液化天然氣裝備設(shè)計(jì)技術(shù)：液化換熱卷

發(fā)布時間：2023-06-13 12:01:14

隨著低溫制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫工藝及裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)日趨完善，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防及科研等領(lǐng)域內(nèi)的作用日益突顯，尤其在石油化工

隨著低溫制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫工藝及裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)日趨完善，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防及科研等領(lǐng)域內(nèi)的作用日益突顯，尤其在石油化工、煤化工、天然氣、空分等大型成套裝備技術(shù)領(lǐng)域具有重要地位，已廣泛應(yīng)用于大型液化天然氣（LNG）、百萬噸化肥、百萬噸甲醇、大型氣體液化分離等重大系統(tǒng)裝備技術(shù)工藝流程中。

在LNG工業(yè)領(lǐng)域，大力發(fā)展LNG產(chǎn)業(yè)，提高天然氣能源在消費(fèi)中的比例是調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)的重要途徑。LNG既是天然氣遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)奈ㄒ环椒?，又是天然氣調(diào)峰的重要手段。隨著國內(nèi)眾多LNG工廠的相繼投產(chǎn)及沿海LNG接收終端的建設(shè)，我國LNG工業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展時期，與之相關(guān)聯(lián)的LNG低溫制冷裝備技術(shù)也得到快速發(fā)展。LNG液化工藝主要包括天然氣預(yù)處理、液化、儲存、運(yùn)輸、接收、再氣化等工藝單元，其中，液化工藝為核心工藝流程，主要應(yīng)用低溫制冷工藝技術(shù)制取-162℃低溫環(huán)境并將天然氣液化。根據(jù)不同的LNG液化工藝，可設(shè)計(jì)并加工制造不同的制冷裝備，主要包括天然氣壓縮機(jī)、制冷劑壓縮機(jī)、天然氣冷箱、BOG壓縮機(jī)、氣液分離器、大型空冷器、LNG膨脹機(jī)、四級節(jié)流閥及各種過程控制裝備等。儲運(yùn)工藝技術(shù)中還包括大型LNG儲罐、LNG立式儲罐、LNG氣化器、LNG潛液泵等。近年來，30萬立方米以上LNG系統(tǒng)多采用混合制冷劑板翅式主換熱裝備及液化工藝技術(shù)，60萬立方米以上大型LNG系統(tǒng)多采用混合制冷劑纏繞管式主換熱裝備及液化工藝技術(shù)，這兩種混合制冷劑LNG液化工藝技術(shù)具有集約化程度高、制冷效率高、占地面積小及非常便于自動化管理等優(yōu)勢，已成為大型LNG液化工藝裝備領(lǐng)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)性主流選擇，在世界范圍內(nèi)已廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)的大型LNG裝備一般隨著成套工藝技術(shù)整體進(jìn)口，包括工藝技術(shù)包及主設(shè)備專利技術(shù)使用費(fèi)等，造價非常昂貴，后期維護(hù)及更換設(shè)備的費(fèi)用同樣巨大。由于大型LNG系統(tǒng)裝備及主設(shè)備大多仍未國產(chǎn)化，即還沒有成型的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此給LNG制冷裝備的設(shè)計(jì)計(jì)算帶來了難題。

《液化天然氣裝備設(shè)計(jì)技術(shù)：液化換熱卷》主要圍繞LNG混合制冷劑液化工藝及換熱工藝中所涉及的主要低溫裝備，研究開發(fā)LNG液化工藝流程中核心主液化裝備的設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)，主要包括LNG低溫液化混合制冷劑多股流纏繞管式主換熱裝備、LNG低溫液化混合制冷劑多股流板翅式主換熱裝備、天然氣進(jìn)氣壓縮機(jī)及混合制冷劑壓縮機(jī)用表面蒸發(fā)空冷器、LNG開架式氣化器等裝備的設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)，為LNG液化、LNG儲運(yùn)、LNG接收及LNG氣化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中所涉及主要設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算提供可參考樣例，并推進(jìn)LNG系列裝備及LNG系統(tǒng)工藝技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化及國產(chǎn)化研究開發(fā)進(jìn)程。此外，近年來由于低溫液氮洗、低溫甲醇洗等系統(tǒng)工藝技術(shù)在低溫氣體液化分離領(lǐng)域內(nèi)占比越來越大，應(yīng)用越來越廣泛，而這兩套工藝系統(tǒng)內(nèi)最具特色的裝備為大型多股流纏繞管式主換熱裝備，是目前世界上設(shè)計(jì)計(jì)算難度最大的系列主設(shè)備之一，尤其低溫液氮用多股流纏繞管式換熱器，內(nèi)含擴(kuò)散制冷工藝技術(shù)且有10股以上低溫流體同時進(jìn)行低溫多股流、多相流換熱過程，設(shè)計(jì)計(jì)算難度極大，在換熱領(lǐng)域內(nèi)，同LNG低溫液化混合制冷劑多股流纏繞管式主換熱裝備并列為設(shè)計(jì)計(jì)算難度最大的換熱裝備，本書作者通過多年研究開發(fā)，已系統(tǒng)掌握這兩種主換熱裝備的設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)，并通過本書一并呈送相關(guān)領(lǐng)域同行借鑒參考。

