中国液化天然气的发展
责任编辑:液化天然气    浏览:8982次    时间: 2008-05-13 21:41:33      

摘要: 顾安忠 石玉美 汪荣顺 (上海交通大学机械与动力工程学院,200030) 摘要:文章主要介绍我国在LNG(简称LNG)工厂、LNG接收终端、LNG运输槽车和LNG气化站等方面的研究进展以及上海交通大学在天然气应用基础方面的研究成果。提出了在LNG方面有待开展的主要工..

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顾安忠

石玉美

汪荣顺

(上海交通大学机械与动力工程学院,200030)

    摘要:文章主要介绍我国在LNG(简称LNG)工厂、LNG接收终端、LNG运输槽车和LNG气化站等方面的研究进展以及上海交通大学在天然气应用基础方面的研究成果。提出了在LNG方面有待开展的主要工作,即:(1)小型天然气液化装置;(2)LNG冷量利用技术;(3)LNG工业链中设备的国产化;(4)LNG船技术。我国在发展LNG过程中,必须认识到该行业的三个方面的特点:LNG的专业化、社会化和国际化。

    关键词:LNG工厂 LNG接收终端 LNG槽车 LNG槽船 LNG气化站

     为了改变能源结构、改善环境状态、发展西部经济,中国政府十分重视天然气的开发和利用。近十年来,中国的液化天然气(Liquefied natural gas简称LNG)开发已起步,在LNG链的每一环节上都有所发展,尤其是近几年内,在某些环节上的进展还比较大。已建天然气液化工厂有上海的LNG事故调峰站和河南中原天然气液化工厂。新疆正在筹建一座规模更大的天然气液化工厂。中国为了引进国外LNG,正在广东深圳建造LNG接收终端;并准备在福建建造第二座LNG接收终端。在LNG运输方面,储罐制造商生产的LNG槽车已投入运行,正计划开发制造运输LNG的集装箱。中国政府开始着手建造LNG船的计划。在LNG应用方面,山东、江苏、河南、浙江和广东等省的一些城镇建立了气化站,向居民或企业提供燃气。为了适应LNG在中国的迅速发展,相应的LNG标准制定工作也已经开展。在高等院校,展开了对天然气应用的基础研究。
    天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分,它与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。天然气是一种洁净的能源。我国具有丰富的天然气资源。随着我国西部大开发中四大工程之一的“西气东输”工程的实施,将有力地促进天然气的开发和利用。
    LNG是气田开采出来的天然气,经过脱水、脱酸性气体和重烃类,然后压缩、膨胀、液化而成的低温液体。LNG是天然气的一种独特的储存和运输形式,它有利于天然气的远距离运输、有利于边远天然气的回收、降低天然气的储存成本、有利于天然气应用中的调峰,同时,由于天然气在液化前进行了净化处理,所以它比管道输送的天然气更为洁净。LNG工业链是非常庞大的,主要包括天然气液化、储存、运输、接收终端、气化站等,见图1。

    下面分别介绍我国在LNG工业链各环节:即LNG工厂、LNG接收终端、LNG运输、LNG气化站等方面的现状和进展。

1 LNG工业链

1.1 LNG工厂


1.1.1 两套小型的LNG示范装置

    我国从20世纪80年代末开始就进行LNG装置的实践,下面介绍两个小型LNG装置,这些小型装置的研制与开发为我国探索天然气液化技术提供了宝贵的经验。
    (1)陕北气田LNG示范工程
    陕北气田LNG示范工程,以偏远单井所产小量天然气为原料,经净化、预冷、深冷液化、循环压缩等工艺过程,将天然气液化,用槽车运送到使用地点。这可充分利用偏远单井的天然气资源。
    该LNG工程设在长庆油田靖边基地内,于1999年1月建成,采用林五井所产天然气为原料,日液化天然气量为2×104 m3。原料气中甲烷的体积分数达95.27%。原料气压力25 MPa,液化装置中天然气的入口压力为4.1 MPa。
    该装置有以下特点:①采用天然气膨胀制冷循环;②采用低温甲醇洗和分子筛联合进行原料气净化;③采用气波制冷机和透平膨胀联合进行低温制冷;④采用燃气发动机作为压缩机的动力源;⑤利用燃气发动机的尾气作为加热分子筛再生气的热源。陕北气田LNG示范工程液化过程工艺流程见图2。

