适合于城市调峰和LNG 燃料生产的小型液化天然气装置.pdf

适合于城市调峰和适合于城市调峰和 LNG 燃料生产的小型液化天然气装置燃料生产的小型液化天然气装置 何 翌 CHEMTEX 中国工程有限公司 摘要摘要 天然气的应用对我国能源结构调整，保持高速可持续发展具有重要的意义。随着西气东输工程的建设，液化天然气的应用 将对缓解沿线城市天然气事业发展不同阶段的矛盾发挥积极作用。通过对不同类型液化天然气装置和多种天然气液化技术 的对比，结合我国天然气发展现状，对调峰和燃料生产的小型液化天然气装置的作用和特点进行分析。 前言 前言 aaaa 随着经济和科学技术的不断发展，人类的环境保护意识与日俱增。作为清洁的化石能源，天然气的应用 正越来越得到世界各国政府的重视。推广利用天然气，提高天然气在一次能源消费的比重，已经成为优化能 源结构， 实现经济、 社会和环境协调发展的重要途径。 目前天然气消费在世界能源消费结构中的比重已达 35， 成为仅次于石油的第二大能源。 我国能源消费总量占世界能源消费总量的 11.1,属世世界第二位,在能源消费大国中,我国天然气比重最 低,只是全球平均水平的 7.2,在我国能源消费总量中天然气仅占 2.8,远低于世界水平。加快开发利用天然 气，提高天然气在能源消费中的比重，优化能源结构，保护环境对是我国社会经济可持续发展具有极其重要 的意义。 。 十五期间，我国实施了一系列优化能源结构的重大举措,包括计划在 2001 年2007 年实施几项大的天 然气开发项目,即西气东输工程， 进口俄罗斯天然气工程，在广东福建地区试点引进液化天然气（LNG）工程， 沿海大陆架海上天然气利用工程等项目等。近来随着西气东输工程一期的竣工投产，我国城市天然气的应用， 即将迎来高潮。 液化天然气 LNG 装置用于城市调峰和车用燃料生产，是发达国家广泛采用的城市天然气应用方式，也将 成为我国大中城市合理使用天然气，促进城市清洁能源转移，发展城市燃气事业的最佳选择。 液化天然气 LNG 的发展 液化天然气 LNG 的发展 aaa 天然气经净化处理，脱除酸性气体，水分和杂质后，常压深冷到-162C 液化既制成液化天然气，英文缩 写为 LNG LNG。其体积仅为标准状态天然气的约 1/625。 因为在深冷前经过进一步纯化，LNG 比管道天然气和压缩天然气更洁净。 因为常压储存，LNG 比压缩天然气更为安全。 因为体积小，LNG 更适合长途运输至不同的地点不同的用户；而且更适合于城市调峰和作为车用燃料。 LNG LITERATURE 1 这些与生俱来的特性和优点，使 LNG 的工业应用得到了广泛的发展，越来越多的国家选择 LNG 来调整能 源结构， LNG 运输成为天然气除管道输送外另一种重要方式，LNG 的生产和贸易成为石油之外的重要能源交 易方式。世界上已建成投产 LNG 大型装置 160 多套，液化生产能力年平均产量以 20的速度增长。世界上普 遍认为液化天然气工业是当代天然气工业的革命，具有左右国际燃料贸易的能力。 LNG 装置的类型和用途 LNG 装置的类型和用途 LNG 工业在世界上已 60 多年的发展历史，技术成熟，已形成了从液化、储存、运输、气化到终端利用的 一整套工艺。LNG 装置按类型和用途划分主要有调峰型，基地型，和终端型。 1． 调峰装置（PEAK SHAVER） 将天然气液化储存用于调峰，主要建设在远离天然气气源的地区，在发达国家广泛用于天然气输气管网中， 对城市用气量的波动进行平衡。 和电力供应相仿，一座城市天然气的用量随时间的不同会有不同程度的变化。比如一年之内，冬季由于取暖 的原因用量要远远大于夏天（以北京为例，冬夏季天然气峰谷用量相差 410 倍） 。因此当城市的用气量达到 一定规模时，就需要一定的手段调峰，既把用气低谷时多余的天然气储存起来在用气高峰时再将其送回城市 管网。 城市天然气的调峰通常有两种手段，一种是用压力贮罐储存高压气态的天然气，一种是 以液化的方式储存常压低温的天然气。因为液化天然气压力低，单位体积储存量远远大于其它方式，所以LNG 储存调峰， 更安全，单位投资更节省，是最先进有效的调峰方式。 LNG调峰装置通常液化能力不大，但储存能量和再气化能力较大。