液化天然气知识

液化天然气知识

1、天然气的用途：

化工燃料，居民生活燃料，汽车燃料，联合发电，热泵、燃料电池等。

2、液化天然气：

天然气的主要成分为甲烷，其临界温度为190.58K，LNG储存温度为112K （-161℃）、压力为0.1MPa左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的600多倍，体积能量密度为汽油的72%。

3、LNG工厂主要可分为基本负荷型、调峰型两类。液化流程以APCI（美国空气液化公司）流程为主。（丙烷预冷混合制冷剂液化流程）

4、我国天然气仅占能源总耗的 2.6%，到2010年，这一比值预期达到7%—8%。

5、中国的LNG工厂：20世纪90年代末，东海天然气早期开发利用，在上海建设了一座日处理为10万立方米的天然气事故调峰站。2001年，中原石油勘探局建造第一座生产型的液化天然气装置，日处理量为15万立方米。2002年新疆广汇集团开始建设一座处理量为150万立方米的LNG工厂，储罐设计容量为3万立方米。2005年海南福山油田日处理25万立方米的LNG生产装置投产运行。2005年11月，成都天然气化工总厂日处理4万立方米的LNG生产装置投产运行，

正在筹建的有日处理30万立方米的兰州LNG生产装置；日处理15万立方米的广西北海围洲岛LNG生产装置，日处理100万立方米的鄂尔多斯LNG生产装置。

6、LNG接收终端：深圳大鹏湾，福建湄州湾，浙江、上海等地。

7、天然气的预处理：脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、水分、重烃和汞等杂质，以免这些杂质腐蚀设备及在低温下冻结而阻塞设备和管道。

8、脱水：若天然气中含有水分，则在液化装置中，水在低于零度时将以冰或霜的形式冻结在换热器的表面和节流阀的工作部分，另外，天然气和水会形成天然气水合物，它是半稳定的固态化合物，可以在零度以上形成，它不仅可能导致管线阻塞，也可以造成喷嘴合分离设备的堵塞。

9、目前常用的脱水方法有：冷却法、吸收法、吸附法等。

10、冷却脱水是利用当压力不变时，天然气的含水量随温度降低而减少的原理实现天然气脱水，此法只适用于大量水分的粗分离。

11、吸附脱水：利用吸湿液体（或活性固体）吸收的方法。三甘醇脱水，适用于大型天然气液化装置中脱出原料气所含的大部分水分。

12、吸附脱水：主要适用的吸附剂有：活性氧化铝、硅胶、分子筛等。现代LNG 工厂采用的吸附脱水方法大都是采用分子筛吸附。在实际使用中，可分子筛同硅胶或活性氧化铝、串联使用。

13、脱硫：酸性气体不但对人体有害，对设备管道有腐蚀作用，而且因其沸点较高，在降温过程中易呈固体析出，必须脱除。

14、在天然气液体装置中，常用的净化方法有：醇胺法，热钾碱法，砜胺法。

15、天然气液化流程：级联式液化流程、混合制冷剂液化流程、带膨胀机的液化流程。

16、天然气液化装置有基本负荷型和调峰型，基本负荷型天然气液化装置是指生产供当地使用或外运的大型液化装置，其液化单元常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程。调峰型液化装置指为调峰负荷或补充冬季燃料供应的天然气液化装置，通常将低峰负荷时过剩的天然气液化储存，在高峰时或紧急情况下在汽化使用。其液化单元常采用带膨胀机的液化流程和混合制冷剂液化流程。

17、目前世界上80%以上的基本负荷型天然气液化装置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。流程由三部分组成：混合制冷剂循环，丙烷预冷循环，天然气液化回路。在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气。

18、法国燃气公司开发的整体结合式级联型液化流程（CII流程）代表天然气液化技术的发展趋势。在上海建造的CII液化流程是我国第一座调峰型天然气液化装置中所采用的流程。

19、带膨胀机的液化流程：利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机。投资适中，适合用于液化能力较小的调峰型天然气液化装置。

