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1、液化天然气技术发展与应用,目 录,天然气与液化天然气液化天然气产业链液化天然气的应用液化天然气的安全性,天然气与液化天然气,天燃气是埋设在地下的有机物分解后形成的，其主要成分为甲烷(CH4)，常温常压下是无色、无味、无毒且无腐蚀性的气体；天然气是最洁净的化石燃料；天然气比空气轻，扩散迅速，不会在区域内沉积。天然气燃烧后所排放的氮氧化物、可吸入悬浮微粒极少，温室效应气体低；,在世界各地，天然气已经被广泛地应用于城市燃气、公共交通、工业燃料和化工原料等。近年来，更成为日益普及的新一代发电燃料。,中国的天然气勘探正处于大发现期。“十五”期间，我国发现和探明了8个上千亿立方米储量规模的大气田，天然气勘
2、探仍处于早期勘探阶段，发现大气田的几率很大。中国天然气产量更是连年迈上新台阶。2000年产为272亿立方米，而2005年产量达到了500亿立方米。但我国天然气的产量仍远不能满足经济发展的需求。目前，上海城市燃气气源中，天然气气源非常紧张，已经跟不上需求。数据显示，2003年上海天然气实际消耗5亿立方米，2004年就达到10亿立方米，2005年则超过18亿立方米，几乎每年翻一番。上海天然气气源包括东海气田天然气和西气东输天然气两部分。由于设计等原因，东海气田的天然气供应潜力有限。当时，预计东海气田2005年向上海市日供气量将上升至200万立方米，年供气量达到7.3亿立方米。但实际上，目前该气田稳
3、定的供应量为每年6亿立方米左右，与预计年供气量相比，有1亿多立方米的缺口。,与此同时，曾被视为上海未来城市发展主要依靠的西气东输，供气量也出现了不小的缺口。根据西气东输工程计划，2005年，输送到上海的天然气将达到30亿立方米，2010年为70亿立方米，2020年将稳定在120亿立方米。目前，西气东输最多只可供120亿立方米气量，一般都不到100亿立方米。随着经济的快速发展，其他城市的天然气需求迅猛增长，北京、山东等省市已加入到争夺西气的行列中来，如北京到2008年奥运会时，城市的天然气使用量为100亿立方米。根据上海市政府的规划，到2010年举办世博会，上海基本实现以天然气为主的燃气体系，因
4、此上海的天然气需要量成倍上升。如何保障气源供应，降低气源供应中断的风险性，已成为上海市燃气十一五规划的重点工作内容,目前，中国已经初步形成以西气东输、陕京一二线、忠武线、涩宁兰、以及冀宁线、淮武线两条联络线为主框架的全国性天然气管网，管道总长度达3.5万公里.截至2008年底，长庆、塔里木、西南、青海等主要天然气产区均已建成外输管道，并实现联网，总里程约2.4万公里，占全国的78%，比2000年总里程翻了一番，基本实现了天然气消费由周边为主向跨地区供应为主的转变；西气东输及联络线向沿途11个省区、62个城市供气、约5700万户、2亿人受益。,另外，川气东送是我国继西气东输之后又一大型跨地区天然
5、气外输项目。2010年3月29日，中国石油化工股份有限公司宣布，由中石化投资建设和运营的国家“十一五”规划重大项目川气东送工程建成投产。工程投产后，将每年向我国东部及沿线地区输送天然气120亿立方米。川气东送工程具体包括普光气田勘探开发、酸性气体处理以及从四川达州到上海途经8省市的长输管线。,2009-2015年，国家规划在东南、长三角、环渤海、中南地区四个重点目标市场新建支线管道约8000公里。东南沿海规划建设西二线、西三线、中缅管道、福建支干线；长三角地区规划建设西二线上海支干线、金华-丽水-温州-台州支线及如东-南通-江都管道，主供气源为西一线、西二线、冀宁线和江苏LNG。环渤海地区规划