（1）LNG纏繞管式主換熱裝備

以目前最流行的MCHE型混合制冷劑LNG液化工藝為例，MCHE主換熱器為多股流纏繞管式換熱器，主要用于100×104m3/d以上大型LNG液化系統(tǒng)，是整個LNG液化工藝流程中的核心設(shè)備，可一次性將36℃天然氣冷卻至-162℃，并液化。由于MCHE主換熱器為工藝型換熱器，內(nèi)含液化工藝，有5種以上混合制冷劑分凝預(yù)冷并同時制冷，是一種多股流回?zé)嵝蛽Q熱器，也是目前換熱器中體積最大、纏繞過程最復(fù)雜、設(shè)計(jì)計(jì)算難度最大的換熱器。MCHE型纏繞管式換熱器管內(nèi)介質(zhì)以螺旋方式流動，殼程介質(zhì)逆流橫向交叉通過繞管，換熱器層與層之間換熱管反向纏繞，管、殼程介質(zhì)以純逆流方式進(jìn)行傳熱，即使在較低的雷諾數(shù)下其流動形態(tài)也為湍流，換熱系數(shù)較高，其結(jié)構(gòu)相對緊湊、耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補(bǔ)償，易實(shí)現(xiàn)大型LNG液化作業(yè)。美國APCI是LNG領(lǐng)域MCHE最大的供貨商，在1977～2013年間，生產(chǎn)了120套LNG裝置，其液化能力累計(jì)達(dá)到4.3×108t/a。此外，德國Linde公司在近5年內(nèi)一共生產(chǎn)了累計(jì)金屬重量達(dá)到3120t的多股流纏繞管式換熱器應(yīng)用于LNG工廠。自2010年以來，由蘭州交通大學(xué)張周衛(wèi)等主持研究開發(fā)LNG纏繞管式換熱器等項(xiàng)目，目前，已出版《纏繞管式換熱器》專著一部，開發(fā)MCHE專用軟件一套，申報發(fā)明專利12項(xiàng)，發(fā)表論文14篇，涉及12類不同溫區(qū)的纏繞管式換熱器，并系統(tǒng)開發(fā)了纏繞管式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算方法，可用于設(shè)計(jì)計(jì)算LNG專用系統(tǒng)纏繞管式換熱器、低溫甲醇洗系列纏繞管式換熱器、低溫液氮洗系列纏繞管式換熱器等各種類型纏繞管式換熱器。本書給出了專用于計(jì)算MCHE型LNG混合制冷劑用纏繞管式換熱器的一個計(jì)算事例，供相關(guān)行業(yè)的同行參考。

（2）LNG板翅式換熱器

LNG板翅式換熱器主要用于30×104m3/d以上大型LNG液化系統(tǒng)，是該系統(tǒng)中的核心設(shè)備，一般達(dá)到60×104m3/d以上時，采用并聯(lián)兩套的模塊化辦法，實(shí)現(xiàn)LNG系統(tǒng)的大型化?；诎宄崾綋Q熱器的LNG液化工藝也是目前非常流行的中小型LNG液化系統(tǒng)的主液化工藝。從2013年開始，由蘭州交通大學(xué)張周衛(wèi)等開始研究開發(fā)大型LNG混合制冷劑用多股流板翅式換熱器，并前后開發(fā)了LNG混合制冷劑板翅式換熱器、LNG一級三股流板翅式換熱器、LNG二級四股流板翅式換熱器、LNG三級五股流板翅式換熱器等系列LNG板翅式換熱器，申報發(fā)明專利4項(xiàng)。本文根據(jù)項(xiàng)目開發(fā)情況，給出了LNG混合制冷劑多股流板翅式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算模型，供相關(guān)行業(yè)的同行參考。

