趙小紅，穆云飛，劉云輝

（銀川天佳儀器儀表有限公司，寧夏銀川 750200）

在液化天然氣（LNG）生產(chǎn)中，一般對產(chǎn)品進行過冷處理并降低產(chǎn)品壓力，以減少運輸、充裝過程中的產(chǎn)品損失，并提高運輸過程安全性。在使用時一般將LNG氣化后使用。在有的項目中，LNG 氣化放出的冷量被重新利用，如為中央空調(diào)、超市提供冷量[1]，但有時卻無法得到利用，如LNG 汽車在燃燒LNG 過程中，冷量無法被充分利用。另外，即使有諸如冷庫等消耗冷量的設(shè)備，LNG 溫度一般在-140 ℃以下，如此高品質(zhì)的低溫冷量很難得到有效利用，而要得到該等級的低溫冷量則需要較大能耗。所以應(yīng)綜合考慮，在滿足運輸和使用要求前提下盡量提高LNG 產(chǎn)品溫度，降低生產(chǎn)能耗。

1 LNG 生產(chǎn)、運輸、使用過程分析

LNG 的生產(chǎn)一般源于氣田、煤層氣和化工尾氣[2]，通過不同的制冷工藝[3]將原料氣冷卻到一定溫度來生產(chǎn)LNG。所得到的LNG 產(chǎn)品參數(shù)和具體的工藝有關(guān)，一般溫度在-140 ℃以下，壓力在常壓-0.5 MPa。國家對LNG 產(chǎn)品的參數(shù)沒有詳細規(guī)定，所以一般生產(chǎn)者傾向于生產(chǎn)溫度壓力較高的LNG，這樣能降低生產(chǎn)能耗，但這將使運輸時貯罐內(nèi)壓力較高，在裝車卸車時易損失較多的LNG。用戶則希望廠家提供溫度壓力較低的產(chǎn)品，但這將增加生產(chǎn)成本。所以應(yīng)確定一個較好的LNG 產(chǎn)品參數(shù)，既能滿足用戶和運輸需要，同時盡量降低生產(chǎn)能耗，這需要綜合考慮LNG 的生產(chǎn)、運輸和使用過程。

圖1 單膨脹機膨脹制冷LNG 生產(chǎn)工藝流程圖

LNG 生產(chǎn)后首先存放在液化廠貯罐內(nèi)，然后進行裝車操作將LNG 送入運輸槽車，LNG 運到目的地后進行卸車操作將LNG 送入用戶的貯罐內(nèi)。將本文結(jié)合生產(chǎn)、運輸和使用三個環(huán)節(jié)中LNG 狀態(tài)的變化，對LNG的產(chǎn)品參數(shù)進行討論。

2 LNG 的生產(chǎn)模擬計算

根據(jù)原料氣參數(shù)的不同，LNG 生產(chǎn)工藝存在較大差異。本文假設(shè)原料氣為100 %甲烷，制冷循環(huán)采用單級膨脹機膨脹制冷工藝進行計算。工藝流程（見圖1）。在該工藝中，制冷介質(zhì)選用氮氣，氮氣增壓后膨脹獲得冷量來冷卻原料氣生產(chǎn)LNG。

在模擬計算中，分別計算了原料氣壓力為200 kPa和300 kPa 時，將每千克原料氣冷卻到不同溫度所需要的功率，具體數(shù)據(jù)（見圖2）。隨著冷卻溫度的降低，得到單位LNG 所消耗的功率越高。其中當(dāng)原料氣壓力200 kPa 時，-146.6 ℃為其飽和溫度；原料氣壓力300 kPa 時，-142 ℃為其飽和溫度。溫度更低使LNG處于過冷狀態(tài)。

圖2 不同原料氣壓力等級單位LNG 生產(chǎn)能耗變化圖

從圖2 中看出，原料氣壓力較高則其飽和溫度較高，更容易被液化。圖2 中兩條曲線幾乎平行，對不同壓力的原料氣，使LNG 產(chǎn)品降低1 ℃所需要的能耗幾乎相同。在生產(chǎn)中，追求更低的產(chǎn)品壓力和溫度將使生產(chǎn)能耗增加，而較高的產(chǎn)品壓力也能獲得過冷度較高的產(chǎn)品，同時能耗也較低。所以在實際生產(chǎn)中，應(yīng)盡量在壓力較高的條件下生產(chǎn)LNG 以降低能耗。但產(chǎn)品的壓力和溫度與運輸和使用過程相關(guān)，所以還應(yīng)結(jié)合運輸和使用環(huán)節(jié)來確定產(chǎn)品參數(shù)。