图2 陕北气田LNG示范工程液化过程工艺流程
1.氨蒸发器;2.第二预冷器;3.第三预冷器;4.深冷换热器;
5.分离器;6.气波制冷机;7、8.透平膨胀机;9、11、13.水冷却器;
10.第一预冷器;12、14.循环压缩机;15.LNG储罐

    (2)中国科学院低温中心等单位研制的天然气液化装置
    中国科学院低温中心与四川省绵阳燃气集团总公司、中国石油天然气总公司勘探局、吉林油田管理局等单位联合研制了两台天然气液化设备,一台容量为0.3 m3/h LNG,采用天然气自身压力膨胀制冷循环;另一台容量为0.5 m3/h LNG,采用氮气膨胀闭式制冷循环。
    图3为利用天然气自身压力膨胀制冷循环,其进气压力4MPa,出口压力为0.8 MPa。高压气体经换热器1预冷,并分离掉重烃。然后,一部分气体进入膨胀机膨胀降温,进入第2换热器,冷却需液化的天然气。未进入膨胀机的天然气经过换热器2冷却,节流降温后进入LNG储罐储存。对自蒸发的LNG进行冷量回收后进入管网。

 

图3 天然气膨胀液化装置流程示意图

1.1.2 中原天然气液化工厂

    2001年,我国第一座小型天然气液化装置在中原油田试运行成功,这标志着我国在生产LNG方面迈开了关键的一步。其生产的LNG通过槽车运输的方式供应给山东、江苏等省的一些城市。
    中原油田有丰富的天然气储量,天然气远景储量为2 800×108 m3,现已探明地质储量为947.57×108 m3,这些天然气能为液化装置提供长期稳定的气源。
    该液化装置生产LNG的能力为15.0×104 m3/d,原料气压力为12 MPa、温度为30℃、甲烷含量93.35%~95.83%。图4为液化流程示意图。下面简单介绍该装置的预处理流程、液化流程和储存系统等。

图4 中原天然气液化流程示意图
1.分液罐;2.过滤器;3.脱CO2塔;4.干燥器;5.中压丙烷换热器;
6.低压丙烷换热器;7、11、14.节流阀;8.高压天然气分离器;
9.乙烯换热器;10.中压LNG换热器;12.中压天然气分离器;
13.低压LNG换热器;15.低压天然气分离器;16.LNG储槽

    原料天然气进入装置后,首先进入原料分液罐除去原料气中的液体,然后进入过滤器,过滤掉粒径大的液体和固体。过滤后的天然气进入脱CO2设备,用一乙醇胺(MEA)法脱除CO2;脱CO2后的天然气用分子筛进行脱水处理。预处理流程中有两台干燥器切换使用,其中一台干燥,另一台再生。
    净化后的天然气,首先利用丙烷制冷循环提供的冷量冷却天然气。然后进行节流降温,产生的气相经乙烯换热器和中压LNG换热器冷却,再经节流降温,产生的液相进一步冷却及节流后进入储罐储存。
    液化装置液化生成的LNG进入储罐储存。每台储罐包括外罐和内罐,在内罐和外罐之间,填充绝热材料,并充注微量氮气,保持其压力处于微正压状态,从而可有效地防止空气及水分渗入绝热层。

1.1.3 上海LNG事故调峰站

    建于上海的LNG事故调峰站是我国第一座调峰型天然气液化装置,该调峰站是东海天然气供应上海城市燃气工程下游部分中的一个重要组成部分。它主要用于东海天然气中上游工程因不可抗拒的因素(如台风等)造成停产、输气管线故障或冬季调峰时向管网提供可靠的天然气供应,确保安全供气。
    调峰LNG装置的工作过程如下:由市区1.5 MPa天然气管网送至调峰LNG站的天然气,首先进行过滤、计量并加压至5 MPa;然后进入预处理系统,用MEA法脱CO2、H2S,用分子筛脱水;再经液化流程液化;液化后的天然气贮存在2×104 m3 LNG储槽内。当需要供气时,储槽内的LNG经LNG泵加压送至气化器,气化后天然气经加臭、调压后送入市区高压管网。储槽内的LNG在贮存期间产生的蒸发气体,经BOG(Boil Off Gas)处理工段的压缩机增压后送入市区高压管网。
    该LNG装置的主要性能指标如下:① 储槽容积 2×104 m3;② 储槽日蒸发率 0.08%;③ 液化能力为 LNG 165 m3 /d;④气化能力为 LNG 120 m3 /h。
    该LNG事故调峰站的流程由法国燃气公司设计开发的整体结合式级联型液化流程(Integral Incorporated Cascade),简称为CII液化流程,见图5。

