天然气的应用与安全

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1、液态天然气（LNG）工艺 朱克佳 2013010805，王尊昱 2013010800，赵星 2013010804，杨东子 2013010802，杨俊涛 2013010803，王鑫 2013010799，王明磊 2013010798 （中国石油大学化工学院（北京）2013 年 11 月 25 日） 摘要：液化天然气（LNG）技术是高技术的系统工程，已形成了一个工业链。本文主要介绍了 天然气的液化和储运、液化天然气的历史发展，对 LNG 在实际应用中存在的问题做了一些探 讨。由于天然气在国民经济中占有重要地位，因此本文也对其未来的发展前景做出了一些猜想。引引 言言 液化天然气(Liquefied

2、Natural Gas， 简称 LNG)，主要成分是甲烷，被公认是地球 上最干净的能源。 随着我国经济的迅速发展，对清洁能源 的需求日增，液化天然气的利用也提到日程。 近年来，我国液化天然气工业从起步到发展， 在 LNG 产业链的液化、储存、运输等各个环 节上都有了显著进步。自 2000 年上海 LNG 调 峰站建成投产以来，已相继建设了 10 多座小 型天然气液化工厂。为了利用国外天然气资 源，20 世纪 90 年代开始，我国着手从海上 引进 LNG，规划在广东、福建、浙江、上海、 江苏、山东、河北、辽宁等沿海地区建设 LNG 接收站。其中广东大鹏 LNG 接收站已于 2006 年 6 月投

3、产，福建、上海的 LNG 接收站 正在加快建设，其他站也在筹建中。LNG 的 海上运输船已正式开始建造。 本文写作的目的主要在于让广大人民了 解到天然气液化的主要过程，其在国民经济 中的地位，成在的问题以及其未来发展前景， 希望更多的人能够投身到这个行业，推动中 国液化天然气工程的发展，为中国的经济发 展做出贡献。 1 1 天然气的液化工艺天然气的液化工艺 1.11.1 阶式制冷液化工艺阶式制冷液化工艺 阶式制冷液化工艺也称级联式液化工艺。 这是利用不同的冷剂逐级降低制冷温度实现 天然气液化的。如图表示了阶式制冷工艺原 理。第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和 甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为

4、天然 气和甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为 天然气提供冷量。制冷剂丙烷经压缩机增压， 在冷凝器内经水冷变成饱和液体，节流后部 分冷剂在蒸发器内蒸发（温度约-40） ，把 冷量传给经脱酸、脱水后的天然气，部分冷 剂在乙烯冷凝器内蒸发，使增压后的乙烯过 热蒸气冷凝为液体或过冷液体，两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完成丙烷的一 次制冷循环。冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作，压缩机出口的乙烯过热蒸气由丙烷蒸 发获取冷量而变为饱和或过冷液，节流膨胀 后在乙烯蒸发器内蒸发（温度约-100） ，使 天然气进一步降温。最后一级的冷剂甲烷也 以相同方式工作，使天然气温度降至接近- 160，经节流进一步降温后

5、进入分离器，分 离出凝液和残余气。在如此低的温度下，凝 液的主要成分为甲烷，成为液化天然气 （LNG） 。 1.21.2 混合冷剂制冷液化工艺混合冷剂制冷液化工艺混合冷剂制冷液化工艺是美国空气产品 和化学品公司于 20 世纪 60 年代末开发成功 的一项专利技术。混合冷剂由氮、甲烷、乙 烷、丙烷、丁烷和戊烷组成，利用混合物各组分不同沸点，部分冷凝的特点，进行逐级 的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平 的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的 目的。混合冷剂液化工艺既达到类似阶式液 化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。 由于只有一种冷剂，简化了制冷系统。图 3- 2 所示的混合冷剂制冷液化流

6、程，主要由两 部分构成：密闭的制冷系统和主冷箱。冷剂蒸气经过压缩后，由水冷或空冷使冷剂内的 低压组分（即冷剂内的重组分）凝析。低压 冷剂液体和高压冷剂蒸气混合后进入主冷箱， 接受冷量后凝析为混合冷剂液体，经 J-T 阀 节流并在冷箱内蒸发，为天然气和高压冷剂 冷凝提供冷量。在中度低温下，将部分冷凝 的天然气引出冷箱，经分离出 C5+凝液，气 体返回冷箱进一步降温，产生 LNG。C5+凝液 需经稳定处理，使之符合产品质量要求。 1.31.3 带预冷的混合冷剂制冷液化工艺带预冷的混合冷剂制冷液化工艺 丙烷预冷混合制冷剂液化流程，结合了 阶式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点， 流程既高效又简单。所

