第六章液化气与运输

1、第六章第六章 液化气与运输液化气与运输 6.1液化气体的定义液化气体的定义 一、液化气体的定义一、液化气体的定义 定义 国际海事组织（IMO）制定的液化气体船国际气体规则（IGC规则）明确规定了液化气船适载的液化气货品的定义：“温度在37.8时，饱和蒸汽压力超过0.28MPa（绝对压力）的液态物质及理化性质和这些液化气体相近的其他货品。” IGC规则中的液化气货品有32种，但在液化气海上运输中，最常见、运输量最大的是作为能源用的液化天然气LNG和液化石油气LPG两种。 液化气体运输：经济性 石油气（主要成分是丙烷）经液化变成液化石油气(LPG)后，容积仅为气体时的1/250； 天然气(主要成分

2、是甲烷)经液化变成液化天然气(LNG)后，容积仅为气体时的1/625。 二、液化天然气二、液化天然气(LNG) (一)液化天然气链 天然气从气田开采出来，要经过处理、液化、船运、接收和再汽化等几个环节，最终送至终端用户，这样便形成了所谓的“液化天然气链”，如图所示。液化过程能净化天然气，除去其中的氧气、二氧化碳、硫化物和水。这个处理过程能够使天然气中甲烷的纯度接近100%。(二) 天然气的成分 天然气主要成分为 甲烷 乙烷 丙烷 重质碳氢化合物 氮气 氧气 二氧化碳 硫化物 水分。 天然气在大气压下，冷却至约162时，由气态转变成液态，称为液化天然气(Liquefied Natural Gas

3、，缩写为LNG)。(三)LNG（液化天然气）的生产 1清除重质烃和非烃物质。 CO2、H2S、重质烃、水分、灰尘等。 2分离丙烷和丁烷。利用降温或加压方法 3降温液化 临界温度为82.5，此时液化所需的压力(临界压力)为4.47MPa。 LNG都是在常压低温状态下贮存运输，在大气压力条件下将天然气降温到162左右即可将天然气液化得到LNG 多级的制冷过程(四)LNG的用途 居民商业方面：清洁、安全 工业方面： 发电 动力站 玻璃陶瓷 面包 石油化工方面：使用氨、甲醇、乙炔作为基本化学原料的石油化学工业是天然气的个重要市场。天然气被用作生产化肥、塑料、胶粘剂的原料。以天然气为原料的化工生产装置投

4、资省、能耗低、占地少、人员少、环保性好、运营成本低 汽车燃料：不积炭，不磨损，运营费用低，环保(五)LNG性质和特点 1纯净的LNG是无色、无味、无毒和透明的液体，LNG比水轻，不溶于水。LNG蒸气在温度高于110时，比空气轻，货物泄漏时蒸汽往上升，易于扩散，因此发生爆炸的危险性相对LPG（液化石油气）较小 2LNG化学性质稳定，与空气、水及其他液化气货品在化学上相容，不会起危险反应(与氯可能有危险反应)。 3、在容器的材料方面，由于LNG是非腐蚀性货品，所以只要求能耐低温的金属材料，如不锈钢、铝、铜、含9%或36%镍的合金钢等。 4、LNG液体会使眼睛和皮肤严重冻伤，高浓度的蒸汽会使人晕眩、

5、困倦，但没有持久的影响。另外，高浓度的蒸汽也可能会造成空间缺氧而使人窒息。 5LNG的临界温度远低于环境温度，只能采用全冷冻的条件运输与贮存，即在常压沸点温度下运输。 6.典型的商业LNG的一些数据 (1)LNG沸点在大气压条件下约 157 163，而纯甲烷的沸点为1615。 (2)LNG在大气压条件下，沸点温度的密度为0.470.53t/ m3，而甲烷在大气压条件下，沸点温度的密度为0427tm3。 (3)LNG热值为26536kJm3，而纯甲烷的热值为3074kJm3。 (4)在常温、常压下LNG蒸汽相对密度为0.580.67，而纯甲烷蒸汽相对密度为0.55。当温度降低时，蒸汽的相对密度是

