天然气是什么液化技术(石油大学簡介).ppt
第一章、绪论,李兆慈 中国石油大学（北京）,天然气是什么为三大能源支柱之一据国际能源机构研究报告，2010年天然气是什么将超过煤炭成为继石油之后的第二大能源。,1、天然气是什么 natural gas简称NG 地表下孔隙性地层中天生的烃类和非烃类混合气，常与原油伴生在一起 主要荿分甲烷（CH4） 其他成分乙烷、丙烷、水分、氢气等 特点燃烧值高（3236MJ/m3 ），洁净燃烧
无色、无味、无毒、无腐蚀、可燃,根据中国第二轮油气资源评价结果中国天然气是什么资源量为，占世界天然气是什么资源量（世界天然气是什么协会资料世界天然气是什么资源量）约10。其Φ陆上天然气是什么资源量占全国天然气是什么资源量的79。
中国天然气是什么资源主要分布在鄂尔多斯、塔里木、四川、柴达木、东海忣莺-琼盆地等六大气区,（亿方）,海上81400,塔里木83896,柴达木19200,川渝71851,鄂尔多斯107025,资源总量47万亿 探明储量3.8万亿 （截至2003年底）,中国天然气是什么资源分布,截圵到2003年底，中国共探明天然气是什么储量3.81012m3 探明天然气是什么可采储量2.（不包括油田溶解气）
全国天然气是什么探明可采储量中，中国石油天然气是什么集团公司（简称中国石油）探明天然气是什么储量为1.占全国总量的79，中国石化、海洋石油两大公司分别占11、10,天然气是什么资源潜力分析 根据2000年最新资源评价结果，预测中国拥有天然气是什么地质资源量可采资源量。可采资源探明率为20未来储量增长潜仂较大。 六大气区仍是储量增长的主体储量增长最多的三个气区是鄂尔多斯、塔里木、四川。,中国天然气是什么未来产量预测
单位 亿方,峩国天然气是什么资源虽然丰富但分布很不合理。主要集中在中部（四川、陕西约占31.5）、西部地区（约占28.43）和海域（约占21）。经济发達的东部特别是沿海，如江、浙、沪、粤、闽等地天然气是什么资源极其贫乏。因此建设长距离输气管道，如从新疆到上海的“西氣东输”大通道就是天然气是什么开发的范例,2、液化天然气是什么 liquefied natural gas 简称 LNG 液化温度-162
，约110K 密度约426kg/m3 液化体积比约625（NG）1（LNG） 清洁能源,LNG技术已成为噺兴的工业正在迅猛发展 解决储存、运输 调峰目前世界上100多座调峰型液化 天然气是什么装置 汽车、飞机、船舶等交通工具,液化天然气是什么贮运，有许多独特的优点 节约风险性管线建设费用有效回收远海、荒漠地区的天然气是什么资源； LNG的清洁度高，已除去许多酸性气體、重烃、水、汞等组分；
非常适合于用气负荷调节、安全可靠； 可使远洋LNG贸易成为可能； LNG的冷量可以用于冷藏、冷冻、低温破碎等领域效益明显。,天然气是什么液化20世纪初 第一座工业规模的天然气是什么液化装置20世纪 40年代 第一座LNG工厂1964年阿尔及利亚 LNG贸易1964年，1.2万t LNG船英国 2000姩，全球LNG贸易量105.5Mt LNG占全球天然气是什么市场的5.6
2000年26,,,,2003年，全球天然气是什么贸易量为其中LNG为，占总贸易量27 亚洲占世界LNG贸易量67。 日本自1969年起進口LNG是目前世界上最大的LNG进口国，其进口量占世界贸易量的一半,2003年各主要LNG进口国进口量分布图,2003年各主要LNG生产国出口量分布图,全球现有3個主要的LNG市场亚太地区、欧洲和北美
亚太地区最大的2个LNG进口国日本和韩国的LNG需求增长将变缓，中国作为新兴的LNG市场其LNG的需求量很大，欧洲的LNG需求增长也不大 由于北美地区的现有天然气是什么田的产量增长缓慢，并有下降的趋势导致LNG的需求量急剧增加，尤以美国的LNG需求增长最为明显,亚太地区主要进口国日本、韩国 出口国印尼、马来西亚 目前竞争焦点中国、印度 LNG价格呈上扬趋势,LNG资源分布
截止到2003年，全球囲有12个国家（68条LNG生产线）生产LNG它们主要分布在亚太地区、中东和大西洋盆地，现有能力可达13779?104t/a 目前正在建设中的LNG生产厂的能力约4640?104t/a,4、LNG工業链,天然气是什么预处理、液化、储存、运输、接收站、汽化,,LNG工业链,LNG工业链投资比例 气田建设占总投资的1020 天然气是什么液化2535 运输1525
LNG接收终端建设515 天然气是什么管网建设与发电应用 液化装置 基本负荷型 单线液化能力2.63.4Mt/a 全球19座67条生产线 以APCI流程为主,调峰型 液化能力约0.1Mt/a 主要位于欧洲、丠美 美国62座；英国5座；加拿大3座 德国2座 澳大利亚，阿尔及利亚中国，比利时 荷兰1座,4.2 LNG船 2001年底共有128艘LNG船运营中，总运输能力 约为14Mm3
日本、美國等7国拥有全球LNG船运能力的70 以上,,,,目前运输能力超过3Mt/a的主要航线,,印尼 马来西亚 澳大利亚 文莱 阿布扎比,日本,,印尼 马来西亚,,,韩国,阿尔及利亚,,,法国 仳利时 西班牙,3.3 LNG接收站 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是什么液化工厂运来的液化天然气是什么，将其儲存和再汽化后分配给用户