3 LNG 運輸過程分析

LNG 運輸過程包括裝車、運輸和卸車三個部分。其中裝車和卸車可以使用低溫泵或自增壓兩種方式。若采用低溫泵裝車、卸車，則消耗了電能完成產(chǎn)品裝卸，對產(chǎn)品狀態(tài)影響不大。這里主要討論采用自增壓方式進行LNG 裝卸的情況。

采用自增壓方式需要通過氣化器將部分LNG 加熱氣化返回到貯罐以提高貯罐壓力。若LNG 處于過冷狀態(tài)，則通過氣化器對LNG 加熱時剛開始壓力不會變化，當(dāng)LNG 達到飽和狀態(tài)后，其溫度和壓力才會上升。所以被氣化的LNG 實際上不需要被過冷。過冷度太高反而浪費了生產(chǎn)LNG 時所消耗的能源。

在LNG 氣化自增壓時，僅有部分LNG 被加熱氣化，更多的LNG 將被送入低壓容器中，所以大部分LNG 特別是貯罐底部的LNG 狀態(tài)不會有太大變化，但貯罐頂部的LNG 還是會吸收部分熱量，溫度壓力有所升高。總體來說，裝車、卸車時間越短，貯罐內(nèi)整體LNG吸熱量越小，狀態(tài)改變越小。

在LNG 向低壓容器輸送的過程中，由于存在壓力差，LNG 進入低壓容器會發(fā)生閃蒸。即壓力突然降低部分LNG 將氣化吸熱，使液態(tài)LNG 溫度降低與壓力相適應(yīng)。若LNG 處于過冷狀態(tài)，則氣化的LNG 相對較少或不用氣化。

不同溫度下，LNG 從300 kPa 變?yōu)?00 kPa 時的氣化量（見圖3）。LNG 處于300 kPa 的飽和狀態(tài)時，壓力突然變?yōu)?00 kPa 將有3.56 %的LNG 氣化。300 kPa時LNG 的溫度越低，閃蒸時氣化的LNG 越少，若溫度為200 kPa 的飽和溫度，則沒有LNG 氣化。所以LNG產(chǎn)品溫度應(yīng)根據(jù)運輸時槽車的運輸壓力或用戶要求的壓力確定，盡量使LNG 在發(fā)生壓力變化時沒有氣化現(xiàn)象，減少損失。

圖3 不同溫度下LNG 閃蒸氣化量變化圖

在運輸過程中，LNG 幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，理論上說參數(shù)不會發(fā)生變化。但實際上貯罐都會漏熱，所以對長時間運輸，LNG 的溫度壓力還是會有所增加。目前的LNG 槽車蒸發(fā)率較低，運輸過程中若正常運行，LNG吸附少許熱量壓力不會超過安全范圍。所以運輸時只要壓力合適，LNG 稍微過冷即可。

從運輸環(huán)節(jié)來看，若采用低溫泵進行裝車、卸車操作，整個過程中LNG 產(chǎn)品吸入少量熱量，并且對壓力沒有要求，產(chǎn)品不用有較低的過冷度。若采用自增壓方式，由于產(chǎn)品裝卸需要較高的壓力才能完成，所以LNG產(chǎn)品壓力不宜過低，可采用較高的壓力。在壓力較高的條件下，需要具有一定的過冷度防止LNG 氣化損失，并保證運輸時其壓力不因吸熱大幅提高。

4 LNG 使用過程分析

LNG 的使用過程一般是將其氣化后燃燒，所以完全是加熱LNG 的過程，此時LNG 仍處于深度過冷態(tài)將沒有意義。此時的理想狀態(tài)為處于壓力溫度較高的飽和狀態(tài)。所以對使用者而言，產(chǎn)品并不是溫度壓力越低越好。產(chǎn)品溫度低更多是有利于保存或充裝，產(chǎn)品壓力低更多是有利于操作和使用的安全。

5 LNG 產(chǎn)品狀態(tài)討論

根據(jù)上述討論，LNG 的產(chǎn)品參數(shù)應(yīng)該從使用環(huán)節(jié)倒推獲得。在LNG 的使用環(huán)節(jié)中，主要是對LNG 進行加熱的過程，所以不需要LNG 溫度太低，此時LNG 產(chǎn)品不需要過冷。