（3）表面蒸發(fā)空冷器

表面蒸發(fā)空冷器常用于天然氣壓縮機(jī)、混合制冷劑壓縮機(jī)等出口高溫氣體的冷卻過程，其利用管外水膜的蒸發(fā)過程進(jìn)一步強(qiáng)化管外傳熱過程，從而達(dá)到空冷的效果?；竟ぷ髟硎怯帽脤⒃O(shè)備下部水池中的循環(huán)冷卻水輸送到位于水平放置的光管管束上方的噴淋水分配器，由分配器將冷卻水向下噴淋到傳熱管表面，使管外表面形成連續(xù)均勻的薄水膜；同時用風(fēng)機(jī)將空氣從設(shè)備下部空氣入口吸入，使空氣自下而上流動，橫掠水平放置的光管管束。此時傳熱管的管外換熱除依靠水膜與空氣流間的顯熱傳遞外，管外表面水膜的迅速蒸發(fā)吸收了大量的熱量，強(qiáng)化了管外傳熱。由于水具有較高的汽化潛熱（1atm時為2386kJ/kg），因此管外表面水膜的蒸發(fā)大大強(qiáng)化了管外傳熱，使設(shè)備總體傳熱效率明顯提高。本書根據(jù)表面蒸發(fā)空冷器強(qiáng)化換熱原理，給出了一種表面蒸發(fā)空冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，僅供參考。

（4）LNG開架式氣化器

LNG開架式氣化器是用海水作為熱媒將液態(tài)LNG氣化為氣體。開架式氣化器結(jié)構(gòu)簡單，外部接口有LNG入口、氣化后的LNG出口以及海水進(jìn)出口、換熱管安裝在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)。氣化器的基本單元是傳熱管，由若干傳熱管組成板狀排列，兩端與集氣管或集液管焊接形成一個管束板，再由若干個管束板組成氣化器。LNG從下部總管進(jìn)入，然后分配到每個小的換熱管內(nèi)，在換熱管束內(nèi)由下向上流動。氣化器頂部裝有海水分布裝置，海水由頂部進(jìn)入，經(jīng)分布器分配成薄膜狀均勻沿管束外壁下降，同時將熱量傳遞給管內(nèi)液化天然氣，使其加熱并氣化。本書根據(jù)LNG開架式氣化器工作原理，給出了一種LNG開架式氣化器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，僅供參考。

（5）低溫液氮洗用多股流纏繞管式換熱器

與LNG纏繞管式換熱器設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的低溫液氮洗用多股流纏繞管式換熱器主要應(yīng)用于液氮洗工藝，主換熱工藝流程主要包括三個階段，由三個不同換熱溫區(qū)的換熱器組成，其中，第一個階段是將壓縮后的高壓氮?dú)膺M(jìn)行預(yù)冷，將42℃高壓氮?dú)忸A(yù)冷至-63.6℃；第二個階段是將高壓氮?dú)饧暗蜏丶状脊に噥淼膬艋瘹鈴?63.6℃冷卻至-127.2℃，為低溫液化做準(zhǔn)備；第三個階段是將-127.2℃高壓氮?dú)饫鋮s至-188℃并液化及將-127.2℃凈化氣冷卻至-188.2℃，三個過程連續(xù)運(yùn)行并連接成為一個整體式低溫液氮回?zé)釗Q熱裝備。本書給出了低溫液氮洗用多股流纏繞管式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算模型，供相關(guān)行業(yè)的同行參考。

本書共分6章，第1章、第2章、第3章由張周衛(wèi)、郭舜之負(fù)責(zé)撰寫并編輯整理，第4章、第5章、第6章由汪雅紅、趙麗負(fù)責(zé)撰寫并編輯整理；全書最后由張周衛(wèi)統(tǒng)稿。

本書受國家自然科學(xué)基金（編號：51666008）、甘肅省財(cái)政廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（編號：214137）、甘肅省自然科學(xué)基金（編號：1208RJZA234）等支持，在此表示感謝！

本書按照目前所列裝備設(shè)計(jì)計(jì)算開發(fā)進(jìn)度，重點(diǎn)針對5項(xiàng)裝備進(jìn)行研究開發(fā)，總結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并與相關(guān)行業(yè)內(nèi)的研究人員共同分享。由于水平有限、時間有限及其他原因，本書難免存在不足之處，希望同行及廣大讀者批評指正。