图5 CII液化流程示意图
1.分馏塔;2.冷箱;3.低压压缩机;4.高压压缩机;
5、6、7、8.气液分离器;9、10、11.节流阀;12、13.冷却器

    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。CII流程具有如下三个特点:① 流程精简、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 压缩机和驱动机的型式简单、可靠,降低了投资与维护费用。

1.1.4 新疆LNG工程

    新疆LNG项目一期工程原计划于2003年9月完工,将通过火车和汽车把LNG运输到全国能源紧缺的地区,对国家“西气东输”主干管网以外的广阔市场供气。市场目标主要有如下三个:① 闽东南地区,即从福州至厦门沿铁路的14个城市;② 以江西景德镇为中心辐射湖南、湖北等华中地区;③ 华北及新疆天山北坡经济带一些地区。
    该LNG工厂的气源来自吐哈油田。设计液化能力为150×104 m3/d天然气。LNG设计年周转量456 kt;设计LNG储罐容量为3×104 m3,可储存液化装置正常生产10天的LNG量。
    整个LNG工厂由五大部分组成,即净化部分、液化部分、LNG储罐部分、LNG外输部分和火炬放空部分。
    生产的LNG以70%通过铁路运输,30%通过公路运输的方式运往目的地。

1.2 LNG接收终端

    为了能满足我国珠江三角洲对能源的需求,中国政府已决定在东南沿海地区适量引进LNG,LNG接收站(LNG Receiving Terminal)建于珠江口海岸深圳市大鹏湾畔秤头角。
    广东LNG工程总体项目包括LNG接收站和输气干线项目,以及配套新建电厂,电厂改造和城市管网等用户项目,其供气范围覆盖珠江三角洲和香港地区。工程全长509 km,贯穿珠江三角洲九个城市。
    建设分两期进行。一期工程包括接收站和输气干线。一期输气主干线起自秤头角接收站出站端,经坪山、东莞、广州,到达佛山,全长215.4 km,年输气量约40×108 m3。一期还包括两条支干线,坪山至惠州电厂支干线长32.6 km,坪山至前湾电厂、美视电厂支干线共长78.8 km。二期主干线起自珠海市的横琴岛,经珠海、中山、江门、鹤山市,最终到达佛山,全长181.7 km,年总输气量约82×108 m3,包括南海15×108 m3天然气。一期工程设置两座13.5×104 m3储罐,二期再增加一座约10×104 m3的储罐。
    接收站配备高压开架式海水气化器,并设高压浸没燃烧式气化器作调峰和备用。气化能力:一期1 200 m3/h LNG;二期2 000 m3/h LNG。接收站港址内建可停靠13.6×104 m3 LNG运输船的专用泊位一个。该接收终端引进的LNG,预计70%以上用于工业和发电;其余作民用燃气。该接收终端的资源供应方为澳大利亚的ALNG集团。年提供3 Mt的LNG,期限为25年。
    中国计划在福建湄洲湾兴建第二个接收终端,LNG将来源于印度尼西亚的东固气田。该接收终端的最初的年供应能力要达到2.5 Mt。

1.3 LNG运输槽车

    目前,由于我国LNG从生产地运往使用地是用槽车方式运输的,所以目前已有四川和江苏的制造商试制并生产了LNG槽车,均为半挂式运输槽车,已有近十辆车在运行。

1.3.1 27m3LNG运输槽车

    该槽车一次可装运27 m3 LNG产品,相当于1.6×104 m3天然气。
    考虑到LNG等介质的低温特性(-160℃),采用真空纤维绝热技术对槽车进行绝热,贮槽内筒及管道材料选用0Crl8Ni9奥氏体不锈钢,外筒选用16MnR低合金钢钢板。内外筒支承选用耐低温的,且绝热性能较好的环氧玻璃钢。
    该槽车整车装备质量为18.5 t (不含牵引车),允载总质量为34 t,满载总质量为30.7 t。牵引汽车底盘采用定型的北方奔驰NDl926S型带卧罐汽车底盘。
    整车外形尺寸长、宽、高分别为14.5 m、2.5 m和3.8 m。
    槽车包括进排液系统、进排气系统、自增压系统、吹扫置换系统、仪控系统、紧急截断阀与气控系统、安全系统、抽空系统、测满分析取样系统。
    针对LNG的易燃易爆特点,设计已采取了以下安全措施:紧急截断控制措施、易熔塞、阻火器、吹扫置换系统、导静电接地及灭火装置。

