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LNG相关基本知识(一)

LNG相关知识(一)

液化天然气 (LNG)已成为目前无法使用管道天然气城市的主要气源之一,也是许多使用管道天然气城市的补充气源或调峰气源。本文主要介绍与液化天然气有关的基础知识,从接收LNG到气化的工艺流程、LNG气化站常见主要设备、运行维护和抢修等。


第一节 液化天然气基础知识


天然气在常压下,当冷却至约-162℃时,则由气态变成液态,称为液化天然气(英文 Liquefied Natural Gas, 简称LNG)。LNG 的主要成份为甲烷,还有少量的乙烷、丙烷以及氮等。

天然气在液化过程中进一步得到净化,甲烷纯度更高,几乎不含二氧化碳和硫化物,且无色、无味、无毒。

一、LNG的性质

(一)密度

LNG的密度取决于其组分和温度,通常在430 kg/m3~470 kg/m3之间,但是在某些情况下可高达520kg/m3。密度随温度的变化梯度约为1.35 kg/(m3·℃)。LNG的体积约为同量气态天然气体积的1/600。

(二)沸点

沸腾是在一定温度和压力下液体内部和表面同时发生汽化的现象。液体沸腾时候的温度被称为沸点。LNG的沸点取决于其组分和压力,在常压下通常在-166℃到~-157℃之间。

(三)LNG的蒸发

LNG是在沸腾状态下储存于绝热储罐中的。任何传导至储罐中的热量都会导致部分LNG蒸发为气体,这种气体称为蒸发气,其组分与LNG的组分有关。当LNG蒸发时,由于氮和甲烷的沸点较低,因此氮和甲烷首先从液体中气化。一般情况下,蒸发气中包括约20%的氮、80%的甲烷和微量的乙烷,蒸发气含氮量是LNG中含氮量的20倍。

(四)闪蒸

在一密闭容器中把液体加热,由于液相的蒸发,气相的压力不断升高,当液体和气体达到平衡状态时,若突然把容器的气相与一低压的外界连通,气相压力立刻降低,液体迅速沸腾,大量液体蒸发到气相中去的现象称为闪蒸。

当容器或管道中的LNG压力突然降至其饱和蒸汽压以下时,也会发生闪蒸现象。由于LNG为多组分的混合物,闪蒸气体的组分与剩余液体的组分不一样。作为指导性数据,在压力为100kPa~200kPa时,压力每下降lkPa,1m3的液体产生大约0.4 kg的气体。

(五)LNG的溢出、膨胀和扩散 

LNG倾倒至地面上时(例如事故溢出),最初会猛烈沸腾,然后蒸发速率将迅速衰减至一个固定值,该值取决于地面的热性质和周围空气供热情况。当溢出发生在水上时,水中的对流非常强烈,足以使所涉及范围内的蒸发速率保持不变,LNG的溢出范围将不断扩展,直到气体的蒸发总量等于泄漏的LNG总量。

最初,蒸发气体的温度几乎与LNG的温度一样,其密度比周围空气的密度大。这种气体首先沿地面上的一个层面流动,直到气体从大气中吸热升温后为止。当LNG的温度在-107℃时,其密度接近空气的密度,当温度继续升高时,其密度将比周围空气的密度小。

随着溢出,由于大气中的水蒸气的冷凝作用将产生“雾”云。当这种“雾”云可见时(在白天且没有自然界的雾),此种可见“雾”云可用来显示蒸发气体的运动,并且给出气体与空气混合物可燃性范围的保守指示。在压力容器或管道发生溢出时,LNG将以喷射流的方式进入大气中,且同时发生膨胀和蒸发。这一过程与空气强烈混合同时发生。大部分LNG最初作为空气溶胶(由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系)的形式被包容在气云之中。这种溶胶最终将与空气进一步混合而蒸发。

(六)LNG池火

直径大于10m的着火LNG池,火焰的表面辐射功率非常高(即温度非常高)。表面辐射功率取决于火池的尺寸、烟的发散情况以及测量方法。表面辐射功率随着烟尘炭黑的增加而降低。