在LNG 從槽車向用戶卸車時，若使用低溫泵則LNG 狀態(tài)無太大變化；若采用自增壓方式，則槽車內(nèi)需要有一定壓力才能順利卸車，所以槽車中的LNG 處于低壓狀態(tài)并不符合卸車要求，此時槽車中的LNG 應(yīng)處于壓力稍高的狀態(tài)，這樣可以減少用于加熱氣化以提高產(chǎn)品壓力的LNG 量。LNG 具有一定過冷度。

在LNG 運輸過程中，槽車內(nèi)的LNG 一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，貯罐有少量漏熱將使LNG 狀態(tài)發(fā)生變化，所以LNG 可以有適當(dāng)?shù)倪^冷度。

在LNG 向槽車內(nèi)充裝的過程中，一般是從LNG生產(chǎn)廠家的貯罐向槽車充裝LNG，若使用低溫泵則LNG 狀態(tài)無太大變化；若采用自增壓方式，則貯罐內(nèi)需要有一定壓力才能順利裝車，所以貯罐內(nèi)的LNG 處于低壓狀態(tài)不符合裝車要求，此時貯罐內(nèi)應(yīng)處于壓力較高的狀態(tài)。但考慮到以后還有運輸及槽車卸車的過程，所以此時的LNG 應(yīng)有較深的過冷度。

綜合來看，LNG 從生產(chǎn)到使用過程中，若采用自增壓方式則需要有一定的壓力才能完成裝車、卸車，在運輸時LNG 壓力在槽車安全壓力范圍內(nèi)即可，在使用時不需要過低的LNG 溫度，整個過程中對LNG 壓力溫度的要求（見圖4）。其中P1＞P2＞P3，T1＜T2＜T3，T3小于或等于P3對應(yīng)的飽和溫度。例如假定用戶要求的貯存壓力為300 kPa，該壓力對應(yīng)的飽和溫度為-142 ℃，則運輸壓力可定為0.45 MPa，產(chǎn)品壓力定為0.6 MPa，T1低于-142 ℃，可取-145～-150 ℃。則生產(chǎn)出的LNG 具有較深的過冷度，裝車時LNG 壓力降為0.45 MPa 后過冷度降低，溫度有所升高變?yōu)門2但仍處于過冷狀態(tài)，運輸過程中吸入少量熱量過冷度進一步降低。運輸后進行卸車操作，LNG 壓力變?yōu)?.3 MPa，溫度接近飽和值，LNG 接近飽和狀態(tài)。在裝車和卸車過程中，由于已經(jīng)存在壓力差，可以減小用于加熱的LNG 量。

圖4 生產(chǎn)、運輸、使用中LNG 產(chǎn)品壓力溫度變化示意圖

6 其他問題

上述討論為理論上的情況，還應(yīng)考慮其他實際問題。

（1）設(shè)備壓力等級要求和運輸安全性：雖然LNG產(chǎn)品壓力較高能降低生產(chǎn)能耗，但LNG 作為危險化學(xué)品，在運輸時應(yīng)充分考慮其安全性，采用較低的運輸壓力能確保其安全。但在設(shè)備制造水平和安全性越來越高的條件下，可以考慮提高其運輸壓力，降低生產(chǎn)能耗。

（2）用戶要求：有的用戶接受LNG 后還需要貯存一段時間，這種情況下LNG 還應(yīng)有一定的過冷度以便于用戶貯存。所以在生產(chǎn)時，LNG 產(chǎn)品溫度應(yīng)具有更大的過冷度，這樣在用戶貯存時LNG 也能具有一定的過冷度。

7 總結(jié)

LNG 作為清潔能源有著廣泛的市場和使用前景，但生產(chǎn)LNG 本身僅是消耗能源改變天然氣的物質(zhì)狀態(tài)，使之便于運輸，而不會產(chǎn)生新的熱值或能量，同時LNG 氣化時的冷量較難得到高效利用。所以在滿足使用要求，以及保證安全性的前提下，應(yīng)盡量生產(chǎn)較高壓力的LNG 產(chǎn)品以降低生產(chǎn)能耗，在較高壓力條件下使LNG 產(chǎn)品具有一定的過冷度，使之在裝車、卸車和運輸過程中不會發(fā)生氣化即可。

［1］ 焦琳，段常貴，聶廷哲.LNG 氣化站冷能利用方式的探討［J］.煤氣與熱力，2007，27（1）：21-23.

［2］ 曹文勝，魯雪生，顧安忠，等.我國LNG 工廠的生產(chǎn)流程介紹［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（5）：100-103.

［3］ 羅媛媛，袁宗明，謝英，等.LNG 液化工藝［J］.石油化工應(yīng)用，2007，26（1）：12-15.