1.3.2 40 m3LNG运输槽车

    该槽车为40 m3/ 0.8 MPa半挂运输槽车。在两侧设置有安全防护栏杆,车后部设置有安全防护装置。

1.4 LNG运输船

    LNG船舶是世界上技术含量最高的船舶之一。LNG船主要有独立球型(MOSS)和薄膜型两种。薄膜型LNG船是法国GTT公司的技术,在船型性能方面要优于MOSS型LNG船。
    中国目前是世界第三大造船国,国内的几个大型船厂已经具备建造LNG船的条件。为了承建LNG船,上海沪东中华造船集团已经完成了LNG船模拟舱的制作,目前计划建造两艘运输能力为14.5×104 m3的GTT No.96型LNG船舶。低温内壁直接由双层外壳直撑,内壁由两层材料相同的膜和两个独立的绝热层组成,之间有珍珠岩绝热材料。内壁材料为0.7 mm的不胀钢(36%Ni合金钢)。
    上海江南造船(集团)有限责任公司和上海外高桥造船有限公司联合体以及大连造船新厂也一直在积极开展相关的技术准备。

1.5 LNG的应用


1.5.1 LNG气化站

    目前在江苏苏州、山东淄博、江苏姜堰等城市已建立了LNG气化站,这些气化站的LNG均来自河南中原油田的天然气液化工厂。
    (1)江苏苏州气化站
    江苏苏州气化站的主要功能如下:① LNG的卸车及储存;② 将LNG气化、调压后与水煤气、焦炉气掺混作城市煤气气源;③ LNG装车运往小区气化站及LNG汽车加气站。目前已实现了前二项功能。
    该气化站近期供气规模为2×104 m3/d天然气,相当于液态天然气34.5 m3/d。设计考虑将来供气量可增加到3×104 m3/d,可供居民小区及汽车加气站用气。高峰时段供气量可达1200 m3/h。
    LNG气化采用空气式气化器(自然气化)与蒸汽加热水浴式气化器(强制气化)相结合的并联流程。夏季以自然气化为主,冬季用蒸汽加热气化。空气式气化器为翅片管换热器,管内为LNG,管外为大气。LNG气化站工艺流程见图6。


图6 LNG气化站工艺流程图

    气化站内主要设备为:① 两台体积均为100 m3的低温贮罐,贮罐夹层填充珠光砂并抽真空进行绝热;② 贮罐增压气化器二台,气化能力为150 kg/h,用于维持贮罐压力及装车输液时使用;③ 流量为600 m3/h空气式气化器二台;④ 流量为600 m3/h蒸汽加热水浴式气化器一台;⑤ BOG加热器一台,加热BOG能力为400 m3/h。
    (2) 山东淄博气化站
    山东淄博气化站项目自2000年8月开始建设,2001年8月底竣工,于2001年12月2日投入LNG供气,是国内第一座工业用LNG气化站,设计能力为12×104 m3/d。
    该气化站的主要设备为:
    (1)储罐
    立式,几何水容积106 m3,共12台。储罐为双层结构,内罐材质为0Cr18Ni9,外罐材质为16MnR,夹层充填珠光砂250 mm 厚,抽真空。设计规定储罐日蒸发率不大于0.3%。
    (2)空浴气化器
    气化能力1 500 kg/h,共8台。
    (3)水浴气化器
    气化能力4 000 kg/h,1台。设计气化器出口介质温度不小于5℃。
    (4)管道、阀门
    低温管道的管材均采用0Cr18Ni9,低温阀门均进口,相关管道进行保冷处理。

1.5.2 LNG汽车

    为了降低燃油汽车尾气的排放带来的城市大气污染,我国政府在积极推动LNG汽车的研究和开发工作。国家科技部“十五”清洁汽车行动关键技术攻关及产业化项目指南明确提出了单一燃料LNG公交车的示范工程,通过示范工程,为全国大范围提高燃气汽车的应用水平发挥示范作用,促进国产LNG车的技术发展。
    在上海市科委的支持下,上海交通大学联合上海申沃客车有限公司开发动力强劲的达到欧洲III号排放标准的LNG城市公交汽车,样车已于近期投入试运行。
    河南中原绿能高科技公司与北京市合作正在进行单一燃料LNG公交车的示范研究。

