1、前言
??? 天然氣是一種清潔優(yōu)質能源，近年來，世界天然氣產量和消費量呈持續(xù)增長趨勢。從今后我國經濟和社會發(fā)展看，加快天然氣的開發(fā)利用，對改善能源結構，保護生態(tài)環(huán)境，提高人民生活質量，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
??? 國際上液化天然氣(LNG)的生產和應用已有久遠的歷史。LNG貿易是天然氣國際貿易的一個重要方面。近10年來LNG產量以年20％速度增長。LNG工業(yè)將是未來天然氣工業(yè)重要組成部分。我國尚處于起步階段，國家最近批準在珠海建設進口LNG接收站。中原油田正籌建一座日處理15萬m3天然氣的液化工廠。LNG在我國的應用必將開始一個新的階段。
2、液化天然氣的制取與輸送
??? LNG是液化天然氣的簡稱，常壓下將天然氣冷凍到-162℃左右，可使其變?yōu)橐后w即液化天然氣(LNG)。它是天然氣經過凈化(脫水、脫烴、脫酸性氣體)后，采用節(jié)流，膨脹和外加冷源制冷的工藝使甲烷變成液體而形成的。LNG的體積約為其氣態(tài)體積的l／620。
??? 天然氣的液化技術包括天然氣的預處理，天然氣的液化及貯存，液化天然氣的氣化及其冷量的回收以及安全技術等內容。
??? LNG利用是一項投資巨大、上下游各環(huán)節(jié)聯系十分緊密的鏈狀系統(tǒng)工程，由天然氣開采、天然氣液化、LNG運輸、LNG接收與氣化、天然氣外輸管線、天然氣最終用戶等6個環(huán)節(jié)組成。
??? 由于天然氣液化后，體積縮小620倍，因此便于經濟可靠的運輸。用LNG船代替深海和地下長距離管道，可節(jié)省大量風險性管道投資，降低運輸成本。從輸氣經濟性推算，陸上管道氣在3000km左右運距最為經濟，超過3500km后，船運液化天然氣就占了優(yōu)勢，具有比管道氣更好的經濟性。
??? LNG對調劑世界天然氣供應起著巨大的作用，可以解決一個國家能源的短缺，使沒有氣源的國家和氣源衰竭的國家供氣得到保證，對有氣源的國家則可以起到調峰及補充的作用，不僅使天然氣來源多元化，而且有很大的經濟價值。
??? LNG作為城市氣化調峰之用比用地下儲氣庫有許多優(yōu)點。例如：它選址不受地理位置、地質結構、距離遠近、容量大小等限制，而且占地少、造價低、工期短、維修方便。在沒有氣田、鹽穴水層的城市，難以建地下儲氣庫，而需要設置LNG調峰。這項技術在國外已比較成熟，如美國、英國和加拿大的部分地區(qū)采用LNG調峰。我國也正在引進這項技術。
??? 液化天然氣蘊藏著大量的低溫能量，在1個大氣壓下，到常溫氣態(tài)大約可放出879KJ／kg的能量，利用其冷能可以進行冷能發(fā)電、空氣分離、超低溫冷庫、制造干冰、冷凍食品等。
??? 由于LNG工廠在預處理時已脫除了氣體的雜質，因此LNG作為燃料燃燒時所排放的煙氣中 S02及NOx含量很少。因此被稱為清潔能源，廣泛用于發(fā)電、城市民用燃氣及工業(yè)燃氣，減少了大氣污染，有利于經濟與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。
3、LNG接收站的工藝系統(tǒng)