6、新建秦沈线、陕京三线、山东管网等干线管道，基本实现地级市全覆盖，形成调运灵活的区域管网，主供气源为陕京一、二、三线和唐山LNG。中南地区规划建设西二线、西三线干线及十堰支干线、湘潭支干线，进一步完善供气管网，扩大市场覆盖面，主供气源为西一线、西二线、西三线、忠武线和淮武线。,我国天然气管道将围绕全国天然气管道联网，进行配套城市分输支线建设，建成横跨东西、纵贯南北、连通海外基本框架，形成以4大气区(新疆、青海、陕甘宁、川渝)外输管线和进口天然气管线为主干线、连接海气登陆管线和进口LNG等气源的全国性天然气管网。,由于天然气的产地往往不在工业或人口集中地区，长输干线的建设涉及地理位置和成本的限制，
7、为天然气的利用带来一定的制约；液化天然气（LNG），作为天然气的液态形式，其独特优势为天然气的利用提供了多元化的选择空间；天然气的主要组分是甲烷，其临界温度为190.58K（-84.57），故在常温下，无法仅靠加压将其液化。通常的液化天然气（LNG）多存储在112K（-161.15）、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%，十分有利于输送和储存。天然气的液化、储存技术已逐步成为一项重大的先进技术。,LNG可追溯到19世纪，第一个实用性压缩式制冷机出现在1873年；第一个LNG工厂建于美国西弗吉尼亚（1912年），1917年投入运行；第
8、一个商业性LNG工厂建于美国俄亥俄洲的克利夫兰市（1941年）；1959年1月，世界上第一条实验性的LNG运输船“甲烷先锋号”，由二次大战 后的一艘货船改建而成，该船的装载量为7000桶，LNG储存槽为铝制棱柱形，由轻木支撑，夹板和尿烷绝热；,LNG简史：,世界上第一个LNG接收终端建于英国Canvey岛；接收来自路易斯安那洲查尔斯湖的LNG。第一个输出LNG的国家是阿尔及利亚，1964年开始向英国输送LNG，次年向法国输气。阿尔及利亚之后一直是世界LNG的主要供应国太平洋地区的第一个LNG销售合同是在1969年，由美国的菲力浦和马拉松石油公司与日本公司签订的，从阿拉斯加的肯奈液化厂向日本供应
9、LNG。1972年，建成了文莱LNG工厂。1970年利比亚成为非洲第一个LNG生产与出口国，其目标市场是西班牙。中东地区的第一座LNG工厂建成于1977年，位于阿布扎比，向东亚地区供气。目前，LNG已经成功在日本、美国、韩国等国家以及我国台湾地区得到广泛的应用，成为火力发电和城市燃气的主要能源。2004年，世界LNG贸易达到1亿3千万吨，预计到2010年这个数字会翻一翻,In 2005,Egyptian NG production outpaced consumption and it joined the LNG exporting countries,106 吨,LNG将成为石油之后下一个
10、全球争夺的热门能源商品。目前LNG是全球增长最快的一次能源，如果能在中国大力发展LNG，在很大程度上可弥补石油资源不足、保证能源供应的多元化、逐步提高我国环境质量，并且对我国的西气东输也能起到互补的重要作用。随着能源需求的不断增长，引进LNG将对优化我国的能源结构，有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题，实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。,我国正在规划和实施的沿海LNG项目有：广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁，这些项目将最终构成一个沿海LNG接收站与输送管网。除广东已经投运、福建已经进入正式实施阶段外，其余项目多处在前期准备阶段。在内陆，我国建成的LNG卫星站已超过40个、
