1、第七章 LNG运输,液化天然气（LNG）技术,第一节 LNG的陆上运输,目前，陆上LNG的输送方式主要有公路运输和铁路运输两种。(1)公路运输：目前，液化天然气罐车有30m3、40m3、45m3等几种规格，国外液化天然气罐车容积约为90m3，我国自主研制的规格为45m3的国产LNG槽车已投入使用。美国加州能源委员会报告中，容积为90m3的罐车的单程运费为1.503.0美元/km。(2)铁路运输：目前，铁路运输LNG的容器主要朝LNG罐式集装箱方向发展，它的结构与LNG槽车相同。但是，与LNG槽车相比，LNG罐式集装箱具有装卸灵活、尺寸适合铁路的优点，从而降低运输成本，使得铁路比公路槽车长距离输
2、送LNG更经济。,第一节 LNG的陆上运输,一、LNG汽车罐车 在目前的运输中，主要使用半挂式罐车。,图7.1 LNG半挂式罐车,第一节 LNG的陆上运输,1. 罐车结构半挂式罐车主要由低温罐体与行走机构两大部分构成。,图7.2 LNG半挂式罐车低温罐体,第一节 LNG的陆上运输,2.LNG罐车绝热方式罐车的隔热主要有真空粉末隔热、真空纤维隔热和高真空多层隔热3种方式。,表7-1 三种绝热技术绝热性能指标比较表,注：(1)日蒸发率值为环境温度20，压力为0.1MPa绝压时的标准值。(2)自然升压速度为环境温度50时，初始充装率为90；初始压力为0.2MPa(表压)升至终了压 力为0.8MPa(
3、表压)条件下的平均值。(3)介质为LNG。,第一节 LNG的陆上运输,3.LNG罐车材料选用内罐主体材料根据GB150-1998钢制压力容器规定，采用低温韧性优良的奥氏体不锈钢材料； 外罐材料根据使用地区环境温度不同，可采用碳素钢或低合金钢； 内外筒支承选用环氧玻璃钢。,第一节 LNG的陆上运输,4.罐车流程及工作原理液化天然气罐车整体由汽车底盘、卧式罐体、管路系统、阀门系统、防静电装置、电气系统等组成。其中罐体是主要部分。其工作流程图如下图。,V1液相阀；V2气相阀；V3排气阀；V4蒸发器阀；V5单向阀；V6泄压阀；V7顶注阀；V8溢流阀；V9紧急切断阀；V10上、下阀；V11平衡阀；V12
4、调压阀；V13组合双向阀；V14取样阀；A加排口；B气相接口；C，D取样口；SV1安全阀；SV2爆破片；SV3外壳保险器；L液位计；P压力表；PB蒸发器；Zh阻火器,图7.3 LNG罐车罐体工艺流程图,第一节 LNG的陆上运输,二、LNG罐式集装箱 优点： 罐式集装箱采用非固定连接具有较好的的机动性， 其尺寸适合铁路和公路联运的优点，从而便于降低运输成本。 绝热方式： LNG罐式集装箱目前多采用真空多层绝热方式。 材质： 内筒一般为奥氏体不锈钢； 外筒材质为低合金钢； 内外筒之间的支撑选用耐低温且绝热性能较好的环氧玻璃钢。 另外对内筒的材质选择方面，在满足强度相同的条件下，5083铝合金将比用
5、奥氏体不锈钢减轻质量2/5，作为内筒材质具有广阔的前景。 组成：LNG罐式集装箱由进排液系统、进排气系统、吹扫置换系统、仪控系统、紧急切断阀与气控系统、安全系统、抽空系统和测满分析取样系统组成。,第一节 LNG的陆上运输,V1下部进液阀 V2上部进液阀 V3、V4气体通过阀 V5三通阀 V6液相紧急切断阀 V7气相紧急切断阀V8高真空隔离阀 VV抽空阀 M1控制气源进口阀 M2二位三通阀 G1、G2压力表阀 S1内容器安全阀S2外容器防爆装置 L1液面计下阀 L2平衡阀 L3液面计上阀 MV测满阀 E1放空阀 R规管 P1、P2压力表 LG液面计 B控制气储气罐 D放空阻火,图7.4 LNG罐
