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        LNG相關基本知識(一)

        LNG相關知識(一)

        液化天然氣 (LNG)已成為目前無法使用管道天然氣城市的主要氣源之一,也是許多使用管道天然氣城市的補充氣源或調峰氣源。本文主要介紹與液化天然氣有關的基礎知識,從接收LNG到氣化的工藝流程、LNG氣化站常見主要設備、運行維護和搶修等。


        第一節 液化天然氣基礎知識


        天然氣在常壓下,當冷卻至約-162℃時,則由氣態變成液態,稱為液化天然氣(英文 Liquefied Natural Gas, 簡稱LNG)。LNG 的主要成份為甲烷,還有少量的乙烷、丙烷以及氮等。

        天然氣在液化過程中進一步得到凈化,甲烷純度更高,幾乎不含二氧化碳和硫化物,且無色、無味、無毒。

        一、LNG的性質

        (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天然氣體積的1/600。

        (二)沸點

        沸騰是在一定溫度和壓力下液體內部和表面同時發生汽化的現象。液體沸騰時候的溫度被稱為沸點。LNG的沸點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

        LNG是在沸騰狀態下儲存于絕熱儲罐中的。任何傳導至儲罐中的熱量都會導致部分LNG蒸發為氣體,這種氣體稱為蒸發氣,其組分與LNG的組分有關。當LNG蒸發時,由于氮和甲烷的沸點較低,因此氮和甲烷首先從液體中氣化。一般情況下,蒸發氣中包括約20%的氮、80%的甲烷和微量的乙烷,蒸發氣含氮量是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,氣相的壓力不斷升高,當液體和氣體達到平衡狀態時,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,大量液體蒸發到氣相中去的現象稱為閃蒸。

        當容器或管道中的LNG壓力突然降至其飽和蒸汽壓以下時,也會發生閃蒸現象。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。作為指導性數據,在壓力為100kPa~200kPa時,壓力每下降lkPa,1m3的液體產生大約0.4 kg的氣體。

        (五)LNG的溢出、膨脹和擴散 

        LNG傾倒至地面上時(例如事故溢出),最初會猛烈沸騰,然后蒸發速率將迅速衰減至一個固定值,該值取決于地面的熱性質和周圍空氣供熱情況。當溢出發生在水上時,水中的對流非常強烈,足以使所涉及范圍內的蒸發速率保持不變,LNG的溢出范圍將不斷擴展,直到氣體的蒸發總量等于泄漏的LNG總量。

        最初,蒸發氣體的溫度幾乎與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層面流動,直到氣體從大氣中吸熱升溫后為止。當LNG的溫度在-107℃時,其密度接近空氣的密度,當溫度繼續升高時,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生“霧”云。當這種“霧”云可見時(在白天且沒有自然界的霧),此種可見“霧”云可用來顯示蒸發氣體的運動,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生溢出時,LNG將以噴射流的方式進入大氣中,且同時發生膨脹和蒸發。這一過程與空氣強烈混合同時發生。大部分LNG最初作為空氣溶膠(由固體或液體小質點分散并懸浮在氣體介質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一步混合而蒸發。

        (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、煙的發散情況以及測量方法。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間內從LNG容器中釋放的過程,除非采取預防措施或對容器進行特殊設計,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生單元間的傳熱、傳質及液體表面的蒸發,單元之間的密度將達到均衡并且最終混為一體,這種自發的混合稱之為翻滾。

        (八)相變

        當溫度不同的兩種液體在一定條件下接觸時,有時會發生相變,可產生爆炸力。當LNG與水接觸時,這種稱為快速相變的現象就會發生。盡管不發生燃燒,但是這種現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,如果由于壓力系統失效而突然獲得釋放,將以極高的速率蒸發,這種現象叫做沸騰液體膨脹蒸氣爆炸。

        二、 天然氣的液化

        (一)天然氣預處理

        作為液化裝置的原料氣,首先必須對天然氣進行預處理。天然氣的預處理是指脫除天然氣中的硫化氫、二氧化碳、 水分、重烴和汞等雜質,以免這些雜質腐蝕設備或在低溫下凍結而堵塞設備和管道。

        (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.  級聯式液化流程

        2.  混合制冷劑液化流程

        3.  帶膨脹機的液化流程

        這樣的劃分并不是嚴格的,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合流程。

        三、天然氣制冷工藝簡介

        常見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制冷工藝。對于天然氣液化過程,一般是由丙烷、乙烯和甲烷為制冷劑的3個制冷循環階組成,逐級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個制冷循環的冷卻器中逐級冷卻、冷凝、液化并過冷,經節流降壓后獲得低溫常壓液態天然氣產品,送至儲罐儲存。

        階式制冷工藝制冷系統與天然氣液化系統相互獨立,制冷劑為單一組分,各系統相互影響少,操作穩定,較適合于高壓氣源(利用氣源壓力能)。但由于該工藝制冷機組多,流程長,對制冷劑純度要求嚴格,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純組分。其制冷劑組成根據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、節流、蒸發得到不同溫度級的冷量。又據混合制冷劑是否與原料天然氣相混合,分為閉式和開式兩種混合制冷工藝。

        閉式循環:制冷劑循環系統自成一個獨立系統?;旌现评鋭┍恢评鋲嚎s機壓縮后,經水(空氣)冷卻后在不同溫度下逐級冷凝分離,節流后進入冷箱(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“三脫”處理后,進入冷箱(換熱器)逐級冷卻冷凝、節流、降壓后獲得液態天然氣產品。

