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液化天然气在城市燃气中的应用


液化天然气在城市燃气中的应用
一、前言 随着我国“西气东输”工程的蓬勃开展,全国性的天然气利用热已经掀起。 天然气作为目前世界上最佳能源,在我国城市气源的选择中已被高度重视,大力 推广天然气已成为我国的能源政策。但由于天然气长距离管道输送的工程规模 大,投资高、建设周期长,短时间内长输管线难以到达大部分城市。 利用高压,将天然气体积缩小约 250 倍(CNG)进行运输,然后将其降压的 方式解决了部分城市的天然气气源问题。 而应用超低温冷冻技术使天然气变为液 态(体积缩小约 600 倍)、采用超低温保冷槽罐,通过汽车、火车、轮船等方式 远距离输送天然气、然后经超低温保冷储罐储存、再气化的 LNG 供气方式与 CNG 方式相比,输送效率更高,安全可靠性能更强,能够更好的解决城市天然气气源 问题。 目前,国家正在大力推广使用这一先进技术,并拟在我国沿海兴建大型的 LNG 码头,大量进口 LNG。通达能源股份有限公司利用这一方式先后在广东、江 西、江苏、浙江的中小城市投资建设城市天然气设施,并已成功投产运行,同时 在建的城市 LNG 项目还有多个。随着我国 LNG 气源的增多,可以预测,不久的将 来 LNG 这一新的供气方式将会成为城市燃气化的首选途径, 使用这种供气方式的 城市将会迅猛增加。 二、LNG 在我国的资源与利用 LNG(Liquefied Natural Gas),即液化天然气,是天然气的液态形式,它 充分利用了天然气在常压、-162℃下液化,体积缩小约 600 倍的性质,为天然气 的高效输送提供了新的途径,也扩大了天然气的利用领域。 1、我国 LNG 的资源 目前,我国 LNG 生产厂家不多。中原油田的天然气液化工厂一期工程已于 2001 年 10 月份投产,天然气液化能力为 LNG30 万 Nm3/日,二期达到 50 万 Nm3/ 3 日,最终规模达到 150 万 Nm /日;上海浦东的天然气液化工厂天然气液化能力为 2 万 Nm3/日,主要用作调峰备用气源;新疆广汇集团目前在吐哈油田兴建大型天 然气液化工厂,一期投资约 6 亿元人民币,预计于 2003 年底建成投产。初期天 然气液化能力为 150 万 Nm3/日,最终规模达 900 万 Nm3/日,将成为我国最大的 LNG 生产基地。 同时,国家根据地域分布和能源资源供需情况,在经济发达的东南沿海(广 东、福建、浙江、山东和上海)地区积极开展进口 LNG 的接收与利用工作。第 一个试点深圳大鹏湾码头工程于 2003 年动工建设, 已与澳大利亚 ALNG 集团签定 供气协议,每年接收 300 万吨的 LNG,码头将在 2006 年 6 月投入商业运营。 此外,福建莆田、浙江宁波、山东青岛等进口 LNG 项目也在紧锣密鼓的进行 当中。 2、我国 LNG 的利用 LNG 技术在我国起步较晚,但发展迅速。迄今为止,全国使用 LNG 作为气源 的城市有 30 多个,其中包括通达能源公司投资建设的 5 个投产城市(龙川、姜

堰、余姚、沭阳、九江)及在建城市。 表 1:通达公司 LNG 项目情况 一期供气规模 一期气化站内 开工时间 投产时间 项目 3 (万 Nm /d) LNG 储罐规模 龙川 LNG 项目 1.0 100m3 2001.10 2002.5 3 姜堰 LNG 项目 1.0 100m 2002.3 2002.7 余姚天然气利 3 1.2 150m 2002.6 2002.10 用一期工程 九江天然气利 3 1.5 200m 2002.11 2003.5 用过渡期工程 3 沭阳 LNG 项目 1.5 100m 2002.11 2003.6 3 阳江 LNG 项目 2.54 200m 2003.6 2003.11(计划) 3 吉安 LNG 项目 2.18 300m 2003.10 2004.4(计划) 3 潮州 LNG 项目 20 3000 m 2004.1(计划)2004.7(计划) 三、LNG 技术 LNG 产业链包括天然气的液化(LNG 的生产)、运输、储存、气化、供气和 应用几个环节。

