天然气基础知识

1、一、 天然气基础知识 天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，主要成分为甲烷，也包括一定量的乙 烷、丙烷和重质碳氢化合物。 还有少量的氮气、 氧气、二氧化碳和硫化物。 另外， 在天然气管线中还发现有水分。纯天然气的组成以甲烷为主，比空气轻，沸点 -160.49 C,难易液化。天然气爆炸极限为 5%-15%（占空气中体积%,天然气相 对容易爆炸。 甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原子组成， 燃烧产物主要 是二氧化碳和水。CH+ 2Q CO+ 2F2Q蒸汽压：53.32kPa/（-168.8 C）闪点：-188 C、熔点：-182.5 C相对密度（干空气=1） :0.5-0.7（0C）天然气可分为

2、5 种： 纯天然气：从地下开采出来的气田气为纯天然气； 石油伴生气：伴随石油开采一块出来的气体称为石油伴生气； 矿井瓦斯：开采煤炭时采集的矿井气； 煤层气：从井下煤层抽出的矿井气； 凝析气田气：含石油轻质馏分的气体。甲烷对人基本无毒,但浓度过高时,使空气中氧含量明显降低,使人窒息。当空气中甲烷达 25%-30%时,可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和 心跳加速、供给失调。若不及时脱离,可致窒息死亡。皮肤接触液化本品,可致 冻伤。天然气是较为安全的燃气之一,它不含一氧化碳,也比空气轻,一旦泄漏, 立即会向上扩散, 不易积聚形成爆炸性气体, 安全性较高。采用天然气作为能源, 可减少煤和石油

3、的用量, 因而大大改善环境污染问题； 天然气作为一种清洁能源, 能减少二氧化硫和粉尘排放量近 100%,减少二氧化碳排放量 60%和氮氧化合物排 放量 50%,并有助于减少酸雨形成, 舒缓地球温室效应, 从根本上改善环境质量。 主要优点： 绿色环保天然气是一种洁净环保的优质能源, 几乎不含硫、 粉尘和其他有害物 质, 燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料, 造成温室效应较低, 因而能从根本上改 善环境质量。 经济实惠天然气与人工煤气相比, 同比热值价格相当, 并且天然气清洁干净, 能延 长灶具的使用寿命, 也有利于用户减少维修费用的支出。 天然气是洁净燃气, 供 应稳定,能够改善空气质量, 因而

4、能为该地区经济发展提供新的动力, 带动经济 繁荣及改善环境。 安全可靠 天然气无毒、易散发,比重轻于空气,不宜积聚成爆炸性气体,是较为安 全的燃气。 改善生活 随着家庭使用安全、 可靠的天然气, 将会极大改善家居环境, 提高生活质 量。天然气耗氧情况计算：1 立方米天然气 （纯度按 100%计算） 完全燃烧约需 2.0 立方米氧气, 大约 需要 10 立方米的空气。主要缺点： 储运：与煤等固体燃料相比，天然气储运要求较高，成本支出较大；与 LPG相比，液化技术难度高且成本大，储运要求高。 热值：相对于煤等固体燃料来说，天然气相对热值比较小。 技术：相对与一些占主体地位的能源，天然气的生产技术还

5、趋于起步阶段， 特别是有关于LNG的技术。目前我公司经营的天然气按照形态来分，可以分为两种，即压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）。1、压缩天然气压缩天然气：压缩天然气（CompressedNaturalGas,简称CNG是将天然气压 缩增压至200kg/cm2时，天然气体积缩小200倍，并储入容器中，便于汽车运输， 经济运输半径以 150-200 公里为妥。压缩天然气可用于民用及作为汽车清洁燃 料；CNG可作为车辆燃料利用。这种以CNG为燃料的车辆叫做NGV （ NaturalGasVehicle ）。2、液化天然气液化天然气：当天然气在大气压下，冷却至约-162 C时，天然气由气态转

