LNG相關(guān)知識(shí)（一）
液化天然氣 (LNG)已成為目前無(wú)法使用管道天然氣城市的主要?dú)庠粗?，也是許多使用管道天然氣城市的補(bǔ)充氣源或調(diào)峰氣源。本文主要介紹與液化天然氣有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，從接收LNG到氣化的工藝流程、LNG氣化站常見(jiàn)主要設(shè)備、運(yùn)行維護(hù)和搶修等。
第一節(jié) 液化天然氣基礎(chǔ)知識(shí)
天然氣在常壓下，當(dāng)冷卻至約-162℃時(shí)，則由氣態(tài)變成液態(tài)，稱為液化天然氣（英文 Liquefied Natural Gas, 簡(jiǎn)稱LNG）。LNG 的主要成份為甲烷，還有少量的乙烷、丙烷以及氮等。
天然氣在液化過(guò)程中進(jìn)一步得到凈化，甲烷純度更高，幾乎不含二氧化碳和硫化物，且無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒。
一、LNG的性質(zhì)
（一）密度
LNG的密度取決于其組分和溫度，通常在430 kg／m3～470 kg／m3之間，但是在某些情況下可高達(dá)520kg／m3。密度隨溫度的變化梯度約為1．35 kg／（m3·℃）。LNG的體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600。
（二）沸點(diǎn)
沸騰是在一定溫度和壓力下液體內(nèi)部和表面同時(shí)發(fā)生汽化的現(xiàn)象。液體沸騰時(shí)候的溫度被稱為沸點(diǎn)。LNG的沸點(diǎn)取決于其組分和壓力，在常壓下通常在－166℃到～－157℃之間。
（三）LNG的蒸發(fā)
LNG是在沸騰狀態(tài)下儲(chǔ)存于絕熱儲(chǔ)罐中的。任何傳導(dǎo)至儲(chǔ)罐中的熱量都會(huì)導(dǎo)致部分LNG蒸發(fā)為氣體，這種氣體稱為蒸發(fā)氣，其組分與LNG的組分有關(guān)。當(dāng)LNG蒸發(fā)時(shí)，由于氮和甲烷的沸點(diǎn)較低，因此氮和甲烷首先從液體中氣化。一般情況下，蒸發(fā)氣中包括約20％的氮、80％的甲烷和微量的乙烷，蒸發(fā)氣含氮量是LNG中含氮量的20倍。
（四）閃蒸
在一密閉容器中把液體加熱，由于液相的蒸發(fā)，氣相的壓力不斷升高，當(dāng)液體和氣體達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，若突然把容器的氣相與一低壓的外界連通，氣相壓力立刻降低，液體迅速沸騰，大量液體蒸發(fā)到氣相中去的現(xiàn)象稱為閃蒸。
當(dāng)容器或管道中的LNG壓力突然降至其飽和蒸汽壓以下時(shí)，也會(huì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。由于LNG為多組分的混合物，閃蒸氣體的組分與剩余液體的組分不一樣。作為指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，在壓力為100kPa～200kPa時(shí)，壓力每下降lkPa，1m3的液體產(chǎn)生大約0．4 kg的氣體。
（五）LNG的溢出、膨脹和擴(kuò)散
當(dāng)LNG傾倒至地面上時(shí)(例如事故溢出)，最初會(huì)猛烈沸騰，然后蒸發(fā)速率將迅速衰減至一個(gè)固定值，該值取決于地面的熱性質(zhì)和周圍空氣供熱情況。當(dāng)溢出發(fā)生在水上時(shí)，水中的對(duì)流非常強(qiáng)烈，足以使所涉及范圍內(nèi)的蒸發(fā)速率保持不變，LNG的溢出范圍將不斷擴(kuò)展，直到氣體的蒸發(fā)總量等于泄漏的LNG總量。
最初，蒸發(fā)氣體的溫度幾乎與LNG的溫度一樣，其密度比周圍空氣的密度大。這種氣體首先沿地面上的一個(gè)層面流動(dòng)，直到氣體從大氣中吸熱升溫后為止。當(dāng)LNG的溫度在－107℃時(shí)，其密度接近空氣的密度，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，其密度將比周圍空氣的密度小。
隨著溢出，由于大氣中的水蒸氣的冷凝作用將產(chǎn)生“霧”云。當(dāng)這種“霧”云可見(jiàn)時(shí)(在白天且沒(méi)有自然界的霧)，此種可見(jiàn)“霧”云可用來(lái)顯示蒸發(fā)氣體的運(yùn)動(dòng)，并且給出氣體與空氣混合物可燃性范圍的保守指示。在壓力容器或管道發(fā)生溢出時(shí)，LNG將以噴射流的方式進(jìn)入大氣中，且同時(shí)發(fā)生膨脹和蒸發(fā)。這一過(guò)程與空氣強(qiáng)烈混合同時(shí)發(fā)生。大部分LNG最初作為空氣溶膠（由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系）的形式被包容在氣云之中。這種溶膠最終將與空氣進(jìn)一步混合而蒸發(fā)。