6、式集装箱流程图,第二节 LNG的海上运输,LNG海上运输具有以下特点： 高风险：液化天然气的运输成本占液化天然气价格的1030%，原油的运输成本只占10%。原因之一是液化天然气罐船需要低温绝热材料，建造费用高昂。另外，由于此类船舶的用途单一，经营上又缺乏灵活性，使液化天然气船舶的投资风险比其他种类船舶更大，一般在进行投资之前都要求掌握长期运输合同（一般在20年以上）； 运输稳定：世界液化天然气运输大多为定向造船，包船运输，航线和港口比较固定，并要求较为准确的班期，非计划性停泊较少，运费收入比较稳定，一旦进人市场运费收入比较稳定，来自外界的竞争相对较小； 竞争有序：由于世界液化天然气运输的即期市
7、场没有出现，因此其运费主要取决于气源地的天然气价格、运输距离以及船舶的营运成本等方面，一般不会出现市场竞争无序的情况。,第二节 LNG的海上运输,一、LNG运输船简介 LNG船具有如下特点：液化天然气船大多设计成双层壳结构，夹层中充填惰性气体，防爆监测装置完备，而且液化气一旦渗漏即可气化，造成污染较原油、成品油要小得多。,第二节 LNG的海上运输,二、LNG运输船的结构世界上得到广泛应用的形式主要有挪威的MOSS型，法国的Technigaz型和Gaz一Transport型（即GTT型）及日本研制开发的SPB型等几种。,（1）MOSS型LNG船为自持式的球形罐液舱，罐体采用铝合金制成，板材的厚度
8、按照不同的部位大致取值在30170 mm。为达到理想的保温作用，铝合金球的外表覆盖着一层厚厚的泡沫绝缘材料，同时为了保护绝缘材料，整个货舱球的最外表面是保护型金属外壳。MOSS液舱如右图所示。,1一液舱;2一液舱壳体:3一保护钢罩;4一带绝热层的防溅屏壁:5一舱裙下部绝热层;6一压载水舱;7一绝热层;8一舱裙加强支承件;9一防护罩;10一滴盘,图7.5 MOSS型液舱,第二节 LNG的海上运输,MOSS型LNG船优点： 1）球型舱仅需部分次屏蔽，对绝热要求不严格。 2）形状简单易于进行结构分析，由于没有内部加强材，制造技术简单。 3）液面晃动效应少，不受装载限制。 4）如果货泵坏了，容易对舱加
9、压，以保证紧急卸货。 5）初期投资少。 MOSS型LNG船缺点： 1）船舶的空间利用率低，为在低舱容积利用率的球体内装相同数量的货物，需要加大船舶尺度或提高液舱高度，而船长又是船舶费用的重要参数。 2）船舶重心较其它船高，稳性差。 3）球型舱上盖影响驾驶台了望，操纵困难，还可能增加保险费。今后球型液舱改进的重点将放在降低货物的蒸发率上。,第二节 LNG的海上运输,（2）GTT型LNG船GTT型LNG船为薄膜围护系统的LNG船，主要由主薄膜、次薄膜、双层船壳和低温隔热层4部分所组成，GTT型的围护结构目前最先进的是GTN096和TGZ Mark两种形式，其薄膜内均会受到静应力、动应力和热应力的作
10、用影响。,图7.6 GTT型LNG船货舱的结构示意图,第二节 LNG的海上运输,GTT型LNG船优点： 1）由于内壁用薄膜做成，高镍钢消耗少，从而可以减轻液舱的结构重量。 预冷的时间缩短。 2）由于它们内壁和绝热层与船体结构连接在一起，货舱容积的利用率比自持式液舱可提高5-10%。 GTT型LNG船缺点： 1）结构复杂，全部液舱的薄膜和绝热装置都要进行全面实验，包括在低温条件下周期性载荷和疲劳试验。 2）薄膜液舱的一些部件有时会产生裂缝。 今后薄膜型液舱LNG船改进的重点将放在隔热绝缘构造上。,第二节 LNG的海上运输,（3）SPB型LNG船SPB型（半薄膜型）液舱是全新半薄膜液货舱，SPB是