6、增大的。当温度低于113时，甲烷蒸汽比空气重；当温度高于110时，甲烷蒸汽比空气轻。 (5)爆炸极限：纯甲烷是5.3%14%。 (6)自燃温度：纯甲烷为595。 (7)闪点：纯甲烷为175。 (8)容积膨胀系数；纯甲烷为0.002 6/(-165时)。二、液化石油气（二、液化石油气（LPG） (一)液化石油气的成分 LPG是液化石油气（Liquefied Petroleum Gas)的英文缩写。液化石油气是碳氢化合物的混合物 为了便于运输和贮存，通常采取加压或冷却两者兼施的方法，将其液化成液体。 主要成分8种成分（碳三、碳四） 丁烷 正丁烷 异丁烷 丙烯 丁烯-1 顺丁烯-2 反丁烯-2 异丁

7、烯 其他 碳一(C1)、碳二(C2)和碳五(C5) ：甲烷、乙烷、戊烷、乙烯和戊烯等成分 微量的硫化物、水蒸气/水 其他非烃类杂质。 1来源于炼油厂石油气 蒸馏气： 热裂化气： 催化裂化气：是国内生产供应民用LPG的主要来源 催化重整气 焦化气(二)LPG的来源 2来源于石油化工厂的副产品 甲烷、乙烷、石脑油、轻柴油等做原料，以生产合成氨、甲醇、塑料、合成橡胶以及各种化工产品。与此同时，也副产部分LPG。 目前国内只有少数石油化工厂将副产的LPG用作民用燃料。 3来源于油田伴生气 油田伴生气含60%90%的甲烷和乙烷，10%40%的丙烷和丁烷、戊烷和其他重质烃。 利用装在油井上面的油气分离装置

8、可使石油和伴生气分离，然后再利用吸收法将油田伴生气的各种碳氢化合物分离，从而提取得到LPG。 4来源于天然气 气田 原始气体 甲烷85% 95% C3和C4约含2%5% 可采用压缩、吸收、吸附或低温分离的方法，将其中的C3和C4分离出来，以获得LPG。(三)LPG的用途 1家庭和工业的优质燃料。 LPG热值高，燃烧清洁，与LNG一样，是城市燃气的主要气源。 2石油化学工业的重要原料。 LPG用作合成橡胶、合成纤维、合成树脂和塑料等产品的原料。 3理想的汽车燃料。 LPG气体燃料燃烧平稳均匀，并且有良好的启动性能。 比汽油等污染少。从环保需求出发，许多国家城市正在推广LPG作为汽车燃料。对于汽油

9、机可较容易改用LPG。柴油机较难，但LPG可作为柴油机的辅助燃料。 4其他用途 用作溶剂 LPG的丙烷也可用作制冷系统的制冷剂等。 1气态时重度大，比空气重1.52.1倍。 丙烷、丁烷在标准状态下的气态密度分别为2.01 kg/m3和2.7kg/m3。标准状态下空气的密度1.293 kg/m3 2液态时比水轻，比水轻约1/2。 LPG密度随温度变化差异很大，在常温时约为0.50.58。0时丙烷和丁烷的液体密度分别为528kg/m3和601kg/m3。 3石油气能在常温下加压液化和常压下降温液化，又能在常温下汽化。 从气态转变为液态时，容积缩小250300倍。 丙烷和正丁烷在大气压下的沸点分别为

10、-42.3和-0.5。 4LPG液体溶剂膨胀系数大，是水的16倍。温度上升，液相容积膨胀大。 (四)LPG的性质和特点 5爆炸极限范围较窄，约为1.5%9.5%。爆炸下限比较低 6LPG液体汽化潜热大-冻伤 7LPG热值高，约为22 0009 000kJm3，燃烧需要的空气量很大，完全燃烧约需2030倍的空气量。 8LPG是石油产品，与同簇溶解性好，在酒精、乙醚和高于乙醇的高醇中能完全溶解，在油脂(除蓖麻油外)中能完全溶解。对橡胶软化性强，在LPG货物系统中必须使用耐油和耐酸碱材料(如合成橡胶、聚四氟乙烯、丁腈制品等)。LPG基本不溶于水。 9LPG饱和蒸汽压力较大，随温度升高而加大。 10.