(七)翻滚

翻滚是指大量气体在短时间内从LNG容器中释放的过程,除非采取预防措施或对容器进行特殊设计,否则翻滚将使容器超压或破坏。

由于热量输入到容器中而产生单元间的传热、传质及液体表面的蒸发,单元之间的密度将达到均衡并且最终混为一体,这种自发的混合称之为翻滚。

(八)相变

当温度不同的两种液体在一定条件下接触时,有时会发生相变,可产生爆炸力。当LNG与水接触时,这种称为快速相变的现象就会发生。尽管不发生燃烧,但是这种现象具有爆炸的所有其他特征。

(九)沸腾液体膨胀蒸气爆炸

任何液体处于或接近其沸腾温度,并且承受高于某一确定值的压力时,如果由于压力系统失效而突然获得释放,将以极高的速率蒸发,这种现象叫做沸腾液体膨胀蒸气爆炸。

二、 天然气的液化

(一)天然气预处理

作为液化装置的原料气,首先必须对天然气进行预处理。天然气的预处理是指脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、 水分、重烃和汞等杂质,以免这些杂质腐蚀设备或在低温下冻结而堵塞设备和管道。

(二)天然气液化流程

天然气的液化流程有不同的形式,按制冷方式分,可分为以下三种方式:

1.  级联式液化流程

2.  混合制冷剂液化流程

3。  带膨胀机的液化流程

这样的划分并不是严格的,通常采用的是包括了上述各种液化流程中某些部分的不同组合的复合流程。

三、天然气制冷工艺简介

常见天然气液化制冷工艺有阶式制冷工艺、混合制冷工艺和膨胀制冷工艺。

(一)阶式制冷工艺

阶式制冷工艺是一种常规制冷工艺。对于天然气液化过程,一般是由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的3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-30 ℃、-90 ℃及-150 ℃左右。净化后的原料天然气在3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。 

(二) 混合制冷工艺

混合制冷工艺是六十年代末期由阶式制冷工艺演变而来的,多采用烃类混合物(N2、C1、C2、C3、C4、C5)作为制冷剂,代替阶式制冷工艺中的多个纯组分。其制冷剂组成根据原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、节流、蒸发得到不同温度级的冷量。又据混合制冷剂是否与原料天然气相混合,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。混合制冷剂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离,节流后进入冷箱(换热器)的不同温度段,给原料天然气提供冷量。原料天然气经“三脱”处理后,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,按制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。

第二节 LNG场站工艺流程 

LNG场站常见有LNG气化站和LNG瓶组气化站两种类型。LNG气化站是指具有将槽车或槽船运输的LNG进行卸气、储存、气化、调压、计量和加臭,并送入城镇燃气输配管道功能的场站,常用于无法使用管道气供气的城市。LNG瓶组汽化站是指采用气瓶组作为储存及供气设施,其供气规模小,主要用于小区或单个工业用户的供气。本节重点对气化站工艺流程进行详细分析,并简单介绍瓶组站的工艺流程。

一、 LNG气化站工艺流程

1 LNG气化站工艺流程

LNG气化站是下游LNG应用时采用的主要模式,主要作用是储存、气化LNG。它包括卸车台、低温储罐、增压系统、气化系统及调压、计量和加臭系统。本段重点介绍LNG气化站的卸车工艺、储罐自增压工艺和气化加热工艺以及附属的BOG和EAG工艺。常见LNG气化站的工艺流程见图1。

(一) LNG卸车工艺

LNG通过公路槽车或罐式集装箱车从LNG液化工厂、海运接收终端运抵用气城市LNG气化站,经过汽车衡称重计量。用金属软管将槽车与卸车台相应管线连接,利用站内卸车增压气化器给槽车进行增压,使槽车与LNG储罐之间形成一定的压差,利用此压差将槽车中的LNG卸入气化站储罐内。卸车结束时,通过卸车台气相(BOG)管道回收槽车中的气相天然气,见图2。