        開式循環:原料天然氣經“三脫”處理后與混合制冷劑混合,依次流經各級換熱器及氣液分離器,在逐漸冷凝的同時,也把所需的制冷劑組分逐一冷凝分離出來,按制冷劑沸點的高低將分離出的制冷劑組分逐級蒸發,并匯集構成一股低溫物流,與原料天然氣逆流換熱的制冷循環。開式循環系統啟動時間較長,且操作較困難,技術尚不完善。

        第二節 LNG場站工藝流程 

        LNG場站常見有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輸的LNG進行卸氣、儲存、氣化、調壓、計量和加臭,并送入城鎮燃氣輸配管道功能的場站,常用于無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存及供氣設施,其供氣規模小,主要用于小區或單個工業用戶的供氣。本節重點對氣化站工藝流程進行詳細分析,并簡單介紹瓶組站的工藝流程。

        一、 LNG氣化站工藝流程

        1 LNG氣化站工藝流程

        LNG氣化站是下游LNG應用時采用的主要模式,主要作用是儲存、氣化LNG。它包括卸車臺、低溫儲罐、增壓系統、氣化系統及調壓、計量和加臭系統。本段重點介紹LNG氣化站的卸車工藝、儲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LNG氣化站的工藝流程見圖1。

        (一) LNG卸車工藝

        LNG通過公路槽車或罐式集裝箱車從LNG液化工廠、海運接收終端運抵用氣城市LNG氣化站,經過汽車衡稱重計量。用金屬軟管將槽車與卸車臺相應管線連接,利用站內卸車增壓氣化器給槽車進行增壓,使槽車與LNG儲罐之間形成一定的壓差,利用此壓差將槽車中的LNG卸入氣化站儲罐內。卸車結束時,通過卸車臺氣相(BOG)管道回收槽車中的氣相天然氣,見圖2。

        卸車時,為防止LNG儲罐內壓力升高而影響卸車速度,采用不同的卸車方式。當槽車中的LNG溫度低于儲罐中LNG的溫度時,采用上進液方式。槽車中的低溫LNG通過儲罐上進液管噴嘴以噴淋狀態進入儲罐,將部分氣體冷卻為液體而降低罐內壓力,使卸車得以順利進行。若槽車中的LNG溫度高于儲罐中LNG的溫度時,采用下進液方式,高溫LNG由下進液口進入儲罐,與罐內低溫LNG混合而降溫,避免高溫LNG由上進液口進入罐內蒸發而升高罐內壓力導致卸車困難。

        實際操作中,由于目前LNG氣源地距用氣城市較遠,長途運輸到達用氣城市時,槽車內的LNG溫度通常高于氣化站儲罐中LNG的溫度,因此采用下進液方式。

        2  增壓卸車工藝流程

        (二)儲罐自動增壓工藝

        隨著儲罐內LNG不斷流出到氣化器,罐內壓力不斷降低,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罐補充氣體,將罐內壓力維持在一定范圍內,才能使LNG氣化過程持續下去。儲罐的增壓是利用自動增壓調節閥和自增壓空溫式氣化器實現的。當儲罐內壓力低于自動增壓閥的設定開啟值時,自動增壓閥打開,儲罐內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經過與空氣換熱氣化成氣態天然氣,然后氣態天然氣流入儲罐內,將儲罐內壓力升至所需的工作壓力。在自增壓過程中隨著氣態天然氣的不斷流入,儲罐的壓力不斷升高,當壓力升高到自動增壓調節閥的關閉壓力時,自動增壓閥關閉,增壓過程結束。隨著氣化過程的持續進行,當儲罐內壓力又低于增壓閥設定的開啟壓力時,自動增壓閥打開,開始新一輪增壓。

        (三)LNG的氣化和加熱工藝


        LNG從儲罐流向空溫式氣化器氣化為氣態時,受環境溫度的影響很大。在夏季空溫式氣化器天然氣出口溫度可達15℃以上,可直接進管網使用。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,冬季時氣化器出口天然氣的溫度(比環境溫度低約10℃)遠低于0℃而成為低溫天然氣,氣化后的天然氣還需再經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。


        通常設置兩組空溫式氣化器組,相互切換使用。當一組使用時間過長,氣化器結霜嚴重,導致氣化器氣化效率降低,出口溫度達不到要求時,人工(或自動或定時)切換到另一組使用,本組進行自然化霜備用。

        (四)自然蒸發工藝

        BOG是英文B0il Off Gas的縮寫,即自然蒸發天然氣。LNG在儲罐中儲存和在管道流動的過程中,由于熱量的傳入,總有一部分LNG要氣化成氣態的天然氣,這將使儲罐和管道的壓力上升,為了保證運行的安全和對天然氣的充分利用,將槽車、儲罐和管道產生的BOG經降壓調節閥和安全閥匯入BOG總管,然后通過BOG加熱器加熱后送至輸配管網。

        (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。低溫系統安全閥放空的全部是低溫氣體,在大約-113℃以下時,天然氣的重度大于常溫下的空氣,排放不易擴散,會向下積聚。因此需設置一臺空溫式放散氣體加熱器,放散氣體先通過該加熱器,經過與空氣換熱后的天然氣比重會小于空氣,高點放散后將容易擴散,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

        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到站內,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;在氣化器中液態天然氣氣化并加熱:然后通過調壓器調壓至所需壓力,經計量后送往用戶。LNG瓶組供氣工藝設置使用和備用兩組鋼瓶,且數量相同,當使用側的LNG鋼瓶的液位下降到規定液面時,應及時切換到備用瓶組一側,切換下來的空鋼瓶也應及時罐裝備用。天然氣本身無色無味的,作為城市燃氣,應按規定進行加臭。如LNG瓶組供氣工藝應用在北方寒冷地區時,在天然氣進管網之前還有加熱升溫裝置,見圖3。

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