11、调峰站1座、LNG工厂2座，正在建设中的LNG工厂有4座，规划中的LNG接收站全部建成后总储存中转能力可达1800万吨年。我国的LNG产业正处在蓬勃发展的阶段。,上海LNG接收站项目计划将由三部分组成，即LNG专用码头、LNG接收站及海底输气干线，每年可接收LNG达600万吨，其中一期工程的设计能力为300万吨/年。浙江LNG项目由接收站、码头、输气干线及LNG电厂组成。其中，接收站项目一期建设规模300万吨/年，二期扩建到600万吨/年，包括建设一座停靠8到16.5万立方米LNG运输船单泊位接卸码头。,由于上海LNG接收站项目的实施尚需时日，为了对于保障上海市天然气的安全供应，位于浦东五号沟
12、的LNG应急备用站扩建工程已正式开工。该项目将在原有的2万立方米天然气储罐的基础上再建设两个5万立方米的储罐，以及配套的设施和一个能够停靠LNG船的码头。该工程投产后，上海天然气储存能力将从2万立方米增加到12万立方米，这样可以确保上海在应急情况下全市15天的天然气使用量。,液化天然气产业链,天然气从气田开产出来，经过：处理、液化、运输、接收和再气化等环节，最终运至终端用户。,天然气预处理：天然气的预处理是指脱除天然气中的水分、酸性气体、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堵塞设备和管道。脱水：,冷却脱水：降温至天然气中水的露点以下,吸收脱水：甘醇吸收脱水,吸附脱水：活性氧化铝
13、、硅胶和分子筛等,脱酸性气体 由地层采出的天然气除通常含有水蒸气外，往往还含有一些酸性气体。天然气最常见的酸性气体是H2S、CO2和COS。含有酸性气体的天然气通常称为酸性气或含硫气。,酸性气体不但对人身有害，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，故必须脱除。,醇胺法：醇胺法利用以胺为溶剂的水溶液，与原料天然气中的酸性气体发生化学反应来脱除天然气中的酸性气体的，此法可同时脱除CO2和H2S。分子筛吸附:人工水热合成的硅铝酸盐晶体,其硅铝比不同生成各种不同型号分子筛,依据晶体内部孔穴大小吸附或排斥不同的物质分子,同时根据不同物质分子极性或可极化度而决定吸附的次序,达到
14、分离的效果,因而被形象的称为”分子筛”.,脱除汞：汞的存在会严重腐蚀铝制设备（如换热器），脱除汞依据的原理是汞与硫在催化反应器中的反应。美国匹兹堡Colgon公司活性炭分公司，研制了一种专门用于从气体中脱除汞的硫浸煤基活性炭HGR。日本东京的JGC公司，采用了一种新的MR-3吸收剂用于净化天然气中的汞。它能使汞含量降低至0.001g/m3以下，比HGR的性能优良。,脱除重烃：重烃常指C5+的烃类。如果未把重烃先分离掉，或在冷凝后分离掉,，则重烃将可能冻结从而堵塞设备。一般采用深冷分离法。,脱除氦气：He在核反应堆、超导体、空间模拟装置、薄膜工业、飞船和导弹工业等现代技术中，作为低温流体和惰性气
15、体是必不可少的。世界上唯一供大量开采的He资源是含He天然气。所以天然气中的He应该分离提取出来加以利用。我国的天然气中氦的含量很低，若仅用深冷法提氦，则需液化大量的甲烷和氮，操作费用很高。利用膜分离技术和深冷分离技术相结合的方法，即联合法从天然气中提取氦气，在经济上具有较强的竞争力。脱除氮气：氮气的液化温度（常压下77K，-196）比天然气的主要成分甲烷的液化温度（常压下约110K，163）低。当天然气中氮含量越多，液化天然气越困难，则液化过程的动力消耗增加。对于氮气，一般采用最终闪蒸的方法从液化天然气中选择性地脱除氮。,液化天然气的液化流程有不同的型式，以制冷方式分，可分为以下三种方式：级
16、联式液化流程；混合制冷剂液化流程；带膨胀机的液化流程。天然气液化装置有基本负荷型液化装置和调峰型液化装置。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。对于这种天然气液化装置，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。20世纪80年代后新建与扩建的基本负荷型天然气液化装置，则几乎无例外地采用丙烷预冷混合制冷剂液化流程。,天然气液化:,新疆鄯善液化天然气厂,1-丙烷储罐；2-乙烯储槽；3-氮气储槽；4-换热器；5-冷凝器；6-制冷机；7-储罐,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再气化