6、变 成液态，称为液化天然气（LiquefiedNaturalGas ，缩写为LNG。LNG无色、无 味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的 45%左右。液化天然气用液化甲烷船及专用汽车运输。 二、天然气的应用民用燃料：天然气价格低廉、热值高、安全性能、环境性能好，是民用燃气 的首选燃料。工业燃料： 以天然气代替煤， 用于工厂采暖， 生产用锅炉以及热电厂燃气轮 机锅炉。工艺生产：如烤漆生产线，烟叶烘干、沥青加热保温等。 化工原料：如以天然气中甲烷为原料生产氰化钠，黄血盐钾，赤血盐钾等。 天然气汽车：用以解决汽车尾气污染问题。以下列举几个常见的应用

7、： 金属熔炼、加工制造业（主要应用为铜、铝的熔炼、压延加工前的加热） 玻璃生产及玻璃制品业（如灯具、玻璃器具） 纺织、印染、定型、烧毛工艺 大型农业暖篷 各种金属热处理（如加热炉、退火炉、回火炉、工频炉等） 造船业（主要用作金属切割用气，替代乙炔） 宾馆、饭店业（用作空调、锅炉燃气等） 液化天然气（ LNG ）1 、 LNG 的优点 LNG有特有的运输方式。对于远洋运输，LNG是唯一的运输方式。 利用 LNG 方式是解决沿海、荒漠地区气田开发，回收边远气田天然气的有效 方法。 LNG 作为用气负荷调峰安全可靠。 LNG用途广泛：不仅自身可作为能源利用，低温冷能亦可回收利用。 LNG和氦联产，可

8、得到LNG和氦两种产品。 LNG比管输天然气更清洁。2、LNG的物理性质主要成分：甲烷临界温度：190.58K在常温下，不能通过加压将其液化，而是经过预处理，脱除重烃、硫化物、二氧 化碳和水等杂质后，深冷到-162C，实现液化。主要物理性质如表所示：气体相对密度沸点（常压）液体密度（沸点下）g/l高热值(MJ/m3)颜色0.6-0.7约-162 C430-46041.5-45.3无色透明3、LNG的安全特性（1）燃烧特性燃烧范围：5%15%，即体积分数低于5%和高于15%都不会燃烧；自燃温度：可燃气体与空气混合物，在没有火源的情况下，达到某一温度后，能 够自动点燃着火的最低温度称为自燃温度。甲

9、烷性质比较稳定，在大气压力条件 下，纯甲烷的平均自燃温度为650C。以甲烷为主要成分的天然气自燃温度较高， LNG的自燃温度随着组份的变化而变化。燃烧速度：是火焰在空气-燃气的混合物中的传递速度。天然气的燃烧速度较低， 其最高燃烧速度只有0.3m/s。（2）低温特性隔热保冷：LNG系统的保冷隔热材料应满足导热系数低，密度低，吸湿率和吸 水率小，抗冻性强，并在低温下不开裂，耐火性好，无气味，不易霉烂，对人体 无害，机械强度高，经久耐用，价格低廉，方便施工等。蒸发特性：LNG作为沸腾液体储存在绝热储罐中，外界任何传入的热量都会引 起一定量液体蒸发成气体，这就是蒸发气（BOG ）。标准状况下蒸发气密

10、度是空 气的60%。当LNG压力降到沸点压力以下时，将有一定量的液体蒸发成为气体， 同时液体温度也随之降低到其在该压力下的沸点，这就是LNG闪蒸。由于压力和温度变化引起的LNG蒸发产生的蒸发气处理是液化天然气储存运输中经常遇 到的问题。（3）泄露特性：LNG泄漏到地面，起初迅速蒸发，当热量平衡后便降到某一固定的蒸发速度。当LNG泄漏到水中会产生强烈的对流传热，在一定的面积内蒸发速度保持不变， 随着LNG流动泄漏面积逐渐增大，直到气体蒸发量等于漏出液体所能产生的气 体量为止。泄漏的LNG以喷射形式进入大气，同时进行膨胀和蒸发，与空气进 行剧烈的混合。（4）储存特性：分层：LNG是多组分混合物，因

11、温度和组分的变化引起密度变化，液体密度的 差异使储罐内的LNG发生分层。翻滚：若LNG已经分层，上层液体吸收的热量一部分消耗于液体表面蒸发所需 的潜能，其余热量使上层液体温度升高。随着蒸发的持续，上层液体密度增大， 下层液体密度减小，当上下两层液体密度接近相等时， 分界面消失，液层迅速混 合并伴有大量液体蒸发，此时蒸发率远高于正常蒸发率，出现翻滚。快速相态转变（RPT）:两种温差极大的液体接触，若热液体温度比冷液体沸点 温度高1.1倍，则冷液体温度上升极快，表层温度超过自发成核温度（当液体中 出现气泡），此过程冷液体能在极短时间内通过复杂的链式反应机理以爆炸速度产生大量蒸气，这就是LNG或液氮

