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第2章 液化天然气供应,焦文玲 哈工大燃气教研室,§2-1概述,一、 LNG工业链 20世纪40年代才建成世界上第一座工业规模的天然气液化装置 1964年，世界上第一座基本负荷型LNG工厂在阿尔及利亚建成投产目前世界上共有100多座调峰型液化天然气装置液化天然气最有利于调峰储存LNG是当今世界增长最快的一种燃料自从1980年以来，LNG出口量几乎以每年8%的速度增长 LNG工业链包括天然气预处理、液化、储存、运输、接收站、再气化装置等LNG工厂主要可分为基本负荷型、调峰型两类基本负荷型LNG工厂一直在扩大规模 目前，全球基本负荷型工厂有19座，以APCI流程为主，共有67条生产线 调峰型LNG工厂多建于20世纪70~80年代，主要位于欧洲、北美接收海运LNG的终端设施称为LNG接收终端它接收用船从基本负荷型天然气液化工厂运来的液化天然气，将其储存和再气化后分配给用户 下面是调峰型LNG工厂和基本负荷型工厂的流程二.中国的LNG工业链 （1）LNG工厂 20世纪90年代中期长庆石油勘探局建立一座示范性液化天然气工厂，目的是开发利用陕北气田的边远单井，作为代用燃料，日处理量为3万m3/d。

20世纪90年代末，上海建了一座日处理为10万m3/d的液化天然气事故调峰站该装置由法国燃气公司提供工艺设计、设备供应和技术服务装置容量是为满足上游最大停产期10天的下游供气量，每天为120万m3的天然气已于2000年2月投产，2001年达到设计供气量2002年新疆广汇实业投资(集团)有限责任公司开始建设一座日处理天然气量为150万m3/d的液化天然气工厂，储槽设计容量为3万m32）LNG接收终端 中国计划从国外进口天然气为此已经在广东深圳大鹏湾启动建造中国第一个液化天然气接收终端，每年进口300万t/a LNG，预计70%以上的天然气用于工业和发电，其余作为民用在福建湄洲湾兴建第二个液化天然气终端，气源将来自印度尼西亚，年进口量250万吨同时拟建于长江三角洲的第三个终端也已处于前期计划中3）LNG运输 中国的气体设备制造商已研制开发了液化天然气运输槽车，并已先后投入运行使用中国政符已开始计划建造液化天然气运输船4）LNG应用 在山东、江苏、河南、浙江和广东等省的一些城镇建立了液化天然气气化站，向居民或工业提供燃气 液化天然气冷量利用技术，因其对节能具有重要意义，还能产生可观的经济和社会效益，受到相关产业的重视，开始了前期研究工作。

§2-2天然气的预处理,作为液化装置的原料气，首先必须对天然气进行预处理天然气的预处理是指脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、水分、重烃和汞等杂质，以免这些杂质腐蚀设备及在低温下冻结而堵塞设备和管道一.脱水 在液化装置中，若天然气中含有水分，水在低于零度时将以冰或霜的形式冻结在换热器的表面和节流阀的工作部分，还可以形成天然气水合物，可造成喷嘴和分离设备的堵塞 通常须在高于水合物形成温度时就将原料气中的游离水脱除，使其露点达到-100℃以下 目前，常用的天然气脱水方法有冷却法、吸收法和吸附法等图2-1 常压甘醇脱水装置流程图 1－雾沫分离器 2－吸收塔 3－冷却器 4－甘醇循环泵 5－中间缸 6－换热器 7－闪蒸罐 8－过滤器 9－再生塔,二.脱酸性气体 最常见的酸性气体是H2S、CO等含有酸性气体的天然气通常称为酸性气或含硫气 酸性气体对人身有害，对设备管道有腐蚀作用，在降温过程中易呈固体析出，故必须脱除 在净化天然气时，可考虑同时除去CO2和H2S，因为醇胺法和用分子筛吸附净化中，这两种组分可以被一起脱除三.其它杂质的脱除 汞 极微量的汞含量足以给铝制设备带来严重的破坏；汞还会造成环境污染，以及检修过程中对人员的危害。