图 1:LNG 工艺流程示意图

1、LNG 组成及性质 以中原油田、新疆广汇、深圳大鹏湾进口 LNG 为例,其组成及性质见下表。 表 2:LNG 组成及性质 参数 中原油田 甲 乙 丙 氮 其 分子量 他 烷 烷 烷 95.857% 2.936% 0.733% 0.085% 0.389% 16.85 新疆广汇 82.3% 11.2% 4.6% 0.8% 1.1% 19.58 深圳大鹏湾 91.46% 4.7% 2.59% 0.09% 1.16% 17.918

组分

气化温度 -145℃(0.3MPa)-162℃(常压) -162℃(常压) 42.42 MJ/Nm3 (合 10100Kcal/Nm3) 46.76MJ/Nm3 (合 11100Kcal/Nm3) 0.872 kg/m3 430~460kg/m3 11.42×10m-6 -6 2 12.072×10m m /s m2/s 610 54.43MJ/Nm3 45.18 天然气类别 12T 600 56.91 MJ/Nm3 42.41 13T 37.48MJ/Nm3 (合 9000Kcal/Nm3) 41.49MJ/Nm3 (合 9900Kcal/Nm3) 3 0.772 kg/m 447.0 kg/m3 39.67 MJ/Nm3 (合 9477Kcal/Nm3) 49.47 MJ/Nm3 (合 11818Kcal/Nm3) 0.802kg/m3 456.5 kg/m3 13.48×10m-6 m2/s 611(20℃)

低热值 天然气热 值 高热值 气态 液态

密度

运动粘度 气台 15.5(℃)/液态 膨胀系数 华白指数(W) 燃烧势(Cp)

55.6 41.2 13T

2、LNG 的运输 我国目前现有 LNG 运输均采用汽车槽车。 单辆槽车最大 LNG 水容积 37m3, LNG 运输能力 22000 Nm3 气态天然气,槽车设计压力 0.8MPa,运行压力 0.3MPa。最 远运距达 2100km(中原油田—广东龙川),正常平均行驶速度 60km/h。整个运 输过程安全、稳定。经跟车实测,运行中 LNG 槽车内的压力基本不变,短时停车 上涨 0.02MPa 左右,途中安全阀无放散现象,LNG 几乎无损失。 3 LNG 公路运输费用大概在 0.4~0.6 元/Nm .千 km。

因此,LNG 即使从中原运送到遥远的广东,其运输方式在安全、经济上都是 可行的。 表 3:通达公司现有 LNG 运输情况 运输距离 运输时间 运输费用 城市 LNG 来源 备注 (km) (h) (元/ Nm3) 远期采用深圳进口 龙川 中原油田 2100 42 1.05 LNG 姜堰 中原油田 800 18 0.45 近期过渡气源 余姚 中原油田 1300 25 0.65 近期过渡气源 九江 中原油田 1070 21 0.6 沭阳 中原油田 560 9 0.33 此外,新疆广汇集团已同铁道部、交通大学等有关部门研制火车低温集装箱 槽罐运输方式及运输标准,以便更长距离、更大量的运送 LNG。应用 LNG 罐式集 装箱可以灵活实现汽车、火车运输。目前,该标准已经出台,40 英尺样品也已 研制出产并经过了路试,证实了在运动和静止状态不同路况、温度及气候下,保 温性能良好。40 英尺罐式集装箱可装 37m3LNG,相当于气态天然气 22000m3 左右, 一个 LNG 专列运输量为 100~120 万立方气态天然气。从新疆到广东潮州约 5000km,周期 10~12 天,运费不超过 1 元/Nm3。 3、LNG 的储存与气化

图 2:液化天然气气化站工艺流程图 1)LNG 储罐 LNG 储罐是气化站中的关键设备,其绝热性及密封性的好坏直接影响到 LNG 的蒸发和泄漏速度,即 LNG 的损耗速度和使用率。储罐的性能参数主要有真空度 (Vaccum)、漏率(Leakage)、静态蒸发率(Static vaporation rate)。作 为低温容器,LNG 储罐必须满足国家及行业标准中的相关技术要求。储罐的真空 封结度反映储罐的真空性,但真空度随时间推移而降低;储罐的漏率影响储罐真