??? LNG通常由專用運輸船從生產地輸出終端運到目的地接收站，經再氣化后外輸至用戶。目前，已形成了包括LNG生產、儲存、運輸、接收、再氣化及冷量利用等完整的產、運、銷LNG工業(yè)體。
3．1 LNG接收站工藝漉程
??? LNG接收站一般由接收港和站場兩部分組成，其工藝方案可分為直接輸出式和再冷凝式兩種，主要區(qū)別在于根據終端用戶壓力要求不同，在流程中是否設有再冷凝器等設備。后者的工藝流程見圖l。

圖1 LNG接收站工藝流程
??? 由圖l可知，LNG接收站一般由LNG卸船、儲存、再氣化／外輸、蒸發(fā)氣處理、防真空補氣和火炬／放空6部分工藝系統(tǒng)(有的終端還有冷量利用系統(tǒng))組成。為了能夠平穩(wěn)、安全的運轉，必須要有高度可靠的控制系統(tǒng)。
3.1.1 LNG卸船系統(tǒng)
??? LNG運輸船靠泊碼頭后，經碼頭上卸料臂將船上LNG輸出管線與岸上卸船管線連接起來，由船上儲罐內的輸送泵(潛液泵)將LNG輸送到終端的儲罐內。隨著LNG不斷輸出，船上儲罐內氣相壓力逐漸下降，為維持其值一定，將岸上儲罐內一部分因冷損氣化產生的蒸發(fā)氣加壓后經回流管線及回流臂送至船上儲罐內。
??? LNG卸船管線一般采用雙母管式設計。卸船時兩根母管同時工作，各承擔50％的輸送量。當一根終管出現故障時，另一根母管仍可工作，不致使卸船中斷。在非卸船期問，雙母管可使卸船管線構成一個循環(huán)，便于對母管進行循環(huán)保冷，使其保持低溫，減少因管線漏熱使LNG蒸發(fā)量增加。通常，由岸上儲罐輸送泵出口分出一部分LNG來冷卻需保冷的管線，再經循環(huán)保冷管線返回罐內。每次卸船前還需用船上LNG對卸料臂等預冷，預冷完畢后再將卸船量逐步增加至正常輸量。
??? 卸船管線上配有取樣器，在每次卸船前取樣并分析LNG的組成、密度及熱值。
3.1.2 LNG儲存系統(tǒng)
??? LNG低溫儲罐采用絕熱保冷設計。由于有外界熱量或其它能量導人，例如儲罐絕熱層、附屬管件等的漏熱、儲罐內壓力變化及輸送泵的散熱等，故會引起儲罐內少量LNG蒸發(fā)。正常運行時。罐內LNG的日蒸發(fā)率約為0.06％--0.08％。卸船時，由于船上儲罐內輸送泵運行時散熱、船上儲罐與終端儲罐的壓差、卸料臂漏熱及LNG液體與蒸發(fā)氣的置換等，蒸發(fā)氣量可數倍增加。為了最大程度減少卸船時的蒸發(fā)氣量，應盡量提高此時儲罐內的壓力。接收站的儲存能力可按下式計算，即：
Vs=Vt+nQ-tq式中：
Vs——儲存能力,m3；
Vt——LNG運輸船船容,m3；
n——連續(xù)不可作業(yè)的日數,d；
Q——平均日輸送量,m3／d；
t——卸船時間，h；
q——卸船時的輸送量，m3／d。
一般說來，接收站至少應有2個等容積的儲罐。一般都在lO×l04m3以上，直徑達70多米。
3.1.3 LNG再氣化/外輸系統(tǒng)
??? 儲罐內LNG經罐內輸送泵加壓至 1MPa后進入再冷凝器，使來自儲罐頂部的蒸發(fā)氣液化。從再冷凝器中流出的LNG可根據不同用戶要求，分別加壓至不同壓力。一般情況是一部分LNG經低壓外輸泵加壓至4.0MPa后。進入低壓水淋蒸發(fā)器中蒸發(fā)。水淋蒸發(fā)器在基本負荷下運行時，浸沒燃燒式蒸發(fā)器作為備用設備，在水淋蒸發(fā)器維修時運行或在需要增加氣量調峰時并聯運行；另一部分LNG經高壓外輸泵加壓至7MPa后，進入高壓水淋蒸發(fā)器蒸發(fā)，以供遠距離用戶使用。高壓水淋蒸發(fā)器也配有浸沒燃燒式蒸發(fā)器備用。再氣化后的高、低壓天然氣(外輸氣)經計量設施分別計量后輸往用戶。
