天然气技术课件

液化天然气技术Tel：E-mail：ProfessionalCourseofOil-GasStorageandTransportationEngineering天然气水合物结构第一章绪论天然气化工天然气能源天然气炊事发展天然气公交车的城市分布思考：如何更好地储存、输运和应用呢？

1、直接燃烧

2、压缩天然气

3、液化天然气2、LNG基本性质：天然气的主要成分为CH4，临界温度-83℃，常温下无法仅靠加压液化。（1）临界温度（2）临界压力

液化天然气的储存条件：-162℃,1atm的低温储罐内。3、LNG特点：（1）经济高效：能量密度高，汽化潜热高；（2）清洁环保：组分较纯，污染物排放少；（3）灵活方便：可用槽车或轮船运送到任何用户；（4）安全可靠：燃点高、爆炸极限高。4、LNG运输方式：（1）轮船运输：大宗贸易，一次（12~16）×104m3；（2）汽车运输:200~1000km的运输，一次27~40m3；（3）火车运输：1000~4000km陆地长途。

中国天然气资源分布情况6、常用的两种天然气存在形式LNG：(LiquatedNaturalGas)即液化天然气，大气压下，液化天然气的沸点为-160℃，体积缩小到原来的1/600，相当天然气被以60MPa以上的压力压缩，从而增大了能量密度。CNG：（CompressedNaturalGas)是压缩天然气,主要用于短途汽车和市郊小区供气。天然气的储存压力为20MPa。储气率不高，并且会给行车安全带来一定的隐患，其使用有较大的局限性。LNG工业链：

LNG工厂分为基本负荷型和调峰型两类。

5、常用的几个概念（1）平均分子量：混合气体：混合液体：

（2）平均密度和相对密度：平均密度：

（2）平均密度和相对密度：相对密度：混合液体的平均密度与101325Pa，277K时水的密度之比称为混合液体相对密度。

（3）临界参数：临界温度：温度不超过某一个数值时，对气体进行加压，可以使气体液化，而在该温度以上，无论加多大压力都不能使气体液化，这个温度就叫该气体的临界温度。临界压力：在临界温度下，使气体液化所必须的压力叫做临界压力。对比温度和对比压力：

（5）粘度：混合气体动力粘度：

μ为混合气体在0℃时的动力粘度；gi为各组分的质量成分（%）；μi为各组分在0℃时的动力粘度。

t℃时混合气体的动力粘度：

C为混合气体的无因次试验系数。

混合液体动力粘度：xi为各组分的分子成分（%）；μi为各组分的动力粘度。

（7）相平衡常数：相平衡常数表示在一定温度下，一定组成的气液平衡系统中，某一组分在该温度下的饱和蒸汽压与混合液体蒸汽压的比值。也是在一定温度和压力下，气液两相达到平衡状态时，气相中某一组分的分子成分与其液相中的分子成分的比值。（8）沸点和露点：沸点：是指在101325Pa压力下液体沸腾时的温度。露点：饱和蒸汽经冷却或加压，立即处于过饱和状态，当遇到接触面或凝结核便液化成露，这时的温度称为露点。第二章天然气的净化技术天然气中杂质：H2S、CO2、水分、重烃和汞等。

杂质危害：腐蚀设备、冻结堵塞设备和管道。

必须在天然气液化之前对天然气进行预处理，即天然气的净化处理。

表2-1列出了天然气中允许的最大杂质含量。2）水合物生成条件：A.液态水的存在；B.低温；C.高压；D.其它条件。

预防方法：A.提高天然气的温度；B.加注防冻剂；C.干燥气体。

解堵措施：A.注防冻剂；B.加热法；C.降压解堵法。3）含水量的影响因素

A.压力不变的情况下，温度越高，水汽含量越多；

B.温度不变的情况下，压力升高，水汽含量减少；

C.气体分子量越高，则单位体积内的水汽含量越少；

D.天然气含氮气时，水汽含量减少；E.当含CO2和H2S时，水汽含量增多。4）脱水指标常用于表示天然气含水量：

A.相对湿度；B.绝对湿度；C.露点。脱水指标

A．绝对含水量：在一定温度压力条件下，单位体积天然气中含有水汽的重量，毫克/标方；

B．露点温度:露点即是在一定压力下，水蒸气开始冷凝变为液体时的温度。

C．露点降：在一定操作压力下，原料气温度与脱水后干气露点温度之差。（2）吸收脱水是用吸湿性液体（或活性固体）吸收的方法脱除气流中的水蒸气。

脱水吸收剂的特点：对天然气有较高的脱水深度；选择吸收；热作用和化学反应稳定；蒸汽压低；粘度小；对设备无腐蚀；密度小；容易再生；价格低廉、易于获得常用的几类脱水甘醇类吸收剂：

甘醇胺溶液、二甘醇水溶液、三甘醇水溶液。6）三甘醇性质

A.主要物理性质颜色：无色或稍带淡黄色的粘稠液体；分子量：150.2，沸点：285.5℃

比重：1.1254（一物理大气压，20℃）理论热分解温度：206.7℃

冰点：-7.2℃；蒸气压（25℃）：≤1.33Pa

可燃极限：0.9-9.2%

粘度（60℃）：9.6×10-3Pa·S

B.分子式甘醇有两个羟基（-OH），与水分子形成氢键，对水有较强的亲和力。

CH2—O—CH2—CH2—OHCH2—O—CH2—CH2—OH三甘醇脱水主要工艺流程，可分为两个：

天然气脱水(低温高压)系统

+甘醇再生(高温低压)系统甘醇法脱水装置的典型工艺流程与设备（1）工艺流程天然气流程：湿气通过入口分离器，除去液态烃和固态杂质后，进入吸收塔底部。在吸收塔内向上通过充满甘醇的填料段和甘醇充分接触，被甘醇脱去水后，再经过吸收塔内顶部的捕露网将夹带的液体留下。最后脱水后的干气离开吸收塔，经过贫甘醇冷却器(甘醇─干气热交换器)后进入销售输气管网。甘醇流程：贫甘醇不断地被泵入吸收塔顶部，在塔内经溢流管向下依次流过每一个塔盘，将在塔内向上流动的天然气中的水蒸汽吸收。吸满了水的甘醇(富甘醇)从塔底排出，经过贫甘醇缓冲器中的大的预热盘管后，通过闪蒸罐过滤器后进入重沸器上的精馏柱顶部。重沸器中产生的蒸气，将通过精馏柱中的填料层向下流动的富甘醇中的水蒸汽提走。上升蒸气夹带的甘醇在柱顶回流段冷凝后重新流回重沸器，而未冷凝的蒸气则从精馏柱顶部出来，被送入灼烧炉。再生出的甘醇溢过重沸器中的挡板流入甘醇缓冲罐，然后通过甘醇泵将甘醇压力提高到吸收塔的压力，经过甘醇冷却器后进入吸收塔顶部开始新一轮循环。TEG循环系统：贫甘醇→吸收塔（变成富液）→液位调节→缓冲罐（一次换热）→闪蒸罐（闪蒸）→活性炭过滤器→机械过滤器→精馏柱（二次换热）→缓冲罐（三次换热）→甘醇再生器（精馏柱、重沸器）→缓冲罐贫/富液换热→水浴冷却器→甘醇泵（升压）→贫甘醇/干气换热器→吸收塔（脱水）脱水单体设备1．吸收塔：作用：气液传质的场所，也就是使气相中的水蒸气被甘醇吸收的场所。种类：吸收塔分为板式塔（逐级接触式）和填料塔（微分接触式）。塔板结构有浮阀、泡罩和筛孔。结构：板式塔由一个园柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干块塔板组成。主要有泡罩塔板和浮阀塔板。2．闪蒸罐：