蘭州交通大學(xué)

張周衛(wèi) 郭舜之汪雅紅趙麗

2017年12月1日

第1章緒論

液化天然氣（LNG）是將天然氣冷卻至-162℃并液化后得到的液態(tài)天然氣，常壓下儲存，經(jīng)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸至LNG接收站，再氣化打入天然氣管網(wǎng)，或在LNG陸基工廠將陸地開采的天然氣直接液化，經(jīng)LNG槽車運(yùn)輸至接收站，再氣化后打入天然氣管網(wǎng)，供城鎮(zhèn)居民或工業(yè)燃?xì)馐褂?。LNG作為繼石油、煤炭、天然氣之后的第四類新能源，來源于天然氣并成為當(dāng)今世界能源消耗中的重要部分，是天然氣經(jīng)脫水、脫硫、脫CO2之后的無色透明低溫液體，其體積約為氣態(tài)天然氣體積的1/630，重量僅為同體積水的45％左右，通常儲存在-162℃、0.1MPa左右的低溫儲存罐內(nèi)。天然氣由甲烷、乙烷、丙烷及其他雜質(zhì)氣體等主要成分構(gòu)成，不同產(chǎn)地的天然氣所含氣體成分不同，所用的LNG液化工藝及裝備依據(jù)產(chǎn)量及成分不同而有較大差別。

1.1 LNG應(yīng)用領(lǐng)域

LNG是天然氣脫除雜質(zhì)并液化后的產(chǎn)物，作為燃料主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃?xì)?、工業(yè)燃料、燃?xì)獍l(fā)電及LNG汽車等領(lǐng)域。由于LNG為低溫液體，具有自增壓功效，在常溫常壓下直接將LNG打入自增壓容器，并將自增壓容器連入管網(wǎng)后，在天然氣應(yīng)用高峰期起到管網(wǎng)增壓調(diào)峰的作用。

（1）城鎮(zhèn)燃?xì)?/p>

LNG是一種非常理想的清潔燃料，燃燒后的產(chǎn)物幾乎沒有環(huán)境污染。近年來，隨著國家能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，LNG作為替代煤炭、石油等的主要能源，已廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃?xì)獾阮I(lǐng)域。LNG燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳和氮氧化合物僅為煤的50％和20％，污染為液化石油氣的1/4，煤的1/800。LNG作為管道天然氣的調(diào)峰氣源，可對城市燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰，保證城市天然氣管網(wǎng)安全平穩(wěn)供氣。LNG自增壓調(diào)峰裝置已廣泛用于天然氣輸配系統(tǒng)中，并對民用和工業(yè)用氣的波動性進(jìn)行調(diào)峰，尤其針對冬季采暖用氣調(diào)峰具有非常重要的作用。

（2）LNG發(fā)電

LNG具有燃燒清潔的特性，已經(jīng)成為全球新建電廠的主要能源。與煤電相比，LNG發(fā)電具有污染少、運(yùn)行靈活、占地小、消耗低、投資省等優(yōu)勢。日本一直是世界上LNG進(jìn)口最多的國家，其LNG進(jìn)口量的75％以上用于發(fā)電，用作城市燃?xì)獾恼?0％～23％。韓國也是LNG進(jìn)口大國，其電力工業(yè)是韓國天然氣公司的最大客戶，所消費(fèi)的LNG占該國LNG進(jìn)口總量的50％以上。

（3）工業(yè)燃料

應(yīng)用以LNG作為工業(yè)燃料燃?xì)庀到y(tǒng)，可有效替代燃煤、燃油鍋爐等供熱設(shè)備，節(jié)約除塵、脫硫、脫氮等工藝成本，有利于環(huán)境保護(hù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量、減輕勞動強(qiáng)度，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。LNG可應(yīng)用于造紙、冶金、陶瓷、玻璃等能源消耗較大的行業(yè)，上述行業(yè)企業(yè)往往距離城市或天然氣管線較遠(yuǎn)，或者根本無法連接管道天然氣時，使用LNG的優(yōu)勢更加明顯。

（4）化工原料

LNG也是一種優(yōu)質(zhì)的化工原料。以LNG為原料的一次加工產(chǎn)品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近20種，經(jīng)二次或三次加工后的重要化工產(chǎn)品則包括甲醛、乙酸、碳酸二甲酯等50種以上。與用其他原料相比，以LNG為原料的化工產(chǎn)品裝置投資省、能耗低、占地少、人員少、環(huán)保性好、運(yùn)營成本低。

