LNG基本参数 天然气在常压下，当冷却至约-162℃时，则由气态变成液态，称为液化天然气（英文 Liquefied Natural Gas, 简称LNG）。 天然气是一种混和物，其组分随气田不同而异，主要成分有甲烷、氮及C2～C5的饱和烷烃，另外还含有微量的氦、二氧化碳及硫化氢等，通过制冷液化后，LNG就成为含甲烷（96％以上）和乙烷（4％）及少量C3～C5烷烃的低温液体。LNG是由天然气转变的另一种能源形式。 LNG的物化性质 1）LNG的主要成份为甲烷，化学名称为CH4，还有少量的乙烷C2H6、丙烷C3H8以及氮N2等其他成份组成。 2）临界温度为-82.3℃，临界压力为45.8kg/cm3。 3）沸点为-162.5℃，熔点为-182℃，着火点为650℃。 4）液态密度为0.430T/m3，气态密度为0.688kg/Nm3。 5）气态热值9100Kcal/m3，液态热值12000Kcal/kg。 6）爆炸范围：上限为15%，下限为5%。 7）华白指数(W)44.94MJ/Nm3。 8）燃烧势(CP)45.18。 9）辛烷值ASTM： 130（研究法）。 10）无、无味、无毒且无腐蚀性。 11）体积约为同量气态天然气体积的1/625
1.LNG的生产、运输、储存 LNG的生产工艺一般分以下三种：一是阶式混和制冷工艺，二是混和阶式制冷工艺，三是压缩、膨胀制冷工艺。LNG工厂主要设备有压缩机、膨胀机、换热器、分离器、低温储罐、低温泵、低温槽车等。 LNG的运输方式主要有轮船、火车。汽车槽车等方式。在500～800公里经济运输半径范围内，采用汽车槽车运输LNG是比较理想的方式。槽车罐体采用双壁真空粉未绝热，配有操作阀安全系统及输液软管等。国内低温液体槽车的制造技术比较成熟，槽车使用安全。 LNG产品采用深冷液体储罐储存，液体储罐为双壁真空粉未绝热，LNG的日蒸发率可控制在0.46%之内，储存周期为4天。 2．LNG气化站的工艺流程概述 LNG由槽车运至气化站，利用LNG卸车增压器使槽车内压力增高，将槽车内LNG送至LNG低温储罐内储存。当从LNG储罐外排时，先通过储罐的自增压系统，使储罐压力升高，然后打开储罐液相出口阀，通过压力差将储罐内的LNG送至气化器后，经调压、计量、加臭等工序送入市政燃气管网。当室外环境温度较低，空温式气化器出口的天然气温度低于5℃时，需在空温式气化器出口串联水浴式加热器，对气化后的天然气进行加热。 3. LNG的储存 ① 储罐容积的确定 储罐的总容积通常按3～7d高峰月平均日用气量来确定，还应考虑长期供气气源厂的数量、检修时间、运输周期及用户用气波动等因素，工业用气量要根据用气设备性质及生产的具体要求确定。若只有一个气源厂，则储罐的总容积应考虑在气源厂检修期间能保证正常供气。 ② LNG的储存方式 储罐是LNG气化站的主要设备，直接影响气化站的正常生产，也占有较大的造价比例。按结构形式可分为地下储罐、地上金属储罐和金属预应力混凝土储罐[2]。对于LNG储罐，现有真空粉末绝热型储罐、正压堆积绝热型储罐和高真空层绝热型储罐，中、小型气化站一般选用真空粉末绝热型低温储罐。储罐分内、外两层，夹层填充珠光砂并抽真空，减小外界热量传入，保证罐内LNG日气化率低于0.3%[3]。 4. LNG的气化 气化装置是气化站向外界供气的主要装置，设计中我们通常采用空温式气化器，其气化能力宜为用气城镇高峰小时计算流量的I.3～1.5倍，不少于2台，并且应有1台备用。当环境温度较低时，空温式气化器出口天然气温度低于5℃时，应将出口天然气进行二次加热，以保证整个供气的正常运行。