天然气的应用与安全

天然气的应用与安全演讲者：

王鑫中国石油大学化工学院（北京）作者：朱克佳赵星杨俊涛王尊昱杨东子王明磊王鑫摘要：液化天然气（LNG）技术是高技术的系统工程，已形成了一个工业链。本文主要介绍了天然气的液化和储运、液化天然气的历史发展，对LNG在实际应用中存在的问题做了一些探讨。由于天然气在国民经济中占有重要地位，因此本文也对其未来的发展前景做出了一些猜想。液化天然气(LiquefiedNaturalGas，简称LNG)，主要成分是甲烷，被公认是地球上最干净的能源。随着我国经济的迅速发展，对清洁能源的需求日增，液化天然气的利用也提到日程。近年来，我国液化天然气工业从起步到发展，在LNG产业链的液化、储存、运输等各个环节上都有了显著进步。自2000年上海LNG调峰站建成投产以来，已相继建设了10多座小型天然气液化工厂。为了利用国外天然气资源，20世纪90年代开始，我国着手从海上引进LNG，规划在广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、河北、辽宁等沿海地区建设LNG接收站。其中广东大鹏LNG接收站已于2006年6月投产，福建、上海的LNG接收站正在加快建设，其他站也在筹建中。LNG的海上运输船已正式开始建造。本文写作的目的主要在于让广大人民了解到天然气液化的主要过程，其在国民经济中的地位，成在的问题以及其未来发展前景，希望更多的人能够投身到这个行业，推动中国液化天然气工程的发展，为中国的经济发展做出贡献1天然气的液化工艺1.1阶式制冷液化工艺阶式制冷液化工艺也称级联式液化工艺。这是利用不同的冷剂逐级降低制冷温度实现天然气液化的。如图表示了阶式制冷工艺原理。第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量。制冷剂丙烷经压缩机增压，在冷凝器内经水冷变成饱和液体，节流后部分冷剂在蒸发器内蒸发（温度约-40℃），把冷量传给经脱酸、脱水后的天然气，部分冷剂在乙烯冷凝器内蒸发，使增压后的乙烯过热蒸气冷凝为液体或过冷液体，两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完成丙烷的一次制冷循环。冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作（温度约-100℃），使天然气进一步降温。最后一级的冷剂甲烷使天然气温度降至接近-160℃，经节流进一步降温后进入分离器，分离出凝液和残余气。在如此低的温度下，凝液的主要成分为甲烷，成为液化天然气（LNG）。1.2混合冷剂制冷液化工艺混合冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷组成，利用混合物各组分不同沸点，部分冷凝的特点，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。混合冷剂液化工艺既达到类似阶式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。由于只有一种冷剂，简化了制冷系统1天然气的液化工艺系统由密闭的制冷系统和主冷箱组成。冷剂蒸气经过压缩后，由水冷或空冷使冷剂内的低压组分（即冷剂内的重组分）凝析。低压冷剂液体和高压冷剂蒸气混合后进入主冷箱，接受冷量后凝析为混合冷剂液体，经J-T阀节流并在冷箱内蒸发，为天然气和高压冷剂冷凝提供冷量。在中度低温下，将部分冷凝的天然气引出冷箱，经分离出C5+凝液，气体返回冷箱进一步降温，产生LNG。C5+凝液需经稳定处理，使之符合产品质量要求1.3带预冷的混合冷剂制冷液化工艺

丙烷预冷混合制冷剂液化流程，结合了阶式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，流程既高效又简单。所以自20世纪70年代以来，这类液化流程在基本负荷型天然气液化装置中得到了广泛的应用。目前世界上80%以上的基本负荷型天然气液化装置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。

①混合制冷循环

②丙烷预冷循环

③天然气液化回路1天然气的液化工艺2液化天然气的储存与安全2.1储罐形式和选型2.1.1LNG储罐形式低温常压液化天然气按储罐的设置方式及结构形式可分为：地下罐主要有埋置式和池内式；地上罐有球型罐、单容罐、双容罐、全容罐及膜式罐。其中单容罐、双容罐及全容罐均为双层罐（即由內罐和外罐组成，在内外罐间充填有保冷材料）