（5）LNG汽車

LNG汽車燃燒排出的一氧化碳、氮氧化物與烴類化合物水平都大大低于汽油、柴油發(fā)動機(jī)汽車，排放過程不積炭、不磨損，而且具有續(xù)駛里程長、燃燒效率高等特點(diǎn)，運(yùn)營費(fèi)用很低，是一種環(huán)保型汽車，目前國內(nèi)外都在大力發(fā)展LNG汽車。

（6）LNG冷能利用

-162℃低溫LNG在1atm（1atm=101325Pa）時轉(zhuǎn)變?yōu)槌貧鈶B(tài)的過程中可提供大量的冷能。LNG在常溫下約有836J/kg的冷能，將這些冷能回收，還可以用于多種低溫用途上，如使空氣分離而制造液態(tài)氧、液態(tài)氮；液化二氧化碳并制取干冰；制造冷凍食品或?yàn)槔鋬鰝}庫提供冷量等。

1.2 LNG工廠國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

LNG液化裝置具有投資費(fèi)用大、配套要求嚴(yán)格、操作條件特殊（如操作壓力從高壓到低壓，操作溫度由環(huán)境溫度到-162℃等）的特點(diǎn)。LNG液化裝置按其生產(chǎn)性質(zhì)一般分為基本負(fù)荷型、調(diào)峰型、終站型和衛(wèi)星站型四種?；矩?fù)荷型是指所生產(chǎn)的LNG主要供遠(yuǎn)離氣源的用戶使用或出口外運(yùn)的大型液化裝置；調(diào)峰型主要建在遠(yuǎn)離天然氣氣源的地區(qū)，用于液化管輸來的天然氣；終站型接收站用于接收油輪從基地型LNG生產(chǎn)廠運(yùn)來的LNG，在站內(nèi)加以儲存和氣化后分配給用戶；LNG衛(wèi)星站是一種小型的LNG接收和氣化站，用于接收從LNG終端接收站或液化裝置用專用汽車槽車來的LNG。

1.2.1 國外發(fā)展及現(xiàn)狀

世界上第一個基本負(fù)荷型LNG生產(chǎn)廠于1964年建于阿爾及利亞，之后一批新的基本負(fù)荷型LNG生產(chǎn)廠在亞洲、非洲、大洋洲、北美洲等地相繼建成。世界上LNG調(diào)峰型生產(chǎn)裝置約有70多個，美國和加拿大有50多個，歐洲和澳大利亞10多個，這些調(diào)峰型裝置可儲存1.7×106t的LNG，能液化13.2×106m3/d的天然氣，能氣化13.2×106m3/d的天然氣。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LNG接收站已遍及日本各地和英國、法國、意大利、西班牙、韓國等國家，世界現(xiàn)有40多個LNG接收站，日本擁有最多，多達(dá)30個，美國包括在建的終端站有17個。歐美各國和俄羅斯是通過建全國天然氣管網(wǎng)而實(shí)現(xiàn)全國城鎮(zhèn)燃?xì)饣模毡净旧鲜怯肔NG接收站加LNG衛(wèi)星站實(shí)現(xiàn)全國城鎮(zhèn)燃?xì)馓烊粴饣摹２捎肔NG衛(wèi)星站供應(yīng)天然氣的城鎮(zhèn)比例在日本已達(dá)20％左右，美國在20世紀(jì)80年代初約有22個衛(wèi)星調(diào)峰裝置。

