调峰型城市液化天然气储配站技术与应用.pdf

第 4 3卷第 4 期 2 O 1 4年 7月 石油化工设备 P ETRO CHEMI CAI EQUI P MENT Vo1 ．4 3 NO． 4 J u l y 2 0 1 4 文章编 号1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 4 0 4 0 0 7 2 0 4 调峰型城市液化天然气储配站技术与应用 任金 平 ，刘福录。 ，任 永平 。 ，潘瑞霞 ，高光甫。 1 ． 兰州理工大学 石油化工学院 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 2 ． 甘肃蓝科石化高新装备股份有 限公 司，甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 摘要 城市天然气使用量随季节变化的波动给城市天然气的持续、 稳定供应造成很大的影响， 这种 影 响在 气源相 对 匮乏 的城 市和 地 区更加 突 出。在城 市地 区建造调峰 型 液化 天然 气储 配站 进行 液化 天然 气储 存 、 气化调 峰及 对外 输送是 十分 必要 的 。结合 工程 实际情 况 ， 对调峰 型 液化 天然 气储 配站 的基本 结构 、 功能 、 工 艺流程 、 储 罐 内蒸发 气产 生的原 因及 处理 方法进行 了详 细 的介绍 。 关 键词 液化天然气；储配站；液化工艺；蒸发气；应用 中图分 类号 T Qo S O ． 7 ；T E 9 6 9 文献标 志码 B d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 1 7 Te c h n o l o g y a n d Ap p l i c a t i o n o f Ci t y Li q u e f i e d Na t u r a l Ga s Pe a k 。 s ha v i n g S t o r e d a n d Di s t r i b u t e d S t a t i o n REN J i n pi n g ，LI U Fu l u ，REN Yo n g - p i ng ，PAN Ru i x i a ，GAO Gu a ng - f u 1 ．Sc h o ol o f Pe t r oc he mi c a l En gi ne e r i ng。La n z ho u U n i v e r s i t y o f Te c h no l o gy． La nz h ou 7 3 0 05 0，Ch i na；2 ．La n pe c Te c hn ol o g i e s Li mi t e d，La nz ho u 7 3 0 07 0，Ch i na Ab s t r a c t F o r t h e c i t y ，t h e g r e a t d i f f i c u l t i e s o f t h e s u s t a i n e d a n d s t a b l e s u p p l y o f n a t u r a l g a s we r e c a us e d b y wi de f l uc t u a t i o n of c i t y n a t ur a l ga s us a g e a mo unt a l o ng wi t h t he s e a s o na l c ha n ge ， e s p e c i a l l y i n t he c i t y t h a t i s r e l a t i ve l y l a c k o f l o c a l g a s s ou r c e t hi s p r ob l e m wa s m o r e pr o m i n e n t ． The r e f o r e，i n t h e c i t y a r e a bu i l d i ng t he l o a d t y pe l i qu e f i e d n a t u r a l ga s LNGs t o r e d a nd d i s t r i bu t e d s t a t i on t o s t o r e，g a s i f i c a t i on pe a k s ha v i ng a nd t r a ns p o r t LNG i s ve r y e s s e nt i a 1 ．