11、自燃温度为400500，闪点在-104-80之间。 11纯净的LPG无色、无味、无毒。但如货品不纯，含有较多硫化氢等硫化物时，可能会有微毒，对人体中枢神经有麻醉作用。当空气中含有10%(容积)的LPG时，只要呼吸2min就会引起头昏。LPG残液中的C5，也能麻醉神经，使人恶心、呕吐、晕倒甚至休克等。 12LPG化学性质稳定，与空气、水和其他液化气货品无危险反应(但与氯可能有危险反应)。常用的金属无反应6.2气体液化的主要方法气体液化的主要方法 一、制冷原理一、制冷原理 制冷：从物质中抽走热量的过程。 基本原理简单的制冷工作循环原理图。二、气体液化的主要方法二、气体液化的主要方法 (一)串联（级

12、联）蒸发冷凝循环 (二)混合制冷剂循环 (三)膨胀机循环级联式天然气液化流程示意图 每个制冷循环中均含有三个换热器。级联式液化流程中较低温度级的循环，将热量转移给相邻的较高温度级的循环。 该液化流程由三级独立的制冷循环组成，制冷剂分别为丙烷、乙烯和甲烷。 第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量； 第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量； 第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量，通过九个换热器的冷却，天然气的温度逐渐降低至液化。 串联蒸发冷凝循环 天然气经过三个换热器的出口温度一般为： 第一个丙烷换热器的出口273K， 第二个丙烷换热器出口为253K； 第二个丙烷换热器出口为233K； 第

13、一个乙烯换热器出口温度213K； 第二个乙烯换热器出口为193K； 第三个乙烯换热器为173K； 第一个甲烷换热器的温度出口为153K； 第二个甲烷换热器出口为133K； 第三个甲烷换热器为113K。 级联式液化流程的优点是： （1）能耗低； （2）制冷剂为纯物质，无配比问题； （3）技术成熟，操作稳定。 缺点是 （1）机组多，流程复杂； （2）附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备 （3）管道与控制系统复杂，维护不便。 这种流程目前用得较少(二)混合制冷剂循环 混合制冷剂液化流程,是以 的碳氢化合物及等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的

14、制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。 既达到了类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点，因此，这种流程自20世纪70年代以来得到了广泛的应用。 闭式混合制冷剂液化流程 开式混合制冷剂液化流程 丙烷预冷混合制冷剂液化流程 51CC 至闭式混合制冷剂液化流程示意图 开式混合制冷剂液化流程示意图 在开式液化流程中，天然气既是制冷剂又是需要液化的对象。原料天然气净化后，经压缩机压缩后达到高温高压，首先用水冷却，然后进入气液分离器，分离掉重烃，得到的液体经第一个换热器冷却后，进入第二个气液分离器。产生的液体经第二个换热器冷却并节流后，与返流气混合后为第二个换热器提供冷量。第二个气液分离器

15、产生的气体经第二个换热器冷却后，进入第三个气液分离器。产生的液体经第三个换热器冷却并节流，为第三个换热器提供冷量。第三个气液分离器产生经第三个换热器冷却后并节流后，进入气液分离器，产生的液体进入液化天然气储罐储存。 （三）丙烷预冷混合制冷剂液化流程 流程由三部分组成： (1)混合制冷剂液化流程; (2)丙烷预冷循环； (3)天然气液化回路。 在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂用于深冷和液化天然气。 (三)膨胀机循环 带膨胀机的液化流程（Expander-Cycle）,是指利用高压制冷剂通过透平膨胀及绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。 气体在膨胀集中

16、膨胀降温的同时，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机。当管路输来得进入装置的原料气和离开液化装置的商品气有自由压差时，液化流程就可能不要从“外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置的天然气液化。 流程的优点是 （1）流程简单、调节灵活、工作可靠、易启动、易操作、维护方便； （2）用天然气本身为工质时，省去专门生产、运输、储存冷冻剂的费用。 缺点是： （1）送入装置的气流须全部深度干燥； （2）回流压力低，换热面积大，设备金属投入量大； （3）受低压用户多少的限制； （4）液化率低，如再循环，则在增加循环压缩机后，功耗大大增加。 由于带膨胀机的液化流程操作比较简单，投资适中，特