17、使用。调峰LNG装置在匹配峰荷和增加供气的可靠性方面发挥着重要作用，可以极大地提高管网的经济性。与基本负荷型LNG装置相比，调峰型LNG装置是小流量的天然气液化装置，非常年连续运行，生产规模较小，其液化能力一般为高峰负荷量的1/10左右。对于调峰型液化天然装置，其液化部分常采用带膨胀机的液化流程和混合制冷剂液化流程。,LNG运输:,在LNG船的建造发展中，技术进步的一个重要方面是不断提高LNG液货运输效益。它主要反映在日气化率的降低及蒸发气的回收和利用上。,在目前运营的LNG船上，将蒸发气直接作为动力燃料消耗掉，而不再回收液化，基本上还没有再液化装置。为了船舶的经济运行，在LNG船上装备再液化
18、装置，对此已开始了可行性研究，且已进入研究模拟阶段,液化天然气船，是公认的高技术、高附加值、高可靠性要求的三高船，单艘造价在1.6亿美元左右。每艘可运载约14.7万立方米的液化天然气。液化天然气清洁、高效、价廉，是我国能源开发利用的重点目标。目前我国的天然气在一次能源消费中仅占1.9左右，远低于世界25和亚洲8.8的平均水平，加之国内已经发现和开发的天然气资源有限，据预测到2010年，我国天然气的供求缺口仍较大。液化天然气（LNG）船的建造，正是增强进口液化天然气运输能力的需要。运输液化天然气的船舶需具备在零下163摄氏度运输液化天然气的能力，船上货物操控系统在温度巨大变化时仍可以处理液货，此
19、外液化天然气在海上航行中自然挥发的天然气应该可以经管路输送到船舶主机中燃烧，以上技术要求对建造LNG船设置了很高的门槛，在相当长一段时间里世界上只有日本和韩国以及欧洲一些国家能够建造。,沪东中华造船公司是国内第一家能够制造LNG船的造船企业，目前与广东和福建有关单位签订了建造五艘LNG船的协议。沪东中华造船公司建造的第一艘液化天然气船已在去年顺利下水，进入码头作业阶段。随着第二艘液化天然气船的下水，其它三艘液化天然气船也将在2008年前投入建造。在广东LNG项目实施之前，国内尚无LNG运输船，也从未开展过LNG海上运输服务。现在，这两个空白均被中国巨头企业填上：招商局集团与中远集团合资打造了中
20、国第一支LNG船队，以离岸价（FOB）方式承担广东LNG项目的液化天然气运输，中国航运业正式加入到LNG产业链中，其在国际航运界的地位也进一步提升；上海沪东船厂则在LNG专用船的生产方面成功夺标。,LNG接收、再气化:,作为我国第一个引进LNG项目的试点，广东LNG项目于1999年12月获国家批准立项，2003年12月28日正式开工建设，2006年6月底竣工投产。广东LNG项目一期工程包括：建设规模为370万吨/年的LNG接收站和383公里的输气干线、LNG运输、配套建设LNG电厂456万千瓦，建设广州、深圳、佛山、东莞四个城市天然气利用工程，并供气香港。一期工程总投资约291亿元。该项目从澳
21、大利亚西北大陆架天然气项目进口LNG，按照国际通行的25年“照付不议”惯例签订合同，项目投产后25年间，每年将稳定供应广东370万吨LNG，供应广东电厂发电、城市民用、工业、商业用气。,小型储罐容量：550m3。常用于民用燃气气化站，LNG气车加注站等场合。中型储罐容量：50100 m3。常用于卫星式液化装置，工业燃气气化站等场合。大型储罐容量：1001000 m3。常用于小型LNG生产装置。大型储槽容量：1000040000 m3。常用于基本负荷型和调峰型液化装置。特大型储槽容量：40000200000 m3。常用于LNG接收站。,液化天然气储罐：,液化天然气应用：,发电运输调峰与事故备用小
