LNG接收站及其工藝發展現狀

劉名瑞，陳天佐

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LNG接收站及其工藝發展現狀

劉名瑞，陳天佐

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源在國際能源貿易中占有重要地位，而接收站是LNG的重要基礎設施，對于促進LNG貿易具有關鍵作用?？偨Y國內外LNG接收站發展及現狀，比較LNG接收站的兩種主要處理工藝及流程，分析現有LNG接收站工藝中能耗偏高、操作困難等問題及相關優化方案，并對我國LNG接收站技術研究中需要關注的幾個方面提出建議。

液化天然氣；LNG接收站；工藝流程; 工藝優化

液化天然氣（LNG）是對從油氣田開采出來的天然氣采用一系列凈化工藝處理，如去雜、脫水、脫重烴、脫酸性氣體等，再通過外部制冷等手段將其液化而成。這種天然的可燃氣體主要成分是甲烷，在-162 ℃下可轉化成為液態，體積減小600倍。液化天然氣的熱值高，在工業和民用領域是優質的燃料；儲存效率低，但是占地少；相對于氣態，其儲存和運輸成本較低，且適宜遠距離運輸；具有燃氣調峰站的作用，有利于城市供氣負荷的平衡調節[1,2]。據國際能源機構預測，在2010年，LNG的交易量在世界天然交易市場上的比重已達到30 %，預計到2020年其比重可增至40 %，約為天然氣消費量的15 %。而天然氣的消費量將以年2%~3%的速度穩定增長[3]。

1 國外LNG工業的發展概述

1914年美國克利夫蘭市建造了世界上第一個商業運營的液化天然氣工廠,從此天然氣液化技術迅速發展，裝置規模也在逐步擴大。1959年美國搭建了世界上第一個LNG儲罐，促使LNG接收站工藝陸續開發和進步。經過五十多年的發展，液化天然氣接收站的全面建設使得LNG供給國際化[4]。從國家能源戰略角度來看，進口LNG有助于能源消費國穩定能源供應、保障能源安全、實現供應結構多元化、保護環境；而出口LNG有助于天然氣生產國充分開發天然氣資源、促進國民經濟發展、增加外匯收入，液化天然氣貿易在世界能源市場上日漸活躍[5]。因此，世界上一些發達國家和地區都在積極開展液化天然氣工業的建設。

1964年全球第一座LNG工廠在阿爾及利亞建成并投入生產，將產出的液化天然氣出口至法國和英國，標志著世界LNG貿易的開始。亞洲LNG的商業運作始于日本，1968年，東京燃氣公司和東京電力公司率先從美國阿拉斯加進口液化天然氣。1970年非洲在利比亞建成第一個LNG工廠，主要的出口地區是西班牙、意大利等歐洲市場。1972年文萊成為亞洲第一個液化天然氣生產國，其生產的液化天然氣主要出口國是日本。

表1為截止至2013年6月，全球的LNG接收站的統計數據。從表中數據可以看出日本是擁有接收站最多的國家，共擁有30個接收站，其次是美國。從修建時間上看，1990年以后接收站數量增速最快，而且很多新興國家也加入進口LNG的行列，比如中國和印度。

表1 LNG接收站統計數據

從LNG供應來看，印度尼西亞、卡塔爾等國家的液化天然氣供應量占全球總量的50 %，對外出口至少還能維持20 a。另一方面，據調查世界上約70 %的天然氣儲于俄羅斯的西伯利亞西部和中東波斯灣地區，因此在全球范圍內天然氣供應增長較快的地區主要是中東國家和俄羅斯[6]。2006年卡塔爾已經超越印度尼西亞成為世界上最大的LNG出口國，主導著中東地區的LNG供應；預計到2018年，澳大利亞有望取代卡塔爾，在亞太地區的LNG供應中發揮很大的作用。未來10～15 a，液化天然氣的生產和出口國家和地區將不斷增加。例如特立尼達和多巴哥、尼日利亞、埃及、卡塔爾和澳大利亞都將擴大LNG出口。