卸车时,为防止LNG储罐内压力升高而影响卸车速度,采用不同的卸车方式。当槽车中的LNG温度低于储罐中LNG的温度时,采用上进液方式。槽车中的低温LNG通过储罐上进液管喷嘴以喷淋状态进入储罐,将部分气体冷却为液体而降低罐内压力,使卸车得以顺利进行。若槽车中的LNG温度高于储罐中LNG的温度时,采用下进液方式,高温LNG由下进液口进入储罐,与罐内低温LNG混合而降温,避免高温LNG由上进液口进入罐内蒸发而升高罐内压力导致卸车困难。

实际操作中,由于目前LNG气源地距用气城市较远,长途运输到达用气城市时,槽车内的LNG温度通常高于气化站储罐中LNG的温度,因此采用下进液方式。

2  增压卸车工艺流程

(二)储罐自动增压工艺

随着储罐内LNG不断流出到气化器,罐内压力不断降低,LNG出罐速度逐渐变慢直至停止。因此,正常供气操作中必须不断向储罐补充气体,将罐内压力维持在一定范围内,才能使LNG气化过程持续下去。储罐的增压是利用自动增压调节阀和自增压空温式气化器实现的。当储罐内压力低于自动增压阀的设定开启值时,自动增压阀打开,储罐内LNG靠液位差流入自增压空温式气化器,在自增压空温式气化器中LNG经过与空气换热气化成气态天然气,然后气态天然气流入储罐内,将储罐内压力升至所需的工作压力。在自增压过程中随着气态天然气的不断流入,储罐的压力不断升高,当压力升高到自动增压调节阀的关闭压力时,自动增压阀关闭,增压过程结束。随着气化过程的持续进行,当储罐内压力又低于增压阀设定的开启压力时,自动增压阀打开,开始新一轮增压。

(三)LNG的气化和加热工艺


LNG从储罐流向空温式气化器气化为气态时,受环境温度的影响很大。在夏季空温式气化器天然气出口温度可达15℃以上,可直接进管网使用。在冬季或雨季,气化器气化效率大大降低,尤其是在寒冷的北方,冬季时气化器出口天然气的温度(比环境温度低约10℃)远低于0℃而成为低温天然气,气化后的天然气还需再经水浴式加热器将其温度升到10℃以上,然后再送入城市输配管网。


通常设置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时,人工(或自动或定时)切换到另一组使用,本组进行自然化霜备用。

(四)自然蒸发工艺

BOG是英文B0il Off Gas的缩写,即自然蒸发天然气。LNG在储罐中储存和在管道流动的过程中,由于热量的传入,总有一部分LNG要气化成气态的天然气,这将使储罐和管道的压力上升,为了保证运行的安全和对天然气的充分利用,将槽车、储罐和管道产生的BOG经降压调节阀和安全阀汇入BOG总管,然后通过BOG加热器加热后送至输配管网。

(五)紧急放散工艺

 EAG是英文Escape Air Gas的缩写,即紧急放散天然气。低温系统安全阀放空的全部是低温气体,在大约-113℃以下时,天然气的重度大于常温下的空气,排放不易扩散,会向下积聚。因此需设置一台空温式放散气体加热器,放散气体先通过该加热器,经过与空气换热后的天然气比重会小于空气,高点放散后将容易扩散,从而不易在靠近地面处形成爆炸性混合物。 

 二、LNG瓶组站气化工艺流程

3  LNG瓶组气化站工艺流程

 LNG瓶组气化站工艺流程与气化站工艺流程相似。盛装液化天然气的钢瓶运到站内,连接好气、液相软管,用钢瓶自带的升压器给钢瓶增压,利用压差将钢瓶中的LNG送入外接空温式气化器;在气化器中液态天然气气化并加热:然后通过调压器调压至所需压力,经计量后送往用户。LNG瓶组供气工艺设置使用和备用两组钢瓶,且数量相同,当使用侧的LNG钢瓶的液位下降到规定液面时,应及时切换到备用瓶组一侧,切换下来的空钢瓶也应及时罐装备用。天然气本身无色无味的,作为城市燃气,应按规定进行加臭。如LNG瓶组供气工艺应用在北方寒冷地区时,在天然气进管网之前还有加热升温装置,见图3。

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