空寿命,即储罐真空度的变化速度;静态蒸发率则能够较为直观的反映储罐在使 用时的保冷性能。以一台 50m3 储罐为例说明: -9 3 1)漏率 1x10 Pa.m /s。 3 2)静态蒸发率 0.3%/d。一台 50m 的 LNG 储罐装满 LNG 时,在不使用的情况 下,完全蒸发需要近一年的时间。 静态蒸发率可以通过实验的方法测得, 也可以通过实际运行中数据的分析计 算得到。通达公司在已投产的城市中,通过测试及计算的方法,进一步确认了 3 3 50m 及 100m 储罐的保冷性能,其性能指标都达到或高于国家及行业标准,保证 了今后的安全稳定运行。 2)LNG 的气化 LNG 气化为吸热过程,根据热媒的不同,有海水、空温、水浴等气化方式。 目前国内 LNG 气化站都采用空温式和水浴式结合的二级气化方式。 空温式换热器 直接利用自然空气进行换热,不需要附加能源,其气化能力主要决定于换热面, 因此,通常采用翅片的形式。水浴式换热器是空温式换热器的补充,只是在冬季 外界温度较低,利用自然气化无法保证天然气温度的情况下才使用,在南方(如 龙川)冬季气温较高,基本不需要使用。 换热器的规格主要决定于高峰小时燃气流量,单台气化能力最高可达 3000 立方米/小时,通常要考虑备用,可以切换使用。气化站中的储罐增压器、BOG 加热器、EAG 加热器等设备也采用空温式换热器。 3)LNG 的预冷与进液 LNG 气化站设备、管道施工完成后,由于超低温及 LNG 特殊要求,在正式投 产之前,必须采用中间介质进行低温预冷,经过预冷检验调试合格后方可接收 LNG,其过程也是对设备及工程的检验。通常采用液氮作为预冷介质。气化站内 的主要设备有 LNG 储罐、BOG(蒸发气)罐、气化器、增压器、BOG 加热器、EAG (放散排空气体)加热器及相关工艺管道及管件,LNG 储罐的预冷是气化站预冷 中的主要内容。 在预冷及进液过程中,对温度、压力、进液速度、置换时间及操作步骤应科 学安排和严格控制。防止出现局部急冷、超压、封闭管段内液体激烈气化膨胀、 进液不均匀致 LNG 分层翻滚等现象而导致设备及管道的损坏。实际操作过程中, 可通过上下进气、升压降压、快慢流速等措施加快换热,缩短预冷时间;根据自 增压、减压放散、控制进气速度及进气方式等措施达到对压力的控制。 所需预冷介质的量根据储罐的容积及数量通过冷量计算而定。通常一个 50 3 立方米低温储罐预冷约需要消耗 5~10m 的液氮。对于一个气化站来说,液氮冷 能的充分利用可以减少站内预冷所需的液氮量。通达公司在实际操作中,利用一 次换热后 LNG 罐中的氮气对其余设备进行二次换热预冷,甚至进行三次换热,节 约了液氮耗量及预冷时间,达到了很好的效果。因此,液氮的耗量及预冷时间与 气化站的规模并不成正比,其关键是液氮冷能的多次利用。 预冷的几个技术参数: 进液温度:低于-80℃ 储罐压力:0.3~0.55MPa 进液速度:3 分钟/m3 预冷时间:约 4~5 小时/罐(50m3 罐) 液氮耗量:约 10m3(50m3×2 储罐) 3 3 约 13m (50m ×3 储罐)