2.1.2LNG储罐的比较及选择LNG罐型的选择要求安全可靠、投资低，寿命长，技术先进，结构有高度完整性，便于制造；并且要求能使整个系统的操作费用低。地下罐投资非常高、交付周期长。除非有特殊的要求，设计一般不选用。双容罐和全容罐比较，有差不多的投资和交付周期，但安全水平较低，现在对LNG储罐设计来说，比较陈旧，也不被选用。单容罐显然有一个较低的投资，相对与其他罐型，结余的费用可用来增加其他设备和安全装置来保证安全性。

全容罐和膜式罐的投资和其他形式储罐比较稍高，但其实际的安全性更好。它们是现在接收站普遍采用的罐型，另外混凝土顶经常被看作是能提供额外保护和具有工艺优势。膜式地上罐理论上投资和交付周期较全容罐和地下罐是有优势的，但膜式罐的制造商很少。单容罐、双容罐与全容罐相比罐本身的投资较低，建设周期较短；但是，因为单容罐、双容罐的设计压力和操作压力均较低，需要处理的BOG量相应增加较多，BOG压缩机及再冷凝器的处理能力也相应增加，卸料时BOG不能利用罐自身的压力返回输送船，必须增加配置返回风气机。因此，LNG罐及相应配套设备的投资比较，单容罐、双容罐反高于全容罐，其操作费用也大于全容罐。2.2储罐结构与建造2.2.1全容罐的结构及发展全容罐的结构包括內罐和外罐。內罐主要由板材、罐低、罐壁、罐顶组成；外罐主要由罐基础、罐墙壁、罐顶组成。典型的全容式储罐由预应力钢筋混凝土外层罐和9%Ni钢内层罐组成，罐顶为钢筋混凝土制成。随着全容罐需求的不断增加，储罐结构设计和材料应用的不断改进，一方面储罐的容量越来越大，容积达20×10^4（立方米）的地上全容罐已在建造；另一方面设计和建造技术的发展，储罐建设费用下降，建造周期缩短。2.2.2全容罐的建造全容罐的建造分为外罐建造、內罐建造、9%镍钢的焊接、后续工作。外罐建造包括墙体浇筑、安装承压环、气升罐顶、罐顶建造、罐壁预应力张拉。內罐建造包括罐低、罐壁、保温。9%镍钢的焊接：对于9%镍钢的焊接是內罐建造的主要工作量，由于9%镍钢对磁性很敏感，为避免现场焊接时产生电弧偏吹，要求出厂钢材残余磁含量不超过50高斯，同时现场施工时远离强磁场，并准备消磁设备。后续工作包括检验（PT检验、RT检验、真空试验、PMI检验）、试验（水压试验、气压试验）、干燥与冷却。2.3LNG的储存安全2.3.1LNG的储存特性LNG的储存特性主要有液体分层、老化、翻滚、间歇泉和水锤现象。

液体分层：LNG是多组分混合物，因温度和组分的变化，液体密度的差异使储罐内的LNG可能发生分层。一般罐内液体垂直方向上温差大于0.2℃、密度大于0.5千克/立方米时，即认为罐内液体发生了分层。

老化：LNG是一种多组分混合物，在储存过程中，各组分的蒸发量不同，导致LNG的组分和密度发生变化，这一过程称为老化。

翻滚：LNG是低温液体，在储存过程中，不可避免地从环境吸收热量。若储罐内的液化天然气已经分层，被上层液体吸收的热量一部分消耗于液面液体蒸发所需的相变焓，其余热量使上层液体温度升高，随蒸发的持续，上层液体的密度愈来愈大。下层吸收的热量通过与上层液体的分界面传给上层液体，两液层间的温度差比较小，通过界面传递的热量小于下层液体从环境获得的热量，下层液体温度上升、密度减小。随储存时间的延续，上层液体的密度逐渐增大、下层液体的密度逐渐减小，当上下两层液体密度接近相等时，分层界面消失，液层快速混合并伴随有液体的大量蒸发，此时的蒸发率远高于正常蒸发率，这种现象称为翻滚。