（六）LNG池火
直徑大于10m的著火LNG池，火焰的表面輻射功率非常高（即溫度非常高）。表面輻射功率取決于火池的尺寸、煙的發(fā)散情況以及測(cè)量方法。表面輻射功率隨著煙塵炭黑的增加而降低。
（七）翻滾
翻滾是指大量氣體在短時(shí)間內(nèi)從LNG容器中釋放的過(guò)程，除非采取預(yù)防措施或?qū)θ萜鬟M(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，否則翻滾將使容器超壓或破壞。
由于熱量輸入到容器中而產(chǎn)生單元間的傳熱、傳質(zhì)及液體表面的蒸發(fā)，單元之間的密度將達(dá)到均衡并且最終混為一體,這種自發(fā)的混合稱之為翻滾。
（八）相變
當(dāng)溫度不同的兩種液體在一定條件下接觸時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生相變，可產(chǎn)生爆炸力。當(dāng)LNG與水接觸時(shí)，這種稱為快速相變的現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。盡管不發(fā)生燃燒，但是這種現(xiàn)象具有爆炸的所有其他特征。
（九）沸騰液體膨脹蒸氣爆炸
任何液體處于或接近其沸騰溫度，并且承受高于某一確定值的壓力時(shí)，如果由于壓力系統(tǒng)失效而突然獲得釋放，將以極高的速率蒸發(fā)，這種現(xiàn)象叫做沸騰液體膨脹蒸氣爆炸。
二、 天然氣的液化
（一）天然氣預(yù)處理
作為液化裝置的原料氣，首先必須對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理。天然氣的預(yù)處理是指脫除天然氣中的硫化氫、二氧化碳、 水分、重?zé)N和汞等雜質(zhì)，以免這些雜質(zhì)腐蝕設(shè)備或在低溫下凍結(jié)而堵塞設(shè)備和管道。
（二）天然氣液化流程
天然氣的液化流程有不同的形式，按制冷方式分，可分為以下三種方式：
1. 級(jí)聯(lián)式液化流程
2. 混合制冷劑液化流程
3. 帶膨脹機(jī)的液化流程
這樣的劃分并不是嚴(yán)格的，通常采用的是包括了上述各種液化流程中某些部分的不同組合的復(fù)合流程。
三、天然氣制冷工藝簡(jiǎn)介
常見(jiàn)天然氣液化制冷工藝有階式制冷工藝、混合制冷工藝和膨脹制冷工藝。
（一）階式制冷工藝
階式制冷工藝是一種常規(guī)制冷工藝。對(duì)于天然氣液化過(guò)程，一般是由丙烷、乙烯和甲烷為制冷劑的3個(gè)制冷循環(huán)階組成，逐級(jí)提供天然氣液化所需的冷量，制冷溫度梯度分別為－30 ℃、－90 ℃及－150 ℃左右。凈化后的原料天然氣在3個(gè)制冷循環(huán)的冷卻器中逐級(jí)冷卻、冷凝、液化并過(guò)冷，經(jīng)節(jié)流降壓后獲得低溫常壓液態(tài)天然氣產(chǎn)品，送至儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。
階式制冷工藝制冷系統(tǒng)與天然氣液化系統(tǒng)相互獨(dú)立，制冷劑為單一組分，各系統(tǒng)相互影響少，操作穩(wěn)定，較適合于高壓氣源（利用氣源壓力能）。但由于該工藝制冷機(jī)組多，流程長(zhǎng)，對(duì)制冷劑純度要求嚴(yán)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(yīng)用。
（二） 混合制冷工藝
混合制冷工藝是六十年代末期由階式制冷工藝演變而來(lái)的，多采用烴類混合物（N2、C1、C2、C3、C4、C5）作為制冷劑，代替階式制冷工藝中的多個(gè)純組分。其制冷劑組成根據(jù)原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(jié)流、蒸發(fā)得到不同溫度級(jí)的冷量。又據(jù)混合制冷劑是否與原料天然氣相混合，分為閉式和開(kāi)式兩種混合制冷工藝。
閉式循環(huán)：制冷劑循環(huán)系統(tǒng)自成一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。混合制冷劑被制冷壓縮機(jī)壓縮后，經(jīng)水（空氣）冷卻后在不同溫度下逐級(jí)冷凝分離，節(jié)流后進(jìn)入冷箱（換熱器）的不同溫度段，給原料天然氣提供冷量。原料天然氣經(jīng)“三脫”處理后，進(jìn)入冷箱（換熱器）逐級(jí)冷卻冷凝、節(jié)流、降壓后獲得液態(tài)天然氣產(chǎn)品。