一般天然气加热器采用水浴式加热器。 5. BOG与EAG(安全放散气体)的处 BOG主要来源于LNG槽车回气和储罐每天0.3%的自然气化。现在常用的槽车容积为40m3，回收BOG的时间按照30min计算，卸完LNG的槽车内气相压力约为0.55MPa，根据末端天然气压力的不同，回收BOG后槽车内的压力也不同，一般可以按照0.2MPa计算。回收槽车回气需要BOG加热器流量为280m3/h，加LNG储罐的自然蒸发量，则可计算出BOG加热器流量。LNG的储存温度为-163℃，即BOG的温度约为-163℃，为保证设备的安全，要将BOG加热到15℃。根据流量和温度可以确定BOG加热器的规格。回收的BOG经过调压、计量、加臭后可以直接进入管网，如果用户用气非连续则需要设置BOG储罐进行储存。 EAG主要是在设备或管道超压时排放。当LNG气化为气体天然气时，天然气比常温空气轻时的临界温度为-110℃。为防止EAG在放散时聚集，则需将EAG加热至高于-110℃后放散。容积为100m3的LNG储罐选择500m3/h的EAG加热器，最大量放散时出口温度不会低于-15℃。 3 .LNG气化站的主要工艺设备简介 3.1 LNG储罐 3.1.1 LNG储罐结构形式 LNG储罐按结构形式可分为地下储罐、地上金属储罐和金属／预应力混凝土储罐3类。地上LNG储罐又分为金属子母储罐和金属单罐2种。金属子母储罐是由3只以上子罐并列组装在一个大型母罐(即外罐)之中，子罐通常为立式圆筒形，母罐为立式平底拱盖圆筒形。子母罐多用于天然气液化工厂。城市LNG气化站的储罐通常采用立式双层金属单罐，其内部结构类似于直立的暖瓶，内罐支撑于外罐上，内外罐之间是真空粉末绝热层。储罐容积有50 m3。和100 m3。，多采用100 m3储罐。 对于100 m3。立式储罐，其内罐内径为3 000mm，外罐内径为3 200 mm，罐体加支座总高度为17 100 mm，储罐几何容积为105．28 m3。 3.1.2设计压力与计算压力的确定 目前绝大部分100 m3。立式LNG储罐的最高工作压力为O．8 MPa。按照GB 150《钢制压力容器》的规定，当储罐的最高工作压力为0．8 MPa时，可取设计压力为0．84 MPa。储罐的充装系数为0．95，内罐充装LNG后的液柱净压力为0．062 MPa，内外罐之间绝对压力为5 Pa，则内罐的计算压力为1．01 MPa。 外罐的主要作用是以吊挂式或支撑式固定内罐与绝热材料，同时与内罐形成高真空绝热层。作用在外罐上的荷载主要为内罐和介质的重力荷载以及绝热层的真空负压。所以外罐为外压容器，设计压力为一0．1 MPa。 3.1.3LNG储罐的选材 正常操作时LNG储罐的工作温度为一162．3℃，第一次投用前要用一196℃的液氮对储罐进行预冷，则储罐的设计温度为一196℃。内罐既要承受介质的工作压力，又要承受LNG的低温，要求内罐材料必须具有良好的低温综合机械性能，尤其要具有良好的低温韧性，因此内罐材料采用0Crl8Ni9，相当于ASME(美国机械工程师协会)标准的304。 根据内罐的计算压力和所选材料，内罐的计算厚度和设计厚度分别为11．1 mm和12．O mm。作为常温外压容器，外罐材料选用低合金容器钢16MnR，其设计厚度为10．0 mm。 3.1.4LNG储罐接管设计 开设在储罐内罐上的接管口有：上进液口、下进液口、出液口、气相口、测满口、上液位计口、下液位计口、工艺人孔8个接管口。内罐上的接管材质都为OCrl8Ni9。 