除去进入富液中的轻烃组分，减少再生塔负荷。闪蒸罐压力为0.4-0.55MPa。3、原料气分离器：分离掉原料气中夹带的固体或液滴。分立式或卧式重力分离器，内装金属网除沫器。4、过滤器：除去TEG溶液中的固体粒子和溶解性杂质。包括固体过滤器和活性碳过滤器。5、贫/富液换热器：控制进闪蒸罐和过滤器的富液温度，并回收贫液的热量，使富液升温到148℃左右后进再生塔。设备：管壳式换热器。6、再生塔和重沸器：去除TEG溶液中的水分而使之提浓。

甘醇法适用条件：大型天然气液化装置中脱除原料气所含大部分水分，一般脱水露点还达不到天然气低温液化的要求。注意：要防止甘醇分解，当再生温度超过204℃及系统中有氧气及液态烃存在时，会降低甘醇的pH值，促使甘醇分解。因此需要定期检查甘醇的pH值，控制在大于7。在有条件时将甘醇用氮气保护，以防止氧化。

（3）吸附脱水

吸附机理：在两相界面上，由于异相分子作用力不同于主体分子作用力，使相界面上流体的分子密度异于主体密度而发生“吸附”。按吸附作用力的不同，可将吸附区分为物理吸附和化学吸附两种类型：物理吸附：范德华力，具有吸附速率快，易于达到吸附平衡和易于脱附的特点。化学吸附：化学键力，主要是共价键。具有明显的选择性吸附，吸附和解吸的速率较小，不易达到吸附平衡。吸附平衡吸附作用：由于吸附剂固体表面力的作用而产生的。脱附作用：由于吸附质分子在吸附剂表面上的热运动而形成的。当吸附速率＝脱附速率时，即达到了吸附平衡。

当吸附剂用于天然气脱水时，吸附剂吸附水的量又称为吸附剂湿容量。

天然气脱水过程要求吸附剂应具有以下特性:①必须是多孔性的、具有较大吸附比表面积的物质。②对流体中的不同组分具有选择性吸附作用，亦即对要脱除的组分具有较高的吸附容量。③具有较高的吸附传质速度，在瞬间即可达到相间平衡。④能简便而经济地再生，且在使用过程中能保持较高的吸附容量，使用寿命长。⑤工业用的吸附剂通常是颗粒状的。

⑥具有较大的堆积密度。⑦有良好的化学稳定性、热稳定性以及价格使宜、原料充足等。目前，在天然气脱水中主要使用的吸附剂有活性铝土和活性氧化铝、硅胶及分子筛三大类。通常，应根据工艺要求进行经济比较后，选择合适的吸附剂。一、活性铝土和活性氧化铝1.活性铝土（铝矾土）活性铝土是由含铁低的天然铝土(主要成分是Al2O3)经过加热活化而成。它的优点是成本低，有液态水存在时不会破碎，能提供一定的露点降。缺点是吸附容量小。2.活性氧化铝它是人工合成，含有部分水合的、多孔和无定形的氧化铝。其比表面积可达250m2/g以上。水露点可低达-100℃。活性氧化铝的湿容量很大，常用于水含量大的气体脱水。二、硅胶和硅石球1.硅胶硅胶是一种晶粒状无定形氧化硅，分子式为SiO2·nH2O。采用硅胶脱水一般可使天然气露点达-60℃。容易再生，再生温度较低。但吸水时放出大量的吸附热，很易破裂产生粉尘。2.硅石球硅石球，由97％的SiO2和3％的Al2O3组成。它的吸附容量与硅胶基本相同，但因其堆积密度略大，因而单位体积的处理能力也相应大一些。LNG工厂一般采用4A型沸石类微粒分子筛进行天然气脱水。4A型分子筛为分子直径小于0.4nm的吸附质。具有吸水性好，会产生较大气阻的特点与其它吸附剂性比，分子筛具有以下优点：（1）吸附选择性强：孔径选择和极性选择；（2）不吸附重烃；（3）具有高效吸附性能，特别适用于深度干燥；（4）可以同步吸附水分和酸性气体；（5）不受液态水的损害。三、分子筛吸附设备：固定床吸附塔。典型的双塔干燥剂脱水装置包括：（1）入口气体分离器；（2）填充以固体吸附剂的两个或多个吸附塔；（3）提供热再生气使塔内吸附剂再生的高温加热器；（4）将热再生气中的水冷凝的再生气冷却器；（5）消除再生气中冷凝水的再生气分离器；（6）控制气流的管道、切换阀及控制器等。吸附脱水的优点：（1）提供非常低的露点，使水的体积分数降至1×10-6m3/m3以下；（2）对气温、流速、压力等变化不敏感；（3）没有腐蚀、形成泡沫等问题；（4）适合于少量气体的廉价脱水过程。吸附脱水的缺点：（1）基建投资大；（2）压力降较高；（3）吸附剂易于中毒或碎裂；（4）再生需要热量较多。吸附法主要的应用范围：（1）适用于小流量气体的脱水；（2）对于大流量高压天然气脱水，根据要求露点的不同，可采用吸收法和吸附法配合的方法脱水；（3）在气体流量、温度、压力变化频繁的情况下，一般采用吸附法。吸附法脱水装置工艺流程见图2-4。注意：（1）在吸附时，为了减少气流对吸附剂床层扰动的影响，湿气流一般自上而下流过吸附塔。（2）一般设计吸附塔时均设计两座及以上，保证一个塔吸附时，其它塔可进行再生。（3）吸附再生需要吸热，再生结束后，吸附剂需冷却后才具有较好的吸附能力。2、酸性气体的脱除方法分类（1）酸性成分：H2S、CO2、COS、RSH等气相杂质。含有酸性气体的天然气称为酸性气或含硫气。（2）酸性成分危害：对人体有害；对设备管道腐蚀；在降温过程中易析出。脱除酸性气体常称为脱硫脱碳，或简称为脱硫。（3）主要的脱酸方法：

化学吸收法：包括醇胺法和碱性盐法两大类。醇胺类化合物：至少含有一个羟基和一个胺基。

羟基的作用是降低化合物的蒸汽压，并增加化合物在水中的溶解度；

胺基为水溶液提供必要的碱度，促进水溶液对酸气组分的吸收。

上述的两个基团的存在利于该化合物用于吸收天然气中的酸性气体。

常使用的胺有一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、二异丙醇胺（DIPA）、甲基二乙醇胺（MDEA）、二甘醇胺（DGA）。

