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液化天然气供应技术

更新时间:2012-5-17  来源:中国燃气设备网  [收藏此信息]

    为缓解当前的能源紧张,作为有巨大发展潜力、污染较小的能源——天然气,越来越受到许多国家的重视。各国政府、跨国石油公司、大型能源用户、学术研究机构又掀起了新一轮研究天然气的热潮。为改变能源结构、改善环境状态,我国也十分重视天然气的开发和利用,近十年来,我国的液化天然气、压缩天然气已起步,并取得了较大的发展。
未来几年内,我国天然气需求增长将快于煤炭和石油,天然气市场将在全国范围内得到发展。预计2010年,天然气在能源总需求构成中的比重约为6%,需求量将达到900亿立方米。2020年,需求量将达到2000亿立方米。
一、液化天然气供应特点
    天然气的主要成分是甲烷。甲烷临界温度为190.58K,故在常温下属超临界气体,无法仅靠加压将其液化,需要采用天然气液化工艺,将天然气在温度为112K、压力为0.1MPa左右的条件下液化成为液化天然气(LNG)。LNG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%,十分有利于输送和储存。对于有水运条件、运距超过4000km时,水运比管输天然气经济。
LNG运输灵活、储存效率高,用作城市输配气系统扩容、调峰等方面,与储气柜等其他方式相比更具优势,并且具有建设投资小、建设周期短、见效快、受外部影响因素小等优点。作为优质的车用燃料,与汽车燃油相比,LNG具有辛烷值高、抗爆性好、燃烧完全、排气污染少、发动机寿命长、运行成本低等优点;与压缩天然气(CNG)相比,LNG则具有储存效率高,续驶里程长,储瓶压力低、重量轻、数量小,建站不受供气管网的限制等优点。
二、LN0供气工艺
    LNG从液化天然气工厂用液化天然气专用运输槽车运到LNG接收供气站,将LNG卸到接收站的LNG低温储罐内。卸车工艺采用天然气增压器(或压缩机),则LNG将自动流向LNG储罐内。气化时,经过空温式气化器(或水浴式气化器),将液体天然气气化成气体天然气,然后经调压、计量、加臭后送往用户。
    (一)天然气液化
    天然气液化系统主要包括天然气的预处理、液化、储存、运输、利用这5个子系统。一般生产工艺过程是:将含甲烷90%以上的天然气经过“三脱”(即脱水、脱烃、脱酸性气体等)净化处理后,采取先进的膨胀制冷工艺或外部冷源,使甲烷变为-162℃的低温液体。目前天然气液化装置工艺路线主要有三种类型:阶式制冷工艺、混合制冷工艺和膨胀制冷工艺。
    1.阶式制冷工艺
    阶式制冷工艺是一种常规制冷工艺。天然气液化过程,一般是由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的三个制冷循环阶组成,逐级提供天然气液化所需的冷量,制冷温度梯度分别为-300C 、-900C及-1500C 左右。净化后的原料天然气在三个制冷循环的冷却器中逐级冷却、冷凝、液化并过冷,经节流降压后获得低温常压液态天然气产品,送至储罐储存。
    阶式制冷工艺制冷系统与天然气液化系统相互独立,制冷剂为单一组分,各系统相互影响少,操作稳、定,较适合于高压气源(利用气源压力能)。但由于该工j艺制冷机组多,流程长,对制冷剂纯度要求严格,且不;适用于含氮量较多的天然气,因此这种液化工艺在天然气液化装置上已较少应用。   
    2.混合制冷工艺  
混合制冷工艺是20世纪60年代末期由阶式制冷工艺演变而来的,多采用烃类混合物作为制冷剂,代替{阶式制冷工艺中的多个纯组分。其制冷剂的组成根据原8料气的组成和压力而定,利用多组分混合物中重组分先《冷凝、轻组分后冷凝的特性,将其依次冷凝、分离、节3流、蒸发得到不同温度级的冷量。根据混合制冷剂是否与原料天然气相混合,又分为闭式和开式两种混合制冷工艺。
闭式循环    
  制冷剂循环系统自成一个独立系统。混合制冷被制冷压缩机压缩后,经水(空气)冷却后在不同温度下逐级冷凝分(换热器)的不同温度段叠_给原料天然气提供冷量。原料天然气经“三脱”娜后,进入冷箱分离,节流后进入冷箱(换热器)逐级冷却冷凝、节流、降压后获得液态天然气产品。  
    开式循环
    原料天然气经“三脱”处理后与混合制冷剂混合,依次流经各级换热器及气液分离器,在逐渐冷凝的同时,也把所需的制冷剂组分逐一冷凝分离出来,按钮冷剂沸点的高低将分离出的制冷剂组分逐级蒸发,并汇集构成一股低温物流,与原料天然气逆流换热的制冷循环。开式循环系统启动时间较长,且操作较困难,技术尚不完善。
    与阶式制冷工艺相比,混合制冷工艺具有流程短、机组少、投资低等优点;其缺点是能耗比阶式高,对滑合制冷剂各组分的配比要求严格,设计计算较困难。
  3.膨胀制冷工艺
  膨胀制冷工艺的特点是利用原料天然气压力能对外做功以提供天然气液化所需冷量。系统液化率主要取决于膨胀比和膨胀效率,该工艺特别适用于天然气输送压力较高而实际使用压力较低、中间需要降压的气源场合。优点是能耗低、流程短、投资省、操作灵活;缺点是液化率低。
    (二)LNG的槽车运输
    由LNG接收站或工业性液化装置储存的LNG,一般是由LNG槽车载运到各地,供居民燃气或工业燃气用。
    LNG载运状态一般是常压,所以其温度为112K的低温;LNG又是易燃易爆的介质,载运中的安全可靠是至关重要的。
    国产30m3/O.MPa LNG半挂运槽车的主要技术特性如下表8-1。
表8-1 LNG半挂运输车技术特性
设备
项目名称
内筒
外筒
备注
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
容器类别
三类
-
 