開(kāi)式循環(huán)：原料天然氣經(jīng)“三脫”處理后與混合制冷劑混合，依次流經(jīng)各級(jí)換熱器及氣液分離器，在逐漸冷凝的同時(shí)，也把所需的制冷劑組分逐一冷凝分離出來(lái)，按制冷劑沸點(diǎn)的高低將分離出的制冷劑組分逐級(jí)蒸發(fā)，并匯集構(gòu)成一股低溫物流，與原料天然氣逆流換熱的制冷循環(huán)。開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，且操作較困難，技術(shù)尚不完善。
第二節(jié) LNG場(chǎng)站工藝流程
LNG場(chǎng)站常見(jiàn)有LNG氣化站和LNG瓶組氣化站兩種類型。LNG氣化站是指具有將槽車或槽船運(yùn)輸?shù)腖NG進(jìn)行卸氣、儲(chǔ)存、氣化、調(diào)壓、計(jì)量和加臭，并送入城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔艿拦δ艿膱?chǎng)站，常用于無(wú)法使用管道氣供氣的城市。LNG瓶組汽化站是指采用氣瓶組作為儲(chǔ)存及供氣設(shè)施，其供氣規(guī)模小，主要用于小區(qū)或單個(gè)工業(yè)用戶的供氣。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)氣化站工藝流程進(jìn)行詳細(xì)分析，并簡(jiǎn)單介紹瓶組站的工藝流程。
一、 LNG氣化站工藝流程
圖1 LNG氣化站工藝流程
LNG氣化站是下游LNG應(yīng)用時(shí)采用的主要模式，主要作用是儲(chǔ)存、氣化LNG。它包括卸車臺(tái)、低溫儲(chǔ)罐、增壓系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)及調(diào)壓、計(jì)量和加臭系統(tǒng)。本段重點(diǎn)介紹LNG氣化站的卸車工藝、儲(chǔ)罐自增壓工藝和氣化加熱工藝以及附屬的BOG和EAG工藝。常見(jiàn)LNG氣化站的工藝流程見(jiàn)圖1。
（一） LNG卸車工藝
LNG通過(guò)公路槽車或罐式集裝箱車從LNG液化工廠、海運(yùn)接收終端運(yùn)抵用氣城市LNG氣化站，經(jīng)過(guò)汽車衡稱重計(jì)量。用金屬軟管將槽車與卸車臺(tái)相應(yīng)管線連接，利用站內(nèi)卸車增壓氣化器給槽車進(jìn)行增壓，使槽車與LNG儲(chǔ)罐之間形成一定的壓差，利用此壓差將槽車中的LNG卸入氣化站儲(chǔ)罐內(nèi)。卸車結(jié)束時(shí)，通過(guò)卸車臺(tái)氣相（BOG）管道回收槽車中的氣相天然氣，見(jiàn)圖2。
卸車時(shí)，為防止LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高而影響卸車速度，采用不同的卸車方式。當(dāng)槽車中的LNG溫度低于儲(chǔ)罐中LNG的溫度時(shí)，采用上進(jìn)液方式。槽車中的低溫LNG通過(guò)儲(chǔ)罐上進(jìn)液管噴嘴以噴淋狀態(tài)進(jìn)入儲(chǔ)罐，將部分氣體冷卻為液體而降低罐內(nèi)壓力，使卸車得以順利進(jìn)行。若槽車中的LNG溫度高于儲(chǔ)罐中LNG的溫度時(shí)，采用下進(jìn)液方式，高溫LNG由下進(jìn)液口進(jìn)入儲(chǔ)罐，與罐內(nèi)低溫LNG混合而降溫，避免高溫LNG由上進(jìn)液口進(jìn)入罐內(nèi)蒸發(fā)而升高罐內(nèi)壓力導(dǎo)致卸車?yán)щy。
實(shí)際操作中，由于目前LNG氣源地距用氣城市較遠(yuǎn)，長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)竭_(dá)用氣城市時(shí)，槽車內(nèi)的LNG溫度通常高于氣化站儲(chǔ)罐中LNG的溫度，因此采用下進(jìn)液方式。
圖2 增壓卸車工藝流程
（二）儲(chǔ)罐自動(dòng)增壓工藝