间歇泉和水锤现象：如果储罐底部有很长的而且充满LNG的竖直管路，由于关内流体受热，管内的蒸发气体可能会定期地产生LNG突然喷发。这种间歇式的喷发，称为间歇泉现象。管路中产生的甲烷蒸气被重新注入的液体冷凝，形成水锤现象。2.3.2LNG的储存安全液化天然气餐餐券技术主要有以下几方面：储罐材料。材料的物理特性应适应在低温条件下工作，如材料在低温工作状态下的抗拉和抗压等机械强度、低温冲击韧性和热膨胀系数等。LNG充注。储罐的充注管路设计应考虑在顶部和底部均能冲罐，这样能防止LNG产生分层，或消除已经产生的分层现象。储罐的地基。应能经受得起与LNG直接接触的低温，在意外情况下万一LNG产生泄漏或溢出，LNG与地基直接接触，地基应不会损坏。储罐的隔热。隔热材料必须是不可燃的，并有足够的牢度，能承受消防水的冲击力。当火蔓延到容器外壳时，隔热层不应出现熔化或沉降，隔热效果不应迅速下降。安全保护系统。储罐的安全防护系统必须可靠，能实现对储罐液位、压力的控制和报警，必要时应该有多级保护。3液化天然气的运输与安全3.1液化天然气的船运

液化天然气海上运输的特点：①投资风险高；②产业链特性强；③运输稳定。LNG运输船结构特点：双层壳体——液化天然气运输船设计普遍采用双层壳体，在船舶的外壳体和储槽间形成保护空间，从而减小了槽船因碰撞导致储槽意外破裂的危险性。隔热技术——低温储槽可以采用的隔热方式有真空粉末、真空多层、高分子有机发泡材料等。再液化——低温LNG储槽控制低温液体的压力和温度的有效方法是将蒸发气再液化，这可以降低低温液体储槽保温层的厚度，进而降低船舶造价、增加货运量、提高航运经济性。液化天然气运输船船型:自支承式：自支承式储槽是独立的，它不是船壳体的任何一部分，在储槽的外表面是没有承载能力的绝热层。MOSS型LNG运输船和SPB型LNG运输船属于自支承式。薄膜式：薄膜式储槽采用船体的内壳体作为储槽的整体部分。储槽第一层为薄膜层结构，其材料采用不锈钢或高镍不锈钢，第二层由刚性的绝热支撑层支承。储槽被安装在船壳内，LNG和储槽的载荷直接传递到船壳。3.2液化天然气的车运液化天然气公路运输特点：①变化多；②安全可靠。液化天然气运输槽车：LNG槽车的装卸——包括自增压装卸和泵增压装卸。LNG槽车的隔热——为了确保安可靠、经济高效地运输，LNG槽车的隔热必须经济有效，而低温储罐的隔热设计决定了储罐的性能。可以采用的隔热方式有真空粉末隔热（CF）、真空纤维隔热（CB）、高真空多层隔热（CD）等。LNG槽车行驶高速化：随着我国高速公路网的形成，提高了运输车辆的平均速度，低温液体槽车在高速公路上的行驶速度也提高到70-90km/h。运行速度的提高，可以提高运输效率，LNG低温槽车的高速化是必然趋势。3.3液化天然气的运输安全3.3.1船运安全LNG运输船的安全措施主要有：①球罐特制；②加强隔热；③BOG处理；④采用二次阻挡层；⑤采用双层壳体；⑥为了安全，设置各种计量、测量和报警设施。船舶装卸的安全措施主要有：卸装设施——在卸装臂上安装紧急罐壁（ESD）阀和卸料臂紧急脱离系统（ERS）；LNG装船泵安装紧急罐壁装置。储罐——为防止装满系统，将装船泵和储罐灌注管路上的ESD阀隔开；断开装置可人工或自动操作；使用液位报警器；防止超压或负压，采用导向操纵安全阀和自压安全阀。3.3.2车运安全LNG汽车槽车：LNG槽车的安全主要是防止超压和消除燃烧的可能性。汽车装卸(安全措施)：装卸设施——在装卸臂上安装紧急关闭（ESD）阀；LNG装车泵安装紧急关闭装置。储罐——为防止装满系统，将装车泵和储罐灌注管路上的ESD阀隔开；断开装置可人工或自动操作；使用液位报警器；防止超压或负压，采用导向操纵安全阀和自压安全阀。4液化天然气的历史发展