所以汞的含量应受到严格的限制重烃 常指C5+的烃类在烃类中，分子量由小到大时，其沸点是由低到高变化的，所以在冷凝天然气的循环中，重烃总是先被冷凝下来如果未把重烃先分离掉，或在冷凝后分离掉,则重烃将可能冻结从而堵塞设备氦气 氦气He是现代工业、国防技术不可缺少的气体之一He在核反应堆、超导体、空间模拟装置、薄膜工业、飞船和导弹工业等现代技术中，作为低温流体和惰性气体是必不可少的 世界上唯一供大量开采的He资源是含He天然气利用膜分离技术和深冷分离技术相结合的方法，即联合法从天然气中提取氦气，在经济上具有较强的竞争力 我国的天然气中氦的含量很低，若仅用深冷法提氦，则需液化大量的甲烷和氮，操作费用很高图2-2示出联合法从贫氦天然气中提氦工艺流程氮气 氮气的液化温度（常压下77K）比天然气的主要成分甲烷的液化温度（常压下约110K）低当天然气中氮含量越多，液化天然气越困难，则液化过程的动力消耗增加§2-3天然气的液化流程,天然气液化装置有： 基本负荷型液化装置； 调峰型液化装置基本负荷型液化装置是指生产供当地使用或外运的大型液化装置 对于这种天然气液化装置，其液化单元常采用级联式液化流程 到20世纪70年代又转而采用流程大为简化的混合制冷剂液化流程。

80年代后新建与扩建的基本负荷型天然气液化装置，则几乎无例外地采用丙烷预冷混合制冷剂液化流程调峰型液化装置指为调峰负荷或补充冬季燃料供应的天然气液化装置，通常将低峰负荷时过剩的天然气液化储存，在高峰时或紧急情况下再气化使用 调峰型LNG装置是小流量的天然气液化装置，非常年连续运行，生产规模较小，其液化能力一般为高峰负荷量的1/10左右对于调峰型液化天然装置，其液化部分常采用带膨胀机的液化流程和混合制冷剂液化流程§2-3天然气的液化流程,液化天然气的液化流程有不同的型式，以制冷方式分，可分为以下三种方式：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 需要指出的是，这样的划分并不是严格的，通常采用的是包括了上述各种液化流程中某些部分的不同组合的复合流程一.级联式液化流程 级联式液化流程也被称为阶式液化流程、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 级联式天然气液化流程由三级独立的制冷循环组成，制冷剂分别为丙烷、乙烯和甲烷每个制冷循环中可能含有多个换热器或压缩机级联式液化流程中：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。

通过九个换热器的冷却，天然气的温度逐步降低直至液化,级联式液化流程的优点是： ①能耗低；②制冷剂为纯物质，无配比问题；③技术成熟，操作稳定 缺点是： ①机组多，流程复杂； ②附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备； ③管道与控制系统复杂，维护不便在实际的循环中采用的压缩级数要综合考虑初投资费用、运行费用等多方面的因素来决定 级数多，则初投资成本大、功耗低、运行费用小 级联式液化流程的突出缺点是流程设备多、流程复杂、初投资大二.混合制冷剂液化流程 1934年，美国的波特北尼克提出了混合制冷剂液化流程（MRC：Mixed-Refrigerant Cycle）的概念之后法国Tecknip公司的佩雷特，详细描述了混合制冷剂液化流程用于天然气液化的工艺过程与级联式液化流程相比，其优点是：①机组设备少、流程简单、投资省，约低15%~20%；②管理方便；③混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充 缺点是：①能耗较高，比级联式液化流程高10%~20%左右；②混合制冷剂的合理配比较为困难；③计算困难，须提供各组分可靠的平衡数据与物性参数丙烷预冷混合制冷剂液化流程 该流程（C3/MRC：Propane-Mixed Re-frigerant Cycle）。