2 LNG应用基础研究


    用热力学、传热学和流体力学来研究天然气的低温液化流程和LNG储存技术,对开发立足于国内技术的LNG工厂和LNG接收终端,具有重要的应用价值和远大前景。
    LNG的应用基础研究包含以下内容:
    (1)天然气和制冷剂的热物性及迁移特性研究;
    (2)天然气液化流程的设备模拟研究;
    (3)天然气液化流程的系统模拟和优化研究;
    (4)LNG的储存分层、涡旋的传热传质数值研究和试验研究;
    (5)LNG储存的非稳性预测研究。
    二十多年来,上海交通大学在LNG应用基础研究方面,先后获得国家自然科学基金资助和国家教委博士点基金资助,并以东海天然气、陕北气田和中原LNG等LNG工程项目为依托,进行了全面系统的研究工作,取得丰硕成果。

3 展望

    在我国,LNG是个新兴产业,在LNG的生产和应用各环节上,仍有许多工作尚待进行,下面列出的几项LNG工程有待开展的工作,供读者和业内人士参考。
    (1)小型天然气液化装置
    小型天然气液化装置可用于开发利用边远小气田、油井残气及沼气等多种气源。在城市,小型天然气液化装置可作城市用气调峰。在天然气加气站可使用小型天然气液化装置生产LNG,为LNG车辆提供燃料。因此开展小型天然气液化装置的研制工作具有很大的实用价值。
    1998年加拿大的Barclay提出了车用燃料加注站(Refueling Station简称RFS)的设计构思。RFS系统能以LNG与CNG(压缩天然气)两种形式同时向机车供给燃料。系统从气源接收天然气,经过纯化、预冷、液化分离后,送至LNG储罐储存。LNG被低温泵输送到换热器,气化,流经CNG储罐、CNG分配站,为机车提供CNG。LNG气化过程吸收热量预冷,进入冷箱的天然气。
    RFS系统能适应多种进气成分与压力,对进气条件具有较大的操作弹性。系统采用燃气轮机驱动制冷剂压缩机,实现能量自给。储槽中自蒸发气体再液化,返流到LNG储罐。
    利用模拟方法,Barclay比较了小型天然气液化装置的常用5种液化循环的循环效率。如表1所示,计算结果说明,布雷顿循环液化循环效率是最高的,混合制冷剂循环次之,林德循环效率最低。
    目前世界上除了加拿大以外,美国、芬兰等国也在开展小型LNG装置的研发工作。这种装置的开发在中国也有重要现实意义。

液化循环

循环效率

林德循环

0.11

混合制冷剂循环

0.30

克劳特循环

0.21

布雷顿循环

0.37

脉冲管制冷循环

0.17


    (2)LNG冷量利用技术
    LNG有利于天然气的远洋运输,有利于城市调峰等。当天然气实际使用时,仍需要气化为气体。在LNG气化使用过程中,LNG将释放出大量的冷量,促进LNG的冷量利用对节省能源具有重要的意义。LNG冷量可在发电系统、空分系统、制取干冰及低温粉碎等方面回收,并产生可观的经济效益。
    (3)LNG工业链中设备的国产化
    在LNG工业链的各个环节中涉及到很多设备,如压缩机、膨胀机、换热器和LNG储罐等。加速这些设备的国产化对于降低我国LNG的成本,促进我国LNG技术水平的提高具有重要意义。
    (4)LNG船技术
    LNG船是民用运输船中技术含量高,制造难度大的高附加值船。目前我国将在深圳和福建建造两座LNG接收终端,当这两个终端建成后,每年将有几百万吨的LNG运到中国,这正是我国介入LNG运输市场的最佳时机。目前国内的几个大型船厂正在进行这方面的前期工作,也为相关的设备制造商和材料供应商提供了机遇。

4 结束语

    综上所述,可见我国在LNG工厂、LNG接收终端、LNG运输槽车和LNG气化站等LNG工业链上各环节已经取得了很大进展。
    LNG工业是个新兴产业,在我国发展LNG的过程中,须认识到LNG行业以下三方面的特点:
    (1)LNG的专业化。从1910年美国开始工业化规模的甲烷液化研究至今,LNG的研究已有九十多年的历史,所以LNG在世界上是比较成熟的技术。我国推进发展LNG既要学习和借鉴国外经验,也应结合国情,有所发展和创新。
    (2)LNG的社会化。LNG是个庞大的产业,是项系统工程,发展LNG,必须相关行业协同、配合,全球采购,精心集成。
    (3)LNG的国际化。LNG源于天然气的远洋贸易运输,所以在LNG工业链中的各环节,特别是LNG工厂、LNG接收终端、LNG运输方面都有一套国际运作规范,我国在进行LNG的开发和利用过程中,必须注意到这个特点。但不失时机地制订我国的LNG标准、规范也是非常重要的。

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