Co m b i ne d t h e e ng i ne e r i ng a c t ua l s i t u a t i on，t h e b as i c s t r u c t u r e，f u nc t i o n a n d t e c h no l og i c a l pr o c e s s o f t he l o a d t yp e LNG s t or e d a n d di s t r i bu t e d s t a t i o n a r e i nt r o d uc e d，a nd t he r e a s on o f t he s t o r a ge t a n k pr o d u c i n g b o i l o f f g a s BOGi s a n a l y z e d ，a t t h e s a me t i me t h e p r o c e s s i n g me t h o d o f B OG i s i n t r o d uc e d ． Ke y wo r d s l i q u e f i e d n a t u r a l g a s ；s t o r e d a n d d i s t r i b u t e d s t a t i o n；l i q u e f a c t i o n p r o c e s s ；b o i l o f f g a s；a p pl i c a t i on 随着国内经济快速发展 、 国家能源战略逐步深 化、 天然气利用广度拓展以及燃气用户数量和单个 用户用气量的不断提升， 调峰型液化天然气 L i q u e ～ 收稿 日期 基金项 目 作者简介 2O 14 一 O2 1 2 f l e d Na t u r a l Ga s ， L NG 储配 站凭 借 其 投 资小 、 建 站 周期 短 、 操 作简单 以及 能迅 速 满 足 城 市用 气 市 场 需 求的优势 ， 作为城镇 的备用 、 调峰气源 或者过渡气 甘肃 省科技重 大专项计划项 目 1 2 0 3 GK D A0 0 1 任金平 1 9 8 7 一 ， 男 ， 甘肃正宁人 ， 在读硕士研究生 ， 主要从事化工设备及低温储运技术研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 任金平 ， 等 调峰型城市液化 天然气储配站技术与应用 源 ， 目前 已得到广泛的建设和推广应用 f 。 国内城 市 L NG 站建设 始 于 2 0世 纪 9 O年代 ， 起 步较晚 ， 但发展迅速 。起初所建城 市 I NG站主要 集 中在 东部沿 海 地 区 ， 随 着西 部 大 开发 战略 的实 施 和西部地 区经济的快速发展 ， 西气东输管道 的贯通 使得 城市 L NG 站得 到 了快速 发展 。 目前 ， 我国已建成 了以西 气东输线 、 陕京线、 忠 武线 、 涩宁兰等主干管道以及冀宁线 、 淮武线、 兰银 线 、 长宁 线等 4条 联 络 管道 为 主框 架 的全 国性 天 然 气管网， 并建成 了西南地 区和环渤海地区区域性管 网E e , 3 ] 。 已建 成 投 产 的调 峰 型 城 市 L NG 储 配 站 约 4 O座， 另有多个 L NG项 目正在建设或筹备规划 中。 实施十二五规划期 间， 国内各大城市仍将 发展城市 I NG站作为城市燃气发展的重点基础工程 ， 大力发 展 城市 L NG 燃气 产业 。 l 调 峰型城市 L NG储 配站基本 结构及功 能 调峰型城市 L NG储配站是 以调节供气负荷为 主要 目的的天然气液化及储 存装 置， 通常是将城市 用气低峰负荷时管网的过剩 天然气液化储存 ， 也可 将 L NG 船 或 L NG 槽 车 运 输 来 的 L N G 储 存 在 I NG储 罐 内 。 在用气 高峰 负荷 时或 紧急 情 况下 ． 