22、城镇天然气化,日本发电能源比例的变化,1973年：470,287GWh,2004年：1,137341GWh,专家预言，液化天然气未来将在那些耗气量大、不可能使用压缩天然气的运输工具，如飞行器、铁路机车以及船舶上大显身手。比如美国、日本、西欧的专家一致认为，从20102020年开始，世界航空领域将会广泛使用液化天然气及液氢低温燃料。因此，近年来国际上纷纷大规模展开了低温飞行器及相关基础设施（生产、运输、存储以及加注等）的科研和试验设计工作。,液化天然气不含氧，易燃性低于煤油，储罐不要求做成防燃防爆型。而且一旦在系统中发生较小的泄漏，可以在还没形成危险浓度前被监测仪发现，并且会很快蒸发并吹走正在泄
23、露或者燃烧的低温燃料，从而杜绝了燃烧及爆炸的发生，保证了乘客及飞机的安全。而如果飞机在使用煤油时发生泄漏，只有已经发生燃烧才能被发现，,随着世界能源需求的逐渐上升，各国环保法规的日趋严厉，国外有专家预计，20102017年欧洲、美国、加拿大、日本等国以及一些海滨疗养地、内河湖泊船运水域、繁忙的远洋运输线以及大型码头将可能限制使用柴油动力船舶，而是更多地采用液化天然气船舶。,我国也全方位的展开对液化天然气的相关研究，并把发展液化天然气作为车用代用燃料的重中之重，在资金及政策上对液化天然气汽车生产企业、天然气液化企业及承建液化天然气基础设施的企业予以大力支持。并以此为契机，吸引包括军事国防领域在内
24、的专家大力研究高技术性能的、在国内外市场具有竞争力的天然气液化装置及新型水陆空液化天然气交通工具，推进相关液化天然气产业标准化的前期工作，为打造未来的大国民经济性燃料奠定雄厚的基础。,LNG燃点高为650，比汽油高230；LNG爆炸极限为4.715%，汽油为1.05%，高2.54.7倍；LNG密度约为0.47kg/m3，汽油为0.7kg/，在空气中扩散好于汽油；LNG辛烷值（RON）为130，汽油为92；排放污染小。LNG汽车停放车库几周内不使用，会排出可燃气体，遇明火会着火；LNG重型汽车或公共汽车为了避免升温所采用的LNG储存系统比较复杂，导致汽车成本比柴油燃料汽车高，而对于轻型汽车，则由
25、于负载的限制，无法安置LNG储存系统；由于LNG低温燃料会冻伤操作者，因此LNG汽车加气人员需要专门培训；LNG是温室效应气体，如果释放到空气中，会加剧气温变化；,LNG作为汽车燃料的优缺点：,大气压下，冷却至约-162时，天然气由气态转变成液态；无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积 的1/600；LNG的重量仅为同体积水的45%左右；当温度升至-107以上时比空气轻；热值为5.48 104 MJ/t；蒸发（boil-off)闪蒸(flash)翻滚现象(rollover),液化天然气的安全性,闪蒸(flash)：,加压的 LNG当其压力降至沸点温度以下时，将有一定量的液体蒸
26、发而成为气体，同时液体温度也随之降到其在该压力下的沸点，此过程称为闪蒸。,蒸发(boil-off)：,大批量的LNG储存在绝热的储罐中，当任何传入储罐的热量都将导致一定量的液体蒸发而成为气体，这部分气体称为蒸发气。,LNG在储存过程中，由于外界热量的传入会产生蒸发，低沸点组分先于高沸点组分蒸发。因此，储罐中LNG的组分会随时间而略有变化，较重的碳氢化合物百分含量有所增加。一般由外界传入热量导致储罐内LNG蒸发的速度很小，所蒸发的天然气可以再次进行液化或送入城市天然气管网。当储罐内的LNG用得差不多时，就需要及时补充。补充的方式有：LNG运输船；LNG运输车和制冷设备。由于LNG的密度、蒸汽压等
