴格，設計計算較困難。

  3．膨脹制冷工藝

  膨脹制冷工藝的特點是利用原料天然氣壓力能對外做功以提供天然氣液化所需冷量。系統液化率主要取決于膨脹比和膨脹效率，該工藝特別適用于天然氣輸送壓力較高而實際使用壓力較低、中間需要降壓的氣源場合。優點是能耗低、流程短、投資省、操作靈活；缺點是液化率低。

    (二)LNG的槽車運輸

    由LNG接收站或工業性液化裝置儲存的LNG，一般是由LNG槽車載運到各地，供居民燃氣或工業燃氣用。

    LNG載運狀態一般是常壓，所以其溫度為112K的低溫；LNG又是易燃易爆的介質，載運中的安全可靠是至關重要的。

    國產30m³／O.MPa LNG半掛運槽車的主要技術特性如下表8-1。

表8-1 LNG半掛運輸車技術特性

設備	項目名稱	內筒	外筒	備注
儲 槽	容器類別	三類	-
	充裝介質	LNG	-
	有效容積/ m3	27	-	容積充裝率90﹪
	幾何容積m3	30	18	夾層容積
	最高工作壓力/mpa	0.8	-0.1	“一指“外壓”
	設計壓力/MPa	1
	最低工作溫度/0C	-196	常溫
	設計溫度/0C	-196
	文體材質	0Cr18Ni9	16MnR	GB4327、GB6654
	安全閥開啟壓力/MPa	0.8	-
	隔熱形式	真空纖維		簡稱：CB
	日蒸發率/﹪d	≤0.3	-	LNG
	自然升壓速度/kpa/d	≤17	-	LNG
	空質量/kg	約14300
	滿質量/lg	約25800		LCH4
牽 引 車	型號	ND1926S		北方一奔馳
	發動機功率/KW	188
	最高車速/（LW.h）	86.4
	最低油耗(/g/KW.H)	216
	制動距離/m	6.45		30Km/h
	百公里油耗/L	22.8
	軸距/mm	3250
	充許列車總重/kg	3800
	鞍座允許壓重/lg	12500
	自重/kg	6550
半 掛 生	底架型號	THT9360型
	自生/Kg	4100
	允載總質量/Kg	36000
	滿載總質量/Kg	30700
列 車	型號	KQF9340GDYBTH		不含牽引車
	充裝質量	12500		LN2
	整車整備質量	約25100
	允載總質量	38000		LNG
	滿載總質量	約37600		LN2

    (三)城市LNG的儲存

    LNG儲槽一般可按容量、隔熱、形狀及罐的材料進行分類。

    (1)按容量分類

    ①小型儲罐容量5～50m3，常用于民用燃氣氣化站， LNG汽車加注站等場合。

    ②中型儲罐容量50～100m3，常用于衛星式液化裝置，工業燃氣氣化站等。

    ③大型儲罐容量100～1000ma，常用于小型LNG生產裝置。

    ④大型儲罐容量10000～40000m3，常用于基本負荷型和調峰型液化裝置。

    ⑤特大型儲罐容量40000～200000m3，常用于LNG接收站。

    (2)按圍護結構的隔熱分類

    ①真空粉末隔熱，常見于小型LNG儲罐。

    ②正壓堆積隔熱，廣泛應用于大中型LNG儲罐和儲槽。

    ③高真空多層隔熱，適用于小型LNG儲罐。

    (3)按儲罐(槽)的形狀分類

    ①球形罐。一般用于中小容量的儲罐，但有些工程的大型LNG儲槽也有采用球形的。

    ②柱形罐(槽)。廣泛用于各種容量的儲罐和儲槽。

    (4)按罐(槽)的放置分類

    ①地上型。

    ②地下型。包括半地下型、地下型和地下坑型三種形式。

    (5)按罐(槽)的材料分類

    ①雙金屬。內罐和外殼均用金屬材料。一般內罐采用耐低溫的不銹鋼或鋁合金；外殼采用黑色金屬；目前采用較多的是壓力容器用鋼。

    表8—2Y0出了常用的幾種內罐

  

 