20、典型级联式液化流程的比功耗为0.33KW?h/kg。丙烷预冷单级混合制冷剂液化流程为其1.15倍。

21、天然气液化装置由天然气预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统及消防系统等组成。

22、浮式液化天然气生产储卸装置是一种新型的边际气田、海上气田天然气的液化装置，以投资较低、建设周期短、便于迁移等优点。

23、LNG项目大多由SHELL、道达尔等大型跨国石油公司与资源拥有国政府合资建设。

24、目前，LNG占全球燃气市场的5.6%及燃气出口总量的25.7%。

25、在典型的LNG工业链中，各主要环节的投资费用所占的比例如下：上游气田开发10%，LNG工厂40%，LNG运输30%，接收终端20%。

26、接收海运LNG的终端设施称为LNG接收终端。它接收用船从基本负荷型天然气液化工厂运来的LNG，将其储存和再汽化后分配给用户。接收终端的再汽化能力很大，储槽容量也很大。它主要由专用码头、卸货装置（LNG卸料臂）、LNG输送管道、LNG储槽再汽化装置及送气设备、气体计量和压力控制站、蒸发气体回收装置、控制及安全保护系统、维护保养系统等组成。

27、LNG接收终端工艺流程有两种：一种是直接输出式；另一种式再冷凝式。直接输出式流程，蒸发气在压缩机增压后，送至稳定的低压用户，在卸船的工况下，低压用户应能接收大量蒸发气。再冷凝式流程，蒸发气经过压缩后，进入再冷凝器与储槽中的由泵输出的LNG进行换热，蒸发气被冷却液化，经外输泵增压后，进汽化器输送给用户。

28、我国在建的第一座LNG接收终端：

①LNG卸船系统：卸船系统由卸料臂、卸船管线、蒸发气回流臂、LNG取样器、蒸发气回流管线，以及LNG循环保冷管线组成。

LNG运输船码头后，经码头上卸料臂将船上LNG输出管线与岸上卸船管线连接起来，由船上储罐内的输送泵（潜液泵）将LNG不断输送到终端的储槽内。随着LNG不断输出，船上储罐内气相压力逐渐下降，为维持气气相压力值一定，将岸上储槽内一部分蒸发气加压后，经回流管线及回流臂送至船上储罐内。

LNG 卸船管线一般采用双母管式设计。卸船时两根母管同时工作，各承担50%的输送量。当一根母管出现故障时，另一根母管仍可工作，不致使卸船中断。在非卸船期间，双管可使卸船管线构成一个循环，便于对母管进行循环保冷，是其保持低温，减少因管线漏热使LNG蒸发量增加。通常由岸上储槽输送泵出口分出一部分LNG 来冷却需保冷的管线，再经循环保冷管线返回罐内。每次卸船前还需用船上LNG对卸料臂等预冷，预冷完毕后再将卸船量逐步增加至正常输量。卸船管线上配有取样

器，在每次卸船前取样并分析LNG的组成、密度及热值。

②LNG储存系统：LNG储存系统由低温储槽、附属管线及控制仪表组成。低温容器内液体在储存过程中，尽管容器有良好的隔热，但是还是会有一些热量通过各种方式传入容器中。由于热量的漏入，将会使一部分低温液体汽化，则容器中的压力会随之上升。储槽的日蒸发率约为0.06%—0.08%。卸船时，由于船上储罐内输送泵运行时散热、船上储罐与终端储槽的压差、卸料臂漏热及LNG液体蒸发气的置换等，蒸发气量可数倍增加。为了最大程度减少卸船时的蒸发气量，应尽量提高此时储槽内的压力。一般来说，接收终端至少应有2个等容积的储槽。

③LNG再汽化/外输系统：LNG再汽化/外输系统包括LNG储槽内输送泵（潜液泵）、储槽外低/高压外输泵、开架式水淋蒸发器、浸没燃烧式蒸发器及计量设施等。

储槽内LNG经罐内输送泵加压后进入再冷凝器，使来自储槽顶部的蒸发气液化。从再冷凝器中流出的LNG可根据不同用户要求，分别加压至不同压力。一部分LNG 经低压外输泵加压至4.0MPa后，进入低压水淋蒸发器中蒸发。水淋蒸发器在基本负荷下运行时，浸没燃烧式蒸发器作为备用，在水淋蒸发器维修时运行或在需要增加气量调峰时并联运行；另一部分LNG经高压外输泵加压至7.0MPa后，进入高压水淋蒸发器中蒸发，以供远距离用户使用。高压水淋蒸发器也配有浸没燃烧式蒸发器作为备用。

在汽化后的高、低压天然气（外输气）经计量设施分别计量后输往用户。为保证罐内输送泵、罐外低压和高压外输泵正常运行，泵出口均设有回流管线。当LNG输送量变化时，可利用回流管线调节流量。在停止输出时，可利用回流管线打循环，以保证泵处于低温状态。