27、参数与温度有关。当新注入储罐LNG的密度与储罐内剩余LNG的密度不同时，就会暂时形成分层现象。由于层与层之间的传热和传质，层与层逐渐混合，在这过程中LNG蒸发速度也在变化。蒸发速度的变化在许多运行模式下是很小的。但是，在一些特定条件下，蒸发速度会剧增，出现所谓的“翻滚”现象，导致LNG储罐内的压力超过设计要求。LNG的翻滚实际上是一种剧烈蒸发的过程。当储罐内的LNG出现明显的分层现象时，由于上层LNG静压的抑制作用，使得外界传入的热量，无法使下层的LNG及时蒸发，造成下层LNG处于过饱和状态。当储罐内上层的LNG密度大于下层时，下层LNG突然上升，导致迅速蒸发。如果实际操作中没有预防措施，将会
28、导致严重的事故。,LNG翻滚现象：,当温度略高些的船运LNG从LNG储罐底部侧面灌入时，由于温差很小，新的LNG与原来LNG几乎没有什么混合，储罐内的压力取决于罐内原来的蒸汽压。当灌装完后，LNG储灌内会出现分层现象，即原来处于饱和状态、密度较小、温度较低的剩余LNG处于上层，新灌入处于过饱和状态、密度较大、温度较高的船运LNG处于下层。由于罐内对流传热和传质以及外界导入的热量，原来剩余LNG的温度逐渐上升，经过一段时间后，与新灌入LNG的温度趋于一致。在这过程中，上层LNG中的甲烷也在不断蒸发，由于甲烷的蒸发使得上层LNG的密度增加。当其密度大于下层LNG密度时，便沉入下层，导致原处于下层的
29、过饱和状态的LNG上升，使得其中的甲烷大量蒸发。如果新灌入原处于下层的LNG量很大的话，迅速蒸发的甲烷气无法及时从排气管排除出，导致压力上升。如果安全阀自动打开都无法及时释放压力，LNG储罐就将承受过大的压力。,从上面列出的方程式可以看出，由于外界的传热和层与层之间的热量与质量的交换，除顶层外，各层的温度、密度、组分随时间而变化，同时，甲烷的蒸发又使顶层的温度和组分百分含量发生变化。下图为密度较大的LNG灌入有剩余LNG的储罐内，而且，两种LNG的温差也较大，在罐装过程中形成分层现象，并在灌装完成后，最终导致翻滚现象的计算结果，理论计算的翻滚出现时间为罐装后的135小时，实际为120小时。图中
30、在100小时处出现的蒸发小高峰是由于在计算中采用三层分层，当中间层与上下层混合时发生的现象。因此，利用上述模型可以大致预测翻滚出现的时间。,灌装结束,通常,蒸发,速率,实际出现翻,滚时间,计算出现翻,滚时间,利用该模型的分析可以得出如下一些结论：,LNG分层之间的密度越大，则出现翻滚现象的时间越早；底层LNG的厚度越大，则翻滚时的蒸发速度越大；对于给定的密度差，底层LNG温度越大，则出现翻滚的时间越早；分层将导致顶层与底层LNG温度的明显差别；翻滚出现前的蒸发速度比通常的蒸发速度低。,为了防止LNG分层，当船运LNG注入储罐时，应尽量通过储罐顶部布料器等措施，设法使注入LNG的饱和蒸汽压与原罐
31、内的饱和蒸汽压达到平衡。如果，LNG通过陆上槽罐车运抵罐区，在灌装时，不同槽车LNG注入同一的储罐，可能会形成几个分层，应监测并及时采取强制混合措施。另外，对于调峰LNG储罐，即使可以控制LNG制冷温度和压力，如果同时也接受外来LNG，也应注意翻滚现象。而且，如果该调峰储罐储有LNG，并持续一段时间未再注入或使用LNG，则由于外界热量的导入，使LNG蒸发，从而使罐内的LNG密度提高，这时再注入LNG，就有可能形成LNG的分层。在实际操作过程中，可以采取一些方法防止LNG分层和翻滚：充分搅和所有灌入储罐的LNG，防止LNG的分层；控制灌入储罐LNG组分（和密度）的变化范围；设置安全放散口、放散火炬、回收压缩系统等，防止LNG蒸发、翻滚造 成罐超压。,在三十多年LNG船运历史过程中，已经有了1413个船-年的安全航行记录，总运送超过23000船次，交运货物77000万吨，运输量达19126亿吨-海里。在这么长的营运历史过程中，仅发生过6次没有伤害性的事故，其中两次搁浅(没有发生LNG泄漏)，一次撞船(没有发生LNG泄漏)，两次装/卸船事故，一次机械断裂事故(没有发生天然气泄漏)，从未发生任何有危害性的事故，在安全航行和可靠性方面创造了令人信服的记录，令业内人士感到十分骄傲。,