常用的几种醇胺吸收酸性气体的对比：

MEA：碱性最强，与酸性组分迅速反应，容易达到5mg/m3

以下的H2S，最低可达到1.5mg/m3;H2S和CO2能够同时脱除，不存在选择性。化学性能稳定，可以最大限度地降低溶剂降解损失；缺点是蒸汽压高，溶剂损失量大，腐蚀性强。DEA：碱性较弱，同样对酸性气体吸收不存在选择性。净化度低于MEA。溶剂蒸发损失小，腐蚀性弱，再生纯度高。其它两种（DIPA、MDEA）也是近年来采用的选择性溶剂。醇胺脱除酸性气体流程见图2-1。工艺流程涉及到主要设备：吸收塔、汽提塔、传热和分离设备。主要流程可描述如下：原料气分离器游离液体、固体杂质吸收塔酸性气体分离器净化气游离液体、换热器汽提塔再生醇胺溶液汽提塔硫磺回收（1）吸收塔：类型包括填料塔和板式塔。但塔高超过1m的常用板式塔。（阻力因素）（2）汽提塔：进行醇胺溶剂的再生。（3）贫/富液换热器：管壳式，富液走管程。为减轻设备腐蚀，减少富液中酸气组分的解吸，富液温度控制82~94℃范围内。溶液流速控制在0.6~1.0m/s。（4）闪蒸罐：除去富液中溶解的烃类。碱性盐法：可以对天然气进行酸性气体的粗去除。一般应与醇胺法联合使用。

（3）主要的脱硫方法：

物理吸收法：当原料气中酸性气体含量很高，采用醇胺溶剂吸收完成后的脱硫/脱碳的再生能耗高。而物理吸收法主要是在高压下吸收酸气组分，低压时解吸出酸性气体组分，溶剂也随之得到再生。物理吸收法存在对H2S的选择性吸收。常用溶剂：多乙二醇二甲醚和碳酸丙烯酯和环丁砜。

（3）主要的脱酸方法：

物理吸收法：当原料气中酸性气体含量很高，采用醇胺溶剂吸收完成后的脱硫/脱碳的再生能耗高。而物理吸收法主要是在高压下吸收酸气组分，低压时解吸出酸性气体组分，溶剂也随之得到再生。物理吸收法存在对H2S的选择性吸收。常用溶剂：多乙二醇二甲醚和碳酸丙烯酯和环丁砜。（3）主要的脱酸方法：

物理化学吸收法：主要是由MDEA（或其它叔醇胺）和物理溶剂组成物理化学混合溶剂，其净化度高，净化气能达到管输气的质量指标。现已成为天然气脱硫的重要方法之一。

直接转化法：即氧化还原法，用EDTA（乙二醇己二胺）及多醛基络合铁溶液吸收并氧化H2S。适用于H2S浓度低而量不大的天然气脱酸性气体。另外，还有Sulfolin法、Sulferox法、Unisulf法、Chemsweet法等。（3）主要的脱酸方法：

分子筛法：5A型，13X型分子筛。能够选择性脱除一些难以脱除的酸性气体，因此可以与其它的脱酸方法结合。3、酸性气体脱除方法的选择原则：选择脱酸方法时要考虑的主要因素：原料气中酸性组分的类型和含量；原料气的温度、压力及处理量，对脱酸后的净化气及所获得酸气的要求，脱酸装置的总成本和操作费用等。

3、其它杂质的脱除

包括汞、重质烃、氮气、氧气、氦气、COS的脱除。汞：包括单质汞、汞离子及有机汞，会造成铝合金材料的腐蚀。引起催化剂中毒，造成环境污染和危害人体。一般液化天然气前需将汞含量降到0.01ug/m3以下。

去除方法：（1）不可再生固定床：带硫的活性炭、含硫的分子筛和金属硫化物。（2）可再生的HgSIV吸附材料。重质烃：防止冷却过程中结冰，应控制重质烃含量，如苯含量应小于1umol/mol，C5含量小于0.2%。

去除方法：冷凝法氮气、氦气、氧气：存在该类气体，导致天然气不易液化，并且影响产品的热值。去除方法：闪蒸COS：遇水产生H2S和CO2，对设备产生腐蚀作用，一般与H2S和CO2同时脱除，不单独采取措施脱除COS。第3章制冷原理和方法从制冷原理的不同，可以分为气体膨胀制冷和相变制冷两大类。

气体膨胀制冷：利用较高压力的气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀使气体降压降温来获得冷量。可分为节流膨胀制冷和绝热膨胀制冷两种类型。

相变制冷：利用制冷剂在相变时的吸热效应产生冷量。也成为蒸汽制冷，可分为蒸汽压缩式、蒸汽喷射式和吸收式。第一节节流膨胀制冷

节流：连续流动的高压流体在绝热且不对外做功的情况下通过节流阀急剧膨胀到低压的过程。

根据热力学第一定律，节流的最终结果是等焓的，即：一、节流效应：流体节流时，由于压力的变化所引起的温度变化，称为节流效应或焦耳-汤姆逊效应（简称焦-汤效应）。

1、微分节流效应：流体节流时，微小压力变化所引起的温度变化，称为微分节流效应。由热力学基本关系式，可导出微分节流效应系数与节流前状态参数（p，V，T）之间的适用关系式。对于理想气体，由于pV=RT，则由式（3-3）可得：，即理想气体节流温度不变。对于实际气体，方程式（3-3）有以下三种情况：（1）当时，，节流后温度降低；（2）当时，，节流后温度不变；（3）当时，，节流后温度升高。

2、积分节流效应：实际节流时，压力变化为一有限值所引起的温度变化为：根据方程式（3-3），式（3-4）可写成：因此，要达到制冷的降温的目的，必须根据工质的性质选取节流前合适的压力和温度。一、气体做外功的等熵膨胀过程

高压天然气通过涡轮膨胀机进行绝热膨胀同时对外做功的过程如果是可逆的，则必然是等熵过程。

该过程的特点是气体膨胀对外做功熵值不变，膨胀后气体温度降低，且同时产生冷量。

1、等熵膨胀效应

气体进行等熵膨胀时，由于压力的变化引起的温度变化成为等熵膨胀效应。等熵膨胀效应系数：第二节绝热膨胀制冷微分等熵膨胀效应系数与气体状态参数见的通用关系式：上式表明：即等熵过程总是产生冷效应，膨胀的结果总是使气体温度降低，且同时产生冷量，产生冷量值为绝热焓降。气体实际等熵膨胀时，压力变化为一有限值所引起的温度变化，称为积分等熵膨胀效应，即：等熵膨胀单位产冷量即绝热焓降等于气体等熵膨胀开始状态的焓与膨胀终了状态焓之差。二、气体节流与气体对外作功的绝热膨胀的比较上面结果表明，气体从同一状态开始膨胀到相同终压，节流膨胀的温降小，等熵膨胀的温降大，且能回收一部分的膨胀功。因此，一般说来，制冷过程中采用气体输出能量的等熵绝热膨胀比采用节流膨胀好。从使用角度看，两者有如下不同特点：（1）节流过程用节流阀，结构比较简单，便于调节；等熵膨胀需要膨胀机，结构复杂；（2）在膨胀机中实际上不可能实现等熵膨胀过程，因而所得到的温度效应及制冷量要比理论值小；（3）节流阀可以在气液两相区内工作，即节流阀出口可以有很大的带液量，而膨胀机的带液量有限。因此，节流和等熵膨胀两过程应依具体情况而定。蒸汽压缩制冷是相变制冷中常用的一种。是利用液体汽化时的吸热效应来获得低温。

