浅谈液化天然气系统

浅谈液化天然气系统

1 前言

由于天然气液化后，其体积只有液化前的1／600，用液化天然气(LNG)船代替深海和地下长距离管道，可节省大量风险性管道投资，降低运输成本。天然气液化，对民用和工业用气的波动性，特别是对冬季用气的急剧增加起调峰作用。

同时，可降低储存空间，实现低压储存及使用，避免了压缩天然气(CNG)高压储存及使用带来的威胁。

因此，发展液化天然气(LNG)是目前世界发展的潮流，在我国发展液化天然气也是势在所趋。

2 天然气液化

2.1 精馏法生产LNG

LNG生产流程主要有混合制冷循环流程、膨胀机制冷的循环流程、带循环压缩机的天然气膨胀制冷循环流程等三类。混合制冷循环流程的优点是能耗低，缺点是流程复杂、机组多、维修不便、投资太大。而膨胀制冷循环的流程，一般流程简单，所用设备少，投资少，但容量也不很大。

带循环压缩机的氮气膨胀制冷循环的流程如图1所示。

进入装置的原料天然气经预冷器(i)、气液分离器(ii)、分子筛干燥器(iii)净化后，进入预冷换热器(A1)预冷，然后进入重烃分离器(A2)除去液化的重烃。从重烃分离器出来的气体进入主换热器(A3)冷却后，再经节流阀(A4)进入除氮精馏塔(A5) 除去氮，在塔底得到LNG，再经过过冷换热器(A6) 过冷后送LNG贮罐。在除氮精馏塔(A5)塔顶得到的氮气，流经过冷换热器(A14)后与膨胀机(A11)的出口流体汇合，依次经过过冷换热器、主换热器、预冷换热器回收冷量后，被循环氮压缩机(A8)压缩后作为制冷剂。经过压缩的氮经预冷换热器预冷后分为两股，一股直接进入主换热器(A3)冷却，一股进膨胀机(A10)膨胀。膨胀的一股经膨胀机(A10) 膨胀后，进主换热器(厶)提供冷量，再经膨胀机 (A11)膨胀到更低压力后与除氮精馏塔塔顶流体汇合为总循环气量；进主换热器(A3)的一股被冷却后作为除氮精馏塔塔底再沸器热源进一步降温，再经过过冷换热器(A14)过冷，最后节流进入除氮精馏塔塔顶。

原料气组成：N2 10％、CH4 85％、C2H6 3％、 C3H8 1％、C4H10 0．5％、C5H12 0．5％

原料气压力：3．92MPa

可以得到下列数据：

液化率0．8763；甲烷回收率0．99；

LNG组成(mo1)：N2 0．05％、 CH4 96.03%、C2H6 3．06％、C3H8 0．39％、C4H100．02％；

LNG能耗：2．6kWh／kgLNG(未考虑膨胀机回收功与冷冻机组冷量)。

2．2 用液氮来生产LNG

对于用管道供应到远离天然气并的城市的天然气液化，如北京、西安等，可以在氮气用户附近设置天然气液化站，可采用图2流程。

高压天然气管道(一般为1．2MPa、20℃)内天然气经预冷器被来自液化器的氮气冷却到—122℃后，再进入液化器被来自液氮贮罐的液氮冷却到—162℃，最后LNG贮存到LNG贮罐，未液化的气体返到低压天然气管道。而液氮经液化器、预冷器后，再经空温换热器复热至常温，进入氮气管道。

计算中各换热器的热损失取热负荷的4％，计算结果，100kg／h的天然气可以液化成75kg／hLNG，同时消耗210kg ／h的液氮。即生产LNG的单位能耗为2．8kg液氮。

2．3 LNG运输工具

这是连接LNG生产地与使用点的重要设施，其运输方式有船运、陆运两种，故其运输工具有 LNG船及LNG槽车。

LNG船及LNG槽车上贮存LNG的容器均采用双层金属、夹层真空粉末绝热的技术。此技术在液氮(—196℃)、液氩(—186℃)、液氧(—183℃) 方面已有几十年成功的经验，而LNG的沸点为—162℃，且目前也已在LNG方面有成功的使用。故此方面将会根据LNG发展而发展的，也会发展成目前运输液氮、液氧、液氩等运输专营商。当加气站、LNG使用站等等需要LNG时，只需提前一天电话预约，到时就会将LNG送上门。

3 LNG站的建立及使用

3.1 LNG站工艺

现行LNG站工艺大致可分为两种：一种是蒸发的天然气(BOG)再冷凝工艺，另一种是BOG 直接压缩工艺。两种工艺并无本质上的区别，仅在蒸发气体(BOG)的处理上有所不同，现以BOG 再冷凝工艺为例介绍LNG站工艺流程。LNG站的简要方框流程见图3。

LNG运到LNG站，经管道将LNG输送到LNG 贮罐贮存。来自贮罐的LNG由LNG泵升压后送人 LNG汽化器，LNG受热汽化后输送到下游用户管网。LNG在贮罐贮存过程因冷损汽化产生的BOG 气体，若采用BOG再冷凝工艺，BOG先通过压缩机