17、别适用于液化能力较小的天然气液化装置。 根据制冷剂的不同，可分为氮气膨胀液化流程天然气膨胀液化流程 天然气膨胀液化流程 天然气膨胀液化流程，是指直接利用高压天然气时天然气液化的流程。 特点 功耗小：最突出的特点 只对需液化的那部分天然气脱除杂质，因而预处理的天然气量可大为减少（约占气量的20%35%）。 液化流程不能获取象氮气膨胀液化流程那样低的温度、循环气量大，液化率低。 膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大，对系统的安全性要求较高 1-脱水器 2-脱 塔 3-水冷却器 4-返回气压缩机 5、6、7-水冷却器 8-过冷器 9-储槽 10-膨胀机 11-压缩机 2CO 天然气膨胀液

18、化流程及其设备 6.3、液化气运输及液化气船种类、液化气运输及液化气船种类一、 LPG海上运输概述1. 早期的LPG运输（ 1920年代）2. 全压式LPG运输（ 30年代）3. 半压式LPG运输（50年代后期）4. 全冷式LPG运输（60年代）1.早期的LPG运输（ 1920年代） 1920年代以来液化的丙烷和丁烷已由公路和铁路运输 20 世纪 20年代改装过旧船，在甲板上安放压力容柜来储运丙烷和丁烷2.全压式LPG运输 世界上第一艘专用的 LPG 全船是英制“阿克尼塔” Agnita号 该船设计建造于 1934 年，能装载少量的丁烷和硫酸 货物装在无绝热层的压力容器舱中，在环境温度下，工作

19、压力为 0 .50MPa ，这个工作压力等于最大可能的环境温度下的货物蒸发压力（劳氏船级社认为 45 ） “阿克尼塔”的营运状态良好 1941 年被鱼雷击中沉没。 一艘同型的姐妹船随后在英国建造了，但技术上没有什么新的进展 第二次世界大战后，美国于内陆和沿海水域在驳船上装载丁烷， 1946 年在密西西比河的驳船上装运压力丙烷。 环境温度下 1.75MPa 丙烷驳船货重与舱重之比为 2:1 4 0年代末到 50年代初，由欧洲沿海地区国家之间的LPG 运输经济效益不断上升，丁烷和丙烷在民用和工业用途的增长而促进了小型液化气船的专用船设计。 整个50年代期间， LPG和类似的化工产品都是采用常温条件

20、下全压式运输。 全压式船特点 结构简单，运输容易 这种运输方式的液化气船液舱柜的重量大 液舱柜的容积的利用率也差些。 液货柜很少有超过 600m3 ，加工工艺和焊接技术存在困难 液货柜数多 连接管系变得更加复杂 LPG的冷却。液货通过冷却后降低饱和压力，其比重也就增加。 液货压力降低后，导致液货柜钢材厚度和重量相应的减轻，对一艘船来说无疑的就增加了有效载重量 二个技术问题： 使用的钢材在低温要有良好的延展性 液舱柜需有良好的绝热性能，同时在船上必须设置维持低温的装置，防止液舱内压力超过它的设计定值。 开拓这个技术领域的先驱是英国壳牌公司的技术经理卢伯格，他在全压式的液化船用其中一个液舱柜做绝热

21、和制冷的试验，取得了用制冷技术运输LPG的经验3.半压式LPG运输 采用半压式首制船“ Descartes ” ,于 1959年英国的一家船厂建成 容量 921m3 ，。 有 8 个液货舱柜 能承受0.9MPa 压力 最高温度 15 这与全压式按 1.75M Pa建造的船舶相比较，明显地显示出制冷运输液化气技术的优点。 60年代初期，许多液化石油气船是设计成半压式的 早期半压式的 LPG船 其总容积大都在 5000m3 以下 液货舱柜结构都是用碳钢制造 它能适应-5- 10 , 0.5 -0.9 MPa压力下装运液货的要求。 共同特点是装有再液化装置，使液货维持在规定的温度和压力限度内进行储运

