液化天然气储存及应用技术

液化天然气储存及应用技术液化天然气储存及应用技术 1 前言 天然气是一种清洁优质能源 近年来 世界天然气产量和 消费量呈持续增长趋势 从今后我国经济和社会发展看 加快 天然气的开发利用 对改善能源结构 保护生态环境 提高人 民生活质量 具有十分重要的战略意义 国际上液化天然气 lng 的生产和应用已有久远的历史 lng 贸易是天然气国际贸易的一个重要方面 近 10 年来 lng 产 量以年 20 速度增长 lng 工业将是未来天然气工业重要组成 部分 我国尚处于起步阶段 国家最近批准在珠海建设进口 lng 接收站 中原油田正筹建一座日处理 15 万 m3 天然气的液 化工厂 lng 在我国的应用必将开始一个新的阶段 2 液化天然气的制取与输送 lng 是液化天然气的简称 常压下将天然气冷冻到 162 左右 可使其变为液体即液化天然气 lng 它是天然气经过净 化 脱水 脱烃 脱酸性气体 后 采用节流 膨胀和外加冷源制 冷的工艺使甲烷变成液体而形成的 lng 的体积约为其气态体 积的 l 620 天然气的液化技术包括天然气的预处理 天然气的液化及 贮存 液化天然气的气化及其冷量的回收以及安全技术等内容 lng 利用是一项投资巨大 上下游各环节联系十分紧密的 链状系统工程 由天然气开采 天然气液化 lng 运输 lng 接收与气化 天然气外输管线 天然气最终用户等 6 个环节组 成 由于天然气液化后 体积缩小 620 倍 因此便于经济可靠 的运输 用 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 从输气经济性推算 陆上管道 气在 3000km 左右运距最为经济 超过 3500km 后 船运液化天 然气就占了优势 具有比管道气更好的经济性 lng 对调剂世界天然气供应起着巨大的作用 可以解决一 个国家能源的短缺 使没有气源的国家和气源衰竭的国家供气 得到保证 对有气源的国家则可以起到调峰及补充的作用 不 仅使天然气来源多元化 而且有很大的经济价值 lng 作为城市气化调峰之用比用地下储气库有许多优点 例如 它选址不受地理位置 地质结构 距离远近 容量大小 等限制 而且占地少 造价低 工期短 维修方便 在没有气 田 盐穴水层的城市 难以建地下储气库 而需要设置 lng 调 峰 这项技术在国外已比较成熟 如美国 英国和加拿大的部 分地区采用 lng 调峰 我国也正在引进这项技术 液化天然气蕴藏着大量的低温能量 在 1 个大气压下 到 常温气态大约可放出 879kj kg 的能量 利用其冷能可以进行 冷能发电 空气分离 超低温冷库 制造干冰 冷冻食品等 由于 lng 工厂在预处理时已脱除了气体的杂质 因此 lng 作为燃料燃烧时所排放的烟气中 s02 及 nox 含量很少 因此被 称为清洁能源 广泛用于发电 城市民用燃气及工业燃气 减 少了大气污染 有利于经济与环境的协调发展 3 lng 接收站的工艺系统 lng 通常由专用运输船从生产地输出终端运到目的地接收 站 经再气化后外输至用户 目前 已形成了包括 lng 生产 储存 运输 接收 再气化及冷量利用等完整的产 运 销 lng 工业体 3 1 lng 接收站工艺漉程 lng 接收站一般由接收港和站场两部分组成 其工艺方案 可分为直接输出式和再冷凝式两种 主要区别在于根据终端用 户压力要求不同 在流程中是否设有再冷凝器等设备 后者的 工艺流程见图 l 图 1 lng 接收站工艺流程 由图 l 可知 lng 接收站一般由 lng 卸船 储存 再气化 外输 蒸发气处理 防真空补气和火炬 放空 6 部分工艺系 统 有的终端还有冷量利用系统 组成 为了能够平稳 安全的运 转 必须要有高度可靠的控制系统 3 1 1 lng 卸船系统 lng 运输船靠泊码头后 经码头上卸料臂将船上 lng 输出 管线与岸上卸船管线连接起来 由船上储罐内的输送泵 潜液泵 将 lng 输送到终端的储罐内 随着 lng 不断输出 船上储罐内 气相压力逐渐下降 为维持其值一定 将岸上储罐内一部分因 冷损气化产生的蒸发气加压后经回流管线及回流臂送至船上储 罐内 lng 