年运行时间通常在 150-200 天。 2．基地装置（BASE LOAD） 又称基荷型装置。主要用于大量生产LNG供出口或贸易。 LNG基地装置多建在沿海地点，便于装船运送到输入国或地区。工厂处理量很大，且要和气源和LNG运输 船的装运能力相匹配。 基地型装置的液化能力很大，没有再气化设施。 国外也有小型的基地装置生产燃料供交通工具或卫星城镇使用。LNG作为交通燃料是比较新的而且前景 非常好的应用。生产燃料的液化装置本质上和调峰装置是相同的，只是液化天然气的贮罐更小些，而且是以 液体而不是气化的形式送出。 基地装置 3．终端装置（TERMINAL） 又称接收站，用于大量接收，储存由 LNG 运输船从海上运来的 LNG。储存的 LNG 气化 LNG LITERATURE 2 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 后，可以再进入管网供应用户。 终端装置液化能力普遍较小，贮罐的容积和再气化能力较大。 除了上述三种主要类型外，还有一些其它类型的 LNG 装置，如卫星型（SATELLITE） 和浮动型（FLOATING）等。 LNG 的生产工艺的生产工艺 LNG 生产装置通常由预处理，液化，储存和产品送出几部分组成。 1．预处理 原料气一般来自油气田或者长输管线，在其进入装置时，首先要将其中夹带的液体和固体杂质去除。在 液化前，还要进一步处理纯化将原料气中的酸性气体，水分，重烃，汞等脱除，以免CO2，水分和重烃等在低 温冻结堵塞下游管道设备，以及硫， 汞等对设备产生腐蚀。 CO2，SO 2等酸性气体根据含量的不同可以用物理或者化学吸收的办法脱除。物理吸收使用分子筛，化学 吸收使用醇胺，砜胺等溶液。 水分的脱除普遍使用分子筛。 汞的脱除常使用含硫活性碳，分子筛等等。 2． 液化 液化是 LNG 生产的核心。液化工艺和相关设备配置对装置的效率和投资具有决定性的影 响。从 LNG 技术诞生以来，先后有节流制冷，膨胀制冷，复迭制冷，混合制冷，带预冷的混合制冷，双混合 制冷以及单元混合制冷，其中运用比较多的有 A． 复迭制冷（CASCADE CYCLE） 典型的复迭制冷循环由三个单独的制冷循环组成，多为丙烷、乙烯、和甲烷三个不同温 度级别的循环系统串联，每个系统均有一个压缩机组，获得所需各温度级位的冷剂。如图 1 所示 复迭制冷技术成熟，除了天然气液化外，在乙烯深冷分离中亦有应用。但是其缺点很明 显机组多，流程复杂，控制、操作和维修环节繁多，因而可靠度相对较低。有些采用复迭制冷的大型 LNG 生 产装置为了提高开工率，每个冷剂系统都配备了双透平，虽然这样做可以使装置即使在某个透平出问题时仍 然有可能保持生产，但操作越发复杂，单位投资也大大增加。 LNG LITERATURE 3 图图 1，复迭制冷循环，复迭制冷循环[1] B． 混合冷剂制冷（MRC-MIXED REFRIGERANT CYCLE） 采用多组分混合冷剂，利用不同组分不同沸点，部分冷凝的特点，得到所需不同的温度水平，将原料气 顺序冷却液化，如图 2 所示。 图图 2，， MRC--I 也 有 将 混 合 冷 剂 压 缩 到 不 同 压 力 级 别 然 后 蒸 发 提 供 冷 量 ， 如 图3所 示 。 LNG LITERATURE 4 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 图图 3，，MRCII[1] 与复迭制冷相比，混合制冷只需一个压缩机组，工艺流程大为简化，但由于仍需将冷剂分为不同的温度 级别或压力级别，能耗较高，控制系统仍然较复杂，对冷剂组分的配比也有比较苛刻的要求。 C． 带预冷的混合冷剂制冷（C3-MRC） 这种工艺以 C3-MR 为代表，采用最多的是基于丙烷预冷的混合冷剂制冷工艺，如 图 4 所示。 图 4 C3-MR CYCLE[3] 液化所需冷量分两段提供。高温段采用丙烷作为冷剂按几个不同的温度级对原料气和混合冷剂预冷，低 温段先后用不同压力级别的混合冷剂把原料气顺序液化。这种工艺结合了复迭制冷与一般的混合冷剂制冷的 LNG LITERATURE 5 w w w . b z f x w . c o m 优点，工艺流程相对更简洁，效率更高，运行费用较低。 