一、制冷原理

包括节流膨胀、液体冷剂蒸发、气体冷剂压缩、过热气体冷凝四个过程。

1、节流膨胀过程

制冷剂液体经节流阀膨胀后降低到蒸发压力pB，同时温度得到进一步下降到饱和温度TB，易于蒸发器蒸发吸热。第三节蒸汽压缩制冷

2、液体蒸发过程

制冷剂液体在蒸发器吸收热量被蒸发，产生制冷效果。该过程是恒温恒压过程。

3、气体压缩过程

增压的目的是让循环的制冷剂在高压下再一次液化。

4、过热气体冷凝过程

通过冷凝器制冷剂被冷却到露点温度，此时制冷剂蒸汽在恒温下开始冷凝。在该过程中，蒸发和压缩过程中加给制冷剂的所有热量和功必须移出，才能完成一个循环。

二、制冷剂

也称制冷工质，是制冷系统中完成制冷循环的工作介质。按照化学成分分类，可分为无机化合物制冷剂、氟利昂制冷剂、碳氢化合物制冷剂、共沸溶液制冷剂。最普遍的是丙烷、乙烯、乙烷、甲烷等制冷剂。共沸制冷剂是制冷剂的发展方向之一。

三、制冷循环

（1）节流循环

气体节流降温组成的制冷循环称为节流循环。

（2）膨胀机制冷循环

（3）蒸汽压缩制冷循环第3章天然气的液化流程按照制冷方式的不同，天然气的液化流程可以分为三种方式：1、级联式液化流程；2、混合制冷剂液化流程；3、带膨胀机的液化流程。

一般而言，基本负荷型的液化装置采用级联式混合制冷剂液化流程；调峰型的液化装置采用带膨胀机的液化流程和混合制冷剂液化流程。1、级联式液化流程包括三级独立的制冷循环组成，制冷剂分别为丙烷、乙烯和甲烷。

第1级丙烷制冷循环：为天然气、乙烯和甲烷提供冷量；

第2级乙烯制冷循环：为天然气和甲烷提供冷量；

第3级甲烷制冷循环：为天然气提供冷量。

经过三级制冷循环，九个换热器的换热后，天然气降压降温到0.1034MPa、-160℃。示例：优点：能耗低；制冷剂为纯物质，无配比问题；技术成熟，操作稳定。缺点：是机组多，流程复杂；附属设备多，需要有专门生产和储存多种制冷剂的设备；管道与控制系统复杂，维护不便。级联式液化流程也称阶式液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程，主要应用于基本负荷型天然气液化装置。

2、混合制冷剂液化流程混合制冷剂液化流程（MRC）是以C1-C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。由于该工艺流程具有既能达到级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。自20世纪70年代以来，广泛应用于基本负荷型天然气液化装置。与级联式液化流程相比存在能耗较高（高10%-20%），制冷剂合理配比困难等问题。

闭式混合制冷剂液化流程制冷剂循环和天然气液化过程分开，自成一个独立的制冷循环。制冷剂常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H12组成。（1）混合制冷剂经压缩机压缩至高温高压，冷却水冷却，进入气液分离器，气液相分别进入换热器1；（2）液体在换热器1中过冷，再经过节流阀节流降温，与后续流程的返流气混合后共同为换热器1提供冷量，冷却天然气、气态制冷剂和需要过冷的液态制冷剂。（3）气态制冷剂经换热器1冷却后进入闪蒸分离器分离成气相和液相，分别流入换热器2，液体经过冷却和节流降压降温后，与返流器混合为换热器2提供冷量，天然气进一步降温，气相流体也被部分冷凝。（4）换热器3中的换热过程同换热器1,2。制冷剂在换热器3中被冷却后在换热器4中进行过冷，然后节流降压降温后返回该换热器，冷却天热气和制冷剂。开式混合制冷剂液化流程天然气既是制冷剂，同时也是液化的对象。此流程中，天然气经过一级压缩，三级换热过程，最后得到LNG。丙烷预冷混合制冷剂液化流程此流程结合了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的特点，流程高效简单。目前世界上80%以上的基本负荷型天然气液化装置中采用了丙烷预制冷混合制冷剂液化流程。液化流程包括三个部分：（1）混合制冷剂循环；（2）丙烷预冷循环；（3）天然气液化回路。在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷循环用于深冷和液化天然气。该液化流程的主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三部分。整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循环两部分。特点：1）流程简单、设备少。2）冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器，体积小，便于安装。3）压缩机和驱动机的形式简单、可靠、降低了投资与维护费用。CII液化流程（整体结合式级联型液化流程）3、带膨胀机的液化流程是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能够输出功，可用于驱动流程中的压缩机。流程的关键设备是透平膨胀机。根据制冷剂的不同，可以分为氮气膨胀液化流程和天然气膨胀液化流程。天然气膨胀液化流程是指利用高压天然气在膨胀机中绝热膨胀到输出管道压力而使天然气液化的流程。突出优点：功耗小、只对需液化的天然气脱除杂质，可使天然气的预处理量大为减少。不足：温度偏高，液化率低。

具有流程简单、紧凑，造价低，启动快，运行灵活，适应性强，易于操作和控制等优点。但能耗高于混合制冷剂40%左右。氮气膨胀液化流程氮-甲烷膨胀液化流程主要是为了降低膨胀机的功耗，用N2-CH4混合气体代替纯N2，发展了N2-CH4膨胀液化流程。与混合制冷剂液化流程相比具有启动时间短、流程简单、控制容易、混合制冷剂测定及计算方便等优点。由天然气液化系统和制冷系统两个独立的部分组成。其它膨胀液化流程3.4天然气液化流程中的设备模拟包括基本符合型和调峰型液化流程的热力学模拟、参数分析、优化分析和（火用）分析。流程涉及设备液化装置包括：（1）净化系统；（2）液化与分离系统；（3）制冷系统；（4）储运系统；（5）动力系统；（6）控制系统；（7）冷却水系统等。液化流程中所涉及到的设备主要是制冷压缩机、多股流换热器、气液分离器、节流阀、物流混合器等设备。并分模块进行处理。压缩机主要使用的压缩机是离心式压缩机和轴流式压缩机。在流程中的重要作用是压缩制冷剂，为后续流程中各节流阀降压、降温作准备。膨胀机和节流阀使经过压缩机压缩后的高压制冷剂在这一设备中降压，同时产生降温，从而为在换热器中该股制冷剂冷量向天然气和其它制冷剂传递提供驱动力。气液分离器气液分离器中产生的液相冷却后，进入节流阀产生温降，为换热器提供冷量；分离产生的气相，为后续流程提供制冷剂。物流混合器混合器的作用是混合换热器中节流阀节流降温后的流体与后续流程的返流制冷剂，使制冷剂能循环利用，返流的制冷剂温度仍较低，可为高温级换热器提供冷量，使低温级低压制冷剂的冷量得到充分利用。多股流换热器实现低压制冷剂冷量向天然气和高压制冷剂传递，天然气吸收冷量后降温，往液化并提高液化率的目标逼近；高压制冷剂吸收冷量后能部分液化，使高压进入到下一个气液分离器时产生气液分离。3.5基本负荷型天然气液化装置中液化流程的热力学分析流程丙烷预制冷混合制冷剂循环液化流程。流程参数对天然气液化的影响（1）天然气压力和预冷后天然气温度对混合制冷剂的流量、混合制冷剂压缩机的耗功、混合制冷剂循环低压制冷剂提供的冷量以及天然气消耗的冷量、丙烷预冷量影响较大。对丙烷预冷量的影响尤其明显。（2）天然气中甲烷含量对丙烷压缩机的耗功、丙烷预制冷循环中丙烷提供的冷量，以及天然气消耗的冷量、天然气消耗的总冷量影响较大。（3）压缩机入口处制冷剂的温度变化对混合制冷剂的流量、丙烷压缩机的耗功、丙烷预冷量影响较大。（4）低压制冷剂压力对混合制冷剂压缩机的耗功影响较大。（5）高压制冷剂压力对混合制冷剂的流量和混合制冷剂提供的冷量影响较大。流程有用功分析液化流程设备的有用功分析模型液化流程中包括的设备有多股流换热器、压缩机、水冷却器、气液分离器、混合器和节流阀。列出其用平衡方程，确定设备有用功损失。忽略工质的动能、位能，稳流工质的焓（火用）可表示为：（1）压缩机火用损失压缩机用平衡方程：根据稳流工质焓用表达式，压缩机用损失可表示为：（2）节流阀和膨胀机的用损失节流阀用平衡方程为：由于绝热节流焓值不变，H1=H2。考虑稳流工质的焓用表达式，则节流阀的用损失为：膨胀机的用平衡方程为：考虑稳流工质的焓用表达式，则膨胀机的用损失可表示为：