卸船管线一般采用双母管式设计 卸船时两根母管同 时工作 各承担 50 的输送量 当一根终管出现故障时 另一 根母管仍可工作 不致使卸船中断 在非卸船期问 双母管可 使卸船管线构成一个循环 便于对母管进行循环保冷 使其保 持低温 减少因管线漏热使 lng 蒸发量增加 通常 由岸上储 罐输送泵出口分出一部分 lng 来冷却需保冷的管线 再经循环 保冷管线返回罐内 每次卸船前还需用船上 lng 对卸料臂等预 冷 预冷完毕后再将卸船量逐步增加至正常输量 卸船管线上配有取样器 在每次卸船前取样并分析 lng 的组成 密度及热值 3 1 2 lng 储存系统 lng 低温储罐采用绝热保冷设计 由于有外界热量或其它 能量导人 例如储罐绝热层 附属管件等的漏热 储罐内压力 变化及输送泵的散热等 故会引起储罐内少量 lng 蒸发 正常 运行时 罐内 lng 的日蒸发率约为 0 06 0 08 卸船时 由 于船上储罐内输送泵运行时散热 船上储罐与终端储罐的压差 卸料臂漏热及 lng 液体与蒸发气的置换等 蒸发气量可数倍增 加 为了最大程度减少卸船时的蒸发气量 应尽量提高此时储 罐内的压力 接收站的储存能力可按下式计算 即 vs vt nq tq 式中 vs 储存能力 m3 vt lng 运输船船容 m3 n 连续不可作业的日数 d q 平均日输送量 m3 d t 卸船时间 h q 卸船时的输送量 m3 d 一般说来 接收站至少应有 2 个等容积的储罐 一般都在 lo l04m3 以上 直径达 70 多米 3 1 3 lng 再气化 外输系统 储罐内 lng 经罐内输送泵加压至 1mpa 后进入再冷凝器 使来自储罐顶部的蒸发气液化 从再冷凝器中流出的 lng 可根 据不同用户要求 分别加压至不同压力 一般情况是一部分 lng 经低压外输泵加压至 4 0mpa 后 进入低压水淋蒸发器中蒸 发 水淋蒸发器在基本负荷下运行时 浸没燃烧式蒸发器作为 备用设备 在水淋蒸发器维修时运行或在需要增加气量调峰时 并联运行 另一部分 lng 经高压外输泵加压至 7mpa 后 进入 高压水淋蒸发器蒸发 以供远距离用户使用 高压水淋蒸发器 也配有浸没燃烧式蒸发器备用 再气化后的高 低压天然气 外 输气 经计量设施分别计量后输往用户 为保证罐内输送泵 罐外低压和高压外输泵正常运行 泵 出口均设有回流管线 当 lng 输送量变化时 可利用回流管线 调节流量 在停止输出时 可利用回流管线打循环 以保证泵 处于低温状态 3 1 4 蒸发气处理系统 储罐顶部的蒸发气先通过压缩机加压到 1mpa 左右 然后 与 lng 低压泵送来的压力为 1mpa 的过冷液体换热 冷凝成 lng 此系统应保证 lng 储罐在一定压力范围内正常工作 储 罐的压力取决于罐内气相 蒸发气 的压力 储罐中设置压力开关 并分别设定几个等级的超压值及欠压值 当压力超过或低于各 级设定值时 蒸发气处理系统按照压力开关进行相应动作 以 控制储罐气相压力 在低温下运行的蒸发气压缩机 对人口温度通常有一定限 制 往复式压缩机一般要求为 80 160 离心式压缩机为 80 160 为保证人口温度不超限 主要是防止超过上限 故要求在压缩机人口设蒸发气冷却器 利用 lng 的冷量保证人 口温度低于上限 3 1 5 储罐防真空补气系统 为防止 lng 储罐在运行中产生真空 在流程中配有防真 空补气系统 补气的气源通常为蒸发器出口管汇引出的天然气 有些储罐也采取安全阀直接连接通大气的做法 当储罐产生真 空时 大气可直接由阀进入罐内补气 3 1 6 火炬 放空系统 当 lng 储罐内气相空间超压 蒸发气压缩机不能控制且 压力超过泄放阀设定值时 罐内多余蒸发气将通过泄放阀进入 火炬中烧掉 当发生诸如翻滚现象等事故时 大量气体不能及 时烧掉 则必须采取放空措施捧泄 4 lng 接收站的主要设备 4 1 卸科臂 通常根据终靖规模配置效根卸料臂及 1 根蒸发气回流臂 二者尺寸可同可异 但结构性能相同 如若尺寸相同则可互用 卸料臂的选型应考虑 lng 卸船量和卸船时间 同时根据 栈桥长度 管线距离 高程 船上储罐内输送泵的扬程等 确 定其压力等级 管径及数量 