20世纪初，气体液化在技术上已可行。1917年，美国正式用于氦萃取，并在西弗吉尼亚建成气体液化工厂。20世纪40年代，英国使用液化沼气作为汽车燃料获得成功。50年代，“甲烷先锋号”装载LNG从路易斯安那州穿过大西洋运送到英国泰晤士的GANVEY岛，标志着LNG远洋运输贸易的开始。天然气液化工作是在20世纪60年代随着LNG贸易的发展开始较快发展的。1964年第一笔LNG商业贸易在阿尔及利亚和英国之间进行，同年世界上第一座LNG工厂在阿尔及利亚Arzew建成。由于天然气液化、储存、船运技术的进步促进了全球LNG贸易的发展，到70年代末，全世界LNG交易上升了1/3，销售额增长了60%。进入80年代，天然气作为高效清洁能源的特点日益显现，全球的天然气需求日增。2002年全球LNG贸易量已达11294×10^4t，比10年前增加了86%，约占全球当年天然气产量的6%和贸易量的22%。5存在的问题

LNG低温特征：液化天然气储存温度为-162℃，不正常张泰会使一些材料变脆、易碎、产生冷收缩，导致管材、焊缝、管件受损产生泄漏，尤其对储罐构成威胁、脆裂变形，导致真空失效、绝热破坏，过冷的液体对人体产生低温灼烧、冻伤等。

LNG泄漏特征：由于液化天然气粘度小、流动性强，遇火源迅速形成流淌火灾，液体流经过的地面、建筑物、设备等因冷冻而强度大大降低，造成更大的火灾或坍塌等各种事故。

LNG爆炸特征：液化天然气泄漏后与空气解除，热直升高到-107℃时，在空气中快速扩散，与空气混合后，体积百分数在一定范围内遇火就会产生爆炸，爆炸下限为5%，上限为15%。

LNG装置的危险性：热膨胀和热蒸发使装置爆炸；

LNG储罐的危险性：翻溶现象。

LNG地域分布不合理：中国经济沿海地区发达，而众多的天然气资源主要分布在西部，西气东输花费了大量的成本，中途的地势、气候都需要大量的人力物力去开拓，油气的泄漏又会造成巨大的安全隐患。近段时间，青岛油管爆炸造成了很多人的死亡，这是血淋淋的教训。6未来的发展前景

目前中国沿海地区已投产和规划建设的LNG项目共有16个。其中，已经建成投产3个，分别是广东LNG、浙江LNG、大连LNG、海南LNG、珠海LNG、深圳LNG1和唐山LNG项目，计划在2015年前陆续建成；处于前期研究中的有6个，分别是粤东LNG、粤西LNG、深圳LNG2、山东LNG、天津LNG和广西LNG项目，计划在2020年前相继建成投产。国家能源局综合司预计2011年全年天然气产量将接近1100亿立方米，增长16%。消费量有望达到1300亿立方米，比上年增长约20%。“十二五”天然气利用规模将达到2600亿立方米。中投顾问发布的《2010-2015年中国能源行业投资分析及前景预测报告》指出，“十二五”期间我国能源行业的工作中心将是调结构，天然气在我国能源消费结构中的比例将有所提高以此为契机，近几年国内LNG产业也获得了长足发展。根据记者所获资料，2010年中国LNG进口总量达到900万吨，较2009年增长了63%；进口LNG占全国天然气供应比例为12%，较2009年提高了3个百分点。与此同时，国产LNG发展也迈上了一个新台阶，截至2010低，全国已投产的LNG工厂约40座，设计年产能约300万吨。

中国液化天然气协会副会长汪晔16日在休斯敦表示，在讲究低碳环保的今天，天然气已经成为大家最有可能接受的一个能源选项，特别是液化天然气将扮演重要角色。虽然中国液化天然气行业起较晚步，但可以说是厚积薄发，其未来发展前景非常看好。汪晔说，从世界范围来讲，中国现在还只能说是液化天然气行业的发展中国家。目前，不管是从进口的数量还是在国内的应用，液化天然气在中国都没有像在其他发达国家应用的那么广泛。从进口的角度来说，中国现在能够进入前五名。从应用的角度说，中国的液化天然气不管是在民用还是工业应用，在发电，在