液化天然氣(LNG)的制備與儲存運輸

鄧志安, 周慶哲

(1.西安石油大學油氣儲運工程系，陜西 西安 710065;2.中國民航機場建設集團有限公司，陜西 西安 710075)

引 言

天然氣是當今最為干凈、環保的能源，其被應用于電廠、工業生產、生活供暖、民用燃料等多個行業[1]。但由于其氣體狀態下體積大、運輸較為不便，因此天然氣的液化工藝逐漸被人們研發出來，液化天然氣(LNG)是將氣態天然氣經超低溫液化后得到的在常壓下呈現液態的天然氣液體。液化后的天然氣處于-161.5 ℃的低溫狀態，其體積遠遠小于氣體狀態，僅僅10 m3的LNG就能滿足上萬用戶一天的生活燃氣量[2]。

1 天然氣液化工藝

如今全球天然氣產業飛速發展，而天然氣的液化又是行業的重點工藝技術，順應發展國內外天然氣液化技術層出不窮，國外較為成熟的天然氣液化技術為階式制冷工藝與混合冷劑制冷工藝兩大類型，國內則常使用膨脹循環天然氣液化技術，液化天然氣工藝方法較多，現選取幾種代表性的進行簡要概述[3]。

1.1 階式制冷工藝

階式制冷工藝是上世紀60年代隨著天然氣貿易的展開就開始投入使用的工藝流程。顧名思義此種工藝以多個不同沸點且獨立循環的制冷系統串聯，讓經預處理后的天然氣逐級通過達到冷卻、冷凝乃至液化目的，最終得到常壓下處于液態的低溫LNG產品[4]。常規制冷循環系統有甲烷、丙烷和乙烯制冷循環，每個獨立的制冷循環系統都配有壓縮機及換熱系統。階式制冷工藝流程，如圖1所示。此工藝技術最為成熟可靠，系統各部分之間相對獨立干擾小，制冷劑獲取容易無需配比，系統穩定易于操作，耗能相對較少，但系統較復雜造價高、不易維護。

圖1 階式制冷工藝流程簡圖

1.2 混合冷劑工藝

混合冷劑工藝最初是受階式制冷啟發，為降低耗能而衍生出來的新型制冷工藝，其基本原理也是利用制冷劑逐步液化天然氣，與階式不同的是此種工藝的制冷劑并非純組分，而是依據原料天然氣的特性配置的多組分混合制冷劑，并以輕組分后冷凝，重組分先冷凝的原則依次得到制冷量在去液化天然氣。根據以上原理衍生出多種液化流程：

1)CⅡ-2工藝是一種新工藝，即保留了階式制冷工藝易于操作、純組分無需相分離的優點又包含混合冷劑系統設備簡單，耗能相對較低的優勢。其特點是在一體式冷箱中布置多個新型高效的換熱器，因此系統結構相對簡單、緊湊，冷箱可采用模塊式設計批量生產后整體運輸到現場安裝、更為便捷，加快現場施工進度[5]。

2)法國研發的Liquefin天然氣液化新技術為全球天然氣市場奠定基礎。系統采用兩級密閉制冷循環，以混合冷媒代替純組分作為冷源，進入液化段的溫度點更低，便于制冷劑的全冷凝，避免傳統混合劑需要相分離、不易控制動力平衡的缺點，同樣設備布局緊湊，實踐證明其生產能力較傳統工藝提升近20%，而成本卻降低25%左右。Liquefin工藝流程圖，如圖2所示。

圖2 Liquefin工藝流程簡圖

1.3 膨脹循環工藝

其工作原理是利用膨脹機將高壓的制冷劑進行等熵膨脹，此種技術能夠滿足頻繁快速啟停調節需求。而以天然氣本身、氮氣以及氮和甲烷組合氣體為制冷劑的工藝各具特色，適用于不同條件下的天然氣液化，但其總體特點是工藝設備簡單、裝置啟停響應迅速，運行較為靈活，膨脹循環工藝原理圖，如圖3所示。

圖3 膨脹循環工藝流程簡圖

2 LNG的儲存與運輸

液態天然氣較氣態體積更小，熱值更高，且便于儲存和運輸。

2.1 LNG的儲存

LNG因其常壓下沸點極低的特性，其儲存方式可分為：儲罐常低溫下常壓儲存和子母罐帶壓帶壓式儲存[6]。其中前種儲存工藝較為復雜但投資較低，而另一種儲存方式則正好預制相反。當需要生產和運輸量較大時還可采用液化天然氣站的形式儲存并運輸，現今我國具有多個LNG站，肩負著從天然氣的預處理、液化到儲存、輸送的重任。國內LNG站儲量，如表1所示。

表1 國內LNG站儲量

2.2 LNG的運輸

LNG的運輸主要采用以下幾種形式：

1)槽車運輸：技術成熟，適用于路程短、數量小的LNG輸送。包含壓力輸送和液泵輸送。前者利用增壓設備(見圖4)汽化LNG返回儲罐增壓產生壓差擠壓LNG輸出，后者則利用低溫泵(見圖5)為LNG增壓裝車。

圖4 LNG增壓設備

圖5 低溫液體泵

2)船運：運送LNG的船舶要求科技含量高，且普遍為大型船舶，需進行防爆安全處理。

3)管道輸送：適用于數量大、路程長的LNG輸送。此種運輸方式對管道材質的要求較高，要具有良好的機械強度、低溫下抗沖擊、耐壓和抗震等要求。但其輸送效率高，由于LNG的高密度特性使得管道直徑相對較小，與其他輸氣管道相比造價相對較低[7]。

3 結語

隨著科技發展和環保要求的提高，我國對天然氣這種干凈能源的需求更為迫切，“西氣東輸”工程雖然暫時解決了東部天然氣不足的問題，但我國天然氣儲量早已不能滿足與日俱增的需求，探測天然氣新氣源才是決絕這一問題的有力手段。先進的天然氣液化技術及其相應設備對天然氣產業發展也至關重要，多年來國外LNG技術蓬勃發展，反觀國內研發技術較為薄弱，開發我們自主研發的相關設備及技術，是實現LNG大型關鍵設備國產化、技術先進化的必要手段。