12、与水接触时出现的RPT现象的原因。（5）生理影响L，但如果吸进纯 LNG蒸气，会迅速失去知觉，几分钟后死亡; 数为 9%勺甲烷含量的环境中没有什么不良反应，如 量天然气会引起缺氧窒息，当天然气的体积分数达到 久性伤害。天戟气4、LNG的生产流程处理原料气中脱除气田生产环节没有去员暴石油体毒的产生永硫灘醇等敝（2）去除NGL脱除天然气LNG规格和技术要求。（3）液化：、LNG T从气田采集到用户使用 天然气範G-天然气简图：（略）析液）以达掉的杂质,水、二氧化碳、J液化需要处理的。每个冷制冷剂将原料气冷却并冷凝到“一条相互联接，相互I以严格的合同厂F环节紧密衔接，互相制-162&.g成为液态产品

13、。 的生产供需5、LNG 气化站品供气系统主要由LNG接收终要经营的一tNG项供气系统气化站和输配管网组成。目前我公气化站工艺流程：（略）（1） LNG储罐丄* LNGE罐J （低温贮罐）是LNG的贮藏设备 . 谜nG贮罐的特殊殊性：他 L 孤理L槽车、LNGLNG气化站。INGiU 大容量的LNG贮罐，由于是在超低温的状态下工作（-162C）,因此与其他石 油化工贮罐相比具有其特殊性。同时在运行中由于贮藏的 当外部热量侵入时，或由于充装时的冲击、大气压的变化，都将使贮存的 持续气化成为气体，为此运行中必须考虑贮罐内压力的控制、气化气体的抽出、 处理及制冷保冷等。卡同 此外，LNG贮罐的安全也

14、必须要耐低温。贮罐的安全装置在低温、低压下，也必须能可靠的起动。 LNG储罐是气化站中的关键设备，其绝热性及密封性的好坏直接影响到LNG的蒸发和泄漏速度，即LNG的损耗速度和使用率。储罐的性能参数主要有真空 度、漏率、静态蒸发率。作为低温容器，LNG储罐必须满足国家及行业标准中的相关技术要求。储罐的真空封结度反映储罐的真空性，但真空度随时间推移而 降低；储罐的漏率影响储罐真空寿命，即储罐真空度的变化速度；静态蒸发率则 能够较为直观的反映储罐在使用时的保冷性能。以一台50m3储罐为例说明：漏率 1x10-9Pa.m3/s 静态蒸发率0.3%/d。一台50m3的LNG储罐装满LNG时，在不使用的情

15、况下， 完全蒸发需要近一年的时间。静态蒸发率可以通过实验的方法测得，也可以通过实际运行中数据的分析计算得 到。LNGLNG处于沸腾状态，严度计、进出口管的伸缩接头等附属件的干燥气体量。漏率单位为：Pa?m3/s。漏率:在已知漏泄处两侧压差的情况下，单位时间内流过漏泄处的给定温度达到热平衡后， 24h 内自然蒸发损失的低温液体质量和容器有效体积下低温液体 质量的百分比，换算为标准环境下（20C, 101325Pa的蒸发率值。真空度是指空间所具有的气体压力与当时大气压力的差值。 一般说“真空度 高”、“真空度好”是指压强低，反之“真空度低” 、“真空坏”、“真空抽不上”是 指压强高。（2）LNG

16、的气化 LNG气化为吸热过程，根据热媒的不同，有海水、空温、水浴等气化方式。 目前国内 LNG 气化站都采用空温式和水浴式结合的二级气化方式。空温式换热 器直接利用自然空气进行换热， 不需要附加能源，其气化能力主要决定于换热面， 因此，通常采用翅片的形式。 水浴式换热器是空温式换热器的补充， 只是在冬季 外界温度较低， 利用自然气化无法保证天然气温度的情况下才使用， 在南方冬季 气温较高，基本不需要使用。 换热器的规格主要决定于高峰小时燃气流量，单台气化能力最高可达 3000立 方米/小时，通常要考虑备用，可以切换使用。气化站中的储罐增压器、 BOG加 热器、 EAG 加热器等设备也采用空温式