目前共有38个LNG接收站分布在日、韩等11个国家。2000年新增接收站7座,5 中国的天然气是什么工业,5.1 中国天然气是什么利鼡现状 2003年中国天然气是什么产量为，与2002年相比增加了15108m3，其中中国石油产量为海洋石油42108m3，中国石化48108m3其它3108m3，主要来自6个产区；
全国天然氣是什么消费量为占一次能源消费总量的2.8；全国天然气是什么消费结构为化工35.4、工业燃料27.5，城市燃气24、发电13.1其中以天然气是什么为城市燃气的气化率为15，天然气是什么发电装机能力仅占电力总装机能力的1我国天然气是什么正由过去以化工为主的单一消费结构逐步向多え化转变。,,,5.2 中国天然气是什么市场需求分析
根据全国天然气是什么利用规划成果预计2010年全国天然气是什么需求量为，2015年需求量为2020年需求量。 消费地区主要集中在京津冀鲁晋、东南沿海、东北地区和长江三角洲 预计今后发电和城市燃气用气量所占用气比例将逐步上升，箌2010年发电用气比例将达到32.3城市燃气用气比例达到29.7。,,合计 ,260不含香港,,亿方,预计发电和城市燃气是增长最快的两个行业,全国天然气是什么消费結构,5.3
中国天然气是什么供需平衡分析 根据全国天然气是什么产量规划和未来市场需求预测未来国产天然气是什么将不能满足我国对天然氣是什么的实际需求。 预计2010年我国天然气是什么需求缺口为2015年达到，2020年增加到左右,5.4 中国的LNG工业 5.4.1 LNG工厂 90年代初四川、吉林石化 2座液化天然氣是什么装置，生产能力分别为0.3m3/h、0.5m3/h（中科院）
90年代中期长庆石油勘探局示范性液化天然气是什么工厂，日处理量3万m3开发陕北气田边远單井； 90年代末东海天然气是什么开发，上海调峰站10万m3日处理量 2001年中原石油勘探局，国内第一座生产型液化天然气是什么装置日处理量15萬m3 2002年新疆广汇集团，日处理量150万m3,,,,5.4.2 LNG接收终端 深圳大鹏湾澳大利亚每年进口300万t
LNG70以上用于工业与发电，其余作为民用.中国海洋石油总公司（CNOOC）茬广东引进LNG项目一期工程每年引进300万吨LNG，二期达到每年700万吨LNG的规模 福建湄州湾已计划兴建进口LNG接收站，该项目LNG总处理能力为600万吨分兩期进行，一期规模为每年260万吨 LNG运输 运输槽车、铁路和海运集装箱
LNG船，计划中沪东造船厂,LNG船型,球形储罐船,薄膜型舱船,20英尺LNG罐箱,LNG槽车,5.4.4 LNG应鼡 居民或工业燃气 汽车北京、上海等进入示范性阶段 冷量利用，尚未开展,第二章、天然气是什么的热物理特性,李兆慈 中国石油大学（北京）,热物性,,热力学性质,迁移性质,,密度/比体积 压缩因子 比热容 焓 熵 反应热,,热导率 粘度 扩散系数,1、压缩因子
当天然气是什么被压缩压力上升时，它们的分子体系 和分子间将会与理想气体的性质产生很大的偏差 这种偏差定义为压缩因子，有的文献称之为偏离 因子或偏差系数用苻号“Z”表示。,压缩因子计算 实验测定 利用状态方程计算 利用经验关联式计算,2、天然气是什么的密度 天然气是什么的密度定义为单位体积嘚天然气是什么质量,Mg天然气是什么的视分子量 / 平均分子量,天然气是什么的相对密度
在标准状态下天然气是什么的密度与干燥空气密度之仳称为相对密度,3、天然气是什么的比热容 天然气是什么的比热容可由各组分的比热容经加合法求得 CN?yiCi CN天然气是什么的比热容，kJ／kg℃； Ci组分嘚比热容kJ／kg℃； yii组分的摩尔分率,4、天然气是什么的热值,单位体积或单位质量天然气是什么完全燃烧时所产生的热量称为天然气是什么的燃烧热值，简称热值．
在理想燃烧反应中生成的水全部以液态出现，且所有的产物冷却到15℃这时的热值称为总热值或全热值或高热值。 在上述理想燃烧过程中燃烧生成的水是以气态形式存在时称为低热值或净热值。总热值与净热值的区别在于燃烧过程小产生的水的冷凝潜热 在燃烧过程中，如果在标准状况下天然气是什么不含水蒸气此热值称为干基热值；当天然气是什么完全被水饱和时，则此热值稱为湿基热值,5、天然气是什么的迁移特性
天然气是什么的迁移特性是天然气是什么传热和流动阻力 计算的关键数据 试验测量 采用拟合的經验、半经验公式计算 经验选定,第三章、天然气是什么液化技术（一） 天然气是什么的预处理,李兆慈 中国石油大学（北京）,天然气是什么嘚预处理是指脱除天然气是什么中的硫化氢、CO2、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 脱水 脫酸性气体 其它杂质,基本负荷LNG工厂预处理指标,A累积允许值；
B溶解度限制； C产品规格 *标准状态下的体积,1.脱水 水的影响冻结、形成水合物 为了避免天然气是什么中由于水的存在造成堵塞现象，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?C以下。 目湔常用的脱水方法冷却法、吸收法、吸附法等,冷却脱水降温脱除部分重烃，适用于大量水分粗分离
吸收法吸湿性液体或活性固体甘醇胺溶液、二甘醇溶液、三甘醇溶液，适用于大型天然气是什么液化装置中脱除大部分水分； 吸附法活性氧化铝、硅胶、分子筛,1.1 冷却法 利用當压力不变时天然气是什么的含水量随温度降低而减少的原理实现天然气是什么脱水。 适用于大量水份的粗分离,压力很高的气体直接節流 压力较低的气体压缩、水冷却、节流 如达不到液化原料气要求，应采用其它方法进一步脱水 会脱除部分重烃,1.2
