天然氣液化技術及其應用

張學武

（唐山唐鋼氣體有限公司 河北 唐山 063000）

1 引言

液化天然氣簡稱LNG，因為其高儲存效率和可靈活運輸的性質，而且與儲氣庫和柜比較具備更容易建設、投資小以及受外部因素影響較小和見效迅速等等優勢，所以特別適合擴容并調峰城市中的輸配氣系統。LNG還可用作車用燃料，因為其中辛烷值比現有汽車燃料高，抗爆性好，并且能夠完全燃燒、排氣污染少，能夠有效提高發動機壽命和降低運行成本等。拿壓縮天然氣與LNG進行比較，LNG也具有一定優勢，比如高儲存效率，延長續駛里程，儲瓶壓力較低，重量輕且數量小，提高安全系數，在建站時不受供氣管網的相關限制等等。

2 天然氣液化技術概述

天然氣的液化系統可以分為五個部分，即預處理、液化、存儲、運送和使用。在當前LNG的工藝線路中，三種主流工藝包括膨脹制冷工藝、混合制冷工藝以及階式制冷工藝。

2.1 階式制冷工藝

在過去，最為常用的制冷工藝便是階式制冷工藝。該工藝方式是通過三個制冷循環階段構成并實現天然氣液化的。三個階段有三個系統，即丙烷制冷系統、乙烯制冷系統以及甲烷制冷系統，其按照制冷溫度梯度（即零下30℃和零下90℃以及零下150℃）逐級給天然氣提供足以使其液化的冷量。其具體過程可描述為，天然氣在經過凈化之后，進入三階制冷循環系統之中，在三個冷卻器中首先進行冷卻，其后進行冷凝，然后是將天然氣進行液化處理，最后進行過冷處理，通過節流降壓之后制造出低溫常壓液態的天然氣并進行儲存。

階式制冷工藝的特點在于可以將制冷系統從天然氣液化系統中獨立出來，其中的制冷劑是單一的單元，兩個系統之間的關聯性不大，因此操作簡單穩定，不必擔心系統之間的相互影響，比較適合高壓氣源，因為其可以利用氣源壓力能。然而，該工藝制冷系統也有缺點，第一點是制冷機組很多，制冷流程過長，要求高純度的制冷劑，第二點便是該制冷系統不適合氮含量過大的天然氣，因此，天然氣液化裝置市場上已然拋棄了這種液化工藝。

2.2 混合制冷工藝

在六十年代末，在工作經驗積累之下慢慢演變并設計出混合制冷工藝，這種制冷工藝主要是通過改變制冷劑并替代之前的階式制冷工藝中多個純組分。其制冷劑通常采用烴類混合物，包括N2、C1、C2、C3、C4和C5，而其具體使用成分是依據原料氣的壓力和組成而定。依據原料天然氣能否與混合制冷劑相混合可把混合制冷工藝分為兩類：開式混合制冷工藝以及閉式混合制冷工藝。

相對階式制冷工藝而言，混合制冷工藝的特點有工藝簡單、機器設備少，而且成本金額低等等。但是，該工藝還有一些缺陷，比如高能耗，工藝系統開發困難，而且對混合制冷劑組分配比的要求極為嚴格。

2.3 膨脹制冷工藝

在該工藝中主要是運用原氣的壓力能量進行對外做功，從而給液化提供相應冷量。天然氣的膨脹以及膨脹效率是決定系統液化率的關鍵因素，故而，該制冷工藝適合在使用壓力低但是輸送壓力高，需要進行中間降壓的氣源場合。

3 我國天然氣液化技術應用現狀

3.1 上海浦東LNG工廠(東海天然氣事故調峰站)工藝

我國第一座用以事故調峰的天然氣液化裝置處理天然氣液化規模可達10×104m3/d。而該裝置的建設目的主要是為保證向長江下游地區用戶提供在東海天然氣開采或運輸因其他各種原因導致停產時的氣源。

該裝置包括了三個液化單元，包括混合制冷劑分離塔，制冷機壓縮機組和整體式冷箱。該設備還具備以下三個優勢：第一，該裝置采用高效的板翹式冷箱，具有小占地面積和高換熱效率等特點；第二，該裝置只包含少量的設備，整個工藝流程簡單明了；第三，動設備的數量少，有效降低投資金額以及維護費用。

3.2 新疆廣匯LNG工廠工藝

在新疆吐哈油田附近也有LNG項目，其氣源來自吐哈油田，而且使用的是混合制冷工藝，該裝置整體規模可達150×104m3/d。該裝置由四大系統組成，即凈化、液化、存儲和運輸系統。這個項目的主要目標市場在于我國長江中下游的發達地區。

該裝置的工藝過程可以描述為：在輸氣管網中原氣的壓力只有15bar，在進行凝液分離、過濾以及計量之后，需再通過增壓系統對原料天然氣進行增壓，直至50bar；其后的天然氣可以進入脫CO2和H2S等雜質氣體的凈化系統，在該系統中的吸收劑主要是MEA；而在其后，原料天然氣必須經過分子篩干燥器進行脫H2O之后，才能進入天然氣的液化單元；在液化單元中，天然氣被冷凝至零下162攝氏度，再通過截流降壓的方法恢復至常壓狀態，從而獲得低溫液化天然氣，最后將該種天然氣輸送至LNG儲罐內進行儲存。

這個LNG工廠與上海的LNG工廠在處理和液化以及部分工藝方面大類相似，唯一的區別就是制冷劑壓縮機組不同。

4 天然氣液化技術應用前景

在我國，天然氣資源的分布不同于能源消耗程度分布狀況，甚至是恰恰相反。天然氣的資源多集中在西部，而天然氣的應用卻是越往東南方向。故而急需解決天然氣運輸問題。隨著我國經濟和基礎設施的發展齊備，國民廣泛應用天然氣已然開始風靡。然而，如此長距離的天然氣輸送管線，其中的建設投資規模巨大以及因部分地區地質地貌造成的施工技術困難，外加建成后高昂的維護費用，種種問題都是能影響長江中下游地區用戶的天然氣安全靈活供給的不確定因素。其次，因為輸送管道布置事關各大燃氣供應商的切身利益，所以必須考慮近期和遠期天然氣輸送管道輸氣能力的利用率，從而在進行輸氣管網布置規劃設計時，需要依據一般城市的發展規律，對大中小城市近期和遠期天然氣用氣規模進行預測，但是更因為這些預測事關社會政治經濟環境等許多不確定因素而變得難以確定，所以大多數燃氣供應商會選擇舍遠求近。這使得輸氣管道網在往后的時間中，只會隨著天然氣需求增加而緩慢改造發展。其三，因為國民用氣量會有季節性的差異，輸氣管路也會不時出現故障，這都會造成供氣的不平衡。故而，急需建設大量LNG調峰工廠以起到調峰作用。據了解，因為LNG工廠相比地面高壓儲氣罐和地下儲氣庫具有眾多優勢，例如投資資金少，節約土地，建設工期短等等。而且，天然氣在液化之后的運輸更為經濟可靠，在長距離運輸的情況下具有小風險、強適應能力等特性，另外更有專業的LNG槽車和輪船可以運輸邊遠區域的液態天然氣。伴隨著經濟的發展，天然氣必然因其高燃燒率和安全環保以及經濟可靠的性質而廣受城市居民的青睞。