7、以自 20 世纪 70 年代 以来，这类液化流程在基本负荷型天然气液 化装置中得到了广泛的应用。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。 图是丙烷预冷混合制冷循环液化天然气 流程图。流程由三部分组分：混合制冷循 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。2 2 液化天然气的储存与安全液化天然气的储存与安全 2.12.1 储罐形式和选型储罐形式和选型 2.1.12.1.1 LNGLNG 储罐形式储罐形式 低温常压液化天然气按储罐的设置方式 及结构形式可分为：

8、地下罐及地上罐。地下 罐主要有埋置式和池内式；地上罐有球型罐、 单容罐、双容罐、全容罐及膜式罐。其中单 容罐、双容罐及全容罐均为双层罐（即由內 罐和外罐组成，在内外罐间充填有保冷材料）2.1.22.1.2 LNGLNG 储罐的比较及选择储罐的比较及选择 LNG 罐型的选择要求安全可靠、投资低， 寿命长，技术先进，结构有高度完整性，便于制造；并且要求能使整个系统的操作费用 低。 地下罐投资非常高、交付周期长。除非 有特殊的要求，设计一般不选用。 双容罐和全容罐比较，有差不多的投资 和交付周期，但安全水平较低，现在对 LNG 储罐设计来说，比较陈旧，也不被选用。 单容罐显然有一个较低的投资，相对与

9、 其他罐型，结余的费用可用来增加其他设备 和安全装置来保证安全性。 全容罐和膜式罐的投资和其他形式储罐 比较稍高，但其实际的安全性更好。它们是 现在接收站普遍采用的罐型，另外混凝土顶 经常被看作是能提供额外保护和具有工艺优 势。膜式地上罐理论上投资和交付周期较全 容罐和地下罐是有优势的，但膜式罐的制造 商很少。 单容罐、双容罐与全容罐相比罐本身的 投资较低，建设周期较短；但是，因为单容 罐、双容罐的设计压力和操作压力均较低， 需要处理的 BOG 量相应增加较多，BOG 压缩 机及再冷凝器的处理能力也相应增加，卸料 时 BOG 不能利用罐自身的压力返回输送船， 必须增加配置返回风气机。因此，LN

10、G 罐及 相应配套设备的投资比较，单容罐、双容罐 反高于全容罐，其操作费用也大于全容罐。 2.22.2 储罐结构与建造储罐结构与建造 2.2.12.2.1 全容罐的结构及发展全容罐的结构及发展 全容罐的结构包括內罐和外罐。內罐主 要由板材、罐低、罐壁、罐顶组成；外罐主 要由罐基础、罐墙壁、罐顶组成。 全容式储罐的发展：典型的全容式储罐 由预应力钢筋混凝土外层罐和 9%Ni 钢内层罐 组成，罐顶为钢筋混凝土制成。随着全容罐 需求的不断增加，储罐结构设计和材料应用 的不断改进，一方面储罐的容量越来越大， 容积达 20104（立方米）的地上全容罐已 在建造；另一方面设计和建造技术的发展， 储罐建设费

11、用下降，建造周期缩短。 2.2.22.2.2 全容罐的建造全容罐的建造 全容罐的建造分为外罐建造、內罐建造、 9%镍钢的焊接、后续工作。 外罐建造包括墙体浇筑、安装承压环、 气升罐顶、罐顶建造、罐壁预应力张拉。 內罐建造包括罐低、罐壁、保温。 9%镍钢的焊接：对于 9%镍钢的焊接是內 罐建造的主要工作量，由于 9%镍钢对磁性很敏感，为避免现场焊接时产生电弧偏吹，要 求出厂钢材残余磁含量不超过 50 高斯，同时 现场施工时远离强磁场，并准备消磁设备。 后续工作包括检验（PT 检验、RT 检验、 真空试验、PMI 检验） 、试验（水压试验、气 压试验） 、干燥与冷却。 2.32.3 LNGLNG