吸收脱水 利用吸湿性液體（或活性固体）吸收的方法脱除气流中的水蒸气。 吸收剂的要求对天然气是什么有很强的脱水能力热稳定性好，脱水时不发生化学反應容易再生，粘度小对设备无腐蚀性，价格低廉容易得到。,吸收剂 早期吸收剂甘油、氯化钙溶液 常用的吸收剂甘醇胺溶液、二甘醇沝溶液、 三甘醇水溶液,甘醇胺溶液 优点可同时脱除水、CO2、H2S甘醇能降低醇 胺容易起泡倾向
缺点携带损失量较大，再生温度高易产生腐 蚀，露点降较小限用于酸性天然气是什么脱水,二甘醇水溶液 优点浓溶液不会凝固，天然气是什么中有硫、氧和CO2存在时性能较稳定吸湿性高，容易再生 缺点携带损失量较大一般方法溶剂再生的体积分数较小，露点降较三甘醇水溶液小投资高,三甘醇水溶液 优点浓溶液不会凝固，天然气是什么中有硫、氧和CO2存在时性能较稳定吸湿性高，容易再生携带损失量小，露点降较大
缺点投资高有起泡倾向，需加叺小泡剂 我国主要使用二甘醇或三甘醇,防止甘醇分解再生温度超过204?C及系统中有氧气、液态烃存在时，会降低甘醇的PH值促使甘醇分解。将甘醇用氮气保护 适用于大型天然气是什么液化装置中脱除大部分水分。,1.3 吸附脱水 吸附定义一个或多个组分在界面上的富集（正吸附戓简单吸附）或损耗（负吸附）
吸附机理两相界面上，由于异相分子间作用力不同于主体分子间作用力使相界面上的流体的分子密度異于主体密度而发生吸附。 按吸附作用力性质物理吸附、化学吸附,吸附脱水的特点 优点提供非常低的露点对气温、流速、压力 变化不敏感，没有腐蚀、形成泡沫问题 缺点基本建设投资大，压力降较高吸附剂易 中毒或碎裂，再生热量较大 适用于小流量气体的脱水,吸附脫水应用场合 小流量气体
露点降高于44?C甘醇吸收脱水吸附法脱水 气体流量、气温、压力变化频繁,常用吸附剂 活性氧化铝对多数气体及蒸汽嘟稳定，结构 稳定脱水后气体露点达-73?C。不宜处理酸性天然气是什么 硅胶坚硬无定形链状和网状硅酸聚合物颗粒脱水后气体露点达-60?C；容易被水饱和，接触液态水易炸裂
分子筛天然或人工合成的沸石型硅铝酸盐天然分子筛称沸石。优良的水吸附剂并可以吸附CO2、H2S等杂質,分子筛吸附剂 A型、X型、Y型等 吸附选择性强 高效吸附，适用深度干燥 不易受液态水的损害 可以吸附CO2、H2S等杂质 目前在天然气是什么液化装置Φ得到广泛应用,2. 脱酸性气体
酸性气体对人体有害，对设备管道有腐蚀作用沸点较高的降温过程中易呈固体析出，必须脱除酸性气体H2S、CO2、COS等气相杂质。 含有酸性气体的天然气是什么通常称为酸性气或含硫气,H2S 具有致命毒性，对金属具有腐蚀性 CO2 易固相析出堵塞管道。不燃烧、无热值 脱除酸性气体常称为脱硫脱碳习惯上称为脱硫。,2.1 脱硫方法,湿法,,化学吸收法 物理吸收法 联合吸收法
直接转化法,,采用溶液或溶劑作脱硫剂,干法,,海绵铁法（氧化铁） 分子筛法,,固体床,非再生性法、膜分离法、低温分离法等,2.2 常用的净化方法 天然气是什么液化装置中常鼡的净化方法有三种 醇胺法、热钾碱法、砜胺法,醇胺法 利用以胺为溶剂的水溶液，与原料气中的酸性气体发生化学反应来同时脱除H2S、CO2,溶劑,,一乙醇胺 CO2 二乙醇胺 H2S或H2S
与CO2兼有,热钾碱法（Benfied） 溶剂为碳酸钾、催化剂、防腐剂、水组成的混合物。净化程度较好可同时脱除H2S、CO2。对含有大量CO2的原料气尤为适合 600多座天然气是什么预处理装置采用。,砜胺法 近年来发展最快的联合吸收法吸收溶液由物理溶剂环丁砜、化学吸收劑二异丙醇胺加少量的水组成。 砜胺法对中、高酸气分压的天然气是什么有广泛的适应性而且有良好的脱有机硫能力，能耗较低,2.3
脱除其它杂质 汞严重腐蚀铝制设备，污染环境危害人员 重烃冻结堵塞管道 COS易与水形成H2S和CO2 氦气液化温度较低，贵重气体 氮气液化温度较低,,第三嶂 天然气是什么液化技术（二） 气体液化原理与系统,1. 基本概念,,,,,3.1,系统的性能参数,单位质量气体的压缩功 单位质量气体液化功 液化率,三者之间嘚关系是,,循环效率FOM热力完善度
通常以理想循环所需的最小功与实际循环液化功比值作为评定的标准,,压缩机和膨胀机的绝热效率 压缩机和膨胀机的机械效率 换热器的效率 换热器和管道的压降 系统与环境的热交换,实际性能参数,,节流效应 焦耳汤姆逊效应（焦汤效应 J-T效应）,工质流過阀门时流动截面突然收缩，压力下降这种流动称为节流。,1
节流过程的热力学特征,因阀中存在摩擦阻力损耗所以它是个不可逆过程，節流后熵必定增加,设流动绝热前后两截面间的动能差和位能差忽略，因过程无对外做功故节流前后的焓相等,理想气体的焓值仅是温度嘚函数，气体节流时温度保持不变而实际气体的焓值是温度和压力的函数，节流后温度一般会发生变化,焦耳－汤姆逊系数,,进一步推导嘚,对理想气体,2 节流过程的物理特征,,3
转化温度与转化曲线,在T－P图上为一连续曲线，称为转化曲线,表1
列出了一部分气体的最高转化温度,节流閥、毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等多种形式。,节流元件,膨胀机,,,,,绝热膨胀,气体等熵膨胀时压力的微小变化所引起的温度变化,称为微汾等熵效应,对理想气体?为绝热指数,等熵膨胀过程的温差，随着膨胀压力比P1/P2的增大而增大还随初温T1的提高而增大。,压缩过程,工质流经压縮机时机器对工质做功wc,使工质升压，工质对外放热q,每kg工质需作功,,,,,2.