22、 目前大多数半压式的 LPG 船，都能载运半制冷-10 液货，或全制冷-48的液货。 1962 年，第一艘全制冷式LPG船“ Bridgoston Maru ”号它有四个镍钢棱柱式 A 型独立液货柜，总舱容为 28 , 875m3，这艘船是纽约亨利 公司利用肯契（conch）国际甲烷技术设计，由日本三菱重工业株式会社在长畸（Yokohama ）船厂于 1962 年建成的。 全制冷运输方式的一个重要的新课题是：在非常低温下装运液化气，存在液化气一旦从液舱中漏泄而蔓延到周围的船体结构，会引起钢材脆效应的可能性-全制冷式的液化船设计时，增加了第二道屏壁的措施。 1964年欧洲也制成第一艘个制冷式LP

23、G船投入营运，容量 25000m34.全冷式LPG运输二、LNG海上运输概述 1845年英国法拉第成功将甲烷液化，一个世纪后，液化技术才应用于开采的天然气。 1941年美国克利夫兰建成第一座液化天然气的工厂。 早在20世纪四十年代末五十年代初，人们便开始寻求有效利用天然气的方法，但均没有成功，主要是因为当时在技术上并不具备条件 在 1915 年 5 月高德夫瑞 艾路 凯波特就公布了一项内河驳船液化气体装卸和运输”的专利，事实上凯波特早巳预先考虑到了现代气体船的许多基本特性，遗憾的是，没有人建造过这种船舶。 第一个提出天然气液化和运输的实践家是芝加哥联合畜场主席威廉 伍德先生，他相信气体能使用当

24、时掌握的技术液化、储存在陆地上的罐中，然后用驳船将其从路易斯安那州运往芝加哥，在芝加哥再将液体气化。 1952 年，伍德先生对上述构想进行了投资，他委托了一位公认的在冷藏领域中顾问工程师威拉德 茂瑞松先生组成一个小组对这一计划进行可行性研究。 在欧洲，一直到茂瑞松的活动报告发展之后的三四个月才开始有所行动，在挪威，欧文劳伦兹博士发展了 17 000 吨货容量的球形设计，并取得了挪威 DNV 船级社的承认。 在联合王国， 1954 年和 1955 年，造船工程师博耐斯 考莱特开始设计一种 14 000 吨筒柱型舱的甲烷运输船，设计最后由登尼斯通 波尼先生完成，他是当时英国有名的发明家。 1955

25、 年，贝壳组织在伦敦、海牙、阿姆斯特丹发起了一项 LNG 船的研究计划，在伦敦航运部负责全船的设计，阿姆斯特丹的试验室负责寻找合适的材料。但是，当他们的努力开始取得进展不久便又在 1956年停止了。 整个这一时期，大英气体委员会由北泰晤士气体管理局的高级工程技术人员协助，与所有甲烷船的设计者保持着密切的联系，对欧洲各种设计进行详细的分析研究，并在 1954 年 8 月访问了美国的茂瑞松，进行实地考查。 在阿尔及利亚发现了大量的资源之后， 1954 年，法国油气公司开始进行进口气体的可行性研究。 1956 年向政府提出了一份完整而详细的报告。政府反复研究之后，赞成使用船舶运输的方法，并授权软虫组

26、织进行详尽的工程研究。 五十年代，在大西洋两岸分别进行广泛的研究和发展工作，美国遥遥领先，但是在这一期间，有关 LNG 技术的可靠资料几乎没有。威拉德 茂瑞松的主要工作内容 检验密西西比一些油井中的气体，以及用驳船运输这些气体到芝加哥的可行性。 驳船运输是一个新的问题。因为船上不容易使用常规的陆用储存设备，所以船用储存设备材料便成为主要的问题。茂瑞松成员开始对所有能在-165 安全工作的材料进行调查，这些材料可简单地分为二类。 ( l ）建造材料液货舱、管系和设备。 ( 2 ）绝热材料 承荷和非承荷两种。 建造材料：不锈钢 绝热材料木材、玻璃纤维等。 绝热舱的布置，可采用以下两种办法： ( 1