（3）物流混合用损失物流混合的用平衡方程为：根据能量平衡H3=H1+H2，则物流混合后的用损失可表示为：

（4）多股流换热器用损失多股流换热器的用平衡方程为：根据能量平衡方程Hin=Hout，则多股流换热器的用损失为：（5）水冷却器的用损失水冷却器用损失方程：对图3-14的流程计算（P72）结果表明（如图3-22）：（1）混合制冷循环中压缩机的用损失是循环的主要用损失，其次是节流阀和换热器；（2）丙烷预冷循环中的主要用损失是压缩机，其次是换热器和混合器；这表明在液化流程中，压缩机的用损失最大。3、降低液化流程用损失的改进措施：对于降低压缩机的用损失，可采用下列措施：1）合理选择压缩机的吸入温度和压缩系数；2）改进压缩机结构，提高压缩机的绝热效率。对于降低换热器的用损失，可采用下列措施：1）采用强化传热措施，增加换热面积。2）流程中采用回热的方法，回收低温冷量、减少系统的用损失。对于节流阀，可采用如下措施减少节流过程的用损失：1）合理选择液化流程参数，减少节流压力降。2）在换热器中对节流工质进行过冷，使工质在节流前处于过冷状态。3.6调峰型天然气液化装置中液化流程的热力学分析流程基本类型：1）级联式液化流程；2）膨胀机液化流程；3）混合制冷剂液化流程。流程选择依据：对液化装置的外围条件和天然气组分、压力、温度、液化率等设计条件进行全面了解，并综合考虑液化流程的技术性、经济性等因素才能确定。目前流行的液化流程包括：N2-CH4膨胀机液化流程；丙烷预冷混合制冷剂液化流程；新型两级混合制冷剂液化流程。流程参数对天然气液化的影响

1、丙烷预冷混合制冷剂液化流程的参数分析：一般而言，混合制冷剂的组成，混合制冷剂高、低压压力均会影响液化质量和效果。主要分析混合制冷剂的组成对液化流程性能的影响。（1）混合制冷剂中甲烷含量（摩尔分数）的影响。（图3-27）（2）混合制冷剂中氮气含量（摩尔分数）的影响。（图3-28）（3）混合制冷剂中乙烷含量（摩尔分数）的影响。（图3-29）（4）混合制冷剂中丙烷含量（摩尔分数）的影响。（图3-30）（5）小结2、N2-CH4膨胀机液化流程参数分析（略）3、新型两级混合制冷剂液化流程参数分析（略）2、调峰型天然气液化流程的用分析三种调峰型天然气液化流程用分析结果：三种调峰型天然气液化流程用分析结果表明：丙烷预制冷液化流程的用损失最小，新型混合制冷剂液化流程次之，膨胀机液化流程用损失最大。（1）丙烷预制冷减少了液化所需的制冷量，降低了换热器中传热温差，提高了用效率；（2）天然气的液化循环的主要损失在压缩机和主换热器。（3）新型混合制冷剂液化流程的用损失，主要存在于换热器和压缩机，其次是水冷器和节流阀；（4）膨胀机主要是换热器的传热温差大，用损失随着增加。5、1压缩机用途：在天然气液化装置中，主要用于增压和气体输送。类型：往复式压缩机，离心式压缩机和轴流式压缩机。特点：（1）往复式压缩机：运行速度慢，处理量较小（100m3/min以下），可通过改变活塞行程适应压缩机负荷状态；结构形式包括立式和卧式两种。

第5章液化天然气装置的相关设备（2）轴流式压缩机：结构紧凑，效率高，20世纪80年代开始用于天然气液化装置，主要用于混合制冷剂制冷循环装置。（3）离心式（径流式）压缩机：转速高、排量大、体积小，主要用于大型液化装置。分单级和多级，只在增压比不同。

驱动方式：包括电力驱动、汽轮机和燃气轮机驱动。安全措施：应充分考虑压缩机介质的特性，要求压缩机的轴封具有良好的气密性，电气设施和驱动电动机具有防爆装置。对于深冷低温的制冷压缩机，还要考虑低温对压缩机构件材料的影响，以及润滑问题。压缩机控制:（1）容量控制方法：吸入口节流、排出口节流、调整进口导叶及改变转速。（2）排量控制方法：调整进口导叶、转速。选择原则：（1）进口流量和排出压力。（2）根据压力和流量的图线，确定压缩机的结构尺寸。（3）对于摩尔质量低的气体，使用立式安装型的压缩机。5.2换热器用途：在天然气液化装置中，主要用于热量交换，包括液化及气化过程。类型：绕管式（基本负荷型）、板翅式（调峰型）和LNG汽化器。

特点：（1）绕管式：效率高，维修方便，事故率低，适合工作压力很高的工作条件。（2）板翅式：成本低，结构紧凑。（3）汽化器：专门用于液态天然气转化为气态的换热器。按加热方式可分为空气加热、海水加热、燃烧加热等型式。绕管式换热器绕管式换热器也成为螺旋管式换热器，广泛应用于空分设备。组成结构：铝管绕成螺旋形，绕管分层，各层的卷绕方向相反。管路在底部或顶部与管板相连。管板起到固定管子的作用。高压气体在管内流动，制冷剂在壳体内流动。壳体内需要设置一些挡板，增加流体的流速和扰动，提高传热效率。设计计算：结构复杂，一般要采用计算机程序进行。确定了换热器的大小，包括表面积、管数与管长、总长、螺旋角及管间间距，就可以计算压降。如果压降满足要求，可将管内侧与外侧的边界条件作为独立变量，进行优化；如果压降不满足要求，则需要调整管径，重新计算。换热器效率和压缩机效率关系：WR是WLNG和所有换热器系统中不可逆损失之和，如温差、压降、控制阀和混合制冷剂的相互影响。换热系统最大的不可逆损失是因温差引起，尤其在低温部分。板翅式换热器铜铝结构，最初广泛应用于空分设备。组成结构：多通道型式，并且成为各自独立的单元。翅片厚度一般为0.15~0.41mm，焊接在板上，板的厚度为1.0~2.0mm。翅片的高度和密度取决于传热和工作压力的要求。普通翅片的高度为6.3~19mm，翅片的间距约为1.6mm，传热面积率可达到1300m2/m3。按流动形式分：交叉流、相间流及多股流。翅片形式：平板型、打孔型、间断型、鱼叉型等。LNG汽化器专门用于液化天然气汽化的换热器。对于基本负荷型系统使用的汽化器，使用率高，汽化量大。最好利用廉价的低品位热源。以空气和水作热源的汽化器，结构简单，运行和维护的费用很低，比较适合于基本负荷型的系统。对于调峰型系统使用的汽化器，使用率较低，工作时间的随机性，要求启动速度快，气化率高，维护简单，可靠性高，具有紧急启动的功能。由于使用率较低，因此设备初投资尽可能低，而对运行费用则不大苛求。空气加热型汽化器：汽化器多为翅片管型或其它伸展体表面的换热器。由于空气加热的能量较小，受环境条件影响大，一般用于汽化量较小的场合。一般在标况下可达到1400m3/h。水加热型汽化器：多以海水作为热源。开架式汽化器（ORV）既是以海水作为热源的汽化器。可用于基本负荷型的大型汽化装置，最大天然气流量达到180t/h。汽化器在0~100%的负荷范围内运行，可根据需要调整气化量。为了避免水在管外结冰和提高汽化器的传热性能，有关厂商进行了不断地改进。通过改进热管的结构，加强单位管长的换热能力和避免外表结冰。为了改善传热管内侧LNG蒸发时的传热系数相对较低的现状，新型的汽化器对传热管进行了强化设计。传热管分成汽化区和加热区，采用管内肋片来增加换热面积和改变流道的形状，增加流体在流动过程中的扰动，达到增强换热的目的。为了改善管外结冰的问题，采用具有双层结构的传热管，LNG先在夹套内先被海水汽化，LNG蒸汽然后来加热内管的LNG，达到逐步汽化的目的。能够抑制传热管外表结冰，保持所有的传热面积有效，提高了海水与LNG之间的传热效率。采用海水做热源的汽化器时，对海水要求：