④蒸发气处理系统：蒸发气处理系统包括蒸发气冷却器、分液罐、压缩机及再冷凝器等。此系统应保证LNG储槽再一定压力范围内工作。储槽的压力取决于罐内气相（蒸发气）的压力。当储槽处于不同工作状态，例如储罐有LNG外输，正在接收LNG，或既不外输也不接收LNG时，其蒸发气量均有较大差别，如不适当处理，就无法控制气相压力。因此，储槽中应设置压力开关，并分别设定几个等级的超压值及欠压值，当压力超过或低于各设定值时，蒸发气处理系统按照压力开关进行相应动作，以控制储槽气相压力。

⑤储槽防真空补气系统：为防止LNG储槽在运行中产生真空，在流程中配有防

真空补气系统。补气的气源通常为蒸发器出口管引出的天然气。有些储槽也采取安全阀直接连通大气，当储槽产生真空时，大气可直接由阀进入罐内补气。

⑥火炬/放空系统：当LNG储槽内气相空间超压，蒸发气压缩机不能控制且压力超过泄放阀设定值时，罐内多余蒸发气将通过泄放阀进入火炬中烧掉。当发生诸如涡旋现象等事故时，大量气体不能及时烧掉，则必须采取放空措施，及时把蒸发气排放掉。

29、开架式汽化器：

以海水作热源的汽化器，用于基本负荷型的大型汽化装置，最大天然气流量可达180t/h。汽化器可以在0%—100%的负荷范围内运行。可以根据需求的变化遥控调整汽化量。

整个汽化器用铝合金支架固定安装。汽化器的基本单元是传热管，由若干传热管组成板状排列，两端与集气管或集液管焊接形成一个管板，再由若干个管板组成汽化器。汽化器顶部有海水的喷淋装置，海水喷淋在管板外表面上，依*重力的作用自上而下流动，LNG在管内向上流动，在海水沿管板向下流动的过程中，LNG被加热汽化。虽然水的流动是不停止的，但这种类型的汽化器工作时，有些部位可能结冰。使传热系数有所降低。

水加热型汽化器的投资较大，但运行费用较低，操作和维护容易，比较适用于基本负荷型的LNG接收站的供气系统。但这种汽化器的汽化能力，受气候等因素的影响比较大，随着水温的降低，汽化能力下降。通常汽化器的进口水温的下限大约5℃。

大型的汽化器装置可由数个管板组组成，使汽化能力达到预期的设计值，而且可以通过管板组对汽化能力进行调整。

水膜在沿管板下落的过程中具有很高的传热系数，可达到5800 W/ m2K 。在传热管内侧，LNG蒸发时传热系数相对较低，新型的汽化器对传热管进行了强化设计。传热管分成汽化区和加热区，采用管内肋片来增加换热面积和改变流道的形状，增加流体在流动过程中的扰动，达到增强换热的目的。管外如果产生结冰，也会影响传热性能。为了改善管外结冰的问题，采用具有双层结构的传热管，LNG从底部的分配器先进入内管，然后进入内外管之间的夹套。夹套内的LNG直接被海水加热并立即汽化，然而在内管内流动的LNG是通过夹套中已经汽化的LNG蒸汽来加热，汽化是逐渐进行的。夹套虽然厚度较薄，但能提高传热管外面的温度，所以能抑制传热管外表结冰，保持所有的传热面积都是有效的，因此提高了海水与LNG之间的传热效率。

30、具有中间传热流体的汽化器：采用中间传热流体的方法可以改善结冰带来的影响，通常采用丙烷、丁烷等截止作中间传热流体。实际使用的汽化器的传热过程是由两极换热组成：第一级是由LNG和丙烷进行换热；第二级是丙烷和海水进行换热。这样加热介质不存在结冰的问题。

31、燃烧加热型汽化器：在燃烧加热型汽化器中，浸没式燃烧加热型汽化器是使用最多的一种。结构紧凑，节省空间，装置的初始成本低。它使用了一个直接向水中排出燃气的燃烧器，由于燃气与水直接接触，燃气激烈地搅动水，使传热效率非常高。水沿着汽化器的管路向上流动，LNG在管中汽化，汽化装置的热效率在98%左右。适合于负荷突然增加的要求，可快速启动，并且能对负荷的突然变化作出反应。可以在10%—100%的负荷范围内运行，适合于紧急情况或调峰时使用。