17、换热器。（3）LNG 的预冷和进液LNG 气化站设备、管道施工完成后，由于超低温及 LNG 特殊要求，在正式 投产之前， 必须采用中间介质进行低温预冷， 经过预冷检验调试合格后方可接收 LNG，其过程也是对设备及工程的检验。通常采用液氮作为预冷介质。气化站内 的主要设备有LNG储罐、BOG （蒸发气）罐、气化器、增压器、BOG加热器、EAG （放散排空气体）加热器及相关工艺管道及管件，LNG储罐的预冷是气化站预冷中的主要内容。预冷的几个技术参数：进液温度：低于-80 C储罐压力：0.30.55MPa进液速度：3分钟/m3预冷时间：约45小时/罐 （ 50m3罐）液氮耗量：约10m3 （50m3

18、 X 2储罐）约 13m3 （50m3 X 3 储罐） 预冷的必要性LNG 气化站内低温管道和低温储罐在正式进入低温液体前，要首先进行充 分的冷却，即预冷过程。 LNG 储罐及管路通常采用奥氏体不锈钢材料。奥氏体 不锈钢具有优异的低温性能，但线膨胀系数较大。在 LNG 温度条件下，不锈钢 收缩率约为千分之三，对于304L材质管路，在工作温度为-162C时，100m管路 大约收缩300mm。因此在设计时要采取措施防止出现冷收缩引起破坏。LNG 管路的收缩和补偿是一个需要细心考虑的重要问题。 两个固定点之间， 由于冷收缩产生的应力，可能远远超过材料的屈服点。特别是对于 LNG 储罐内 的管道要求更

19、加严格，一旦出现问题，将会产生严重后果。因此在管路设计时， 必须考虑有效的措施来补偿。在 LNG 设备和管路上，为了补偿冷收缩，一般采 用弯管和膨胀节。虽然在设计时考虑了冷收缩的补偿， 但是在温度变化速率较大时， 还存在温 度变化过快、 热应力过大而使材料或连接部位产生损坏的问题。 这就要求在低温 管道和设备进入低温液体前，首先进行预冷操作，确保投运安全。 预冷目的检验和测试低温设备和管道的低温性能，包括：检验低温材料质量是否合格。检验焊接质量。检验管道冷缩量和管托支撑变化。检验低温阀门的密封性。使储罐达到工作状态，测试储罐真空性能。 预冷前的管道吹扫预冷前管道吹扫的重要性 预冷前的管道吹扫一

20、定要干净。如果吹扫不干净，将会导致阀门冻结。由于 低温管道的阀门大多为焊接， 法兰很少， 不利于管道吹扫。 因此吹扫一定要采取 措施，严格控制。吹扫合格标准气流以 20ms 速度吹向管道口附近放置的附有半湿白色毛巾的垫板，毛巾 上无灰尘和杂质为合格。管道吹扫原则施工中实行分段吹扫， 分段以焊接阀门为界， 注意管道施工后要及时密封， 防 止杂物和雨水进入。 (2)为防止碳钢管道内的铁锈、焊渣进入低温管道，碳钢管 道不能向低温管道吹扫。不能向储罐内吹扫，由罐内向外吹扫。 不能吹扫任何仪表设备。 由于要吹扫，在安装时应当使用临时垫片，在气密前更换正式垫片。 在吹扫时要敲击管道表面和焊接部位。 根据各

21、站工艺流程制定具体吹扫方案。 预冷所需物资 液氮。便携式测温仪和便携式可燃气体报警仪。 铜制紧固工具及与液氮槽车卸车口连接的快装接头。 预冷人员所需工作服、工作鞋、防冻手套。预冷需要的手表和记录表格， 15分钟记录一次。 预冷前准备工作检查阀门，确认所有阀门处于关闭状态。 确认放空系统所有盲板拆除，放空系统畅通。打开所有安全阀根部阀， 打开两个降压调节阀的前后阀。 打开储罐气相放空根 部阀。自动保护系统测试完好，全部投用。氮气系统投用，紧急切断阀全部打开。 压力表根部阀全部打开。储罐液位计根部阀、气液平衡阀打开。 用干燥氮气置换管道内的空气，防止预冷时阀门处有凝结水而冻住阀门。 预冷原则预冷时