從LNG需求來看，2011年在全球天然氣消費增長普遍緩慢的背景下，天然氣貿易的增長速度明顯放緩，而液化天然氣貿易量卻增長顯著，漲幅為10.1 %，在全球天然氣市場的份額達到32.3 %。日本作為最大的液化天然氣進口國， 其進口量占全球總量的40 %。由于頁巖氣大規模開發生產,美國將可能成為LNG最大凈出口國；而中國、印度等新興的液化天然氣消費市場將成為亞太地區新的LNG需求主力。此外， LNG供應國自身的經濟發展戰略促使其自身的需求量不斷快速增加。

2 我國LNG接收站的發展情況

我國國內天然氣資源有限，天然氣的需求量遠遠超過我國現有天然氣的產量，并且隨著我國經濟的不斷增長和能源供應的緊張，天然氣的供需缺口越來越大。引進LNG已經成為我國解決能源供應問題，實現經濟和社會的可持續發展的重要戰略和有效途徑。

我國對于液化天然氣的研究起步較晚，1973年中科院低溫中心聯合幾家天然氣公司共同研制了兩臺天然氣液化設備，標志著我國液化天然氣技術應用的開始。

20世紀90年代中期，為了開發和利用陜北氣田的邊緣單井，長慶石油勘探局建造了一座示范性液化天然氣工廠；20世紀90年代末，上海建立了我國第一座液化天然氣事故調峰站，以便于對東海天然氣早期的開發和利用[7]。

2001年，中原油田成功搭建了我國第一座具有生產能力的小型天然氣液化裝置以滿足城市生活和生產能源供給的需求，這標志我國邁出了液化天然氣生產的關鍵一步。2002年新疆廣匯集團開始投資建設LNG項目，在新疆建設一座百萬級的液化天然氣工廠，通過槽車將其生產的液化天然氣運送到各地，支援國家“西氣東輸”主干管網以外的其他地區。該LNG工程目前是我國最大的液化天然氣生產基地。2004年6月，國家發改委制定了《關于我國液化天然氣進口方案的建議》，提出在廣東，福建，山東，浙江，上海，江蘇等沿海地區建設若干LNG接收碼頭和輸氣干線[6]。2006年6月，廣東大鵬LNG 項目作為中國首個LNG項目啟動，我國進口液化天然貿易也從此開始。在隨后的幾年里，我國沿海地區先后建起LNG接收站，以提高我國對LNG的進口和輸送能力，實現我國能源供應的多元化。

表2所示為中國已投用、建設中和認證中的LNG接收站情況。由此可見，我國LNG工業已形成了一定規模。隨著液化天然氣接收終端工程的全面建設，中國液化天然氣產業已經進入了蓬勃發展的時期，接收終端在沿海地區正在快速強勁發展，潛力大，進步快。但是在技術層面上，我國的LNG工藝仍然主要依賴于國外的技術，國內在LNG的專用設計、施工安裝、運行管理等方面仍欠成熟。

3 LNG接收站工藝

LNG接收站是一項投資十分巨大、上下游各環節聯系十分緊密的鏈狀系統工程[8]。LNG接收站工程主要包括LNG卸船、儲罐、氣化外輸系統、冷能利用裝置和其他配套設備。LNG接收站類型按工藝劃分有兩種：再冷凝工藝和直接輸出工藝。再冷凝工藝是先將蒸發氣（BOG）壓縮到一定的較低壓力后輸送至再冷凝器，LNG從儲罐中加壓后也進入再冷凝器中進行循環。利用LNG增壓后的過冷量，使蒸發氣再冷凝，冷凝后的LNG與直接從儲罐中輸出的LNG經高壓輸送泵加壓后，經氣化器氣化后外輸。直接輸出工藝是用壓縮機將接收站內的蒸發氣直接增加至外輸壓力，與氣化后的NG混合后外輸。由于外輸管道氣體壓力均較高(外輸管道設計壓力達10.0 MPa)，且接收站蒸發氣量較大，尤其卸船時將產生大量蒸發氣，由此所需BOG壓縮機功率較大，能耗高。相比于液體，對氣體加壓需要消耗的能量更多，工藝也更加復雜，因此大部分接收站向高壓管網輸送時都采用BOG再冷凝工藝。該工藝的核心是增加了再冷凝器，它為BOG與LNG接觸進行熱交換提供了足夠的空間，以確保足夠的接觸時間來利用加壓后LNG的過冷量能將全部BOG液化，另外它還可以作為液體高壓泵入口的緩沖罐，保持高壓泵入口壓力穩定，防止汽蝕。