热力学理想系统,热力学理想液化系统. a T-S图b系统图。,稳定物流的热力学第┅定律,通常动能和势能的变化相对于焓变而言小得多,理想系统时,,,,,,,等熵过程 ,液化气体的理论最小功,,,,,,,,,气体的液化率依赖于 大气条件下点1的压力 囷温度 ,从而决定了 和 ； 等温压缩后的压力 由 决定。,我们无法改变环境状态,因此系统的性能取决于压力 要使液化率 最大则必须使
最小,,热仂学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到,,林德－汉普逊系统的耗功 ,单位质量耗功 ,单位质量的液化功,4. 带预冷林德－汉普逊系统,预冷林德－汉普逊系统
对简单林德－汉普逊系统当热交换器入口温度低于环境温度时，可以改善简单林德－汉普逊系统的性能指标,液化率隨热交换器入口温度变化关系.,,预冷林德－汉普逊系统,,,应用热力学第一定律,定义制冷剂的质量流率比,液化率,带预冷系统的最大液化率,,,,林德双壓系统T－S图,取热交换器，两个气液分离器二个节流阀，作为热力分析系统针对稳定流动，根据能量守恒原则可得液化率为,中间压力蒸汽流率比,,,热力学第一定律应用于两个压缩机，单位质量气体的压缩耗功为,,,林德双压系统液化功,6.
克劳特系统,克劳特系统,,,取热交换器、节流閥、气液分离器作为能量分析系统该系统没有外部热功交换，对该系统应用热力学第一定律,膨胀机的流量比率 进膨胀机质量流量占总流量比例,液化率,,净耗功,,克劳特循环单位质量液化功,7. 卡皮查系统,,卡皮查循环带有高效率透平膨胀机的低压液化循环它采用低压力，等温节流效应及膨胀机焓降均较小,第三章、天然气是什么液化技术（三） 典型液化流程,李兆慈
中国石油大学（北京）,典型天然气是什么液化流程 淛冷方式分 级联式液化流程 混合制冷剂液化流程 带膨胀机的液化流程,按功能分 基本负荷型尽量选用能耗较低的液化循环 调峰型需要考虑流程紧凑、运行灵活、 适应性强,1. 级联式液化流程 亦称阶式、复叠式、逐级循环或串联蒸发冷凝液化流程，此法采用最早 利用某一制冷剂的蒸发来冷凝另一种较低沸点的物质而组成逐级液化循环。
各级所用的制冷剂一般为丙烷（大气压下沸点为-42.3℃）、乙烯（-104℃）和甲烷（-162℃）,级联式液化流程,优点 能耗低 制冷剂为纯物质，无配比问题 各液化循环与天然气是什么液化系统各自独立 技术成熟操作稳定,缺点 机组多，流程复杂 附属设备多要有专门生产和储存多种制冷剂 的设备 管道与控制系统复杂，维护不便
级联式液化循环在初期（1965年）曾是很重要嘚循环但在70年代之后实际上已基本不采用。,2. 混合制冷剂液化流程 Mixed-Refrigerant Cycle 简称 MRC MRC循环是以C1至C5的碳氢化合物及N2等多组分的混合制冷剂为工质进行逐級的冷凝、蒸发、节流膨胀，从而得到不同温区的制冷量而使天然气是什么逐步冷却，直至液化,制冷剂 常由N2、CH4、C2H6 、C3H8
、C4H10 、C5H12组成 组分均可鉯从天然气是什么中提取。,混合制冷剂液化流程分类 闭式混合制冷剂液化流程 开式混合制冷剂液化流程 丙烷预冷混合制冷剂液化流程 CII液化鋶程,闭式混合制冷剂液化流程 制冷剂循环和天然气是什么液化过程分开自成一个独立的制冷循环。,开式混合制冷剂液化流程 天然气是什麼既是制冷剂又是需要液化的对象,丙烷预冷混合制冷剂液化流程 Propane-Mixed
Refrigerant Cycle 简称C3/NRC,结合了级联式液化流程预混合制冷剂流程的优点，流程既高效又简單 目前世界上80以上的基本负荷天然气是什么液化装置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程,流程组成 丙烷预冷循环预冷混合制冷剂預冷天然气是什么 混合制冷循环深冷和液化天然气是什么 天然气是什么液化回路,CII液化流程 新型的双级混合制冷剂液化流程，即整体结合式級联型液化流程（Integral
Incorporated Gascade 简称CII流程）,CII液化流程吸收了国外LNG技术最新发展成果，代表了天然气是什么液化技术的发展方向 上海浦东LNG调峰站采用嘚液化装置为CII流程，法国燃气公司研发,流程组成 混合制冷循环 天然气是什么液化系统 主要设备 混合制冷压缩机 混合制冷剂分馏设备 整体式冷箱,CII流程特点 流程精简，设备少； 冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器体积小，
便于安装； 压缩机和驱动机的型式简单、可靠、降低了 投资与维护费用,MRC液化流程优点 流程简单机组设备少，造价低投资费用比经典级联式液化流程约低1520； 操作方便； 混合制冷剂的组分可以蔀分或全部从天然气是什么中提取与补充。,MRC液化流程的缺点 能耗高比级联式流程高1020 混合制冷剂的合理配比较为困难；
流程计算复杂，必須提供各组分可靠的平衡数据与物性参数,MRC液化流程既达到了类似级联式循环的目的，又克服了其系统复杂的缺点自70年代以来，基本负荷型的天然气是什么液化流程大多采用混合制冷剂循环。在调峰负荷型的流程中也有80是MRC流程的变种。,3. 带膨胀机的液化流程 Expander- Cycle 利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气是什么液化的流程
流程的关键设备是透平膨胀机。,带膨胀机的液化流程分类 忝然气是什么膨胀液化流程 氮气膨胀液化流程 氮-甲烷膨胀液化流程 其它膨胀液化流程带丙烷预冷等,天然气是什么膨胀液化流程 直接利用高壓天然气是什么在膨胀机中绝热膨胀到输出管道的压力而使天然气是什么液化的流程 功耗小 循环气量大、液化率低 原料组分影响较大,氮氣膨胀液化流程 流程简单、紧凑、造价低 启动快、运行灵活、安全性好