??? 為保證罐內輸送泵、罐外低壓和高壓外輸泵正常運行，泵出口均設有回流管線。當LNG輸送量變化時，可利用回流管線調節(jié)流量。在停止輸出時，可利用回流管線打循環(huán)，以保證泵處于低溫狀態(tài)。
3.1.4蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)
??? 儲罐頂部的蒸發(fā)氣先通過壓縮機加壓到1MPa左右，然后與LNG低壓泵送來的壓力為1MPa的過冷液體換熱，冷凝成LNG。此系統(tǒng)應保證LNG儲罐在一定壓力范圍內正常工作。儲罐的壓力取決于罐內氣相(蒸發(fā)氣)的壓力。儲罐中設置壓力開關，并分別設定幾個等級的超壓值及欠壓值，當壓力超過或低于各級設定值時，蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)按照壓力開關進行相應動作。以控制儲罐氣相壓力。
??? 在低溫下運行的蒸發(fā)氣壓縮機，對人口溫度通常有一定限制。往復式壓縮機一般要求為-80℃～160℃，離心式壓縮機為-80℃～160℃。為保證人口溫度不超限(主要是防止超過上限)。故要求在壓縮機人口設蒸發(fā)氣冷卻器，利用LNG的冷量保證人口溫度低于上限。
3.1.5 儲罐防真空補氣系統(tǒng)
??? 為防止LNG儲罐在運行中產生真空，在流程中配有防真空補氣系統(tǒng)。補氣的氣源通常為蒸發(fā)器出口管匯引出的天然氣。有些儲罐也采取安全閥直接連接通大氣的做法，當儲罐產生真空時，大氣可直接由閥進入罐內補氣。
3.1.6 火炬／放空系統(tǒng)
??? 當LNG儲罐內氣相空間超壓，蒸發(fā)氣壓縮機不能控制且壓力超過泄放閥設定值時，罐內多余蒸發(fā)氣將通過泄放閥進入火炬中燒掉。當發(fā)生諸如翻滾現象等事故時，大量氣體不能及時燒掉，則必須采取放空措施捧泄。4 LNG接收站的主要設備
4.1卸科臂
??? 通常根據終靖規(guī)模配置效根卸料臂及1根蒸發(fā)氣回流臂，二者尺寸可同可異，但結構性能相同。如若尺寸相同則可互用。
??? 卸料臂的選型應考慮LNG卸船量和卸船時間，同時根據棧橋長度、管線距離、高程、船上儲罐內輸送泵的揚程等，確定其壓力等級、管徑及數量。蒸發(fā)氣回流臂則應根據蒸發(fā)氣回流量確定其管徑等。
??? 為了保證卸料臂的旋轉接頭在低溫下有良好的密封性能而采用雙重密封結構，同時可在工作狀態(tài)時平移和轉動；為了安全。每臺LNG卸料臂必須配備緊急脫離裝置。臂內LNG設計流速一般為l0m／s。蒸發(fā)器回流臂的流速設計值為50m／s。LNG卸料臂的材質主要為不銹鋼和鋁合金。制造直徑一般在40.64cm以下。
4.2 LNG儲簟
??? LNG儲罐屬常壓、低溫大型儲罐，分為地上式與地下式兩類，通常為平底雙壁圓柱形。儲罐內壁與LNG直接接觸，一般采用含鎳9％的合金鋼。也可為全鋁、不銹鋼薄膜或預應力混凝土，外壁為碳鋼或預應力混凝土。壁頂的懸掛式絕熱支撐平臺為鋁制，罐頂則由碳鋼或混凝土制成。簟內絕熱材料主要為膨脹珍珠巖、彈性玻璃纖維氈及泡沫玻璃磚等。LNG儲罐又有單容(單封閉)罐、雙容(雙封閉)罐及全容(全封閉)罐3種型式。