隨著儲(chǔ)罐內(nèi)LNG不斷流出到氣化器，罐內(nèi)壓力不斷降低，LNG出罐速度逐漸變慢直至停止。因此，正常供氣操作中必須不斷向儲(chǔ)罐補(bǔ)充氣體，將罐內(nèi)壓力維持在一定范圍內(nèi)，才能使LNG氣化過(guò)程持續(xù)下去。儲(chǔ)罐的增壓是利用自動(dòng)增壓調(diào)節(jié)閥和自增壓空溫式氣化器實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力低于自動(dòng)增壓閥的設(shè)定開(kāi)啟值時(shí)，自動(dòng)增壓閥打開(kāi)，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG靠液位差流入自增壓空溫式氣化器，在自增壓空溫式氣化器中LNG經(jīng)過(guò)與空氣換熱氣化成氣態(tài)天然氣，然后氣態(tài)天然氣流入儲(chǔ)罐內(nèi)，將儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升至所需的工作壓力。在自增壓過(guò)程中隨著氣態(tài)天然氣的不斷流入，儲(chǔ)罐的壓力不斷升高，當(dāng)壓力升高到自動(dòng)增壓調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉壓力時(shí),自動(dòng)增壓閥關(guān)閉，增壓過(guò)程結(jié)束。隨著氣化過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力又低于增壓閥設(shè)定的開(kāi)啟壓力時(shí)，自動(dòng)增壓閥打開(kāi)，開(kāi)始新一輪增壓。
（三）LNG的氣化和加熱工藝
LNG從儲(chǔ)罐流向空溫式氣化器氣化為氣態(tài)時(shí)，受環(huán)境溫度的影響很大。在夏季空溫式氣化器天然氣出口溫度可達(dá)15℃以上，可直接進(jìn)管網(wǎng)使用。在冬季或雨季，氣化器氣化效率大大降低，尤其是在寒冷的北方，冬季時(shí)氣化器出口天然氣的溫度（比環(huán)境溫度低約10℃）遠(yuǎn)低于0℃而成為低溫天然氣,氣化后的天然氣還需再經(jīng)水浴式加熱器將其溫度升到10℃以上，然后再送入城市輸配管網(wǎng)。
通常設(shè)置兩組空溫式氣化器組，相互切換使用。當(dāng)一組使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，氣化器結(jié)霜嚴(yán)重，導(dǎo)致氣化器氣化效率降低，出口溫度達(dá)不到要求時(shí)，人工（或自動(dòng)或定時(shí)）切換到另一組使用，本組進(jìn)行自然化霜備用。
（四）自然蒸發(fā)工藝
BOG是英文B0il Off Gas的縮寫，即自然蒸發(fā)天然氣。LNG在儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存和在管道流動(dòng)的過(guò)程中，由于熱量的傳入，總有一部分LNG要?dú)饣蓺鈶B(tài)的天然氣，這將使儲(chǔ)罐和管道的壓力上升，為了保證運(yùn)行的安全和對(duì)天然氣的充分利用，將槽車、儲(chǔ)罐和管道產(chǎn)生的BOG經(jīng)降壓調(diào)節(jié)閥和安全閥匯入BOG總管，然后通過(guò)BOG加熱器加熱后送至輸配管網(wǎng)。
（五）緊急放散工藝
EAG是英文Escape Air Gas的縮寫，即緊急放散天然氣。低溫系統(tǒng)安全閥放空的全部是低溫氣體，在大約-113℃以下時(shí)，天然氣的重度大于常溫下的空氣，排放不易擴(kuò)散，會(huì)向下積聚。因此需設(shè)置一臺(tái)空溫式放散氣體加熱器，放散氣體先通過(guò)該加熱器，經(jīng)過(guò)與空氣換熱后的天然氣比重會(huì)小于空氣，高點(diǎn)放散后將容易擴(kuò)散，從而不易在靠近地面處形成爆炸性混合物。
二、LNG瓶組站氣化工藝流程
圖3 LNG瓶組氣化站工藝流程
LNG瓶組氣化站工藝流程與氣化站工藝流程相似。盛裝液化天然氣的鋼瓶運(yùn)到站內(nèi)，連接好氣、液相軟管，用鋼瓶自帶的升壓器給鋼瓶增壓，利用壓差將鋼瓶中的LNG送入外接空溫式氣化器；在氣化器中液態(tài)天然氣氣化并加熱：然后通過(guò)調(diào)壓器調(diào)壓至所需壓力，經(jīng)計(jì)量后送往用戶。LNG瓶組供氣工藝設(shè)置使用和備用兩組鋼瓶，且數(shù)量相同，當(dāng)使用側(cè)的LNG鋼瓶的液位下降到規(guī)定液面時(shí)，應(yīng)及時(shí)切換到備用瓶組一側(cè)，切換下來(lái)的空鋼瓶也應(yīng)及時(shí)罐裝備用。天然氣本身無(wú)色無(wú)味的，作為城市燃?xì)?，?yīng)按規(guī)定進(jìn)行加臭。如LNG瓶組供氣工藝應(yīng)用在北方寒冷地區(qū)時(shí)，在天然氣進(jìn)管網(wǎng)之前還有加熱升溫裝置，見(jiàn)圖3。