为便于定期测量真空度和抽真空，在外罐下封头上开设有抽真空口(抽完真空后该管口被封闭)。为防止真空失效和内罐介质漏入外罐，在外罐上封头设置防爆装置。 3.1.5LNG储罐液位测量装置设计 为防止储罐内LNG充装过量或运行中罐内LNG太少危及储罐和工艺系统安全，在储罐上分别设置测满口与差压式液位计两套独立液位测量装置…，其灵敏度与可靠性对LNG储罐的安全至关重要。在向储罐充装LNG时，通过差压式液位计所显示的静压力读数，可从静压力与充装质量对照表上直观方便地读出罐内LNG的液面高度、体积和质量。当达到充装上限时，LNG液体会从测满口溢出，提醒操作人员手动切断进料。储罐自控系统还设有高限报警(充装量为罐容的85％)、紧急切断(充装量为罐容的95％)、低限报警(剩余LNG量为罐容的10％)。 3.1.6LNG储罐绝热层设计 LNG储罐的绝热层有以下3种形式： ①高真空多层缠绕式绝热层。多用于LNG槽车和罐式集装箱车。 ②正压堆积绝热层。这种绝热方式是将绝热材料堆积在内外罐之间的夹层中，夹层通氮气，通常绝热层较厚。广泛应用于大中型LNG储罐和储槽，例如立式金属LNG子母储罐。 ③真空粉末绝热层。常用的单罐公称容积为100 m3。和50 m3。的圆筒形双金属LNG储罐通常采用这种绝热方式。在LNG储罐内外罐之间的夹层中填充粉末(珠光砂)，然后将该夹层抽成高真空。通常用蒸发率来衡量储罐的绝热性能。目前国产LNG储罐的日静态蒸发率体积分数≤O．3％。 3.2BOG缓冲罐 对于调峰型LNG气化站，为了回收非调峰期接卸槽车的余气和储罐中的BOG(Boil Off Gas，蒸发气体)，或对于天然气混气站为了均匀混气，常在BOG加热器的出口增设BOG缓冲罐，其容量按回收槽车余气量设置。 3.3储罐增压气化器 按100 m3的LNG储罐装满90 m3的LNG后，在30 min内将10 m3。气相空间的压力由卸车状态的0．4 MPa升压至工作状态的0．6 MPa进行计算。据计算结果，每台储罐选用1台气化量为200 m3／h的空温式气化器为储罐增压，LNG进增压气化器的温度为一162．3℃，气态天然气出增压气化器的温度为一145 ℃。 设计多采用l台LNG储罐带1台增压气化器。也可多台储罐共用1台或1组气化器增压，通过阀门切换，可简化流程，减少设备，降低造价。 3.4卸车增压气化器 由于LNG集装箱罐车上不配备增压装置，因此站内设置气化量为300 m3／h的卸车增压气化器，将罐车压力增至0．6 MPa。LNG进气化器温度为一162．3℃，气态天然气出气化器温度为一145℃。 3.5 BOG加热器 由于站内BOG发生量最大的是回收槽车卸车后的气相天然气，故BOG空温式加热器的设计能力按此进行计算，回收槽车卸车后的气相天然气的时间按30 min计。以1台40 m。的槽车压力从0．6MPa降至0．3 MPa为例，计算出所需BOG空温式气化器的能力为240 ma／h。一般根据气化站可同时接卸槽车的数量选用BOG空温式加热器。通常BOG加热器的加热能力为500～1 000 m3／h。在冬季使用水浴式天然气加热器时，将BOG用作热水锅炉的燃料，其余季节送入城市输配管网。 3.6空温式气化器 空温式气化器是LNG气化站向城市供气的主要气化设施。气化器的气化能力按高峰小时用气量确定，并留有一定的余量，通常按高峰小时用气量的1．3～1．5倍确定。单台气化器的气化能力按2 000m3／h计算，2—4台为一组，设计上配置2～3组，相互切换使用。 