1）重金属离子：Hg2+检测不出；Cu2+≤10-8。2）固体悬浮物：≤80×10-6。3）pH值为7.5~8.5。4）要求过滤器在海水取水处能够去除10mm以上的固体颗粒。具有中间传热流体的汽化器：可以改善结冰带来的影响，通常以丙烷、丁烷或氟利昂等介质作为中间传热流体。传热过程包括两级换热组成：第一级是由LNG和丙烷进行换热；第二级是丙烷和海水换热。燃烧加热型汽化器：浸没式燃烧加热型汽化器是使用最多的一种。适合于负荷突然增加的要求，可快速启动，并能对负荷突然增加的要求。蒸气加热型LNG汽化器：主要是在LNG船上应用。而且具有多用途的特点。包括以下方面：1）惰性气体的清除与纯化。在LNG储罐完成惰化后，用于置换LNG储罐中的惰性气体，是汽化器的基本的工作模式。2）紧急状态天然气供应。维持LNG液舱内的压力。3）液舱惰化。4）紧急卸货。

一般情况下，LNG的温度为-162℃，与加热蒸汽的温差达到300~400℃，因而机械强度设计方面，要充分考虑这些因素的影响。减少管道对管板连接处的热应力。另一方面由于传热温差很大导致，流体流型属于不平衡的两相传热，计算复杂。换热器的换热能力评价：由于流体在流动过程中的温度变化大，流体的性能变化大，并且存在多股流体换热的情况，换热过程中存在潜热和显热的交换，因此，用经典的对数平均温差的方法确定换热器的换热能力并不适合。另外，为了减少换热过程中的不可逆损失，提高装置运行的经济性，使用高效率的换热器是基本原则。

对于简单套管式换热器，换热流体沿管道逐步发生温度变化。其换热效率（ε）可按照单股流体的温差与换热器的最大温差之比来确定。冷热流体的温度变化如下图。另外一个概念是传热单元数N，定义为：换热效率与换热单元数之间的关系满足：可通过教材P168的方法计算换热器所需的换热面积。计算的关键还是在换热系数的确定。在此不再用对数平均温差来进行换热面积的确定。传热过程中存在的问题：（1）流动不均匀性：使换热效率下降；（2）流道受阻：主要是碳氢化合物中高碳组分被冻结或产生氢气，产生偶尔的阻塞或故障，引起换热效率下降；（3）纵向导热：指沿换热器长度方向的传热。对传热效率影响很大。（见下图）（4）环境漏热：热量从环境漏入换热器的影响，与纵向热传导类似。

LNG泵（1）LNG的输送方法：一种是压力输送；一种是LNG泵输送。在输送量比较大和管路阻力比较大的情况下，要采用泵进行输送。（2）LNG的输送问题：LNG的转移，包括LNG液化装置的储罐向LNG船液舱内装货、LNG船到达接收站卸货、接收站对外进行LNG的输送或转运等都需要LNG泵。（3）LNG泵的特点：能耐低温、泵的气密性和电气方面安全性能要求提高。（4）常见的LNG泵：潜液式电动泵，专门用于输送LNG和LPG等易燃、易爆的低温介质。其特点是将泵与电动机整体安装在一个密封的金属容器内，不需要轴封，也不存在轴封的泄漏问题。常用于船用泵、汽车燃料泵、LNG高压泵、大型储罐罐内泵。

LNG输送管路管路系统是LNG液化装置的重要组成部分。连接了LNG管路的液化装置和接收站以及汽化装置。管路的长短不一，长的管路可以达到几公里。管径大的达到800mm。（1）LNG管路设计中主要问题：低温液体的隔热要求、热应力问题、防止水蒸汽渗透的防护措施问题，避免出现冷凝和结冰的现象，管道泄漏的探测方法，以及防火问题等。

（2）LNG管路的材料一般为具有优异低温性能的奥氏体不锈钢，由于其具有线膨胀系数大的特点，因此常需要采用弯管和膨胀节的方法来补偿由于温度变化引起的热膨胀和冷收缩。（3）LNG气体管路在液化天然气系统中的作用非常重要。冷收缩问题：在LNG温度条件下，不锈钢的收缩率达到3‰,因此在LNG管路设计时必须考虑采用有效的措施来补偿。通常采用如下的方法：（1）金属波纹管补偿：亦称膨胀节，是补偿低温输送冷收缩的常用方法。常规设计中，在35m左右的间隔距离，安装一个膨胀节。膨胀节必须与管道内径相同，承压能力相同。同时还要同隔热问题同时考虑。（2）管环式补偿：原理同弯管补偿。（3）采用膨胀率小的管材：殷钢。

LNG管路的隔热：隔热材料：一般取硬质聚氨酯的发泡塑料。隔热结构：常规的保温材料包复型结构和真空夹套型结构。

LNG管路的隔热：操作方法：根据管道外径和隔热层厚度，将聚氨酯发泡塑料制成型材，现场安装。隔热材料的外表还需要有防潮措施和防护外套。管道的预冷和保冷：

预冷：为了防止温度变化过快，热应力过大而使材料或连接部位损坏。同时预冷的速度应该控制在50℃/min左右比较安全。预冷所需要的低温介质的数量与材料的质量、比热容及冷却速度有关。

保冷：对于间歇性装卸的管路的保冷是非常必要的。一般情况下，需要达到或低于0.01Pa的压力情况下，真空多层隔热才会体现优良的隔热效果。

膨胀机是天然气液化装置中获取冷量的关键设备。对于处理气体量较大的情况，一般选用透平膨胀机。（1）透平膨胀机特点：体积小、重量轻、结构简单、气体处理量大、运行效率高、操作维护方便和使用寿命长等特点。（2）透平膨胀机工作原理：透平膨胀机实际上是离心压缩机的反向作用，利用高压气体膨胀时产生的高速气流，冲击透平膨胀机的工作叶轮，叶轮产生高速旋转。高速旋转的叶轮能产生一定的动力，能对外作功。与此同时，膨胀后的气体温度和压力下降。（3）在天然气工业中的应用：液化制冷、轻烃回收、冷能利用等方面。