22、储罐和管道温度要逐步降低， 避免急冷， 防止温度骤降对设备和管件 造成损伤。根据有关的操作经验，冷却速率在 50C/h比较安全。 预冷主要步骤 先用低温氮气预冷检查卸车软管完好状况，管内无雨水、垃圾等杂物。软管连接到槽车上，并 检查连接是否牢固。将槽车压力升高，打开槽车气相阀门，检查软管连接处有无泄漏。向储罐内缓慢冲入低温氮气，待储罐压力上升至 0. 2MPa,关闭卸车台卸液 阀门，储罐保冷 15min 后，打开储罐气相手动放空阀，排空氮气。升降压反复进 行。判断储罐内部温度，通过测满阀放出气体，用温度计测定，至预期值时，气 体预冷工作完成。液氮预冷将储罐压力放空至微正压，关闭下部进液阀。关闭

23、液位计平衡阀，投用液位 计。缓慢打开槽车液相阀至较小开度，缓慢关小槽车气相阀，使液氮从储罐上部 进液少量。控制卸车台阀门开度，轻微开启较小开度，使压力保持在 0. 3MPa。 储罐压力升高至0. 2 MPa0. 3MPa,要及时关闭卸车台阀门，打开储罐气相 手动放空泄压。反复进行此操作。通过测满阀放出气体，测量温度达到一定温度，或液位计有液位指示，可慢 慢打开储罐下部进液紧急切断阀前后阀， 上下同时进液。 进液过程中要密切观察 记录储罐压力， 防止压力升高。 压力升高要及时关闭下部进液阀。 用手感觉储罐 外体温度，确认储罐无问题。储罐的液位计达到一定值时，进液结束。储液任务完成后，关闭槽车液相

24、阀门，打开槽车气相阀门，向储罐吹扫卸液 管线。关闭槽车阀门及卸车台卸液阀门，卸下软管，注意轻拿轻放，人员要躲开。 关闭卸车台阀门后应将此阀与止回阀问液体放空。关闭储罐气相手动放空阀、储罐下部进液紧急切断阀前手阀。储罐上部进液 阀，待卸车 LNG 管道恢复常温后再关闭。利用储罐内的液氮对增压器、空浴式气化器及其低温管道进行预冷。 放空低温氮气的利用液氮预冷时需要通过气相管放空低温氮气，这些低温氮气可以通过与其他罐 相连的气相管道，对其他储罐进行预冷，可以节约液氮。 预冷时安全注意事项在密闭空间内液氮吸收外部热量将会导致压力急剧上升，因此在操作中要注 意阀门关闭顺序，严禁出现低温液体被封闭的状况。

25、注意检查软管连接处是否出现泄漏，人员应远离此处。注意观察管道及储罐压力上升情况。注意检查安全阀后有无结霜情况。 预冷时的检查内容检查低温材料有没有低温开裂现象。检查低温管道焊接部位有无裂纹，特别是法兰焊接部位。检查管道冷缩量和管托支撑变化。检查低温阀门的密封性和灵活性，检查是否冻住。检查法兰连接部位是否泄漏，螺栓是否因冷缩而使预紧力减小。液氮在储罐内放置 2天3天。观察液位变化及压力上升情况。并检测储罐 预冷前后储罐真空度的变化，对储罐性能作出评价。（ 4） LNG 站投运前准备LNG供气站竣工验收合格正式投运前，对整个工艺系统必须进行干燥一预冷T模拟试运行T惰化T天然气置换氮气（即钝化）。

26、干燥和预冷干燥就是利用氮气将供气站工艺系统设备、管道中的水分置换出去 ,避免系 统内的水分在低温下冻结 ,堵塞和损坏设备、管道与阀门。干燥前 ,工艺系统应完 成吹扫、试压、仪表联校、安全阀就位并校验铅封、设备与管道保冷完毕。 系统模拟试运行、惰化与置换模拟试运行的目的是利用-196C的液氮对LNG工艺系统进行工艺参数调试 和运行性能检验。由于液氮温度低达-196C,系统出现白雾处即为泄漏点，需处理。 用液氮模拟试运行可大大提高在 LNG 工况参数下系统的运行可靠性。（5）LNG 卸车工艺通过公路槽车或罐式集装箱车将 LNG 从气源地运抵用气城市 LNG 供气站 后，利用槽车上的空温式升压气化器