12、的储存安全的储存安全 2.3.12.3.1 LNGLNG 的储存特性的储存特性 LNG 的储存特性主要有液体分层、老化、 翻滚、间歇泉和水锤现象。 液体分层：LNG 是多组分混合物，因温 度和组分的变化，液体密度的差异使储罐内 的 LNG 可能发生分层。一般罐内液体垂直方 向上温差大于 0.2、密度大于 0.5 千克/立 方米时，即认为罐内液体发生了分层。 老化：LNG 是一种多组分混合物，在储 存过程中，各组分的蒸发量不同，导致 LNG 的组分和密度发生变化，这一过程称为老化。翻滚：LNG 是低温液体，在储存过程中， 不可避免地从环境吸收热量。若储罐内的液 化天然气已经分层，被上层液体吸收的

13、热量 一部分消耗于液面液体蒸发所需的相变焓， 其余热量使上层液体温度升高，随蒸发的持 续，上层液体的密度愈来愈大。下层吸收的 热量通过与上层液体的分界面传给上层液体， 两液层间的温度差比较小，通过界面传递的 热量小于下层液体从环境获得的热量，下层 液体温度上升、密度减小。随储存时间的延 续，上层液体的密度逐渐增大、下层液体的 密度逐渐减小，当上下两层液体密度接近相 等时，分层界面消失，液层快速混合并伴随 有液体的大量蒸发，此时的蒸发率远高于正 常蒸发率，这种现象称为翻滚。 间歇泉和水锤现象：如果储罐底部有很 长的而且充满 LNG 的竖直管路，由于关内流 体受热，管内的蒸发气体可能会定期地产生

14、LNG 突然喷发。这种间歇式的喷发，称为间 歇泉现象。管路中产生的甲烷蒸气被重新注 入的液体冷凝，形成水锤现象。 2.3.22.3.2 LNGLNG 的储存安全的储存安全 液化天然气餐餐券技术主要有以下几方 面： （1）储罐材料。材料的物理特性应适应 在低温条件下工作，如材料在低温工作状态 下的抗拉和抗压等机械强度、低温冲击韧性 和热膨胀系数等。（2）LNG 充注。储罐的充注管路设计应 考虑在顶部和底部均能冲罐，这样能防止 LNG 产生分层，或消除已经产生的分层现象。（3）储罐的地基。应能经受得起与 LNG 直接接触的低温，在意外情况下万一 LNG 产 生泄漏或溢出，LNG 与地基直接接触，地

15、基 应不会损坏。 （4）储罐的隔热。隔热材料必须是不可 燃的，并有足够的牢度，能承受消防水的冲 击力。当火蔓延到容器外壳时，隔热层不应 出现熔化或沉降，隔热效果不应迅速下降。 （5）安全保护系统。储罐的安全防护系 统必须可靠，能实现对储罐液位、压力的控 制和报警，必要时应该有多级保护。 3 3 液化天然气的运输与安全液化天然气的运输与安全 3.13.1 液化天然气的船运液化天然气的船运 液化天然气海上运输的特点：投资风 险高；产业链特性强；运输稳定。 LNG 运输船结构特点： 双层壳体液化天然气运输船设计普 遍采用双层壳体，在船舶的外壳体和储槽间 形成保护空间，从而减小了槽船因碰撞导致 储槽意

16、外破裂的危险性。 隔热技术低温储槽可以采用的隔热 方式有真空粉末、真空多层、高分子有机发 泡材料等。 再液化低温 LNG 储槽控制低温液体 的压力和温度的有效方法是将蒸发气再液化， 这可以降低低温液体储槽保温层的厚度，进 而降低船舶造价、增加货运量、提高航运经 济性。液化天然气运输船船型: 自支承式：自支承式储槽是独立的，它 不是船壳体的任何一部分，在储槽的外表面 是没有承载能力的绝热层。MOSS 型 LNG 运输 船和 SPB 型 LNG 运输船属于自支承式。 薄膜式：薄膜式储槽采用船体的内壳体 作为储槽的整体部分。储槽第一层为薄膜层 结构，其材料采用不锈钢或高镍不锈钢，第 二层由刚性的绝热支撑层支承。储槽被安装 在船壳内，LNG 和储槽的载荷直接传递到船 壳。 3.23.2 液化天然气的车运液化天然气的车运 液化天然气公路运输特点：变化多； 安全可靠。 液化天然气运输槽车：（1）LNG 槽车的装卸包括自增压装 卸和泵增压装卸。 （2）LNG 槽车的隔热为了确保安可 靠、经济高效地运输，