在LNG工业链中，LNG的储藏和运输是两个重要的环节。储藏和运输所涉及到的设备主要是储罐和储槽。LNG具有易燃、易爆性质，并且储存温度很低，对储存设备和运输工具提出了安全可靠、高效的严格要求。6、1LNG储罐（储槽）分类：一般按照容量、隔热、形状及罐的材料进行分类。（1）按容量进行分类：小型储罐：5~50m3，常用于民用燃气汽化站、LNG汽车加注站等场合。中型储罐：50~100m3，常用于卫星式液化装置、工业燃气汽化站等场合。第6章液化天然气的储运

大型储罐：100~1000m3，常用于小型LNG生产装置。大型储槽：10000~40000m3，常用于基本负荷型和调峰型液化装置。特大型储槽：40000~200000m3，常用于LNG接收站。（2）按围护结构分类：真空粉末隔热：常见于小型LNG储罐。正压堆积隔热：广泛应用于大中型LNG储罐和储槽。高真空多层隔热：很少采用，限用于小型LNG储罐。（3）按储罐（槽）形状分类：球形罐：一般用于中小型储罐。也有用于大型储罐的。目前最大的球形罐达到40000m3。圆柱形罐（槽）：广泛应用于各中容量的储罐和储槽。（4）按罐（槽）的放置分类：地上型、半地下型、地下型、地下坑型。（5）按罐（槽）的材料分类：双金属、预应力混凝土型、薄膜型。（6）按槽罐的围护结构分类：单围护系统：储槽只有一个流体力学承载层，所以必须在储槽的周围预留出一块安全空间。双层围护系统：内外罐体都是低温材料，储槽具有两个流体力学承载层，无需留安全空间。全封闭围护系统：内外罐体都是低温材料，储槽具有两个流体力学承载层，外罐还应加上附加的内压和外压安全承载，也不需预留安全空间。薄膜型围护系统：内外罐体都是低温材料，储槽不具有两个流体力学承载的全封闭围护系统，只有一个流体力学承载层，外罐还应加上附加的内压和外压安全承载，也不需预留安全空间。LNG储罐（槽）结构：（1）立式LNG储罐：设计容量：100m3，技术特性参数见表6-2。内筒内径：3000mm，外筒内径：3450mm。封头：内筒采用标准椭圆形封头，外筒采用标准蝶形封头。支脚：采用“工”字钢。隔热形式：真空粉末隔热技术。

设计LNG理论日蒸发率≤0.27%/d。储罐材料：内筒及管道材料选用OCr18Ni9奥氏体不锈钢，外筒选用优质碳素钢20R压力容器用钢板，内外筒之间选用玻璃钢和Cr18Ni9钢板组合结构。（2）立式LNG子母型储罐：是指拥有多个（3~7个）子罐并联组成内罐，置于一大型外罐（母罐）之中。满足低温溶液大量储存的目的。子罐通常是立式筒形罐，母罐为立式平底拱盖圆筒形。外罐一般为常压容器，子罐可设计成压力容器，最大工作压力为1.8MPa，通常为0.2~1.0MPa。隔热方式为粉末堆积隔热。通常为现场吊装安装。

子母罐的优势如下：

1）依靠容积本身的压力，可采用压力挤压的方法对外排液，而不需要输液泵排液，因此操作简单，可靠性提高。

2）容器具备承压条件后，可采用常压储存方式，减少储存期间的排放损失。

3）制造安装成本较低。

子母罐的不足：

1）夹层无法抽真空，导致保温效果不佳。

2）一般情况，设备外形尺寸庞大。

3）对工作压力和容积有所要求。（3）球形LNG储罐：内外罐均为球形。工作状态下，内罐为内压力容器，外罐为真空外压力容器，夹层为真空粉末隔热。安装一般为现场安装。

球形罐的优势如下：

1）相同容量的情况下，表面积最小，净重最小。

2）最小的表面积，夹层真空，保证了最佳的隔热保温效果。

3）具有最佳的耐内外压力的性能。

球形罐的不足：

1）加工制造成型难度大。

2）现场组装难度大。

3）成型材料利用率最低。

球形罐的容积为200~1500m3，工作压力为0.2~1.0MPa。6.2液化天然气船

作用：为运载在大气压下沸点为-162℃的大宗LNG货物的专用船舶。标准载货量为13~15万m3之间，一般使用寿命为25~30年。6.3液化天然气槽车

作用：运输LNG储槽的液化天然气供居民或工业区使用。载运状态为常压，112K的低温，载运中的安全可靠非常重要。（1）LNG槽车的隔热方式：真空粉末隔热、真空纤维隔热、高真空多层隔热。