D．单元混合制冷 美国BLACK VEACH PRICHARD INC. BVPI开发的PRICO制冷技术是一种非常先进的混合冷剂制 冷工艺，如图 5 所示 S LNG HEAVIES NG 图 5，PRICO[2] 和其它工艺一样冷剂先进行压缩，分成气液两相，但只有一个压力级别。气液两相高压冷剂在冷箱入口 混合，由上至下通过热交换器，基本上在和 LNG 相同的温度下流出，经过控制阀减压后返回交换器，向上流 动气化，提供冷量，然后回到压缩段完成闭路循环。 PRICO工艺和其它所有在用LNG液化工艺相比，只有一台压缩机，一个冷箱，流程非常简单，控制更方 便，操作更可靠，对冷剂成分的变化不敏感，对不同组分原料气有很强的适应性。投资成本低，操作费用低。 而且PRICO工艺用关键设备采取模块化设计， 可以非常方便的进行放大， 缩小来得到所需要的生产能力。 决定于其先天的优势，PRICO工艺在各种类型的LNG装置中都得到了广泛的应用。储存 LNG 贮罐分地下和地上两种，应用最为广泛的以双层壁金属地面贮罐为主。LNG 装置贮罐 的能力多随装置用途变化。 4．装运 根据用途不同，液化天然气装置需设置再气化设施将气体送至管网或直接将 LNG 装车船 运送到所需地点。气化可采用水浴或其它加热办法。 液化天然气在我国的应用前景 液化天然气在我国的应用前景 我国已有较长的应用天然气的历史，但液化天然气 LNG 的应用和发达国家相比尚有很大的差距，但是随 LNG LITERATURE 6 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 着国家能源战略的调整，液化天然气的优点，如何合理有效地利用先进的天然气液化技术，发挥液化天然气 的优势，为经济可持续发展服务，正得到了越来越多有识之士的关注。 1． 城市供气主气源 LNG 是最合理的实现城市天然气化的非管道输送的供气方式，通过运输将 LNG 运到用气地区，可以作为 过渡气源或永久性气源。尤其是沿海城市可以充分利用地理优势修建 LNG 接收站，利用从国外海运来的 LNG。 我国广东和福建两省均已经开始大型 LNG 接收站的建设。 2． 城市调峰 和传统的调峰方式如地下储气库，压缩储存相比，LNG 储存效率高，储运手段比气态天 然气更灵活，具有较高的机动性。不论是平衡城市管网供气的高峰负荷还是事故状态下的调峰，都游刃有余， 用作城市管道燃气的调峰最为经济而且安全合理。随着管道燃气事业的发展，城市调峰气源需要量将会越来 越大。 3．卫星城镇供气 大中城市的卫星城镇发展由于远离气源，建设输气管线非常不便且不经济。LNG 运输灵 活高效，单位储存量大，使用时间长，且小区气化工艺流程简单安全，建设投资省、见效快、方式灵活，价 格平稳，是最适宜的卫星城镇的供气方式，在发达国家已经广泛应用。 3． 清洁燃料 与汽油、柴油和 LPG、CNG 相比，LNG 具有辛烷值高、抗爆性好、价格低、一次充装量大、 行驶里程长、尾气污染小等优点，不论对于交通工具还是工业生产，都是是优质的清洁燃料。 2003 年北 京已开始了 LNG 汽车的试运行，并计划改造液化天然气燃气汽车 300 辆，以后 逐步将北京 90％的公交车改造成为液化天然气燃气汽车。最近，上海LNG城市客车也已经研制成功并通过鉴 定。随着国家清洁汽车行动步伐加快，LNG在汽车燃料中无疑将占具越来越重要的地位。 调峰和燃料型液化天然气装置的优势 调峰和燃料型液化天然气装置的优势 根据国家经贸委制订的石油工业“十五”计划，今后 10 到 15 年内，将建成全国天然气工业体系，实现 天然气工业的快速发展。近期 2005 年内将有 148 个城市，7000 多万人口，可望使用天然气，用气量约 200 亿 m3/a；到中期 2010 年，将有 270 个城市利用天然气，天然气量为 414 亿 m3/a。届时城市用气将占我国天 然气利用总量的 31左右，接近或达到目前世界城市利用天然气的水平（2350。世界平均 26） ，城市天然 气在我国一次能源消费比例将达到 2.03。 随着具有重要战略意义的西气东输工程的建设，各沿线城市正积极地开展城市天然气利用规划和相关建 设。