32 蒸汽加热型LNG汽化器：主要是使用在LNG船上应用，具有多用途的特点。

33 LNG泵：

输送LNG这类低温的易燃介质，输送泵不仅要具有一般低温液体输送泵能承受低温的性能，而且对泵的气密性能和电气方面安全性能要求更高。

潜液式电动泵：其特点是将泵与电动机整体安装在一个密封的金属容器内，因此不需要轴封，也不存在轴封的漏泄问题。泵的进、出口用法兰结构与输送管路相连。低温潜液式电动泵启动电流很大，大约是满负载工作电流的7倍。

大型LNG储罐的潜液泵与电动机组件的安装有特殊的结构要求。常见的方法是为每一个泵设置一竖管，称之为泵井。LNG泵安装在泵井的底部，储罐与泵井通过底部一个阀门隔开。泵的底座位于阀门的上面，当泵安装到底座上以后，依*泵的重力作用将阀门打开。泵井与LNG储罐连通，LNG泵井内充满LNG。如果将泵取出维修，阀门就失去了泵的重力作用，在弹簧的作用力和储罐内静压的共同作用下，使阀门关闭，起到了将储罐空间与泵井空间隔离的作用。

泵井不仅在安装时可以起导向的作用，在泵需要检修时，可以将泵从泵井里取出。另外，泵井也是泵的排出管，与储罐顶部的排液管相连接。

泵的提升系统可以将LNG泵安全地取出。在LNG泵取出时，泵井底部的密封阀能自动关闭，使泵井内与储罐内的液体隔离。然后排除泵井内的可燃气体，惰性气体置换后，整个泵和电缆就能用不锈钢丝绳一起取出管外，便于维护和修理。

对于安装在储罐外面的LNG泵，在正式输送液体之前，对整个泵及管路系统先要进行充分的冷却，即预冷过程。这个过程非常重要，否则由于系统温度过高，引起LNG

汽化，产生气液两相流，使泵无法正常工作。34 LNG输送管路：

在进行LNG管路设计时，不仅要考虑低温液体的隔热要求，还应特别注意因低温引起的热应力问题，防止水蒸汽渗透的防护措施问题，避免出现冷凝和结冰的现象，管道漏泄的探测方法，以及防火问题等。

LNG管路通常采用奥氏体不锈钢管。奥氏体不锈钢管具有优异的低温性能，但线膨胀系数较大。当在LNG设备上使用时，不锈钢管需要采取一定的措施，来补偿温度变化引起的热膨胀或冷收缩。常采用的方法是采用弯管或膨胀节。

LNG气体管路在液化天然气系统中的作用是非常重要的，因为LNG的输送是处于封闭状态下进行。如LNG储罐在液体的装卸过程中，需要有气体的排出或补充。储罐在接收LNG时，随着液体的抽出，如果没有气体的补充，储罐内可能出现真空，这对储罐的安全是不利的。因此，LNG系统必须考虑必要的气体管路。

殷钢是一种线膨胀系数非常低的材料，在低温下的收缩率液非常小。

LNG输送管道的隔热材料一般采用硬质聚胺酯发泡塑料。

LNG管道的隔热结构，主要有常规的保温材料包复合型结构和真空夹套型结构。在现场安装，隔热材料的外表还需要有防潮措施和防护外套。保护套最好使用不锈钢材料。如果在海边，最好选用含有钼的不锈钢，能经受海洋性环境的盐雾侵袭而不会产生斑点。另外不锈钢的熔点高，提高了管道系统的阻火性能。

基本负荷型和接收终端的系统中，一般不用真空隔热型的LNG管线。从管道制作复杂性和管路投资成本考虑，三公里以上的管道，通常采用普通的聚胺酯发泡塑料包复的隔热方式，而不采用真空夹套的隔热方式。

35、管道的预冷和保冷

在预冷时，为了防止因温度变化过快、热应力过大而使材料或连接部位产生损坏，应控制预冷时温度下降的速率。冷却速率在50℃左右是比较安全的。

在正常运行时，间歇性装卸的管路保冷是非常有必要的，需要达到或1 X 10-2 Pa，真空多层隔热才会体现优良的隔热性能。

36、LNG管路的试验

试验一般采用LNG蒸汽或是LN2蒸汽作传热流体，虽然LN2的温度比LNG低，但测试结果可以换算。实际上，材料在-162℃和-196℃区间内的特性变化不大，因而测试结果不修正也可以使用。