表2 中國已投用、建設中和認證中的LNG接收站

4 LNG接收站工藝存在的問題

目前，LNG工藝最主要的問題仍是LNG在運輸和儲罐存儲過程中會產生大量的BOG，如何將這些BOG轉化為LNG是現有兩種基本工藝的核心。首先，從耗能的角度來看，若是BOG直接壓縮工藝，氣體壓縮的能耗較大，對設備的損耗也很大；若是BOG再冷凝工藝，雖然耗能會降低，但是再冷凝器中LNG的液位隨著LNG在外輸用量的變化而存在波動，液位難控制影響整個工藝流程。再冷凝器的液位高時，會使LNG進入NG系統；液位低時有可能致使高壓泵抽空。

其次，從BOG 的利用角度來看，在不同工況下BOG產生量差別也很大。天然氣下游用戶的用氣量波動與季節及時段變化密切相關，這就使得LNG再冷凝接收站的操作負荷點波動頻繁且波動幅度大。當LNG外輸量低時，產生的BOG增加，再冷凝器中用來冷凝BOG的冷量不足，此時就需要對再冷凝器進行加壓來提高LNG的過冷度，造成系統能耗的增加。但是當設備達到承壓極限時，未被液化的BOG只能通過外排燃燒掉，造成資源浪費。

另外，從LNG工藝系統的操作來看，天然氣下游輸氣消耗量的波動幅度過大或波動頻繁時，操作控制困難以及靈敏度不高。工藝參數能否滿足為再冷凝系統的自動化控制提供有效而穩定的控制是工藝控制系統的關鍵。而且控制系統的靈活性以及響應速度也會影響整個工藝流程。

5 LNG接收站工藝優化

2009年，楊志國等[9]針對再冷凝器中的液位和壓力難控制的問題，對LNG接收站再冷凝工藝優化條件進行了研究并對壓縮機部分進行了工藝優化。先通過對BOG熱交換預冷隨后再增壓，使BOG進入再冷凝器的溫度降低來減少冷凝BOG所需要LNG的冷量，從而實現降低壓比的目的。優化后整個再冷凝工藝的能量消耗降低了32.5%。2010年華南理工大學發明了一種可以利用加壓后LNG的冷量循環，用于蒸發氣冷凝回收的天然氣接收站工藝，并配備了相應的回收方法[10]。在該工藝中，再冷凝器分為垂直冷凝塔以及高壓泵緩沖槽兩個部分，并且BOG先通過預冷換熱器冷卻降溫,而后再在再冷凝器中進行液化。該設計不僅實現了降低能耗，而且使接收站對輸氣負荷波動具有了良好的適應性。操作控制系統簡便而且穩定。

另一方面可通過優化LNG接收站再冷凝器設計提高接收站性能。魯珊等[11]從再冷凝器的構造和控制原理分析比較了江蘇LNG接收站和KOGAS公司采用的兩種再冷凝器。前者采用的是目前普遍使用的再冷凝器，壓力及液位的控制主要通過旁路壓力控制閥，同時由BOG壓縮機的負荷、再冷凝器的補氣閥和放空閥輔助控制綜合實現。而KOGAS公司采用的再冷凝器是雙殼雙罐設計，通過BOG進入再冷凝器的環隙空間來控制壓力，并通過調節LNG進入再冷凝器的量來控制液位。后者在控制方面比較有優勢，但前者的設計相對簡單經濟，成本低。

針對現有LNG接收站工藝中BOG的再液化耗能較大，且當用氣負荷波動過大時，工藝操作和控制困難等問題，李亞軍等[12]在保持原有冷凝器結構的情況下實現對再冷凝的控制系統的優化，通過軟件程序節省優化成本。優化的控制系統能夠避免液位變化對再冷凝器增加的BOG壓縮機虛功，使得壓縮機功耗降低24 %。