充装介质
LNG
-
 
有效容积/ m3
27
-
容积充装率90﹪
几何容积m3
30
18
夹层容积
最高工作压力/mpa
0.8
 
-0.1
 
“一指“外压”
设计压力/MPa
1
最低工作温度/0C
-196
 
常温
 
设计温度/0C
-196
 
文体材质
0Cr18Ni9
16MnR
GB4327、GB6654
安全阀开启压力/MPa
0.8
-
 
隔热形式
真空纤维
 
简称:CB
日蒸发率/﹪d
≤0.3
-
LNG
自然升压速度/kpa/d
≤17
-
LNG
空质量/kg
约14300
 
满质量/lg
约25800
LCH4
 
 
 
 
 
 
型号
ND1926S
 
北方一奔驰
发动机功率/KW
188
 
 
最高车速/(LW.h)
86.4
 
 
最低油耗(/g/KW.H)
216
 
 
制动距离/m
6.45
 
30Km/h
百公里油耗/L
22.8
 
 
轴距/mm
3250
 
 
充许列车总重/kg
3800
 
 
鞍座允许压重/lg
12500
 
 
自重/kg
6550
 
 
底架型号
THT9360型
 
 
自生/Kg
4100
 
 
允载总质量/Kg
36000
 
 
满载总质量/Kg
30700
 
 
型号
KQF9340GDYBTH
 
不含牵引车
充装质量
12500
 
LN2
整车整备质量
约25100
 
 
允载总质量
38000
 
LNG
满载总质量
约37600
 
LN2
    (三)城市LNG的储存
    LNG储槽一般可按容量、隔热、形状及罐的材料进行分类。
    (1)按容量分类
    ①小型储罐容量5~50m3,常用于民用燃气气化站, LNG汽车加注站等场合。
    ②中型储罐容量50~100m3,常用于卫星式液化装置,工业燃气气化站等。
    ③大型储罐容量100~1000ma,常用于小型LNG生产装置。
    ④大型储罐容量10000~40000m3,常用于基本负荷型和调峰型液化装置。
    ⑤特大型储罐容量40000~200000m3,常用于LNG接收站。
    (2)按围护结构的隔热分类
    ①真空粉末隔热,常见于小型LNG储罐。
    ②正压堆积隔热,广泛应用于大中型LNG储罐和储槽。
    ③高真空多层隔热,适用于小型LNG储罐。
    (3)按储罐(槽)的形状分类
    ①球形罐。一般用于中小容量的储罐,但有些工程的大型LNG储槽也有采用球形的。
    ②柱形罐(槽)。广泛用于各种容量的储罐和储槽。
    (4)按罐(槽)的放置分类
    ①地上型。
    ②地下型。包括半地下型、地下型和地下坑型三种形式。
    (5)按罐(槽)的材料分类
    ①双金属。内罐和外壳均用金属材料。一般内罐采用耐低温的不锈钢或铝合金;外壳采用黑色金属;目前采用较多的是压力容器用钢。
    表8—2Y0出了常用的几种内罐
  