27、将槽车储罐升压到 0.5MPa或通过站内设置 的卸车增压气化器对罐式集装箱车进行升压 ）,同时将储罐压力降至约 0.2MPa使 槽车与LNG储罐间形成约0.3MPa的压差，利用此压差将槽车中的LNG卸入供气 站储罐内。卸车结束时 ,通过卸车台气相管线回收槽车中的气相天然气。（6）LNG 储罐的增压靠压力推动 ,LNG 从储罐中流向空温式气化器 ,气化后供应用户。随着罐内 LNG 的流出 ,罐内压力不断降低 ,LNG 出罐速度逐渐变慢直至停止。因此 ,正常运 营操作中须不断向储罐补充气体 ,将罐内压力维持在一定范围内 ,才能使 LNG 气 化过程持续下去。人工增压时 ,应缓慢打开增压气化器液相进

28、口阀 ,防止阀门开大而导致事故。 曾经发生手工增压时增压气化器液相进口阀开度过大 ，大量LNG涌入增压气化器 后不能完全气化 ,以气液两相状态进入增压气化器出口管道并冲出安全阀喷射在 LNG 储罐外壁 ,将储罐外罐冻裂 350mm 的事故。（7）LNG 储罐的压力控制当储罐正常工作压力低于外管网所需要的压力时,进行人工增压至所需要的压力 ;当储罐允许最高工作压力达到减压阀设定开启值时 ,减压阀自动开启卸压 , 以保护储罐安全。（8）LNG 储罐的超压保护LNG 在储存过程中会由于储罐的 “环境漏热”而缓慢蒸发 ,导致储罐的压力 逐步升高 ,最终危及储罐安全。 因此,设计上采用在储罐上安装自力式

29、减压调节阀、 压力报警手动放空、安全阀起跳三级安全保护措施来进行储罐的超压保护。我们LNG站是单罐公称容积为150m3的真空压力式储罐，设计压力0.83MPa, 工作压力0.80MPa。其保护顺序为：当储罐压力升到减压阀设定值时，减压阀自动 打开泄压 ;当减压阀失灵罐内压力升至压力报警值时 ,压力报警 ,手动放散卸压 ;当 减压阀失灵且未能手动放散 ,罐内压力升至安全阀排放压力时 ,储罐安全阀开启安 全阀排放卸压。这样既保证了储罐的安全 ,又充分发挥了储罐的强度储备。随着 安全阀的排放 ,当罐内工作压力降低到安全阀排放压力的85%时,安全阀自动关闭将储罐密封。正常操作中不允许安全阀频繁起跳。（

30、9）LNG 储罐的过量充装与低液位保护LNG 的充装数量主要通过罐内的液位来控制。在储罐上装设有测满口和差 压式液位计两套独立液位系统 ,用于指示和测量储罐液位。此外 ,还装备有高液位 报警器（充装量85%）、紧急切断（充装量95%）、低限报警（剩余10%LNG）。储罐 高液位 （最大罐容 ）95%是按工作压力条件下饱和液体的密度设定的,实际操作中 须针对不同气源进行核定 （下调 ）。（ 10）LNG 的翻滚与预防作为不同组分的混合物 ,LNG 在储存过程中会出现分层而引起翻滚,致使LNG 大量蒸发导致储罐超压 ,如不能及时放散卸压 ,将严重危及储罐的安全。 大量研究证明由于以下原因引起 LNG 出现分层而导致翻滚 : 由于储罐中先后充注的 LNG 产地不同组分不同因而密度不同 ; 由于先后充注的 LNG 温度不同而密度不同 ; 先充注的 LNG 由于轻组分甲烷的蒸发与后充注的 LNG 密度不同。 防止罐内 LNG 出现分层常用的措施如下：将不同产地的LNG分开储存。为防止先后注入罐中的LNG产生密