3.6水浴式天然气加热器 当环境温度较低，空温式气化器出口气态天然气温度低于5℃时，在空温式气化器后串联水浴式天然气加热器，对气化后的天然气进行加热。加热器的加热能力按高峰小时用气量的1．3～1．5倍确定。 3.7安全放散气体(EAG)加热器 LNG是以甲烷为主的液态混合物，常压下的沸点温度为一161．5℃，常压下储存温度为一162．3 cC，密度约430 k∥m。。当LNG气化为气态天然气时，其临界浮力温度为一107℃。当气态天然气温度高于一107℃时，气态天然气比空气轻，将从泄漏处上升飘走。当气态天然气温度低于一107℃时，气态天然气比空气重，低温气态天然气会向下积聚，与空气形成可燃性爆炸物。为了防止安全阀放空的低温气态天然气向下积聚形成爆炸性混合物，设置1台空温式安全放散气体加热器，放散气体先通过该加热器加热，使其密度小于空气，然后再引入高空放散。 EAG空温式加热器设备能力按100 m3lng汽车储罐的最大安全放散量进行计算。经计算，100 m3。储罐的安全放散量为500 m3／h，设计中选择气化量为500m3／h的空温式加热器1台。进加热器气体温度取一145℃，出加热器气体温度取一15℃。 对于南方不设EAG加热装置的LNG气化站，为了防止安全阀起跳后放出的低温LNG气液混合物冷灼伤操作人员，应将单个安全阀放散管和储罐放散管接入集中放散总管放散。 3.8调压、计量与加臭装置 根据LNG气化站的规模选择调压装置。通常设置2路调压装置，调压器选用带指挥器、超压切断的自力式调压器。 计量采用涡轮流量计。加臭剂采用四氢噻吩，加臭以隔膜式计量泵为动力，根据流量信号将加臭剂注入燃气管道中。 4 .LNG气化站的阀门与管材管件选型设计 4．1 阀门选型设计 工艺系统阀门应满足输送LNG的压力和流量要求，同时必须具备耐-196℃的低温性能。常用的LNG阀门主要有增压调节阀、减压调节阀、紧急切断阀、低温截止阀、安全阀、止回阀等。阀门材料为0Cr18Ni9。 4.2 管材、管件、法兰选型设计 ①介质温度≤-20℃的管道采用输送流体用不锈钢无缝钢管(GB/T 14976—2002)，材质为0Cr18Ni9。管件均采用材质为0crl8Ni9的无缝冲压管件(GB/T 12459—90)。法兰采用凹凸面长颈对焊钢制管法兰(HG 20592—97)，其材质为0Cr18Ni9。法兰密封垫片采用金属缠绕式垫片，材质为0crl8Ni9。紧固件采用专用双头螺柱、螺母，材质为0Crl8Ni9。 ②介质温度>-20℃的工艺管道，当公称直径≤200 mm时，采用输送流体用无缝钢管(GB/T8163—1999)，材质为20号钢；当公称径>200mm时采用焊接钢管(GB/T 3041—2001)，材质为Q235B。管件均采用材质为20号钢的无缝冲压管件(GB/T 12459—90)。法兰采用凸面带颈对焊钢制管法兰(HG 20592—97)，材质为20号钢。法兰密封垫片采用柔性石墨复合垫片(HG 20629—97)。 LNG工艺管道安装除必要的法兰连接外，均采用焊接连接。低温工艺管道用聚氨酯绝热管托和复合聚乙烯绝热管壳进行绝热。碳素钢工艺管道作防腐处理。 4.3冷收缩问题 LNG管道通常采用奥氏体不锈钢管，材质为0crl8Ni9，虽然其具有优异的低温机械性能，但冷收缩率高达0．003。站区LNG管道在常温下安装，在低温下运行，前后温差高达180℃，存在着较大的冷收缩量和温差应力，通常采用“门形”补偿装置补偿工艺管道的冷收缩。 | |||
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