 
材料
型号
许用应力/mpa(应用于平底储槽)
不锈钢
A240
155.1
A A5052
410.0
A A5086
72.4
A A5083
91.7
5﹪i钢
A645
218.6
9i钢
A553
218.6
 ②预应力混凝土。指大型储槽采用预应力混凝土外壳,而内筒采用耐低温的金属材料。
    ③薄膜型。指内筒采用厚度为0.8~1.2mm6Ni钢(又称殷钢)。
    (6)按罐(槽)防漏结构分类
    ①单容积式储罐。此类储罐在金属罐外有一比罐高低得多的混凝土围堰,围堰内容积与储罐容积相等。该形式储罐造价最低,但安全性稍差,占地较大。
    ②双容积式储罐。此类储罐在金属罐外有一与储罐简体等高的元项混凝土外罐,即使金属罐内LNG泄漏也不至于扩大泄漏面积,只能少量向上空蒸发,安全性比前者好。
    ③全容积式储罐。此类储罐在金属罐外有一带顶的全封闭混凝土外罐,金属罐泄漏的LNG只能在混凝土外罐内而不至于外泄。在以上三种地上式储罐中安全性最高,造价也最高,流行于欧美。
    ④地下式储罐。与以上三种类型不同的是此类储罐完全建在地面以下,金属罐外是深达百米左右的混凝土连续地中壁。地下储罐主要寨中在日本,抗地震性好,适宜建在海滩回填区上,占地少,多个储罐可紧密布置,对站周围环境要求较低,安全性最高。但这种储罐投资大(约比单容积储罐高出一倍),且建设周期长。
三、LNG的气化工艺和技术要求
    (一)主要工艺流程
    LNG气化站工程为国内新技术。目前,LNG气化站主要采用的工艺流程为:LNG由低温槽车运至气化站,在卸车台利用槽车自带的增压器对槽车储罐加压,利用压差将LNG送/X~LNG储罐储存;气化时通过储罐增压器将LNG增压后,采用两组空温式气化器组,相互切换使用,当一组使用时间过长,气化器结霜严重,导致气化器气化效率降低,出口温度达不到要求,人工(或自动或定时)切换到另一组使用,本组进行自然化霜。在夏季,经空温式气化器气化后天然气温度可达15℃左右,可以直接进管网;在冬季或雨季,由于环境温度或湿度的影响,气化器气化效率大大降低,气化后天然气温度达不到要求时,经LNG加热器加热,达到允许温度,再进管网。
    (二)流程设计的技术要求
    (1)整个气化过程无动力设备介质流动,依赖于合理的压力制度。
    (2)在空温式气化加热器前的设备和管道均属低温部分,由于低温管材、阀门价格较高,所以在流程设计中尽可能减少低温部分管材与阀门。
    (3)流程中安全放散和紧急放散分低温和常温两部分分别放散。
    (4)流程中关键参数采用报警装置。如储罐设压力超压报警和高低液位报警;出站燃气设低温报警;在流程各区域均设可燃气体浓度检测和报警。
    (三)城市LNG气化站的安全控制
    1.安全运行控制系统
    根据国内外城市LNG气化站的设计和安全管理的经验,对于城市LNG站的安全运行控制一般采用的分布控制系统(Distribute Control System,DCS)7及紧急关闭系统(Emergency Shut Down,ESD)相结合的原则。DES系统用于显示和控制LNG装置的温度、压力、液位、流量等主要和重要的控制参数;ESD系统与DCS系统相互独立,在 LNG装置发生紧急状况时开启,用于隔离和关断LNG或其他可燃来源,并关闭那些如果继续运行可能维持或增加灾情的设备。
    2.火灾和泄漏探测报警系统
    在LNG的气化设备和储罐附近要设置可燃气体浓度检测报警装置,当气体浓度达到爆炸下限的10%~25%时,即发出声光警报,以便迅速采取紧急措施。所有的探测信号均送)~DCS系统,并设置报警值;同时,重要的信号送入ESD系统实行单元切断或全站联锁停车。
    3.消防给水系统
    消防给水系统由消防泵房、消防水池、消防管道及消火栓、消防水炮等组成,用于消防喷淋,冷却储罐、设备和管道,控制未燃烧的泄漏或溢流危险物。
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