蒸发气回流臂则应根据蒸发气回 流量确定其管径等 为了保证卸料臂的旋转接头在低温下有良好的密封性能而 采用双重密封结构 同时可在工作状态时平移和转动 为了安 全 每台 lng 卸料臂必须配备紧急脱离装置 臂内 lng 设计流 速一般为 l0m s 蒸发器回流臂的流速设计值为 50m s lng 卸料臂的材质主要为不锈钢和铝合金 制造直径一般在 40 64cm 以下 4 2 lng 储簟 lng 储罐属常压 低温大型储罐 分为地上式与地下式两 类 通常为平底双壁圆柱形 储罐内壁与 lng 直接接触 一般 采用含镍 9 的合金钢 也可为全铝 不锈钢薄膜或预应力混 凝土 外壁为碳钢或预应力混凝土 壁顶的悬挂式绝热支撑平 台为铝制 罐顶则由碳钢或混凝土制成 簟内绝热材料主要为 膨胀珍珠岩 弹性玻璃纤维毡及泡沫玻璃砖等 lng 储罐又有 单容 单封闭 罐 双容 双封闭 罐及全容 全封闭 罐 3 种型式 单容罐在金属罐外有一比罐高低得多的混凝土围堰 用于 防止在主容器发生事故时 lng 外溢扩散 该型储罐造价最低 但安全性稍差 占地较大 与单容罐相比 双容罐的辅助容器 则是在主容器外围设置的一层高度与罐壁相近 并与主容器分 开的圆柱形混凝土防护墙 全容储罐是在金属罐外有一带顶的 全封闭混凝土外罐 即使 lng 一旦泄露也只能在混凝土外罐内 而不致于外泄 还可防止子弹击穿 热辐射等 这 3 种型式的 储罐各有优缺点 选择罐型时应综合考虑技术 经济 安全性 能 占地面积 场址条件 建设周期及环境等因素 地下储罐全部建在地面以下 金属罐外是深达百米左右的 混凝土连续地中壁 地下储罐主要集中在日本 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 周围环境要求较好 安全性最高 气相空间设计压力是常压 低温大型储罐的重要参数 尤 其对接收站储簟更为重要 随着科学技术的进步 这类储簟的 气相空间设计压力正逐年提高 尤其是薄膜罐 由于其固有结 构特点 可采用较高的设计压力 储罐所有开口均应选择在罐顶 避免 lng 由接口处泄漏 此外 还应采用措施防止在某些情况下由于液体分层及储罐漏 热而引起的翻滚现象 例如 考虑到运输船待卸的 lng 与终端 储罐内已有 lng 的密度差 可将卸船管线进液口分别引至罐顶 与罐底 如待卸 lng 密度大于储罐内已有 lng 密度 月采用簟 顶进液口 反之 刚采用罐底进液口 4 3 lng 输送泵 终端储罐内均设有输送 lng 的潜液泵 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 要求低温下轴封可靠 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 泵内气化 保持泵内 lng 与储罐内 lng 具有相同的温度 lng 泵被设计成浸设式结构 连同马达一起浸没于装有 lng 液体的 泵内容器中 lng 泵一般为多级泵 扬程可根据用户要求而定 选择范 围为 50m 2000m 以适应不同输气管网对压力的要求 在 lng 泵中 泵内容器和轴采用奥氏体不锈钢 泵体和叶轮采用 铝合金 如需在高压下管输天然气 还应在蒸发器前配置外输 泵进行增压 在泵初次运行和检修后投运之前 以及泵处于备用状态时 均需预冷或保冷 泵停运后如保冷不善 随着漏热量增加 泵 内的 lng 逐渐蒸发 溶解在 lng 中的 co2 浓度相对增加 当其 浓度大于 1 5 l04 时就可能 结冰 堵塞泵的流道 甚至使泵不 能正常运行 4 4 lng 气化器 按结构或热源不同 可分为板翅式 管壳式 中流式 开 架式 浸没燃烧式及中间媒体式等多种 lng 接收站多采用开 架式水淋气化器和浸没燃烧气化器 前者以海水为加热介质 体积庞大 且需配置海水系统 故投资较高 占地面积较大 但运行成本低 且安全可靠 对于基本负荷型供气要求 可采 用多台并联运行 后者以终端蒸发气为燃料 采用燃烧加热 其优点是投资低 启动快 能迅速调节 lng 蒸发量 但运行成 本高 通常只用于调峰 开架式水淋蒸发器及浸没燃烧式蒸发 器的示意结构见图 2 3 