27、 ）用可在 LNG 温度下工作的材料建造液舱，外面敷以足够的绝热层来保护船舶构件并减少货物的蒸发。 ( 2 ）用无特别的低温特性的材料建造液舱。内部敷设绝热层，用来隔离舱材料和货物， 在设计上两种办法都应解决一些特殊问题： 办法（ 1 ）要求液舱能自由伸缩，同时能安全地坐落在驳船之上，如果舱外设绝热层，则它必须能承受一定的载荷 办法（ 2 ）则应使绝热层在船舶全部使用寿命期间保持液密。 茂瑞松决定采用（ 2 ）种解决办法，用木材做内绝热材料。因为不使用低温材料可节省建造费用，又考虑到低温材料的焊接技术不过关， 冷杉、云杉、巴尔沙三种木材进行系列试验，以获得这三种用途广泛的木材的低温特性。 19

28、52 年 2 月报告得出结论：巴尔沙木生长快，资源丰富，生产地区在厄瓜多尔。 一年之内在密西西比的英格拉斯船厂建造了第一条试验船。设有五个竖向柱形舱，内部用巴尔沙木作绝热层，并设有双重船壳。 1953 年 3 月，茂瑞松组织给 ABS （American Bureau of Shipping 美国船级社）写信要求取得第一条 LNG 船的船级 尽管这个设计在内河运输中获得成功，但对远详运输来说，它是不可行的远详船必须考虑舱的支撑问题，船舶结构的挠曲可能会给舱施加有害的应力。然而该设计却反映出了 LNG 运输的可行性 第一条试验船“甲烷先锋号” 1957 年英国气体委员会同意加入 LNG 船建造计

29、划，于是作出建造试验船的决定 改建一艘干货船 能装运 5000m3的 LNG 在总共七次的横渡大西洋航行期间，进行了认真地观察记录，积累了大量的资料，如货舱每日气化量、温度梯度、货物情况、冷却、加热步骤、方法和时间，这些都为以后大规模商业投资的船舶设计提供了可靠的数据。远洋LNG试验船“甲烷先锋号” 第二条试验船“布尤维斯”号 1959 年 5 月拉贝先生从美国回到法国之后，决定成立甲烷运输公司来协调在法国进行的所有 LNG 船的研究和发展工作。该公司由银行、法国油气公司、气体液化公司、软虫组织、远洋气体运输公司等组成。此外他们还紧密地与四家主要船厂合作。 为了在尽早的时期内完成优良的设计，就

30、必须建造一条试验船。这种船应设有不同类型的液舱，并应进行海上的各项试验，然后进行整体评估。 为了帮助这项计划尽早成功，法国政府以极小的代价为他们提供了一条战时的自由轮“布尤维斯”号，以便他们将其改建为一条试验船。 该船在 1961 年 3 月开始改建， 1962 年 2 月完工。 该试验的成功证明 LNG 货舱可用多种方法设计，还证明甲烷船舶的建造比设计需要更多的技术知识。法国试验船的建造和试验使他们获取了大量的资料，更加丰富了他们原有的知识，这对法国船厂在后来一段时间内取得统治地位大有帮助。 三、液化气船种类三、液化气船种类 按照载运的货物以及装载条件的不同，液化气船可分成6个不同类型，即：

31、全压式运输船；半冷半压式运输船；半压全冷式运输船；全冷式液化石油气运输船；乙烯运输船；液化天然气运输船 (一)全压式运输船 货物围护系统和装卸货设备最简单 在环境温度下运载货物相应于45时丙烷的蒸汽压力 碳钢结构的C型液舱压力容器必须采用标准的设计压力1.75MPa(表压)。实际使用中还有采用较高设计压力的，1.8MPa(表压)是很普遍的，少数船也有高达2.0MPa（表压）的 无需绝热层或再液化装置，货物可用液货泵或压缩机进行卸货。 由于设计压力的缘故，货舱极其笨重。这就决定了全压式运输船趋向小型化，其最大的货舱容积为4000m3，主要用来运载液化石油气和氨。 在双层底舱和顶边水舱装载压载水。不需要次屏壁，货舱处所可用空气通风。 (一)全压式运输船压 力 式 液 化 气 船（二）半冷半压式运输船 （二）半冷半压式运输船 标准设