天然气液化技术及其应用

张学武

（唐山唐钢气体有限公司 河北 唐山 063000）

1 引言

液化天然气简称LNG，因为其高储存效率和可灵活运输的性质，而且与储气库和柜比较具备更容易建设、投资小以及受外部因素影响较小和见效迅速等等优势，所以特别适合扩容并调峰城市中的输配气系统。LNG还可用作车用燃料，因为其中辛烷值比现有汽车燃料高，抗爆性好，并且能够完全燃烧、排气污染少，能够有效提高发动机寿命和降低运行成本等。拿压缩天然气与LNG进行比较，LNG也具有一定优势，比如高储存效率，延长续驶里程，储瓶压力较低，重量轻且数量小，提高安全系数，在建站时不受供气管网的相关限制等等。

2 天然气液化技术概述

天然气的液化系统可以分为五个部分，即预处理、液化、存储、运送和使用。在当前LNG的工艺线路中，三种主流工艺包括膨胀制冷工艺、混合制冷工艺以及阶式制冷工艺。

2.1 阶式制冷工艺

在过去，最为常用的制冷工艺便是阶式制冷工艺。该工艺方式是通过三个制冷循环阶段构成并实现天然气液化的。三个阶段有三个系统，即丙烷制冷系统、乙烯制冷系统以及甲烷制冷系统，其按照制冷温度梯度（即零下30℃和零下90℃以及零下150℃）逐级给天然气提供足以使其液化的冷量。其具体过程可描述为，天然气在经过净化之后，进入三阶制冷循环系统之中，在三个冷却器中首先进行冷却，其后进行冷凝，然后是将天然气进行液化处理，最后进行过冷处理，通过节流降压之后制造出低温常压液态的天然气并进行储存。

阶式制冷工艺的特点在于可以将制冷系统从天然气液化系统中独立出来，其中的制冷剂是单一的单元，两个系统之间的关联性不大，因此操作简单稳定，不必担心系统之间的相互影响，比较适合高压气源，因为其可以利用气源压力能。然而，该工艺制冷系统也有缺点，第一点是制冷机组很多，制冷流程过长，要求高纯度的制冷剂，第二点便是该制冷系统不适合氮含量过大的天然气，因此，天然气液化装置市场上已然抛弃了这种液化工艺。

2.2 混合制冷工艺

在六十年代末，在工作经验积累之下慢慢演变并设计出混合制冷工艺，这种制冷工艺主要是通过改变制冷剂并替代之前的阶式制冷工艺中多个纯组分。其制冷剂通常采用烃类混合物，包括N2、C1、C2、C3、C4和C5，而其具体使用成分是依据原料气的压力和组成而定。依据原料天然气能否与混合制冷剂相混合可把混合制冷工艺分为两类：开式混合制冷工艺以及闭式混合制冷工艺。

相对阶式制冷工艺而言，混合制冷工艺的特点有工艺简单、机器设备少，而且成本金额低等等。但是，该工艺还有一些缺陷，比如高能耗，工艺系统开发困难，而且对混合制冷剂组分配比的要求极为严格。

2.3 膨胀制冷工艺

在该工艺中主要是运用原气的压力能量进行对外做功，从而给液化提供相应冷量。天然气的膨胀以及膨胀效率是决定系统液化率的关键因素，故而，该制冷工艺适合在使用压力低但是输送压力高，需要进行中间降压的气源场合。

3 我国天然气液化技术应用现状

3.1 上海浦东LNG工厂(东海天然气事故调峰站)工艺

我国第一座用以事故调峰的天然气液化装置处理天然气液化规模可达10×104m3/d。而该装置的建设目的主要是为保证向长江下游地区用户提供在东海天然气开采或运输因其他各种原因导致停产时的气源。

该装置包括了三个液化单元，包括混合制冷剂分离塔，制冷机压缩机组和整体式冷箱。该设备还具备以下三个优势：第一，该装置采用高效的板翘式冷箱，具有小占地面积和高换热效率等特点；第二，该装置只包含少量的设备，整个工艺流程简单明了；第三，动设备的数量少，有效降低投资金额以及维护费用。

3.2 新疆广汇LNG工厂工艺

在新疆吐哈油田附近也有LNG项目，其气源来自吐哈油田，而且使用的是混合制冷工艺，该装置整体规模可达150×104m3/d。该装置由四大系统组成，即净化、液化、存储和运输系统。这个项目的主要目标市场在于我国长江中下游的发达地区。

该装置的工艺过程可以描述为：在输气管网中原气的压力只有15bar，在进行凝液分离、过滤以及计量之后，需再通过增压系统对原料天然气进行增压，直至50bar；其后的天然气可以进入脱CO2和H2S等杂质气体的净化系统，在该系统中的吸收剂主要是MEA；而在其后，原料天然气必须经过分子筛干燥器进行脱H2O之后，才能进入天然气的液化单元；在液化单元中，天然气被冷凝至零下162摄氏度，再通过截流降压的方法恢复至常压状态，从而获得低温液化天然气，最后将该种天然气输送至LNG储罐内进行储存。

这个LNG工厂与上海的LNG工厂在处理和液化以及部分工艺方面大类相似，唯一的区别就是制冷剂压缩机组不同。

4 天然气液化技术应用前景

在我国，天然气资源的分布不同于能源消耗程度分布状况，甚至是恰恰相反。天然气的资源多集中在西部，而天然气的应用却是越往东南方向。故而急需解决天然气运输问题。随着我国经济和基础设施的发展齐备，国民广泛应用天然气已然开始风靡。然而，如此长距离的天然气输送管线，其中的建设投资规模巨大以及因部分地区地质地貌造成的施工技术困难，外加建成后高昂的维护费用，种种问题都是能影响长江中下游地区用户的天然气安全灵活供给的不确定因素。其次，因为输送管道布置事关各大燃气供应商的切身利益，所以必须考虑近期和远期天然气输送管道输气能力的利用率，从而在进行输气管网布置规划设计时，需要依据一般城市的发展规律，对大中小城市近期和远期天然气用气规模进行预测，但是更因为这些预测事关社会政治经济环境等许多不确定因素而变得难以确定，所以大多数燃气供应商会选择舍远求近。这使得输气管道网在往后的时间中，只会随着天然气需求增加而缓慢改造发展。其三，因为国民用气量会有季节性的差异，输气管路也会不时出现故障，这都会造成供气的不平衡。故而，急需建设大量LNG调峰工厂以起到调峰作用。据了解，因为LNG工厂相比地面高压储气罐和地下储气库具有众多优势，例如投资资金少，节约土地，建设工期短等等。而且，天然气在液化之后的运输更为经济可靠，在长距离运输的情况下具有小风险、强适应能力等特性，另外更有专业的LNG槽车和轮船可以运输边远区域的液态天然气。伴随着经济的发展，天然气必然因其高燃烧率和安全环保以及经济可靠的性质而广受城市居民的青睐。