1.2.2 國內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀

為了推動能源結(jié)構(gòu)變革，改善生態(tài)環(huán)境、發(fā)展經(jīng)濟(jì)，近十年來，中國LNG產(chǎn)業(yè)開始迅速發(fā)展。目前中國已建成運(yùn)營的LNG工廠有50多座，總液化能力2300×104m3/d，正在建設(shè)或調(diào)試的有60多座，全部建成后年產(chǎn)能可達(dá)208×108m3/d。2001年，我國第一座10×104m3/d小型天然氣液化裝置—中原LNG工廠在中原油田試運(yùn)行成功，雖然規(guī)模不大，但標(biāo)志著我國在生產(chǎn)LNG方面邁開了關(guān)鍵的一步。之后，2004年新疆廣匯50×106m3/d LNG工廠建成投產(chǎn)，以及2008年寧夏哈納斯200×104m3/d LNG工廠的建設(shè)等項(xiàng)目，標(biāo)志著我國大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)LNG的開始，并對國家“西氣東輸”主干管網(wǎng)以外的廣闊市場進(jìn)行供氣。國內(nèi)LNG工廠大多建在西北及華北地區(qū)，其中，西北地區(qū)目前已建成LNG工廠13座，產(chǎn)能1110×104m3/d；華北地區(qū)目前已建成LNG工廠22座，產(chǎn)能745×104m3/d；華東地區(qū)目前已建成LNG工廠3座，產(chǎn)能29×104m3/d；西南地區(qū)目前已建成LNG工廠8座，產(chǎn)能272×104m3/d；華南地區(qū)目前已建成LNG工廠3座，產(chǎn)能100×104m3/d；東北地區(qū)目前已建成LNG工廠3座，產(chǎn)能52×104m3/d。

2000年始建于上海的LNG事故調(diào)峰站是我國第一座調(diào)峰型天然氣液化裝置，生產(chǎn)能力為30×104m3/d，儲存能力為2×104m3/d，再氣化能力為120m3/d，主要用于東海天然氣中上游工程因不可抗拒的因素造成停產(chǎn)、冬季調(diào)峰時向管網(wǎng)提供可靠的天然氣供應(yīng)等。上海調(diào)峰站的建成，開啟了我國LNG城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)峰之路。近些年來，國內(nèi)陸續(xù)建成30×104m3/d LNG調(diào)峰站30多座。我國西北部天然氣儲量豐富，人口稀少；東南沿海天然氣儲量較少，人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，因而較西部有更大的LNG需求，僅依靠“西氣東輸”顯然不能滿足東南部發(fā)展的需要，還需要大量進(jìn)口海洋LNG。目前，國內(nèi)沿東南沿海各個省份已建成投運(yùn)大型LNG接收站6座，總接收能力2.42 ′107t/a，其中深圳大鵬600萬噸/a LNG站是中國第一座投入商業(yè)運(yùn)行的LNG接收站。地處福建、上海、江蘇、大連、浙江的5座LNG接收站也相繼投產(chǎn)。此外，我國已在青島等地建有LNG衛(wèi)星站，我國LNG衛(wèi)星站設(shè)計(jì)、建造及陸上運(yùn)輸技術(shù)已基本成熟，相關(guān)裝備可國產(chǎn)化，且價格便宜，具有一定的競爭力。

1.3 LNG產(chǎn)業(yè)鏈

LNG產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粭l貫穿天然氣產(chǎn)業(yè)全過程的投資巨大且技術(shù)密集的完整產(chǎn)業(yè)鏈條，主要由天然氣勘探開采、天然氣預(yù)處理、LNG液化、LNG儲運(yùn)、LNG接收、LNG再氣化等工藝流程鏈條組成。除了LNG生產(chǎn)鏈條外，還包括LNG裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，主要包括LNG系列換熱器、天然氣壓縮機(jī)、混合制冷劑壓縮機(jī)、LNG系列儲罐、LNG系列低溫閥門等。由陸地或海洋開采的天然氣在LNG工廠經(jīng)過預(yù)處理后再進(jìn)行液化，生產(chǎn)的LNG按照國際貿(mào)易流程，通過船運(yùn)或槽車運(yùn)輸?shù)絃NG接收站儲存，再氣化后經(jīng)天然氣管網(wǎng)送至不同用戶。從LNG生產(chǎn)流程來講，整個LNG產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上、中、下游三個環(huán)節(jié)（圖1-1）。

（1）LNG上游產(chǎn)業(yè)鏈

上游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括天然氣勘探、開發(fā)、凈化、分離、液化等幾個環(huán)節(jié)。其中，天然氣液化是LNG產(chǎn)業(yè)鏈上游中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。液化的主要作用是持續(xù)不斷地把原料氣液化成為LNG，其主要步驟包括：①預(yù)處理工藝，即從天然氣原料氣中脫水、脫碳、脫硫、脫雜質(zhì)等；②脫重?zé)N工藝，即脫除天然氣中的冷凝溫度較高的重?zé)N餾分；③LNG液化工藝，即用深冷劑將原料氣冷卻并冷凝到-162℃，使其成為液態(tài)LNG產(chǎn)品。