四、LNG 的优势 在建设和投产中,LNG 逐渐体现出其对投资建设方乃至用户带来的种种好 处。通达公司将继续致力于 LNG 技术的应用和推广,使之为更多数城市和人民造 福。 1、气源价格 LNG 的价格主要包括出厂价(气态天然气及其液化费用)、运输费用、气化 费用以及管输费用等。 3 3 例如,中原油田的 LNG 以 1.55 元/Nm 计,考虑运输费用(0.45 元/Nm .千 km)及气化管输成本,可以得到不同城市的天然气用户售价,见表 4,5。其余 3 城市的天然气售价也都在 2.3~3.0 元/Nm 。 表 4:部分城市 LNG 用户售价 3 城市 售价(元/Nm ) 售价(元/1000kcal) 售价(元/MJ) 广东龙川 3.00 0.333 0.079 江苏姜堰 2.40 0.267 0.063 浙江余姚 2.65 0.294 0.070 江西九江 2.45 0.272 0.065 江苏沭阳 2.15 0.239 0.057 表 5:燃气价格比较表 名称 热值 用户价 单位热值价格(元/MJ) LNG 瓶装液化石油气 管道液化石油气 37.8MJ/ Nm3 42MJ/kg 100.8MJ/ Nm3 2.75 元/ Nm3 0.073 50 元/瓶 0.085 8 元/ Nm3 0.079 注:瓶装液化石油气每瓶装 14kg 随着新疆广汇 LNG 工厂的建成、深圳码头进口 LNG 项目的投产以及福建、浙 江、山东进口 LNG 项目的实施, LNG 气源的选择余地增加,运输距离也将缩短, 运输方式更为灵活,以 LNG 作为城市燃气的价格优势将更为明显。 2、建设投资 气化站的投资建设相对长输管线而言,受外界因素(地形、地貌等)影响要 小得多。而且,站内储罐的大小、多少可根据建站地区的具体用气量决定,更为 机动灵活。 LNG 气化站的主要设备包括真空粉末低温储罐、空温式气化器、水浴式气化 器、排气筒、加臭机等。对于一座 10000Nm3/d 规模的气化站来说,占地约 10 亩, 半年内可建成投产,其估算见表 6。 表 6:LNG 气化站投资估算 项目 LNG 气化站 土建 120 热工、给排水、消防 电气、自控仪表 70 120

设备 管道与阀门 安装 总计

250 80 160 800

随着工艺设计的不断优化、设备制造成本的下降,气化站的投资也将逐步下 降。 3、安全环保性能 气态天然气密度比空气轻,泄漏后容易扩散,而液化石油气反之;天然气的 爆炸极限为 5~15%,其下限较液化石油气的 1%要高,也就是说,引起爆炸的气体 泄漏量要大,危险性要小一些;另外,LNG 在低温下储存,更安全。至今全世界 未见有因 LNG 燃烧爆炸事故的报道。 气化站内,LNG 储罐采用自力降压、压力报警手动放空、安全阀起跳三层保 护措施, 同时, 储罐液相进出口及出站总管设有紧急切断装置, 保证了站内安全。 天然气在液化过程中脱除了 H2O、重烃类、H2S 等杂质,比一般天然气更加纯 净,燃烧更完全,是最清洁的能源之一。 4、LNG 的冷能利用 LNG 的低温性能使其具有很大的低温能量。利用这些冷量可以进行橡胶的低 温研磨、建设冷库、建设滑雪场或溜冰场,还可以用来作为夏季的空调等。根据 计算,若将每气化 1m3 气态天然气时释放的冷量的 30%应用于低温研磨,产生的 效益为 0.6 元。 LNG 的冷量还可以分级使用, 深冷用于低温研磨, 中冷用于制冰、 建滑雪场、溜冰场,浅冷用于冷库的建设,冷能的梯级利用使得能量得到了最大 的利用。 因我国目前 LNG 使用规模较小,LNG 冷能的利用还没得以重视和推广,随 着 LNG 使用规模的不断扩大,LNG 的冷能的利用市场前景巨大。 5、管理方式 以 LNG 作为城市燃气气源,运用城市燃气管网统一输送,统一管理,避免了 瓶装气灌装、搬运、维修带来的诸多不便。 五、结论 由于 LNG 很好的解决了管道天然气无法到达城市使用天然气的困难,虽然 它在我国还属于比较新的技术,但其优势明显,发展迅速,前景广大。 LNG 属于低温可燃物质,而且又经过了液化、运输、气化等环节,因此,其 工艺相对较为复杂。 近几年,国内的许多燃气投资商、燃气设备商都开始涉足 LNG 领域。通达公 司自 2001 年采用 LNG 作为城市气源以来,在实际的工程建设、生产运行以及技 术研究中, 不断发现和解决了 LNG 的生产、 运输、 气化各环节中出现的各种问题, 积累了一定的经验,并同交通大学、同济大学、青岛化工设计院一道致力于 LNG 在汽车加气、制冷、空调、低温研磨等领域的应用与研究,在国内 LNG 行业中逐 步跨入领先行列。


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