液化天然气(LNG)的制备与储存运输

邓志安, 周庆哲

(1.西安石油大学油气储运工程系，陕西 西安 710065;2.中国民航机场建设集团有限公司，陕西 西安 710075)

引 言

天然气是当今最为干净、环保的能源，其被应用于电厂、工业生产、生活供暖、民用燃料等多个行业[1]。但由于其气体状态下体积大、运输较为不便，因此天然气的液化工艺逐渐被人们研发出来，液化天然气(LNG)是将气态天然气经超低温液化后得到的在常压下呈现液态的天然气液体。液化后的天然气处于-161.5 ℃的低温状态，其体积远远小于气体状态，仅仅10 m3的LNG就能满足上万用户一天的生活燃气量[2]。

1 天然气液化工艺

如今全球天然气产业飞速发展，而天然气的液化又是行业的重点工艺技术，顺应发展国内外天然气液化技术层出不穷，国外较为成熟的天然气液化技术为阶式制冷工艺与混合冷剂制冷工艺两大类型，国内则常使用膨胀循环天然气液化技术，液化天然气工艺方法较多，现选取几种代表性的进行简要概述[3]。

1.1 阶式制冷工艺

阶式制冷工艺是上世纪60年代随着天然气贸易的展开就开始投入使用的工艺流程。顾名思义此种工艺以多个不同沸点且独立循环的制冷系统串联，让经预处理后的天然气逐级通过达到冷却、冷凝乃至液化目的，最终得到常压下处于液态的低温LNG产品[4]。常规制冷循环系统有甲烷、丙烷和乙烯制冷循环，每个独立的制冷循环系统都配有压缩机及换热系统。阶式制冷工艺流程，如图1所示。此工艺技术最为成熟可靠，系统各部分之间相对独立干扰小，制冷剂获取容易无需配比，系统稳定易于操作，耗能相对较少，但系统较复杂造价高、不易维护。

图1 阶式制冷工艺流程简图

1.2 混合冷剂工艺

混合冷剂工艺最初是受阶式制冷启发，为降低耗能而衍生出来的新型制冷工艺，其基本原理也是利用制冷剂逐步液化天然气，与阶式不同的是此种工艺的制冷剂并非纯组分，而是依据原料天然气的特性配置的多组分混合制冷剂，并以轻组分后冷凝，重组分先冷凝的原则依次得到制冷量在去液化天然气。根据以上原理衍生出多种液化流程：

1)CⅡ-2工艺是一种新工艺，即保留了阶式制冷工艺易于操作、纯组分无需相分离的优点又包含混合冷剂系统设备简单，耗能相对较低的优势。其特点是在一体式冷箱中布置多个新型高效的换热器，因此系统结构相对简单、紧凑，冷箱可采用模块式设计批量生产后整体运输到现场安装、更为便捷，加快现场施工进度[5]。

2)法国研发的Liquefin天然气液化新技术为全球天然气市场奠定基础。系统采用两级密闭制冷循环，以混合冷媒代替纯组分作为冷源，进入液化段的温度点更低，便于制冷剂的全冷凝，避免传统混合剂需要相分离、不易控制动力平衡的缺点，同样设备布局紧凑，实践证明其生产能力较传统工艺提升近20%，而成本却降低25%左右。Liquefin工艺流程图，如图2所示。

图2 Liquefin工艺流程简图

1.3 膨胀循环工艺

其工作原理是利用膨胀机将高压的制冷剂进行等熵膨胀，此种技术能够满足频繁快速启停调节需求。而以天然气本身、氮气以及氮和甲烷组合气体为制冷剂的工艺各具特色，适用于不同条件下的天然气液化，但其总体特点是工艺设备简单、装置启停响应迅速，运行较为灵活，膨胀循环工艺原理图，如图3所示。

图3 膨胀循环工艺流程简图

2 LNG的储存与运输

液态天然气较气态体积更小，热值更高，且便于储存和运输。

2.1 LNG的储存

LNG因其常压下沸点极低的特性，其储存方式可分为：储罐常低温下常压储存和子母罐带压带压式储存[6]。其中前种储存工艺较为复杂但投资较低，而另一种储存方式则正好预制相反。当需要生产和运输量较大时还可采用液化天然气站的形式储存并运输，现今我国具有多个LNG站，肩负着从天然气的预处理、液化到储存、输送的重任。国内LNG站储量，如表1所示。

表1 国内LNG站储量

2.2 LNG的运输

LNG的运输主要采用以下几种形式：

1)槽车运输：技术成熟，适用于路程短、数量小的LNG输送。包含压力输送和液泵输送。前者利用增压设备(见图4)汽化LNG返回储罐增压产生压差挤压LNG输出，后者则利用低温泵(见图5)为LNG增压装车。

图4 LNG增压设备

图5 低温液体泵

2)船运：运送LNG的船舶要求科技含量高，且普遍为大型船舶，需进行防爆安全处理。

3)管道输送：适用于数量大、路程长的LNG输送。此种运输方式对管道材质的要求较高，要具有良好的机械强度、低温下抗冲击、耐压和抗震等要求。但其输送效率高，由于LNG的高密度特性使得管道直径相对较小，与其他输气管道相比造价相对较低[7]。

3 结语

随着科技发展和环保要求的提高，我国对天然气这种干净能源的需求更为迫切，“西气东输”工程虽然暂时解决了东部天然气不足的问题，但我国天然气储量早已不能满足与日俱增的需求，探测天然气新气源才是决绝这一问题的有力手段。先进的天然气液化技术及其相应设备对天然气产业发展也至关重要，多年来国外LNG技术蓬勃发展，反观国内研发技术较为薄弱，开发我们自主研发的相关设备及技术，是实现LNG大型关键设备国产化、技术先进化的必要手段。