（2）LNG中游產(chǎn)業(yè)鏈

中游主要包括LNG儲存、裝卸、運(yùn)輸、接收等環(huán)節(jié)，包括LNG儲罐和再氣化設(shè)施及供氣主干管網(wǎng)的建設(shè)等環(huán)節(jié)。LNG儲存是指LNG被儲存在接近1atm的LNG儲罐中，最常見的大型LNG儲罐有單包容儲罐、雙包容儲罐、全包容儲罐等，LNG儲罐是LNG液化末端或接收終端的關(guān)鍵設(shè)備；LNG運(yùn)輸是指通過LNG槽車或LNG運(yùn)輸船將LNG運(yùn)送到終端站；LNG接收站是連接終端市場及用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在LNG接收站，LNG通過碼頭從運(yùn)輸船卸載、儲存LNG，然后再氣化后變成普通管道氣輸送至LNG發(fā)電廠或通過當(dāng)?shù)胤咒N網(wǎng)絡(luò)作為燃料氣輸送至LNG終端用戶。

（3）LNG下游產(chǎn)業(yè)鏈

LNG下游產(chǎn)業(yè)鏈即LNG終端市場用戶，主要包括LNG聯(lián)合循環(huán)電站、城市燃?xì)夤?、工業(yè)鍋爐用戶、分布式能源站、天然氣加氣站，以及其他工業(yè)燃料或化工原料用戶等。另外，可向下延伸至LNG衛(wèi)星站、LNG加注站及冷能利用等與LNG相關(guān)的所有產(chǎn)業(yè)。

圖1-1 LNG產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽?/p>

1.4 LNG產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主要工藝概述

1.4.1 LNG凈化工藝

預(yù)處理前的天然氣在進(jìn)入長輸管線時，其中含有有害雜質(zhì)及深冷過程中可能凝固的物質(zhì)，如CO2、H2S、H2O、重?zé)N、汞等，這些雜質(zhì)氣體應(yīng)在天然氣液化之前進(jìn)行工藝分離，以免在冷卻過程中冷凝并堵塞管道及產(chǎn)生嚴(yán)重管路腐蝕。一般工藝流程中，首先，應(yīng)脫除重?zé)N，然后用醇胺法除去CO2和H2S；其次，用分子篩吸附天然氣中的H2O；接著，用脫氧工藝脫除天然氣中的O2；最后，在需要的情況下脫汞。

天然氣脫水工藝方法主要有變壓吸附法，一般采用兩個分子篩干燥塔切換吸附與再生流程，交替吸附及脫吸過程，從而達(dá)到連續(xù)脫除的目的。固體干燥劑種類很多，還可采用氯化鈣、硅膠、活性炭、分子篩等。吸附法脫水工藝流程如圖1-2所示。

圖1-2 吸附法天然氣脫水典型工藝流程示意

在天然氣預(yù)處理過程中，脫除酸性氣體CO2、H2S、COS等過程常稱為脫硫脫碳過程。常用的脫硫方法有醇胺法、熱鉀堿法、砜胺法等，其中，醇胺法是利用以胺為溶劑的水溶液，以乙醇胺、二乙醇胺為溶劑，與原料天然氣中的酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來脫除酸性氣體，其工藝流程見圖1-3。

圖1-3 醇胺法脫硫裝置的典型工藝流程

當(dāng)汞存在于鋁制設(shè)備時，鋁會與水反應(yīng)生成白色粉末狀的腐蝕產(chǎn)物，嚴(yán)重破壞鋁制設(shè)備，而且汞還會造成環(huán)境污染等危害，所以汞的含量應(yīng)受到嚴(yán)格的限制，脫除汞的方法是汞與硫在催化反應(yīng)器中反應(yīng)。重?zé)N是指C5以上的烴類，在烴類中，分子量由小到大時，其沸點(diǎn)是由低到高變化的，所以在冷凝天然氣的循環(huán)中，重?zé)N總是先被冷凝，如果未把重?zé)N先分離掉，或在冷凝后分離掉，則重?zé)N將可能凍結(jié)從而堵塞設(shè)備。重?zé)N在脫水時被分子篩等吸附劑部分脫除，其余的采用深冷分離。天然氣是氦的最主要來源，應(yīng)加以分離利用。采用膜分離和深冷分離相結(jié)合的方式脫除，有很高的利用價值。氮?dú)獾暮吭黾訒固烊粴庖夯щy，一般采用最終閃蒸法從LNG中選擇性脫除。