开架式气化器是应用最广泛的基本负荷型 lng 气化器 它以水为热源 通常是海水或电厂的直捧海水 运行成本低廉 但于由提供热源的海水进口温差较小 以致开架式气化器设备 比较大 投资较高 在开架式气化器中 lng 从下部总管进入 然后沿着成幕状结构的 lng 换热管上升 与海水换热气化后成 常温气体送出 每幕一般由 70 根 100 根管组成 海水从上部进 入 经分布器分配后成薄膜状均匀沿幕状 lng 管下降 使管内 lng 受热气化 为避免影响周围海区生态平衡 海水进 出口温差不得超 过 7 实际常控制在不超过 4 5 管束板一般采用在低 温下有良好机械性能 焊接性能 传热性能好且对海水有优良 耐腐蚀性的铝合金材料 并在外层涂锌处理 浸没燃烧式蒸发器包括换热管 水浴 浸没式燃烧器 燃 烧室和鼓风机等 燃烧器在水浴水面上燃烧 热烟气通过下捧 气管由喷雾器捧入水浴的水中 使水产生高度湍动 换热管内 的 lng 与管外高度湍动的水充分换热 从而使 lng 加热 蒸发 这种蒸发器的热效率可达 95 以上 且安全可靠 此种气化器体积小 与开架式气化器相比省掉了大型取水 和捧水设备 热效率高 开停车迅速方便 但因消耗天然气而 使运行成本较高 一般不作为基本负荷型气化器 主要用于调 峰和备用 它的关键部分是燃烧器和传热管束 首先必须保证 天然气在狭小的燃烧 海水进口 ng 进口 室内和因水面波动不断变化的背压下均匀稳定燃烧 其次 内装 lng 的传热管束由于不断受到高温燃烧气体的冲击和自身 的振动 要采用 sus304l 或 sus316 等低碳不锈钢 且消除应力 4 5 蒸发气压缩机 由于 lng 储罐在不同工况下有不同蒸发气量 故应将蒸 发气压缩机分为两组 一组用于非卸船工况 一组用于卸船工 况 通常采用往复式或离心式 前者适用于小气量及高压缩比 后者适用于大气量及中 低压缩比 4 6 再冷凝嚣 再冷凝器具有冷凝和分液两种作用 正常情况下使来自储 罐内的蒸发气液化 当蒸发气量增加时 未冷凝的蒸发气分液 后捧向火炬 当蒸发气量不足时 可引入少量外输气至再冷凝 器 使其压力保持正常 5 液化天然气冷能的利用 lng 的用途很广 可用于民用负荷调峰 发电 工业用户 和商业用户 lng 的关键技术在于深度冷冻液化 其储罐和专 用运输巨轮就象超级低温冰箱 这些过程都要消耗巨大的能源 但按能量守恒规律 此冷能在释砹时侧利用 以 l 毕低成本 利用 lng 冷能主要是依靠 lng 与周围环境之间存在的温 度和压力差 通过 lng 变化到与外界平衡时 回收储存在 lng 中的能量 利用 lng 冷能的过程可分为两类 直接利用和间接利用 前者包括 发电 空气液化分离 冷冻仓库 制造液化二氧化 碳 海水淡化 空调和低温养殖 栽培等 后者包括 低温破 碎 水和污染物处理及冷冻食品等 目前对液化天然气冷能的 利用工程取得了许多成果 6 lng 应用于汽车 天然气作为能源 由于它对大气污染少而被称为清洁燃料 更是汽车的优质代用燃料 近年来 它已被世界许多国家重视 和推广 按照天然气的储存方式不同 天然气汽车大致分为 cngv 压缩天然气汽车 lngv 液化天然气汽车 和 angv 吸 附天然气汽车 目前我国对天然气汽车的发展也非常重视 到 1999 年 全国已改装各种 cng 汽车 l 万多辆 建设加气站 70 多座 angv 正处在研制阶段 我国 lngv 的应用仍是一项空白 用 lng 作为汽车燃料特别值得推广 与传统的石油类燃料相比 lng 具有明显的优点 汽车续驶里程长 lng 相对于 cng 和 lpg 具有储存能量大 压力低 噪声低 更清洁等优势 利用 lng 冷量取代汽车空调 不破坏生态 良好的使用性能 抗爆 稳定性强 燃烧热值高 燃点值宽 和相对便宜 俄罗斯在将 lng 用于汽车运输 铁路运输 水上运输和空中运输方面积累 了许多经验 lng 汽车供气系统的组成及工作原理如图 4 所示 为 lng 汽车的燃料供给系统的构成简图 1 安全阀 2 压力表 3 液位计 4 lng 储罐 5 压 力控制器 6 球阀 7 充液阀 8 电磁阀 9 蒸发嚣及两级减压 器 10 加热水管 11 发动机 l2