??? 單容罐在金屬罐外有一比罐高低得多的混凝土圍堰，用于防止在主容器發(fā)生事故時LNG外溢擴散。該型儲罐造價最低，但安全性稍差、占地較大。與單容罐相比，雙容罐的輔助容器則是在主容器外圍設置的一層高度與罐壁相近，并與主容器分開的圓柱形混凝土防護墻，全容儲罐是在金屬罐外有一帶頂的全封閉混凝土外罐，即使LNG一旦泄露也只能在混凝土外罐內而不致于外泄，還可防止子彈擊穿、熱輻射等。這3種型式的儲罐各有優(yōu)缺點。選擇罐型時應綜合考慮技術、經濟、安全性能、占地面積、場址條件、建設周期及環(huán)境等因素。
??? 地下儲罐全部建在地面以下，金屬罐外是深達百米左右的混凝土連續(xù)地中壁。地下儲罐主要集中在日本?？沟卣鹦院茫m宜建在海灘回填區(qū)上，占地少。多個儲罐可緊密布置，對站周圍環(huán)境要求較好。安全性最高。
??? 氣相空間設計壓力是常壓、低溫大型儲罐的重要參數，尤其對接收站儲簟更為重要。隨著科學技術的進步，這類儲簟的氣相空間設計壓力正逐年提高。尤其是薄膜罐，由于其固有結構特點，可采用較高的設計壓力。
??? 儲罐所有開口均應選擇在罐頂，避免LNG由接口處泄漏。此外，還應采用措施防止在某些情況下由于液體分層及儲罐漏熱而引起的翻滾現象。例如，考慮到運輸船待卸的LNG與終端儲罐內已有 LNG的密度差，可將卸船管線進液口分別引至罐頂與罐底。如待卸LNG,密度大于儲罐內已有LNG密度，月采用簟頂進液口。反之．剛采用罐底進液口。
4.3 LNG輸送泵
??? 終端儲罐內均設有輸送LNG的潛液泵。LNG泵是站內輸送LNG的關鍵設備，由于LNG溫度低,易汽化,易燃易爆，因此LNG泵有許多獨特結構。要求低溫下軸封可靠，以便將泄漏的可能性減少到最低程度；為防止處于氣一液平衡狀態(tài)進料的LNG在泵內氣化，保持泵內LNG,與儲罐內LNG,具有相同的溫度，LNG泵被設計成浸設式結構，連同馬達一起浸沒于裝有LNG液體的泵內容器中。
??? LNG泵一般為多級泵，揚程可根據用戶要求而定。選擇范圍為50m～2000m，以適應不同輸氣管網對壓力的要求。在LNG泵中，泵內容器和軸采用奧氏體不銹鋼，泵體和葉輪采用鋁合金。如需在高壓下管輸天然氣，還應在蒸發(fā)器前配置外輸泵進行增壓。
??? 在泵初次運行和檢修后投運之前，以及泵處于備用狀態(tài)時，均需預冷或保冷。泵停運后如保冷不善，隨著漏熱量增加，泵內的LNG逐漸蒸發(fā)，溶解在LNG中的CO2濃度相對增加，當其濃度大于1.5×l04時就可能“結冰”，堵塞泵的流道，甚至使泵不能正常運行。
4．4 LNG氣化器
??? 按結構或熱源不同，可分為板翅式、管殼式、中流式、開架式、浸沒燃燒式及中間媒體式等多種。LNG接收站多采用開架式水淋氣化器和浸沒燃燒氣化器。前者以海水為加熱介質，體積龐大，且需配置海水系統(tǒng)，故投資較高，占地面積較大，但運行成本低，且安全可靠。對于基本負荷型供氣要求，可采用多臺并聯運行。后者以終端蒸發(fā)氣為燃料，采用燃燒加熱。其優(yōu)點是投資低，啟動快。能迅速調節(jié)LNG蒸發(fā)量，但運行成本高，通常只用于調峰。開架式水淋蒸發(fā)器及浸沒燃燒式蒸發(fā)器的示意結構見圖2、3。