将 储存 的 L NG进行气化送至城市供气管 网， 实现高峰负荷期 调 峰 目的 ， 也 可将 储 存 在 罐 内 的 L NG装 车 或 装 船 ， 对外 供 应【 。 1 ． 1 基 本结 构 调 峰型城 市 L N G 储 配 站 主要 包 括 过 滤 增 压 、 脱酸、 脱水、 脱碳 、 液化、 储存、 气化 、 蒸发气 B o i l Of f G a s， 简称 B OG 处理、 加臭 计量及火 炬等设 备单 元 ， 另外 还 有 L NG 装 车 站 、 泡 沫 站 、 空 压 ／ 氮 气 站 、 消防系统、 供热系统和循环水系统等在 内的储运及 公用 工程 等 。 1 ． 2 功 能 1 将天然气高压管网输送 至城市 的天然气经 过滤 、 加压后进行脱酸、 脱水和脱碳 ， 再经过液化 ， 最 后将 液 化 的天然 气送 至 L NG储 罐 内储存 。 2 在 高峰 负 荷 时或 紧 急 情 况下 ， 储 罐 内 的 L NG 经低 温泵 送 至气 化器 内进行 气 化 ， 气 化后 的天 然气经过调压计量后送人下游次高压 、 中压管网， 实 现 对城 市各 类 天然 气用 户供 气 。 3 调峰型城 市 L NG储配站还 可以通过站 内 的 L NG装 车站 对 L NG槽 车 或 L NG船 加 装 L NG， 实现 对外 输送 。 2调峰型城 市 L N G储配站工艺流程 调峰型城市 I NG储配站流程主要包括气体预 处理 、 液 化 、 储 存 、 气 化 及 加 臭 计 量 、 B OG 处 理 及 L NG装 车 外 输 等 工 艺， 基 本 工 艺 流 程 示 意 图 见 图 1 。 图 1 调 峰 型城 市 LNG 储 配 站 基 本 工 艺 流 程 2 ． 1 气体预处理工艺 天 然 气 在液 化 前 必 须先 进 行 预处 理 ， 其 目的 是 对 管 网输送 的原 料天 然气 中 C 。 、 H S及 H。 进行 脱除， 避免在液化过程 中产生水合物 、 冰和固态二氧 化碳致使管道发生堵塞 。液化前天然气预处理的要 求 c O 。体 积 比不 大于 5 0 ． 0 mL ／ m。 、 H S不大 于 4 ． 0 mL ／ m。 、 H2 O体 积 比不大 于 1 ． 0 mL ／ m 。 气体预处理工艺主要包括过滤计量和压缩 、 脱 酸性气体、 脱水及脱碳 4 个工段 。 2 ． 2 液 化工 艺 天然气液化技 术始于 2 0世纪 4 0年代 ， 当时是 通过制冷装置将天然气液化后提取氦气 。此后几十 年至现在 ， 国外一直致力于天然气液化技术的研究 和试 验 。 目前 ， 调 峰 型 城 市 L NG 储 配 站 常 采 用 的 天然气液化工艺有 3种 混合制冷剂制冷液化工艺 、 多种 制 冷剂 级联 式制 冷液 化工艺 和 单一流 体膨 胀制 冷液 化 工艺 。 2 ． 2 ． 1 混合 制冷剂 MC R 制冷液化 工艺 此工艺是利用多 种成分 氮气 、 甲烷 、 乙烷、 丙 烷、 异丁烷、 正丁烷、 异戊烷等 的混合制冷剂形成的 制冷循环闭路 ， 通过单级或多级压缩膨胀实现低温 液化天然气的目的。 此工艺具有流程简单 、 设备少 、 造价低 、 系统 简 单 、 管理方便 、 制冷剂组分可 以部分或全部从原料气 本身提取与补充等优点。不足之处 ①能耗 比较高、 混合制冷剂的合理配比较困难。②流程计算须提供 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 4年第 4 3卷 各制冷剂及天然气原料气各组分可靠 的平衡数据与 物性参数， 计算困难 。③制冷剂压缩机维护技术要 求高。④部分制冷剂技术要求高且较昂贵。 } 昆合制冷剂制冷液化工艺可分为单级混合制冷 工艺 S MR 、 丙烷 预冷混合制 冷工艺 C 3 ／ MR C 、 双级混合制冷工艺 D MR 3 种 。 2 ． 2 ． 2 多种制冷剂级联 式制 冷液化 工艺 此工艺 以多 种 通 常为 3种 制 冷剂 各为独 立制 冷 循 环闭路 ， 对原 料 天 然气 依 次 进 行不 同程 度 的递 次制 冷而达 到全 部 液 化 的 目的。此 工 艺 的优 点 ① 能 耗 低 ， 原 料 气 液 化 的 单 位 能 耗 为 0 ．3 0～ 0 ． 3 4 k W h ／ m 3 f 引。