 ②預應力混凝土。指大型儲槽采用預應力混凝土外殼，而內筒采用耐低溫的金屬材料。

    ③薄膜型。指內筒采用厚度為0．8～1．2mm6Ni鋼(又稱殷鋼)。

    (6)按罐(槽)防漏結構分類

    ①單容積式儲罐。此類儲罐在金屬罐外有一比罐高低得多的混凝土圍堰，圍堰內容積與儲罐容積相等。該形式儲罐造價最低，但安全性稍差，占地較大。

    ②雙容積式儲罐。此類儲罐在金屬罐外有一與儲罐簡體等高的元項混凝土外罐，即使金屬罐內LNG泄漏也不至于擴大泄漏面積，只能少量向上空蒸發，安全性比前者好。

    ③全容積式儲罐。此類儲罐在金屬罐外有一帶頂的全封閉混凝土外罐，金屬罐泄漏的LNG只能在混凝土外罐內而不至于外泄。在以上三種地上式儲罐中安全性最高，造價也最高，流行于歐美。

    ④地下式儲罐。與以上三種類型不同的是此類儲罐完全建在地面以下，金屬罐外是深達百米左右的混凝土連續地中壁。地下儲罐主要寨中在日本，抗地震性好，適宜建在海灘回填區上，占地少，多個儲罐可緊密布置，對站周圍環境要求較低，安全性最高。但這種儲罐投資大(約比單容積儲罐高出一倍)，且建設周期長。

    (一)主要工藝流程

    LNG氣化站工程為國內新技術。目前，LNG氣化站主要采用的工藝流程為：LNG由低溫槽車運至氣化站，在卸車臺利用槽車自帶的增壓器對槽車儲罐加壓，利用壓差將LNG送／X~LNG儲罐儲存；氣化時通過儲罐增壓器將LNG增壓后，采用兩組空溫式氣化器組，相互切換使用，當一組使用時間過長，氣化器結霜嚴重，導致氣化器氣化效率降低，出口溫度達不到要求，人工(或自動或定時)切換到另一組使用，本組進行自然化霜。在夏季，經空溫式氣化器氣化后天然氣溫度可達15℃左右，可以直接進管網；在冬季或雨季，由于環境溫度或濕度的影響，氣化器氣化效率大大降低，氣化后天然氣溫度達不到要求時，經LNG加熱器加熱，達到允許溫度，再進管網。

    (二)流程設計的技術要求

    (1)整個氣化過程無動力設備介質流動，依賴于合理的壓力制度。

    (2)在空溫式氣化加熱器前的設備和管道均屬低溫部分，由于低溫管材、閥門價格較高，所以在流程設計中盡可能減少低溫部分管材與閥門。

    (3)流程中安全放散和緊急放散分低溫和常溫兩部分分別放散。

    (4)流程中關鍵參數采用報警裝置。如儲罐設壓力超壓報警和高低液位報警；出站燃氣設低溫報警；在流程各區域均設可燃氣體濃度檢測和報警。

    (三)城市LNG氣化站的安全控制

    1．安全運行控制系統

    根據國內外城市LNG氣化站的設計和安全管理的經驗，對于城市LNG站的安全運行控制一般采用的分布控制系統(Distribute Control System，DCS)7及緊急關閉系統(Emergency Shut Down，ESD)相結合的原則。DES系統用于顯示和控制LNG裝置的溫度、壓力、液位、流量等主要和重要的控制參數；ESD系統與DCS系統相互獨立，在 LNG裝置發生緊急狀況時開啟，用于隔離和關斷LNG或其他可燃來源，并關閉那些如果繼續運行可能維持或增加災情的設備。

    2．火災和泄漏探測報警系統

    在LNG的氣化設備和儲罐附近要設置可燃氣體濃度檢測報警裝置，當氣體濃度達到爆炸下限的10％～25％時，即發出聲光警報，以便迅速采取緊急措施。所有的探測信號均送)~DCS系統，并設置報警值；同時，重要的信號送入ESD系統實行單元切斷或全站聯鎖停車。

    3．消防給水系統

    消防給水系統由消防泵房、消防水池、消防管道及消火栓、消防水炮等組成，用于消防噴淋，冷卻儲罐、設備和管道，控制未燃燒的泄漏或溢流危險物。