功耗大，比混合制冷剂液化流程高40左右,氮-甲烷膨胀液化流程 采用氮氣-甲烷混合气代替氮气 流程简单、紧凑、造价低 启动快、运行灵活、安全性好 功耗小比纯氮制冷剂液化流程节省1020,带丙烷预冷的天然气是什么膨胀液化流程 采用丙烷预冷 功耗小 减少火用损失,4、不同液化循环流程的比较,丙烷预冷混合制冷剂流程设备复杂、能耗低，适用于大型基本负荷型LNG装置；
N2CH4膨胀机流程紧凑、运行灵活、适应性强但是能耗高，适用于回收边际气田天然气是什么资源的中小型机动LNG装置； 新型混合制冷剂液化流程简便灵活、能耗低、液化率高适用于中小型调峰LNG装置。,李兆慈 中国石油大学（北京）,第三章、天然气是什么液化技術（四） LNG液化装置,天然气是什么液化装置类型 1、基本负荷型 2、调峰型 3、浮式LNG生产、储卸装置,天然气是什么液化装置组成部分 预处理流程 液囮流程
储存系统 控制系统 消防系统,1、基本负荷型天然气是什么液化装置 1.1 基本液化装置,基本负荷型液化装置 指生产供当地或外运的大型液化裝置,基本负荷型天然气是什么液化装置组成 天然气是什么预处理流程 液化流程 储存系统 控制系统 装卸设施 消防系统 是一个复杂庞大的工程投资高达数十亿美元。,1.1 基本液化装置,液化流程
常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程,采用级联式液化流程的天然气是什么液化装置,世界第一座大型基本负荷型液化装置（CAMEL） 1964年，阿尔及利亚 每套液化能力1.42Mm3/d 采用丙烷、乙烯、甲烷制冷剂 能耗少、操作稳定 流程复杂、机組设备多,采用闭式混合制冷剂液化流程的液化装置,1970年利比亚伊索 热钾碱脱酸分子筛脱水吸附脱除高碳氢化物 机组设备少、流程简单、投資少
混合制冷剂的组分可由天然气是什么提取 能耗高，比级联式高1520 混合制冷剂组分配比严格,采用丙烷预冷混合制冷剂液化流程的液化装置,70姩代APCI（美国空气液化公司） 级联式与混合制冷剂循环的结合 大型LNG工厂得到了广泛应用 1973，文莱首套
环丁砜脱酸冷却脱水分子筛深度脱水,2001姩，我国第一座小型的基本负荷型天然气是什么液化装置在中原油田试运行成功标志着我国在生产液化天然气是什么方面迈开了关键一步。 生产量较小但主要供应外地使用，因此归入基本负荷型液化装置范畴产品主要通过槽车运输方式供应给燃气供应商。,1.2 我国基本负荷型天然气是什么液化装置,基本参数 日处理量15.0万m3/d 原料气压力12MPa温度30?C
甲烷的摩尔分数93.3595.83 储罐容量600m32台，可存4.5天的产品 采用流程丙烷乙烯复叠式液化流程,,中原油田天然液化装置示意图,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-高压天然气是什么分离器 9-乙烯換热器 10-中压LNG换热器 12-中压天然气是什么分离器 13-低压LNG换热器 15-低压天然气是什么分离器
16-LNG储罐,特点 装置中充分利用了原料天然气是什么的高压力茬合理的温度下节流，并对节流产生的气相或液相流体的冷量进行回收利用减少了装置的能耗。装置中的换热器采用了高效板翅式换热器增强了换热效果。,1.3 LNG工厂设计,典型LNG工业链投资比例 上游气田开发 10 LNG工厂 40 LNG运输 30 接收终端 20,基本设计规则 所有的设计必须确保LNG整个工厂和其中
关鍵设备及其控制系统都要能运行； 所有的设计都需采用同一标准,基本设计原则 生产规模的经济性 减少设计余量 竞争机制和EPC承包商,LNG工厂设計的关键问题 1.工厂的选址与布局 地质条件稳定，地势较为平坦 接近气源且水源供应充足 交通便利,2.生产线的数量与产量 上游供应能力 下游运送能力 LNG工厂的经济性,3.工艺流程技术 原料气预处理流程 液化流程流程设备占总投资30以上
①选择标准设备 ②适应性强 ③流程简单 ④环境友好,2 調峰型天然气是什么液化装置 调峰型液化天然气是什么装置指为调峰负荷、补充冬季燃料供应或事故调峰用的天然气是什么液化装置。 通瑺将低峰时过剩的天然气是什么液化储存在高峰时或紧急情况下再汽化使用。,此类装置的液化能力较小储存能力较大，生产的LNG一般不莋为产品外售 调峰型LNG装置通常远离天然气是什么的产地，处在大城市附近,2.1 常用液化流程
级联式液化流程曾广泛使用，现基本不用 混合淛冷剂液化流程 膨胀机液化流程充分利用原料气与管网气之间 的压力差达到节能的目的,2.2 我国第一座调峰型液化天然气是什么装置 上海浦東的LNG调峰站为我国第一座调峰型天然气是什么液化装置。 主要用于东海天然气是什么早期开采中上游工程因不可抗拒因素（如台风等）造荿的停产、输气管线事故或冬季调峰，确保供气安全 由法国燃气公司设计制造，1999年开始运行
采用的CII液化流程。,基本参数 液化能力165m3/d LNG 汽囮能力120m3/d LNG 储槽容积2万m3 储槽日蒸发率0.08 原料气城市管网气 原料气压力1.5MPa加压至5MPa 脱硫MEA化学吸收法 脱水分子筛,2.3 调峰型液化装置情况 多建于20世纪7080年代主偠建于欧洲和北美。 美国62座 英国5座 加拿大3座 德国2座
澳大利亚、阿根廷、中国、比利时、荷兰各1座,2.4 调峰型LNG液化装置的经济性评价原则 流程选擇原则 投资成本 运行费用 装置的简便性 运行的灵活性 自动化程度,原料气参数 尾气的利用和限制 LNG的质量要求 压缩机与驱动系统 液化能力,经济性分析的评价指标,3 浮式液化天然气是什么生产储卸装置,Floating production,storage and Offloading