加压至1MPa左右，然后与LNG低压泵送来的压力为1MPa的LNG过冷液体换热、冷凝成LNG；若采用BOG直接压缩工艺则由压缩机加压到用户所需的压力后直接进入外输管网。BOG直接压缩工艺需要将气体直接升压，达到管网的压力，并消耗大量压缩功；而LNG再冷凝工艺是将液体用泵升压，体积要小得多，据资料介绍可节省约50％的 BOG升压能耗。LNG贮罐的LNG 也可通过低压泵加压至0.5MPa后分装入小的LNG贮罐，如LNG汽车所用90L LNG贮罐。另外为了防止LNG在卸载过程中造成LNG容器现场负压，一部分BOG需返回LNG容器以平衡压力，这在用船运输LNG时很有必要。

由于LNG在常压下的沸点约为—162℃，而 LNG站正是在常压下贮存LNG，因此LNG站贮存 LNG、加压LNG的设备，都是在—162℃的温度下长期运行。目前，我国生产、制造低温液体贮罐 (—180～—190℃)的厂家为数不少，其中有四川空分设备集团公司、江苏常州西玛低温设备公司、泰莱华顿公司、MVE公司等均可生产LNG的运罐和／或LNG贮罐。

3.2 LNG站主要设备

LNG站主要设备有LNG贮罐、汽化器、 LNG 泵、LNG燃料贮罐、连接器等。

3．2．1 LNG贮罐

LNG贮罐均为双层金属罐，与LNG接触的内层为含9％Ni的低温不锈钢，外层为碳钢，中间绝热层为膨胀珍珠岩，罐底绝热层为泡沫玻璃：这些贮罐一般都较大，故一般采用现场安装。

随着LNG使用的推广及发展，如LNG加气站的建立、小型调峰站的建立等等，人们不再需要贮存200天的LNG量，根据用途不同，可以选择贮存5或10天的LNG量。这样就可以用工厂制成的成型LNG贮罐取代上述的现场安装的LNG贮罐。

这种工厂制成的LNG贮罐绝热保温性能好， LNG汽化率低；而且投资少、建设工期短；还可以根据生产或需求的增长，来增加这种成型的LNG 贮罐的个数。

3．2.2 汽化器

LNG汽化器的常用热源有水和燃料两种，水一般指海水、河水和工厂热排水；燃料主要是天然气。根据加热方式不同，LNG汽化器有以下三种形式：开架式汽化器、浸没燃烧式汽化器和中间媒体式汽化器。常用的主要是开架式汽化器。

LNG汽化还可与空分设备结合起来，利用LNG 的冷量来液化空气，这在日本已建立了几套这样的装置：

3．2．3 LNG泵

LNG泵是站内输送LNG的关键设备，由于 LNG温度低，易汽化、易燃易爆，因此LNG泵有许多独特结构。要求低温下轴封可*，以便将泄漏的可能性减少到最低程度；为防止处于气一液平衡状态进料的LNG在泵内汽化，保持泵内LNG与贮罐内LNG具有相同的温度，LNG泵被设计成浸没式结构，连同马达一起浸没于装有LNG液体的容器中，故亦叫潜液泵。

LNG泵一般为多级泵，扬程可根据用户要求而定，选择范围为50～2000米，以适用不同输气管网对压力的要求，同时还可根据使用情况进行打循环。

在LNG加气站，LNG泵一般具有下列特点，下面以EbaraC~odynamics LNG泵(见图4)来具体介绍一下。

·冷旁通。这是为了保持泵系统始终处于冷状态，以免去冷泵的时间；且此LNG泵在长时间运行状态，也不会出现结冰等不良现象。

·变速运行。这样可以满足充装车辆的不同时的使用。·零泵轴向力。经专门设计，保证泵轴向力为零，这样可以使泵能长时间运行。·非常低的净压头要求。在较低的净压头下，泵不仅可以将少量汽化的气排出，而且能很好地保证稳定的液体流向叶轮。·安全性高。由于LNG泵完全浸没在LNG容器中，且无轴封，减少了液体和蒸汽的释放；再加上无裸露的运动部件和管路，不经冷热的连续循环等因素，提高了运行的安全性。

·维修量少。由于LNG泵的运动部件极少，且无外部支撑系统；轴向力为零等因素，增加了其寿命。

·噪声低。由于LNG泵全部包容在一个分离的、高度绝热的容器中，从而使泵运行的声音很难听到。

3．2．4 LNG燃料贮罐

LNG燃料贮罐由内外容器组成，其中间抽真空并填充铝反射箔的绝热保温层，以减少辐射传热。剖面图见图5。

在上述结构的贮罐中，LNG可贮存几星期而没有明显的蒸发损失，而且存放时间的长短和外界温度几乎无关。试验结果表明，在这种贮罐中静态蒸发率为0．7％／天。尽管运输汽车不大可能几星期停驶，但LNG的蒸发是会造成贮罐中压力上升的。但是，可以放心的是行驶几公里后压力控制系统会使压力降至正常值。即使在极其罕见的情况下，压力升至最高允许压力时，安全阀就可释放微量的气体而使压力恢复正常。这些微量气体经过一个燃烧器后排出。

3．2．5 连接器

连接器是用来给LNG汽车加气的。本文介绍一种快速连接器，见图6。

图6为德国梅塞尔为LNG加气站专门开发的加气快速连接器，可达到70L／min的加气流量。这种安全连接器的全真空绝热可使其在工作时不会有冰冻，而且双层密封保证没有气体逸散。

这种LNG加气站(见图7)和通常的汽油、柴油加油站一样地快速简便，快速加气对于商业性运输车队应用LNG显得尤为重要。