选择原则：经济高效、隔热可靠、施工简单。真空粉末隔热具有真空度不高、工艺简单、隔热效果好的优点，往往被采用。高真空隔热近年来由于其独特的优点，加上成熟的工艺，广泛使用。与真空粉末隔热相比具有如下优点：1）高真空多层隔热夹层厚度约为100mm，而真空粉末隔热层厚度约200mm。高真空多层隔热槽车的有效容积增加约27%。2）对于大型半挂槽车，由于夹层厚度大，填充粉末的重量也相应增加，从而增加了槽车的装备重量，降低了载液量。3）采用高真空多层隔热可以避免因槽车行驶所产生的震动，使隔热材料沉降。（2）LNG槽车的安全设计：包括防止超压和消除燃烧的可能性（禁火、禁油、消除静电）。防止超压措施：设置安全阀和爆破片等超压泄放装置。设置两套安全阀在线安装的双路系统，并设一个转换。注意观察安全阀的冻结问题。除了上述两种防止超压措施外，还有公路运输泄放阀。（3）LNG槽车的输液方式：压力输送（自增压输液）和泵送液体1）压力输送：利用在增压器中汽化LNG返回储罐增压，借助压差挤压出LNG。特点：方法简单，设备少。缺点：转注时间长，槽车空载重量大。2）泵送液体：利用车载离心式低温泵来输送液体，方法较好。具有如下优势：转注量大，转注时间短；可以适应不同压力级别的储罐的转注；泵前无需提供额外压力；槽车的重量利用效率和运输效率高。是目前LNG槽车液体输送方式的发展趋势。（4）LNG槽车容量的大型化和列车化：降低吨公里运行成本，提高运输效率。（5）LNG槽车运行高速化。在高速公路上按照70~90Km/h速度行驶。6.4液化天然气储存中的分层和涡旋（1）涡旋现象：是液化天然气储运过程中发生的一种非稳性现象。首先，涡旋是由于向已装有LNG的低温储槽中充注新的LNG液体或由于LNG中氮优先蒸发而使储槽内的液体发生分层；然后，分层后的各层液体在储槽周壁漏热的加热下，形成各自独立的自然对流循环，循环使各层液体的密度不断发生变化；最后，相邻两层的密度相近时发生剧烈混合，引发储槽内过热的液化天然气大量蒸发引发储槽内压力迅速增加，发生事故。（2）分层与涡旋现象的机理：1）自然对流和分层：研究表明，储罐内液体的瑞利数Ra大于2000，则罐内液体的自然对流会使分层现象不可能发生。一般情况下，一个装满LNG的储槽内的Ra数的数量级达到1015，LNG自然循环很容易发生，使液体温度保持均匀。2）老化：由于LNG是多组分混合物，在储存过程中，各组分的蒸发量比例会与初始时LNG组分比例不相同，导致LNG组分和密度发生变化，这一过程称为老化。老化现象受液体中初始氮含量的影响很大，由于氮是LNG中最易挥发的组分，如果初始的氮含量较高，老化LNG的密度将随着时间减小；如果氮含量较小，则由于甲烷的蒸发而使液体密度增大。因此，了解储槽内和将要充装的两种LNG的组成非常重要。3）涡旋：是指在出现液体温度或密度分成的低温容器内，底部液体由于漏热而形成过热，在一定的条件下，迅速达到表面并产生大量蒸汽的过程。涡旋现象只发生在多组分液化气体中。密度差产生的原因：LNG产地不同导致的组分不同；原有的LNG与新充入的LNG的温度不同；原有ＬＮＧ由于老化使其组分发生变化，导致与新充入的ＬＮＧ形成分层。涡旋发生：当不同密度的分层存在时，上部较轻的层可正常对流，并通过蒸发向气相空间释放热量。当下层的自然对流太弱，不能使较重的下层液体穿透分界面进入到上层的话，下层还是处于一种内部对流的模式。上下两层自然对流各自独立进行，直到上下两层间密度接近时发生快速混合，下层被抑制的蒸发量释放出来，同时伴随着表面蒸发率的骤增，压力迅速增加，对储罐带来严重威胁。至少也会带来天然气的大量排空，造成大量浪费。涡旋产生的原因分析：１）很小的密度差就可以导致涡旋产生；２）ＬＮＧ组分的改变对其密度影响比液体温度改变影响大；３）储槽上部较轻的液体会导致涡旋的后果。影响两层液体密度达到相等时间的因素：１）上层液体因蒸发而发生成分变化；２）层间热质传递；３）底层的漏热。（３）分层与涡旋的理论模型：（４）涡旋预防的技术措施：主要是防止液体分层。１）防止分层的方法：不同产地不同气源的ＬＮＧ分开储存；根据需储存的ＬＮＧ与储槽内的原有的ＬＮＧ的密度的差异，选择正确的充注方法。可按如下原则：密度相近时一般底部充注；将轻质ＬＮＧ充注到重质ＬＮＧ储槽中时，宜底部充注；将重质ＬＮＧ充注到轻质ＬＮＧ储槽中时，宜顶部充注。使用混合喷嘴和多孔管充注，可使充注的新ＬＮＧ和原有的ＬＮＧ充分混合，从而避免分层。２）分层的探测和消除：探测：通过测量ＬＮＧ储槽内垂直方向上的温度和密度来确定是否存在分层。消除：采用内部搅拌和输出部分液体的方法消除分层。天然气作为液态存在时有利于储存和运输。最终的利用状态则必须是气态。1、液化天然气的汽化：

汽化站：是一个接受、储存和分配液化天然气的基地，是城镇或燃气企业把LNG从生产厂家转往用户的中间调节场所。在建设布局、设备安装、操作管理等方面具有一些特殊要求。目前主要参照美国NFPA59A《液化天然气生产、储存和处理》规范进行介绍。（1）液化天然气汽化站的总体考虑站址选择：1）站址应选在城镇和居民区的全年最小风向的上风侧。尽量远离人口稠密区，满足卫生和安全的要求；2）考虑汽化站的供电、供水和电话通讯网络等各种条件，站址应选在城市边缘为宜；第7章液化天然气的汽化与利用3）站址至少要有一条全天候的汽车公路；4）汽化站应避开油库、桥梁、铁路枢纽站、飞机场等重要战略目标；5）站址不应受洪水和山洪的淹灌和冲刷，站址标高应高出历年洪水最高水位0.5m以上；6）应考虑站址的地址条件，避免布置在滑坡、溶洞、塌方、断层、淤泥等不良地质条件的地区，站址的土壤耐压力不低于0.15MPa。围堰区和排放系统设计

液化天然气储罐的围堰区应当有一个最小允许容积V，它包括排泄区的任何有用容积和为置换积雪、其它储罐和设备留出的余量。1）单个储罐的围堰区最小允许容积：

V=储罐中液体的总容积（储罐充满）2）多于1个储罐，并且有相应的措施来防止由于单个储罐泄露造成的低温或火灾引发其它储罐泄露时，围堰最小允许容积为：V=被围储罐中最大容积储罐的储液体积（储罐充满）3）多于1个储罐，并且没有相应的措施来防止由于单个储罐泄露造成的低温或火灾引发其它储罐泄露时，围堰最小允许容积为：V=被围储罐中全部储罐储液总容积（储罐充满）注意：1）围堰区如果仅用于汽化、工艺或LNG输运设施时，其最小容积为任何单一事故源在10min内漏入围堰区的的液化天然气、可燃制冷剂或可燃液体的最大容积。2）除了引导LNG快速流出危险区的储罐的排泄管外，禁止采用密闭的液化天然气排泄管道；3）当储罐的工作压力为0.1MPa或更小时，防护围栏或围堰墙的高度和距离由图7-1确定。4）围堰区应当有排除雨水或其它水的措施，5）围堰表面的隔热系统应不易燃烧并可长久使用，且应能承受在事故状态下的热力与机械应力和载荷。围堰区的界定：为了使围堰区内在发生LNG溢流时发生火灾的可能性尽可能减小，对汽化站其它设施的危害降到最低，应根据热辐射防护距离确定用地线。（P239）（1）来自火焰的热辐射通量的规定。（2）热辐射防护距离计算。（3）LNG设计溢流量的确定。汽化器的间隔：除非导热流体介质是不可燃的，各汽化器及其主要热源应当布置在距离任何其他火源至少15m的地方。整体加热汽化器应布置在距用地线至少30m，以及距任何可燃液体及其输运管道、储罐、工艺设备、装卸接口、及控制大楼、办公室、车间和其它有人的建筑物15m以上。远程加热汽化器和环境汽化器应当允许布置在围堰区内，距用地线至少30m。多个汽化器的场合，相邻汽化器之间的距离至少保持1.5m。工艺设备的间隔：含有液化天然气、制冷剂、可燃液体或可燃气体的工艺设备，应当布置在离火源、用地线、控制室、办公室、车间和其它类型的建筑物至少15m远处。燃烧设备和火源应当离任何围堰区或储罐排泄系统至少15m。（2）液化天然气汽化工艺汽化流程：汽化工艺大致分两种：一种是蒸发气体（BOG）再液化工艺；另一种是BOG直接压缩工艺。两种工艺仅在蒸发气体的处理上不同。此处的蒸发气体（BOG）是指由于环境漏热引起的LNG的蒸发气体。蒸发气体再液化工艺如下图：再液化工艺：BOG先经过压缩机加压到1MPa后，与LNG泵输送的压力为1MPa的过冷LNG换热，并重新液化为LNG。直接压缩工艺：BOG由压缩机直接加压到用户所需压力后直接进入外输管网。比较两种工艺：BOG直接压缩工艺能耗超过再液化工艺50%。另外，为了防止LNG卸船过程中造成船舱形成负压，一部分BOG需要返回LNG船以平衡压力。汽化站储存总容积的确定