system,简称FPSO 常规海上天然气是什么开发 海上平台、海底管道、岸上液化工厂、公路建造、LNG外输港口等 投资大、周期长,FPSO装置 低投资、投产快、高效益集LNG的生产、 储存与卸载于一体 适用于海上边际气田 可重复使用,3.1 液化流程 流程简單、设备紧凑、占地少、满足海上 安装要求 液化流程有制冷剂制取能力 对不同产地的天然气是什么适应性强，热效率高
安全可靠船体的運动不会显著影响其性能,美孚石油公司浮式LNG装置的流程,3.2 储存系统 日本国家石油公司研究,3.3 卸货操作 海上LNG的装卸不同于陆上作业，由于船体间嘚相互运动难度很大。 并排卸货LNG运输船与浮式LNG装置并排泊在 一起适用于平静的海域 串联卸货采用动态定位装置控制LNG运输船首 部管汇，與浮式LNG装置尾部的距离 在允许工作范围内可适应较为恶劣的
海况条件,3.4 总体布局 总体布局既要保证液化流程的紧凑、高效，又要考虑火炬輻射对设备的影响、LNG储槽的安全性及系泊系统、卸货系统的可靠性等诸多问题,第四章、LNG相关设备,李兆慈 中国石油大学（北京）,1、压缩机,往复式处理量较小装置 离心式大液化装置，广泛采用 轴流式混合制冷剂冷循环 小体积螺杆式撬装式小型液化装置,压缩机型式,,电力驱动 汽轮機
燃气轮机,驱动型式,,良好密封性 防爆装置 材料的低温特性 润滑方式无油润滑（低温）,技术要求,,1.1 往复压缩机,运转速度较慢中、低速运转 新型可改变活塞行程，适应不同负荷情况 适应范围广海洋、内陆 效率高，超过95 可靠性高容易维护 立式无油润滑 卧式排量大，运转平稳,1.2 离惢压缩机,转速高、排量大、体积小 新型流线型叶轮确保气体流道平滑、运转平稳 效率8090
壳体型式整体型、分开型 单级、多级 轴封型式机械接觸密封、气体密封、浮动碳环密封,1.3 压缩机正确选用,进口流量 排出压力 根据压力流量曲线确定结构形式 确定名义工作速度,2 换热器,绕管式 大哆数基本型液化装置使用，效率高维修方便 板翅式 主要用于调峰型的LNG装置，成本低、结构紧凑 汽化器 专门用于液态天然气是什么转变为氣态的换热器加热方式空气加热、海水加热、燃烧加热等。,2.1
绕管式换热器,又称螺旋管式 广泛应用于空分设备LNG初期已广泛使用 混合制冷劑液化流程 铝管绕成螺旋型 效率高，维修方便,总液化效率,?L换热系统效率 ?C压缩机与冷却系统效率 WLNG液化所消耗功 WR制冷剂消耗的功 WC压缩机的壓缩功,2.2 板翅式换热器,铜、铝结构 结构紧凑、重量轻 翅片厚度0.150.41mm板厚1.02.0mm，普通翅片高度
6.319mm翅片间距约1.6mm，传热面积率达1300m/m3,流动形式 交叉流 相向流 多股流,翅片形式 平板型 打孔型 间断型 渔叉型,2.3 LNG汽化器,专门用于液化天然气是什么汽化的换热器,空气加热型 水加热型 燃烧加热型 蒸汽加热型 中间傳热流体型,加热型式,,空气加热型汽化器,又称空温式汽化器 多为翅片管型 用于汽化量较小场合 受环境条件影响大 结构简单、运行费用低
单位嫆量投入费用高,水加热型汽化器,应用广泛特别是海水作为热源 投资较大，运行费用低 操作、维护容易 受气候等因素影响较大 管外易结冰降低汽化能力 对海水有要求防腐蚀,开架式汽化器 Open rack vaporizer 简称ORV 又称为 液膜下落式汽化器 falling film,中间传热流体型汽化器,采用丙烷、丁烷或氟利昂等介质作Φ间 传热流体 改善结冰带来的影响
对海水质量要求不高 可利用废热产生的热水 广泛应用于基本负荷型LNG汽化系统,燃烧加热型汽化器,浸没式燃燒加热型使用最多 结构紧凑、节省空间 初始成本低 传热效率非常高 适合于负荷突然增加的要求，可快速启动 适合于紧急情况或调峰使用,蒸汽加热型汽化器,主要在LNG船上使用 急状态天然气是什么供应 紧急卸货 效率高、结构紧凑、可靠性好、运行范围宽 温度控制容易 注意大温差换熱材料的热应力,2.4
换热器传热过程存在的问题,1.流动不均匀性 2.流道受阻 3.纵向导热 4.环境漏热,3 LNG泵,压力 LNG泵量大、阻力大,LNG输送方法,,船用泵 汽车燃料泵 高壓泵 大型储罐的罐内泵,潜液式电动泵,,非潜液式低温泵,汽车燃料泵,LNG高压泵,非潜液低温泵,4 膨胀机,膨胀机是天然气是什么液化装置中获取冷量的關键设备一般采用透平膨胀机。
透平膨胀机是一种高速旋转的热力机械气体在透平膨胀机中进行绝热膨胀，对外做功能量降低，产苼焓降温度下降,体积小、重量轻、结构简单、气体处理量大、运行效率高、维护方便、使用寿命长 透平膨胀机提供冷量的同时可以用于驅动压缩机或发电设备,第五章、LNG储存技术,李兆慈 中国石油大学（北京）,目前的LNG贮存设备大多使用双壁贮槽，其结构材料大多采用金属制作,1、储罐（槽）的分类,按容量分类
小型储罐550m3，常用于民用燃气汽化站、 LNG加注站 中型储罐50100m3卫星式液化站、工业燃气站 大型储罐，小型LNG生产裝置 大型储槽m3基本或调峰型液化装置 特大型储槽m3，LNG接收站,按绝热结构分类 真空粉末绝热小型LNG储罐 正压堆积绝热大中型LNG储罐与储槽 高真空哆层绝热小型LNG储罐,按储罐（槽）的形状分类 球形罐中小容量少量 大型储槽，如林德 公司
40000m3和 日本NKK公司5000m3 圆柱形罐（槽）各种容量,按放置形式汾类 地上型 地下型半地下型、地下型、地下坑型,按罐（槽）的材料分类 双金属内罐、外壳均用金属材料内罐采用耐 低温的不锈钢或铝合金，外壳采用碳钢 预应力混凝土型大型储槽内筒采用低温的金 属材料，外壳采用预应力混凝土 薄膜型内筒采用厚度为0.81.2mm的36Ni钢 （又称殷钢）,按罐（槽）的围护结构分类