② 制 冷剂 为 纯 物 质 ， 没 有 配 比 问题 ， 操作简单 。③技术成熟 ， 系统启动快 ， 制冷剂 为单一组分 ， 各系统相互影 响少 ， 操作稳定， 对原料 气组成变化适应性 比较强。④将冷负荷分配到 3个 循环和 3台压缩机上， 生产效率高。⑤制冷剂 甲烷 供应方便， 可 以从产 品中的 B O G 气体获得。缺点 是机械设备多、 流程和控 制系统复杂以及对制冷剂 纯 度要 求严 格 。 2 ． 2 ． 3单一流体膨胀制冷液化 工艺 此工艺可分为利用原料气较高压力的膨胀工艺 以及用氮气高压膨胀制冷循环工艺 2种 。 与 以上 两种液 化工 艺相 比 ， 此工 艺 流程 的优 点 ①工艺流程非常简单、 紧凑 ， 造价略低。②启动快 ， 运行灵活， 适应性强， 生产负荷调节范围大 ， 对原料 气组成变化有较大的适应性 ， 易于操作和控制。③ 采用气体状态的天然气或氮气作为循环制冷剂 ， 避 免了制冷循环工艺中分离和储存制冷剂的麻烦。④ 采用单相气态制冷剂 ， 使液化冷箱更简化和紧凑 。 此工艺缺点 ①能耗高， 液化单位原料气能耗为 0 ． 4 “ - - 0 ． 5 k W h ／ m。 。②氮气膨胀提供 的潜在冷 量较少 ， 主要 以显热 而非潜 热 的形式提供冷量 ， 使 L NG产能低。③天然气膨胀制冷工艺产 品液化率 较低 。 小型 L NG装置通常倾 向于选择单一流体膨胀 制冷液化工艺或单级混合制冷剂 MC R 制冷液化 工艺。对于 L NG产量更小的液化装置 ， 采用单一 流体膨胀制冷液化工艺更为经济 ， 其原 因是不仅流 程 的简便抵消了其能耗较高的劣势 ， 而且具有国产 技术 比较成熟 、 设备制造周期短 、 后期维护方便 、 制 冷剂较易获得的显著特点， 非常适用于调 峰型城市 L NG储配站 。 中型 L NG 装 置 通 常 采 用 一 些 经 过 改 进 的 MC R制冷液化工艺 。目前， 单一流体膨胀制冷液化 工艺和 MC R制冷液化工艺因其各 自的优异性在国 内 L NG装置市场中应用广泛 ， 可能会成为 L NG装 置液化工艺的主要方式 ， 而多种制冷剂级联式制冷 液化工艺主要用于中、 高生产量的 L NG生产线。 根据调峰型城市 L NG储配站各种工艺条件 ， 考 虑运行负荷特点， 进而 比较各方案的技术和投资情 况 ， 选 择一 种 经 济合 理 的天然 气 液化 工 艺对 节 约 能 源、 保护环境、 提高经济效益等方面都是极为重要的。 2 ． 3 储存工艺 L NG温度为一1 6 2。C， 储存所用储罐必须具有 可靠 的 耐 低 温 性 能 和 良好 的 绝 热 性 能 。常 见 的 L NG储罐有双金属地面储罐 、 预应力钢筋混凝土外 壳地面储罐及地下储罐 3种类型。 从安全 、 经济 、 先进和技术成熟程度等因素综合 考虑 ， 一般选用 碳钢外 壳， 9 镍钢 内胆 的单容式 L NG低温储罐 。预应力钢筋混凝土外 壳、 自承式 9 镍钢 内胆 的全容式 L NG低温储罐 常用 于沿海 接收站 。 2 ． 4 气化及加臭计量工艺 当城市天然气供应紧张或发生临时故障需要调 峰装置供气时， L NG由置于罐内的潜液泵或置于罐 外的外置泵输送至气化器 根据 L NG储 配站用 于 应急气源或调峰的功能、 特点和要求 ， 选用空温式或 水浴式气化器 。气化后的天然气经过加臭、 计量后 输送至天然气用户管网供城市用户使用。 2 ． 5 B O G处理工艺 B O G是指低温液体系统 中由于低温液体受热 而 自然蒸发的气体 ， 调峰型城市 L NG储配站 B OG 气体主要包括 ①L NG在储 罐内储存过程 中， 因冷 量损失产生的蒸发气体。②管道受热及 L NG储罐 内的 L NG潜液泵工作 时产生 的热量导致 的蒸发气 体 。③装车过程中， 槽车储罐内的残余气体和进入 槽车储罐内的 L NG与原槽车储罐内温度较高的低 温蒸发气接触产生的蒸发气体 。 目前 ， 调 峰型城 市 L NG 储 配 站选 用 的 B O G 处 理方法分为 B OG再液化 工艺及 B OG直 接压缩 2 种 工艺 引。 1 B O G 再液化 工艺 此工 艺 是指 将 B OG送 至 B OG压 缩 机 吸 入筒 ， 经 B OG 压 缩 机 增 压 后 ， 由 空气冷却 器冷 却或 与 L NG过 冷 液换 热 ， 冷 凝 成 L NG E 9 7 。