??? 開架式氣化器是應用最廣泛的基本負荷型 LNG氣化器，它以水為熱源，通常是海水或電廠的直捧海水，運行成本低廉，但于由提供熱源的海水進口溫差較小，以致開架式氣化器設備比較大，投資較高。在開架式氣化器中，LNG從下部總管進入，然后沿著成幕狀結構的LNG換熱管上升，與海水換熱氣化后成常溫氣體送出，每幕一般由70根-100根管組成，海水從上部進入，經分布器分配后成薄膜狀均勻沿幕狀LNG管下降，使管內 LNG受熱氣化。
??? 為避免影響周圍海區(qū)生態(tài)平衡，海水進、出口溫差不得超過7℃，實際?？刂圃诓怀^4℃～5℃。管束板一般采用在低溫下有良好機械性能、焊接性能、傳熱性能好且對海水有優(yōu)良耐腐蝕性的鋁合金材料。并在外層涂鋅處理。
??? 浸沒燃燒式蒸發(fā)器包括換熱管、水浴、浸沒式燃燒器、燃燒室和鼓風機等。燃燒器在水浴水面上燃燒，熱煙氣通過下捧氣管由噴霧器捧入水浴的水中，使水產生高度湍動。換熱管內的LNG與管外高度湍動的水充分換熱，從而使LNG加熱、蒸發(fā)。這種蒸發(fā)器的熱效率可達95％以上，且安全可靠。
??? 此種氣化器體積小，與開架式氣化器相比省掉了大型取水和捧水設備，熱效率高，開停車迅速方便；但因消耗天然氣而使運行成本較高，一般不作為基本負荷型氣化器，主要用于調峰和備用。它的關鍵部分是燃燒器和傳熱管束，首先必須保證天然氣在狹小的燃燒
??? 海水進口
??? NG進口
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??? 室內和因水面波動不斷變化的背壓下均勻穩(wěn)定燃燒；其次內裝LNG的傳熱管束由于不斷受到高溫燃燒氣體的沖擊和自身的振動，要采用SUS304L或SUS316等低碳不銹鋼，且消除應力。
4.5蒸發(fā)氣壓縮機
??? 由于LNG儲罐在不同工況下有不同蒸發(fā)氣量，故應將蒸發(fā)氣壓縮機分為兩組。一組用于非卸船工況。一組用于卸船工況。通常采用往復式或離心式。前者適用于小氣量及高壓縮比，后者適用于大氣量及中、低壓縮比。
4．6再冷凝囂
??? 再冷凝器具有冷凝和分液兩種作用。正常情況下使來自儲罐內的蒸發(fā)氣液化；當蒸發(fā)氣量增加時。未冷凝的蒸發(fā)氣分液后捧向火炬；當蒸發(fā)氣量不足時．可引入少量外輸氣至再冷凝器，使其壓力保持正常。

5液化天然氣冷能的利用
??? LNG的用途很廣?？捎糜诿裼秘摵烧{峰、發(fā)電、工業(yè)用戶和商業(yè)用戶。LNG的關鍵技術在于深度冷凍液化，其儲罐和專用運輸巨輪就象超級低溫冰箱，這些過程都要消耗巨大的能源，但按能量守恒規(guī)律，此冷能在釋砹時側利用，以l畢低成本。
??? 利用LNG冷能主要是依靠LNG與周圍環(huán)境之間存在的溫度和壓力差，通過LNG變化到與外界平衡時，回收儲存在LNG中的能量。
??? 利用LNG冷能的過程可分為兩類：直接利用和間接利用。前者包括：發(fā)電、空氣液化分離、冷凍倉庫、制造液化二氧化碳、海水淡化、空調和低溫養(yǎng)殖、栽培等。后者包括：低溫破碎、水和污染物處理及冷凍食品等。目前對液化天然氣冷能的利用工程取得了許多成果。
6 LNG應用于汽車