2011年中國寰球工程公司公開了一種包括LNG卸船、儲存、加壓及氣化外輸、BOG冷凝和LNG裝車、裝船等的全系統液化天然氣接收站[13]，用以提高LNG接收站的運行范圍和適應能力。另外，該公司還發明了一種循環系統[14]，采用液氮對從BOG壓縮機出來的BOG進行液化回收，實現BOG的零排放。2012年廣東寰球廣業工程有限公司發明了一種適用于中低壓輸出的接收站工藝[15]。

在LNG儲罐中增加若干高壓泵井，在泵井中安裝高壓泵，直接將液化天然氣從儲罐泵井中加壓泵出，氣化后直接通往天然氣中壓管網。該過程中產生的BOG通過壓縮機加壓后輸送至低壓管網。該發明通過儲罐內的泵井實現了高壓泵入口壓力的穩定、解決了高壓泵汽蝕的問題。另外，取消了再冷凝器，簡化了工藝流程，從設備、控制、投資等方面實現了節能降耗、操作簡單的目的。

2013年，日本株式會社IHI公司發明了一種LNG氣化設備[16]，用氮對LNG進行熱交換實現氣化，交換后的氮仍具有冷量可重復用于降低BOG的生成量。該設計使用一系列的方案將LNG的冷量用于儲罐中抑制BOG的生成，而升溫后的LNG同樣可用于氣化設備。該工藝還可用于LNG儲罐被設置在不能夠利用海水進行氣化的內陸上的情況。

6 結語及建議

LNG是一種便于存儲和運輸的清潔能源，世界各國都在大力發展LNG工業。它不僅可以優化能源結構，緩解能源短缺的問題，還可以促進國民經濟的發展。國外的液化天然氣工業已經發展到成熟階段，而現階段我國的接收站工藝仍主要依靠國外的先進工藝作為技術支持，但是也在短時期內取得了蓬勃的發展并且發展潛力巨大。為適應我國LNG工業高速發展的需要，應加強以下幾方面的研究：

（1）制定和頒發我國統一的LNG設計、施工規范，便于監管LNG工程建設的各項安全指標。目前我國沒有LNG專用的國家標準規范，各企業制定的相關建設運行體系多數優先考慮為企業標準。

（2）合理的規劃和建設LNG接收站。接收站的合理分布以及天然氣發電廠等配套項目的建設和LNG冷能利用工程的建設，不僅可以避免電氣分配不均等問題,而且還可以避免投資浪費。

（3）加強LNG接受終端的工藝設計及優化能力。研究人員應大力提高LNG各類型接收站的設計能力，開發具有自主知識產權的接受終端工藝流程，在保證接收站安全經濟運行的同時，帶動LNG相關技術的進步，滿足國民經濟可持續發展和保障我國國內能源供應的需求。

（4）強化對LNG相關設備及其結構、材料、儀表等的開發和優化，以降低生產成本。目前，我國在設備的設計和制造領域仍和國外有一定差距，國內 LNG項目中所用的設備及材料多數采用國外進口，如能自主研制安全可靠的材料及設備，可大大降低建設成本。

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Development and Status of LNG Terminal Industry

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（ Sinopec Funshun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China）

As a clean energy，liquefied natural gas (LNG) plays an important role in the international energy trade, and the construction of LNG terminals is key to promoting the development of LNG trade. In this paper, firstly the domestic and foreign development and present situation of LNG terminal were reviewed, and then two main processes were compared. The optimal solutions for the problems of high energy consumption and difficult operation were focused, and some suggestions were put forward.

Liquefied natural gas (LNG); LNG terminal; Technological process; Optimization

TE 624

A

1671-0460（2014）06-1056-04

中國石油化工集團公司資助項目。

2014-04-01

劉名瑞（1985-），女，吉林白城人，助理工程師，碩士，2012年畢業于天津大學化學工藝專業，現從事LNG工藝優化等技術工作。E-mail：liumingrui.fshy@sinopec.com。