1.4.2 LNG液化工藝

由于天然氣臨界溫度較低，在常溫下不能用壓縮的方法使其液化，只有在低溫深冷下才能使其變?yōu)橐后w，即原料天然氣經(jīng)凈化預(yù)處理后，進(jìn)入換熱器進(jìn)行低溫冷凍循環(huán)，并冷卻至-162℃液化。液化是LNG生產(chǎn)的核心，目前成熟的天然氣液化工藝有級聯(lián)式液化工藝、混合制冷劑液化工藝、帶膨脹機(jī)的液化工藝等。近年來，大型LNG系統(tǒng)大多采用以混合制冷劑多股流纏繞管式主換熱裝備作為主液化裝備的MCHE型液化流程，主要應(yīng)用于60×104m3/d以上大型液化系統(tǒng)。30×104m3/d以上大型液化系統(tǒng)一般采用混合制冷劑多股流板翅式主換熱裝備作為主液化設(shè)備。

（1）級聯(lián)式液化流程

級聯(lián)式天然氣液化工藝（圖1-4）是利用低溫制冷劑常壓下沸點(diǎn)不同，逐級降低制冷溫度達(dá)到天然氣液化目的，一般采用三級制冷，液化流程中各級所用制冷劑分別為丙烷（大氣壓下沸點(diǎn)-42.3℃）、乙烯（大氣壓下沸點(diǎn)-104℃）、甲烷（大氣壓下沸點(diǎn)-162℃），每個制冷循環(huán)設(shè)置三個換熱器。該液化流程由三級獨(dú)立的制冷循環(huán)組成，第一級丙烷制冷循環(huán)為天然氣、乙烯和甲烷提供冷量；第二級乙烯制冷循環(huán)為天然氣和甲烷提供冷量；第三級甲烷制冷循環(huán)為天然氣提供冷量。

圖1-4 級聯(lián)式天然氣液化工藝流程

（2）混合制冷劑液化流程

混合制冷劑制冷循環(huán)（MRC）是以C1～C5的烴類化合物及氮?dú)獾冉M分的混合制冷劑為工質(zhì)，進(jìn)行逐級冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流制冷，從而得到不同溫區(qū)的制冷量，使天然氣逐步冷卻直至液化?；旌现评鋭┯傻⒓淄椤⒁彝椤⒈?、丁烷、戊烷及氮?dú)獾冉M成。

混合制冷劑液化流程主要分為閉式混合制冷劑液化流程（圖1-5）、開式混合制冷劑液化流程（圖1-6）、丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程（圖1-7）、MCHE型混合制冷劑液化流程（圖1-8）等多種流程。在閉式液化流程中，制冷循環(huán)與天然氣液化過程分開并形成獨(dú)立封閉的制冷循環(huán)；在開式液化流程中，天然氣既是制冷劑又是需要液化的對象；丙烷預(yù)冷液化流程由混合制冷劑循環(huán)、丙烷預(yù)冷循環(huán)、天然氣液化回路三部分組成，其中丙烷預(yù)冷循環(huán)用于混合制冷劑和天然氣，混合制冷循環(huán)用于深冷和液化天然氣；MCHE型混合制冷劑液化流程中，混合制冷劑制冷循環(huán)為封閉循環(huán)，主液化設(shè)備只有一臺多股流纏繞管式主換熱器（MCHE），天然氣從主液化設(shè)備MCHE底部進(jìn)入，從頂部出來時已液化為LNG。MCHE型混合制冷劑液化天然氣流程是目前世界范圍內(nèi)最流行的大型LNG液化工藝流程，具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能、能效比高、便于管理、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

圖1-5 閉式混合制冷劑液化流程

圖1-6 開式混合制冷劑液化流程

圖1-7 丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程

圖1-8 MCHE型混合制冷劑液化工藝流程

（3）帶膨脹機(jī)的液化工藝

帶膨脹機(jī)液化是利用高壓制冷劑通過透平膨脹機(jī)絕熱膨脹的克勞特循環(huán)制冷并實(shí)現(xiàn)天然氣液化的目的。氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時，能夠輸出功，可用于驅(qū)動流程中的壓縮機(jī)。帶膨脹機(jī)的液化流程分為氮?dú)馀蛎浺夯鞒蹋▓D1-9）、天然氣膨脹液化流程（圖1-10）、氮-甲烷膨脹液化流程等。