??? 天然氣作為能源，由于它對大氣污染少而被稱為清潔燃料，更是汽車的優(yōu)質代用燃料。近年來，它已被世界許多國家重視和推廣。
??? 按照天然氣的儲存方式不同，天然氣汽車大致分為CNGV(壓縮天然氣汽車)、LNGV(液化天然氣汽車)、和ANGV(吸附天然氣汽車)。
??? 目前我國對天然氣汽車的發(fā)展也非常重視。到1999年。全國已改裝各種CNG汽車l萬多輛，建設加氣站70多座。ANGV正處在研制階段。我國 LNGV的應用仍是一項空白。用LNG作為汽車燃料特別值得推廣。與傳統(tǒng)的石油類燃料相比，LNG具有明顯的優(yōu)點，汽車續(xù)駛里程長，LNG相對于 CNG和LPG具有儲存能量大、壓力低、噪聲低、更清潔等優(yōu)勢，利用LNG冷量取代汽車空調，不破壞生態(tài)，良好的使用性能(抗爆、穩(wěn)定性強、燃燒熱值高、燃點值寬)和相對便宜。俄羅斯在將 LNG用于汽車運輸、鐵路運輸、水上運輸和空中運輸方面積累了許多經驗。
??? LNG汽車供氣系統(tǒng)的組成及工作原理如圖4所示，為LNG汽車的燃料供給系統(tǒng)的構成簡圖。

1．安全閥：2．壓力表：3．液位計；4．LNG儲罐；5．壓力控制器：
6．球閥；7．充液閥；8．電磁閥；9．蒸發(fā)囂及兩級減壓器；
10．加熱水管；11．發(fā)動機；l2.混合囂；13．化油器；14．自增壓囂
??? LNG儲存系統(tǒng)包括儲液罐、安全閥、充液閥、自增壓器、壓力控制閥、液位計和壓力表等。LNG儲液罐為低溫容器，要求具有較高的絕熱性能和一定高的耐壓強度，以保證LNG的正常儲存狀態(tài)和 LNG的安全使用。根據不同的絕熱方式,車用LNG儲液罐可分為真空絕熱型，真空粉末(或纖維)絕熱型和高真空多層絕熱型等類型。內膽是由不銹鋼制成的液體容器。外殼為普通鋼板焊接而成。絕熱層的厚度一般為50mm～200mm，其真空<10-2pa，或填充一些絕熱材料。在絕熱層安置氣體吸附裝置，吸收漏人的微量氣體，以保持絕熱層真空度長期穩(wěn)定。同時，為保證儲液罐的絕熱性熱性能，絕熱層內的充放液管和放氣管部分環(huán)繞布熱性能，絕熱層內的充放液管和放氣管部分環(huán)繞布置。內膽支撐裝置采用絕熱良好的材料，如橡膠等。
??? 發(fā)動機運行時，LNG儲液罐內的天然氣液態(tài)與氣態(tài)并存，正常工作壓力不低于0．2MPa。當罐內壓力低于0.2MPa時，壓力控制閥開啟，自增壓器工作。將一部分氣態(tài)天然氣充人儲液罐，而使罐內壓力升高到工作壓力?？梢酝ㄟ^調節(jié)壓力控制閥來改變自增壓器的工作點。發(fā)動機處于停機狀態(tài)時，隨熱量的不斷吸人。LNG會不斷氣化。當LNG儲液罐中的壓力高于0．6MPa時，安全閥打開，迅速放出部分氣態(tài)天然氣，保證LNC儲液罐不被損壞。另外，在LNG儲存系統(tǒng)設有液位計和壓力指示裝置。
??? 車用液化天然氣的儲存溫度范圍為-130℃～160℃，其儲存壓力低于0．6MPa。使用時，從罐內流出的液化天然氣經過氣化器吸收發(fā)動機冷卻水或廢氣熱量而氣化，并使其溫度升高，然后通過兩級減壓器減壓，由管路送到混合器與空氣混合進入發(fā)動機。LNG的氣化需要吸收較多熱量。要求氣化器具有良好的換熱性能，并能供給足夠的熱量。