此流程结合了级联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图2-3 丙烷预冷混合制冷剂液化流程示意图 a) 混合制冷剂循环 b) 丙烷预冷循环,a),,b),在混合制冷剂液化流程中，天然气首先经过丙烷预冷循环预冷，然后流经各换热器逐步被冷却，最后经节流阀4进行降压，从而使液化天然气在常压下储存 丙烷预冷循环中，丙烷通过三个温度级的换热器，为天然气和混合制冷剂提供冷量丙烷经压缩机压缩至高温高压，经冷却水冷却后流经节流阀降温降压，再经分离器产生气液两相，气相返回压缩机，液相分成两部分，一部分用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为后续流程的制冷剂APCI丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程 流程中天然气先经丙烷预冷，然后用混合制冷剂进一步冷却并液化低压混合制冷剂经两级压缩机压缩后，先用水冷却，然后流经丙烷换热器进一步降温至约–35℃，之后进入气液分离器分离成气、液两相生成的液体在混合制冷剂换热器温度较高区域（热区）冷却后，经节流阀降温，并与返流的气相流体混合后为热区提供冷量分离器生气的气相流体，经混合制冷剂换热器冷却后节流降温为其冷区提供冷量，之后与液相流混合为热区提供冷量。

混合后的低压混合制冷剂进入压缩机压缩图2-5 APCI丙烷预冷混合制冷剂液化 流程示意图,在丙烷预冷循环中，从丙烷换热器来的高、中、低压的丙烷，用一个压缩机压缩，压缩后先用水进行预冷，然后节流、降温、降压后为天然气和混合制冷剂提供冷量 这种液化流程的操作弹性很大当生产能力降低时，通过改变制冷剂组成及降低吸入压力来保持混合制冷剂循环的效率当需液化的原料气发生变化时，可通过调整混合制冷剂组成及混合制冷剂压缩机吸入和排出压力，也能使天然气高效液化CII液化流程 天然气液化技术的发展要求液化循环具有高效、低成本、可靠性好、易操作等特点为了适应这一发展趋势，法国燃气公司的研究部门开发了新型的混合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程(Integral Incorporated Cascade)，简称为CII液化流程它代表天然气液化技术的发展趋势图2-6 CII液化流程示意图 1、6、7、13－气液分离器 2－低压压缩机 3、5－冷却器 4－高压压缩机 8－分馏塔 9,10,11－节流阀 12－冷箱,天然气液化：预处理后的天然气进入冷箱12上部被预冷，在气液分离器13中进行气液分离，气相部分进入冷箱12下部被冷凝和过冷，最后节流至LNG储槽。

混合制冷剂循环：制冷剂是N2和碳1至碳5的烃类混合物冷箱12出口的低压混合制冷剂蒸气被气液分离器1分离后，被低压压缩机2压缩至中间压力，然后经冷却器3部分冷凝后进入分馏塔8分馏塔底部的重组分液体主要含有丙烷、丁烷和戊烷，进入冷箱12，经预冷后节流降温，再返回冷箱上部蒸发制冷，用于预冷天然气和混合制冷剂；分馏塔上部主要成分是氮、甲烷和乙烷，进入冷箱12上部被冷却并部分冷凝，进气液分离器6进行气液分离，液体作为分馏塔8的回流液，气体经高压压缩机4压缩后，经水冷却器5冷却后，进入冷箱上部预冷，进气液分离器7气液分离，得到的气液两相分别进入冷箱下部预冷后，节流降温返回冷箱的不同部位为天然气和混合制冷剂提供冷量，实现天然气的冷凝和过冷三.带膨胀机的液化流程 带膨胀机液化流程（Expander-Cycle），是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的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，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机 什么样的场合又方便的条件？,,当管路输来的进入装置的原料气与离开液化装置的商品气有“自由”压差时，液化过程就可能不要“从外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置的天然气液化。

流程的关键设备是透平膨胀机分为氮气膨胀液化流程和天然气膨胀液化流程这类流程的优点是：①流程简单、调节灵活、工作可靠、易起动、易操作、维护方便；②用天然气本身为工质时，省去专门生产、运输、储存冷冻剂的费用 缺点是：①送入装置的气流须全部深度干燥；②回流压力低，换热面积大，设备金属投入量大；③。