37、LNG管路的冷却过程

LNG管道要进入运行，必须要先做好冷却过程，也就是常说的预冷过程。为了避免管路结构损坏，预冷过程非常重要。如果LNG突然流入常温管道，管道会迅速地收缩。管路的底部与沸腾的LNG直接接触，而顶部相对较热，因顶部的温度相对较高，这种结果便是所谓的香蕉效应。由于伸缩不一致，可能引起管路、支撑和膨胀节的损坏。因此冷却必须慢慢地进行，首先用冷的蒸汽在管路中循环，有时还需要用干燥氮气吹扫管路，去除管路中残留的水蒸气，使管路达到一定温度。一般是在-95℃--118℃范围内方可输送LNG。

38、膨胀机是天然气液化装置中获取冷量的关键设备。膨胀机是一种高速旋转的热力机械。根据能量转换和守恒定律，气体在透平膨胀机中进行绝热膨胀时，对外做功，能量降低，产生一定的焓降，使气体本身温度下降。为气体的液化创造条件。透平膨胀机实际上是离心压缩机的反向作用，离心压缩机是由电动机驱动，是气体的压力上升，需要消耗动力。透平膨胀机是利用高压气体膨胀时产生的高速气流，冲击透平膨胀机的工作叶轮，叶轮产生高速旋转。

39、液化天然气储罐

1、按容量分类：小型储罐，5-50立方米，常用于民用燃气汽化站，LNG汽车加注站等

中型储罐，50-100立方米，常用于卫星式液化装置，工业燃气汽化站等，大型储罐，100-1000立方米，常用于小型LNG生产装置。大型储罐，10000-40000立方米，常用于基本负荷型和调峰型液化装置。特大型储槽，40000-200000立方米，常用于LNG 接收站。

2、按围护结构的隔热分类：真空粉末隔热，常见于小型LNG储罐，正压堆积隔热，广泛应用于大中型LNG储罐和储槽。高真空多层隔热，很少采用，限用于小型LNG储罐。

3、按储罐的形状分类：球形罐，一般用于中小容量的储罐。圆柱形罐，广泛应用于各种容量的储罐和储槽。

4、按罐的放置分类：地上型和地下型，地下型包括三种型式：半地下型，地下型和地下坑型。

5、按罐的材料分类：双金属和预应力混凝土型，薄膜型。

6、按罐的围护结构分类：单围护系统，储槽只有一个流体力学承载层，在储槽周围预留出一块安全空间。

双围护系统，内外罐体都是低温材料，储罐具有两个流体力学承载层。

全封闭围护系统，内外罐体均是低温材料，储槽具有两个流体力学承载层，外罐还加上附加的内压和外压安全承载，储槽无需另外的预留空间。

40 LNG储槽结构

1、立式LNG储罐，隔热型式采用真空粉末隔热技术，储槽内筒及管道材料选用OCr18Ni奥氏体不锈钢，外筒选用优质碳素钢20R压力容器用钢板。

2、立式LNG子母型储罐，子母罐是指拥有三个以上子罐并联组成的内罐，以满足低温液体储存站大容量储液量的要求。子罐可以设计成压力容器，最大工作压力可达1.8 MPa，通常为0.2—1.0MPa，视用户使用压力要求而定。

子母罐的优势：依*容器本身的压力，可采用压力挤压的办法对外排液，而不需要输液泵排液，因此操作简便和可*性提高，容器具备承压条件后，可采用常压储存方式，减少储存期间的排放损失；子母罐的制造安装较球罐容易实现，制造安装成本较低。

子母罐的不足：由于外罐的结构尺寸原因，夹层无法抽真空。夹层厚度通常选择800mm以上，导致保温性能与真空粉末隔热球罐相比较差；由于夹层厚度较厚，且子罐排列的原因，设备的外形尺寸庞大；子母罐通常适用于容积300—1000m3，工作压力为0.2—1.0MPa范围。

3、球形LNG储罐，

41、LNG储槽内部观察装置：探测器能浸没在低温的LNG中工作，将储罐内及周壁的图像清晰地显示在屏幕上，并能连续地摄录下来，以监视储槽的运行。

42、LNG货船的围护系统：

LNG货船的汽化率的高低取决于货舱的漏热性能。不同的货物围护系统采用不同隔热方式。目前有三种货物围护系统：法国的GTT型薄膜舱，挪威的MOSS型球形舱，日本的SPB棱形舱