该处 理工艺 适用 于 当 L NG储 罐 产 生大 量 B O G需要回收而 L NG外输量 又较少时的 B O G处 理， 目前 国内调峰型城市 L NG储配站普遍 采用此 方法来处理 B OG。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 任金平 ， 等 调 峰型城市液化天然气储 配站技术与应用 7 5 零蒸发损耗储存 Z e r o B o i l Of f ， 简称 Z B O 技 术是将 主动制冷技术 和被动绝热技术相结合 ， 用耦 合于低温制冷机的热交换器从低温储罐 内移出外部 漏入热量 ， 使 B O G气体再液化。该技术在 L NG蒸 发气的再液化 中应用 尚处于实验研究阶段， 但其特 点优异， 必将成为城市 L N G储配站未来 B O G再液 化处理的另一种优先选择工艺 。 2 B OG直接压缩工艺 此工艺是指将 B OG 经压缩机加压到外输管网所需压力 ， 经计量加臭 ， 以 高压天然气进入输气管 网供下游用户 使用l 1 。这 种处理工艺需消耗大量压缩 功， 所 以 B OG直接压 缩工艺适用于外输管 网压力较小 2 ． 0 ～3 ． 0 MP a 或 B OG量小及 L NG外输 量不稳定的储 配站 。当 B OG流量大于压缩机工作能力时 ， 多余气体需通过 集气 管 送 至火炬 燃烧 处理 。 2 ． 6 L NG装车外输工艺 L NG槽车运输方便 、 灵活、 快捷 、 适 应面广 ， 通 过储配站设置 的 L NG装车站对 L N G 槽车进行充 装 ， 可以将 L NG输送至下游用户， 特别是天然气管 网未铺设地区的用户 ， 满足不 同的客户需求 。例如 L NG加 气站 和 L NG 卫 星站 ， 天 然 气 的来 源 主要 依 靠 L NG槽 车 输送 。 3 结语 天然气作 为一种 优质 、 经济 、 清洁 的能源和化 工原料 ， 以其 高效 、 洁净、 方 便 等优势 在 整个 能源 结构 中逐 步进入 鼎盛 时期 。调 峰型 城市 L NO储 配站是天 然 气 在城 市 发展 和 使用 的必建 基 础 设 施 ， 其作为 城镇 的备用 、 调 峰气 源或者 过 渡气 源 ， 有利于 国家 对 我 国能 源分 布 不平 衡 的 调 整 和分 配 。凭借其 建站 周期短 、 储 气量 大 以及 能迅 速满 足城市用气市 场需求 等 自身 的优势 ， 必将 成 为未 来 L NG 站建 设 不 可 或 缺 的一 部 分 ， 其 结 构 和 工 艺 方面存 在 的巨大理论 研究 和市 场开发 潜力 ， 有 待 于进一步优化和提高 。 参考文献 E l ； 张明明 ， 陈进 ， 孙能． 浅谈 L N G储配站工程 实践及技术 改进[ j - 1 ． 城市燃气， 2 0 1 1 8 2 8 3 3 ． ZHANG Mi n g mi n g， CHE N J i n， S UN Ne n g ．I n t r o d u c t i o n t o En g i n e e r i n g Pr a c t i c e a n d Te c h n o l o g i c a l I m p r o v e me n t o f LNG S t o r a g e a n d Di s t r i b u t i o n S t a t i o n [ J ] ． Ur b a n Ga s ， 2 0 1 1 8 2 8 - 3 3 ． [ 2 ] 刘小丽． 中 国天然 气市场 发展 现状 与特点 [ J ] ． 天 然气 工 业 ， 2 0 1 0， 3 0 7 1 ． 6 ． LUI Xi a o l i ． Pr e s e n t Si t ua t i o n a n d Cha r a c t e r i s t i c s of t h e D e v e l o p me n t o f Na t u r a l G a s Ma r k e t i n C h i n a[ J ] ． Na t u r a l Ga s I n d u s t r y ， 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