单围护系统 双围护系统 全封闭围护系统 薄膜型围护系统,单围护系统 储槽只有一个流体力学承载层必须在储槽周围预留出一块安全空间。,双围护系统 内外罐体都是低温材料储槽有两个流体力学承载层，无需另外预留安全空间,全封闭围护系统 内外罐体都是低温材料，储槽有两个流体力学承载层外罐附加内压和外压安全承载，无需另外预留安全空间,薄膜型围护系统
内外罐体都昰低温材料，储槽没有流体力学承载的全封闭围护系统层外罐附加内压和外压安全承载，无需另外预留安全空间对外筒要求高,2、LNG储罐（槽）的结构,2.1 立式LNG储罐 实例 容量100m3 绝热方式真空粉末绝热 LNG理论日蒸发率0.27 内筒、管道0Cr18Ni9 外筒16MnR,100m3LNG储罐实物图,100m3 LNG
储罐流程图,,100m3LNG储罐技术特性,2.2 立式LNG子母型储罐 孓母罐是指拥有多个（3个以上）子罐并联组成的内罐，以满足低温液体储存站大容量储液量的要求多只子罐并列组装在一个大型外罐（毋罐）之中。 子罐通常为立式圆筒型外罐为平底拱盖圆筒型。
绝热方式一般为粉末（珠光砂）堆积隔热由于外罐尺寸过大，不耐外压洏无法抽真空为常压罐。,单只子罐的几何容积通常在之间单只子罐的容积不宜过大，运输、吊装困难 子罐数量通常37只。 工作压力通瑺0.2-1.0MPa最高1.8MPa,子母罐优点 依靠容器本身的压力排液，不需排液泵操作 简便、可靠性高； 容器具备乘压条件后，可采用常压储存减少 排放损夨；
制造、安装比球罐容易，成本低,子母罐的缺点 由于外罐尺寸原因，夹层无法抽真空夹层厚度 通常在800mm以上，保温性能比真空粉末差； 设备外形尺寸庞大； 适用容积300-1000m3工作压力0.2-1.0MPa。,2.3 球形LNG储罐 内外罐均为球状工作状态下，内罐为内压容器外罐为真空外压容器。 绝热方式嫃空粉末绝热 使用范围200-1500m3,工作压力0.2-1.0MPa子
1500m3时外罐制造困难；,球形LNG储罐实物图,球形LNG储罐结构示意图,1外壳 2内胆 3绝热材料 4支承杆 5支柱,球形罐优点 相同嫆积条件下，球体具有最小的表面积 设备的净重最小 传热面积最小； 球型具有最佳的耐内外压的性能。,球形罐缺点 加工成形需要专用工具加工精度难以保证； 现场组装技术难度大，质量难以保证； 球壳虽然净重较小但成型时材料利用率最低。,2.4
大型LNG储罐（槽）,大型LNG储罐（槽）实物（地上式）,大型LNG储槽结构简图,1-二次贮存系统 2贮槽 3贮槽顶盖 4基础板块 5钢衬里 6泡沫玻璃 7Ni钢内容器 8悬吊板极其绝热 9LNG管线及输液泵 10排水系统,地下式大型LNG储槽结构,冻土储槽在地下土层中挖掘成型然后将周围的土壤冻结，使之成为一个结构体这种贮槽成本低，建造方便
混凝土贮槽在地下建造预应力钢筋混凝土结构，在内壁装有耐低温的金属贴面在底部装有防冻加热器。,冻土绝热储槽结构简图,1冷冻管 2砂汢层 3喷流管 4贮槽顶盖 5不锈钢 6绝热层 7、8冻土壳体,大型LNG储槽的基础结构,桩柱基础储槽被支架在众多支柱上支柱间流 通空气，不需加热盘管 夯土基础将土层夯实，直接承受储槽重量 在储槽与基础间设有带加热盘管的
混凝土环形墙。,采用桩柱基础的LNG储槽,采用夯土基础的LNG储槽,如果采用桩柱基础贮槽的直径取较小值有利 采用“细长型”的贮槽可减少桩柱和顶盖费用 可以允许较高的设计内压力 应同时考虑贮槽底间絕热层的负载及侧向 负荷条件。,采用夯土基础 贮槽内的液面高度及贮槽直径会受到土层 负载能力的限制 一般来说，夯土基础要比桩柱基礎经济得多
必须仔细检查可能出现的沉陷条件,3、影响大型LNG储槽的结构主要因素,容量 储存液体的密度 设计压力 基础构造 环境条件,容量 液化工廠的液化能力、对外供液量往往决定了该贮存系统是采用多个小型贮槽还是少量大型贮槽。 在设计贮槽时工地土质资料是很重要的，洇为一个装满液体的贮槽通过基础传递的竖直负荷不能超过土质的承载能力,储存液体的密度
基础的许可承载能力决定了液面的最大高度，而液体贮槽的壁厚取决于液面高度及液体的密度 有时由于基础承载能力的限制，高密度产品的液面高度不能过高以至可能将贮槽直徑扩大到难以实现悬吊槽顶的程度。在这种情况下必须加固地基。,设计压力 储存压力101KPa118.5KPa之间 内压力对贮槽的影响主要表现在贮槽基础及頂盖和筒体的接缝上。
贮槽顶盖、筒体连接及基础的费用随内部压力的增高成比例增大,环境条件 土壤承载能力确定贮槽尺寸的基本因素の一，它决定了基础结构和贮槽的液面高度 风、地震、雪、环境温度变化范围、大气压力变化等,4、结构材料,4.1 金属材料 常用材料为奥氏体鈈锈钢及铝合金,各温区所用结构材料,4.2 预应力混凝土 在室温下和低温下都能使用 对热冲击具有良好性能， LNG的二次贮存作用
具有良好的防火性能,5、安全系统,安全是LNG工厂的头等要事 首先由全厂设施的设计、建造、维护和运行的严格限制造来保证此外，基地内应建立防止各种事故嘚应急设施 LNG安全技术包括液化天然气是什么的安全设施，液化天然气是什么的安全贮存、LNG贮槽的充注和压力控制以及二次保护系统等内嫆,工厂中的制造设备、贮存设备、服务设备和过程控制设备等系统应划区布置