目前比较突出的问题是天然气利用工程时间紧迫，而不少当地的管道燃气事业发展较慢或是尚未起步。 而根据规划，西气东输工程计划分三期到 2010 年完成，供气量要逐年增大。所以，如何把城市天然气应用规 LNG LITERATURE 7 w w w . b z f x w . c o m 划与国家干线建设计划以及城市的长期发展规划有机结合起来，降低投资风险，增加投资的综合收益率，成 为非常现实的问题。发展调峰和燃料生产相结合的液化天然气装置无疑是一种一举多得的选择。 1． 理想的过渡气源 各城市接纳天然气的管道基础不同。气化率比较低的城市，在城市管网完善的同时，可 以将暂时因无法管道输送的天然气液化用汽车运输的方法送到工业用户和城镇居民用户。 2． 理想的应急气源 城市引进天然气后，上游管道或城市供气干管出现故障时。在城市天然气应用规模发展 的任何阶段， 液化装置储存的 LNG 都可以成为抢修停气临时应急使用的气源。 3． 理想的调峰手段 随着城市用气量的增大，调峰将成为必需。天然气液化装置独特的优势使其成为调峰手 段的首选。 4． 理想的清洁燃料 目前我国城市化趋势日趋加快，其带来的一系列问题尤其是环境问题越发突出。和传统 的清洁燃料 LPG，CNG 相比，LNG 更安全，更环保，将成为输气干线沿线城市公共交通工具和工业用户清洁燃 料的最佳选择。 毋庸置疑，优化配置的液化天然气装置无疑将使规划者可以从容应对城市发展过程中的各种不确定因 素，合理地解决城市天然气事业发展不同阶段的矛盾，满足地区经济持续发展对能源的需求。 调峰和燃料型液化天然气装置的配置 调峰和燃料型液化天然气装置的配置 与其所发挥功能相适应，兼顾调峰和燃料生产的液化天然气装置应具备以下特点。 1． 装置组成 装置应包括预处理，液化，储存，再气化和装运系统。 2． 工艺简单可靠。 复杂的工艺流程控制环节多，操作烦琐，一旦出现波动，不便于调整和处理。工艺是否简单可靠，易于 操作，是否只需要较少的关键设备，是否只需要较少的操作人员和维护人员，对控制单位投资，减少操作成 本和维护成本是非常关键的。 3．大操作弹性 由于城市用气量随着城市发展的不同阶段不断变化，装置应该具有较大的操作弹性以适 应需求的变化。 4. 关键设备选型 压缩机组，冷箱等关键设备必须先进，稳定，耐用，以降低装置能耗，确保开工率和长 LNG LITERATURE 8 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 寿命。驱动机的选型需根据电成本来决定。用电成本低，供配电系统稳定时，优先选择电机驱动；用电成本 高时，则需考虑使用燃气轮机，甚至使用联合发电机组。 5． 能力 液化系统，储存系统，再气化和装运系统的能力要紧密结合当地实际情况进行确定。如 偏重于燃料生产，贮罐可以不必太大，而液化能力不宜过小。如偏重于调峰，则需采用较大的贮罐。以下是 国外调峰装置和燃料装置的能力特点。 调峰装置 燃料装置 液化能力，10 4Nm3/Day 14---70 8---60 年运行时间，Days 150---200 365 储存能力，m 3 50，000---100，0005，000---10，000 送出率（相对于液化率） ，Times 10---20 2---3 送出形式 气态（管输） 液态（公路或铁路） 国外典型调峰装置和燃料装置的能力特点国外典型调峰装置和燃料装置的能力特点 结论 随着西气东输工程建设按阶段进展， 兼顾调峰和燃料生产的小型液化天然气装置具有更大的市场灵活性， 将更能够满足不同地区的天然气事业在不同发展阶段的需求。小型液化天然气装置应该具备简单、有效、可 靠的工艺特点，能力配置要充分结合当地实际情况。 参考文献 1. Wolfgang Forg, Natural Gas Trade Routes and Liquefaction Processes 2. Brian C Price, Small Scale LNG Facility Development 3. Pierre Martin, LNG Process Selection, No Easy Task LNG LITERATURE 9