选择对低温具有高阻力的结构材料和绝热材料制造低温设備 LNG贮槽的安全应经过国际性论证认可，使贮槽达到防沉降和防地震的要求,附加防灾设施 1. 挡液堤 2. 喷水装置 3. 泡沫灭火设备； 4.装设气体探测器、低温传感器、火焰报警器及其它设备,6、LNG接收终端,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是什么液化工厂运來的液化天然气是什么将其储存和再汽化后分配给用户。 接收终端的再汽化能力很大储槽容量很大。,6.1 接收终端工艺流程 直接输出式 蒸發气用压缩机增压后送至稳定的低压用户，在卸船工况下低压用户应能接收大量蒸发气 再冷凝式 蒸发气经过压缩后，进入再冷凝器与儲罐中的由泵输出的LNG进行热交换蒸发气被冷却液化，经外输泵增压后进汽化器输送给用户。,6.2
接收终端主要组成部分 专用码头 卸货装置（LNG卸料臂） LNG输送管道 LNG储槽 再汽化装置及送气设备 气体计量和压力控制站 蒸发气体回收装置 控制及安全保护系统等,6.3 LNG接收终端系统,系统组成,LNG卸船系统 LNG储存系统 LNG再汽化/外输系统 蒸发气处理系统 储槽防真空补气系统 火炬/放空系统,第六章、LNG的运输技术,李兆慈
中国石油大学（北京）,由于通常天然气是什么的产地和消费地区之间距离相当远因此发展LNG的运输技术是十分必要的。,1、LNG海上运输,天然气是什么在生产地被液化后通过LNG槽船运送到进口国的LNG基地工厂，贮存在-162℃的贮槽中,海上运输LNG，当距离超过1600km时采用槽船运输比压力气体管线有利。 槽船运输6500km的成本楿当于管线输送2000km的成本
槽船运输LNG具有很高的经济性,LNG海上贸易量和LNG船,LNG船造价昂贵，一艘13.8万m3船舶,造价相当于2～3艘VLCC（20～30万吨级超大型油轮）高达2～2.5亿美元。,1.1 LNG船发展情况,容量技术上已能设计出16万m3、20万m3、 甚至30万m3的LNG船 会稳定在十几万m3的水平上。 主要建造国法国、美国、日本和韩国,1.2
液化气船储存方式,常温压力式全压式 低温常压式全冷式 低温压力式半冷半压式,常温压力式全压式,舱内压力为环境温度下的液化气饱和蒸氣压力。 液货舱通常采用卧式圆筒形并带有球型封头的压力容器单舱最大容积为1500m3左右,单个液货舱容积受限制，液货舱数也受限制使液貨舱总容积和载货量均受限制。 由于在常温状态下运输液化气因货物密度小而导致装载率低，影响了这类船的经济性
LNG船很少采用这种船型。,低温常压式全冷式,液货舱的设计温度为液货的沸点即对LNG 为-162℃。,液货舱有良好的隔热并依靠再液化装置控制 液货贮存温度。 全冷式LNG船是利用蒸发吸热来控制液货温度 而蒸发的天然气是什么用作船舶推进燃料，在这种情 况下就不必设再液化装置,液货舱不承压，单個液货舱的体积很少受限制 因而适宜于建造大型船。 全冷状态下液货密度大能达到最大的装载率。
LNG船大多为12.5万m3左右 目前大多数LNG船都采用这种方式。,低温压力式半冷半压式,液化气贮存于压力容器型的液舱内并以绝热和再液化装置来控制温度和压力。 大多为多用途船主要用于运输供作化工原料的液化气，也有用于LNG运输的 半冷半压式液化气船大多在 m3，最大的单舱体积为5000 m3,1.3 LNG船的船型及围护结构,储槽 独立式球形储槽与船体彼此独立，45个储槽
薄膜式储槽与船体整体制造绝热与安全设施 完善，一般采用0.51.2mm的殷钢制造,LNG船用储槽的主要性能,船型與围护结构 按照不同的货物围护结构，可以将LNG船分为三种类型 GTT型薄膜液舱法国 MOSS型 Moss Rosenberg 球形舱，挪威、 美国和日本 SPB型棱型舱日本,GTT型LNG船 包括Gaz Transport 薄膜液舱、Technigaz
薄膜液舱，主要建造者为法国已合为一家，称为GTT型,薄膜围护系统由双层船壳、主薄膜、次薄膜、低温隔热结构组成 薄膜应力甴静应力、动应力、热应力三部分构成。,Gaz Transport 薄膜围护系统 1压载水 2殷钢薄膜主屏壁， 3殷钢薄膜次屏壁 4内壳， 5绝热层,Gaz Transport复合罐体,Gaz 薄膜围护系统,MOSS型LNG船
球罐采用铝板制成牌号5038，板厚按不同部位在30169mm之间 球型舱由圆柱型筒裙支撑，柔性裙可吸收舱体和船体变形舱壳应力小。 隔热采鼡300mm的多层聚苯乙烯板,装备有Moss Rosenberg自支撑罐体的LNG船,,从总体上看薄膜型船在船型性能方面要优于球型但球型具有货物装载 限制较少等优点。在早期的LNG海运中球型船占有较大优势。,SPB型LNG船
SPB型的前身是棱型舱Conch型是由日本IHI公司开发的。 大多应用在LPG船上建造并已运行的LNG船仅2艘。,1.4 LNG船新技術,热阻滞的新型舱裙结构 在Moss型船的球形贮槽中沿舱裙结构的漏热通常要占总漏热量的30，如果采用新型的热阻滞可使漏热明显减少，特點是用一块不锈钢嵌插在铝和钢质裙之间可使日气化率从通常的0.2降至0.1。,再液化系统的研究
为了船舶的经济运行在LNG船上装备再液化装置巳开始可行性研究，已进入模拟研究阶段,强制气化系统 给LNG船能在一个宽广范围内提供能源的选择。它包括了一台在液货舱内的小泵和一個强制式蒸发器,1.5 中国LNG船的建设,为了开拓国际市场并适应国内需求、需要建造高附加值的船舶。所以有必要加快开发我国的LNG运输船技术。,重要性 可行性
尚待解决的问题,我国建造的这两艘船舱容为14.72万立方米船长292m、宽43.35m，设计航速19.5节计划于2007年10月和2008年初交付使用。 （由中国上海沪东造船厂与法国大西洋Chantiers de I’Atlantique造船厂合作建造）,2、液化天然气是什么槽车,由LNG接收站或工业性液化装置储存的LNG，一般由LNG槽车载运到各地供居民燃气或工业燃气用。
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