11、一种由合金钢板和胶合板支持钵铝质液舱，造价也较便宜。这种液舱以聚氨脂泡沫和增强的玻璃纤维布为绝热材料，日立公司称采用SPB系统，能使大装载量的船舶长度缩短20m左右。,1-部分次屏 2-楔子 3-内舱壳 4-隔热层 5-支撑 图7.7 SPB型棱型液舱,第二节 LNG的海上运输,三、LNG船的装卸系统LNG船液货装卸系统包括岸站部分和船上部分。由管道、泵、压缩机、加热器、控制系统及各种阀门构成，这些设备均应满足相应的规范要求。,图7.8 LNG船舶的液货系统图,第二节 LNG的海上运输,（1）卸货泵LNG船的全部卸货泵一般采用深井泵和浸没式泵。每个液货舱必须配备两台完全一致的深井泵作为卸货泵。
12、浸没式泵的流量要求为深井泵的1/401/80，其作用是当液货舱需要修理时，为减少复温时间再抽掉一部分液货。 （2）管道低温液体的输送管道一般使用绝热管绝热。绝热管的绝热方式从原理上分四大类，即真空绝热、真空粉末绝热、多层绝热以及堆积绝热。在LNG船舶液货管道上，大多数采用最简单方便、价廉的堆积绝热方法，绝热材料一般使用聚苯乙烯橡胶或聚氨基甲酸乙脂泡沫。LNG船液货装卸系统由两条跨接输液管和一条货物回气管组成，以便与岸上输液系统相一致。 （3）阀门液化气船货物管路上的阀门一般是截断阀、球阀、闸阀等。这些阀门有些是手动的，也有些是用气压或者液压驱动的；有些可以现场操作或遥控操作。且所有阀门均是耐火
13、的。,第二节 LNG的海上运输,(4)蒸发气压缩机LNG船上有两种压缩机：一种是低容量压缩机，用于航行时将蒸发气供给锅炉作燃料，或将蒸发气排至再液化装置再液化，一般要求配备两台；另一种是高容量压缩机，用于卸货时将蒸发气排至回气管，到岸上再液化。 (5)空气加热器航行时，当蒸发气用作燃料时，需将低容量压缩机排出的气体用空气加热器加热至常温。 (6)控制系统用惰性气源远距离控制各种阀门操作，液位控制输液流量以及关闭所有设备。 (7)装载作业1）已经驱气船舶的装载。在装入液化气蒸汽前，已经驱气的货舱必须先惰化。一般用惰性气体置换掉体积分数75%的空气即可。由于蒸汽比空气重，应从下部分充入货舱，惰性气
14、体和惰性气体与蒸汽的混合物则从顶部排出。有时可由岸上供应蒸汽或液货蒸发产生蒸汽，排出的气体可排到岸上烧掉或导入其他适当的货舱。2）未经驱气船舶的装载。若船舶未经驱气直接驶往装货港，则货舱内仍保留了液体和蒸汽。在途中就可充气循环降低货舱温度，抵达装货港就可进行装载作业。,第二节 LNG的海上运输,（8）卸载作业抵达卸货港前，甲板上的液体管线必须逐渐预冷。,第三节 LNG的管道输送,文莱有一条LNG海底低温管道，有效运输距离为32km。日本将建一条从新岛至仙台的LNG管道，直径24in，全长约358km，大约要用35000t钢管，估计耗资约600700亿日元。,一、管道输送工艺 1.LNG密相输送
15、工艺LNG管道输送采用“从泵到泵”的密闭输送系统。,LNG管道输送系统,第三节 LNG的管道输送,第三节 LNG的管道输送,2.LNG的冷态输送工艺 目前还有一种新的LNG管道输送法，称为“冷态输送法”。即在进口站将液化天然气送入管道，在管道中的液化天然气吸收外界传入的热量后，逐步蒸发而使管内压力增加，以此推动液化天然气向前推进。这个方法的特点是： (1) 节约中间加压站； (2) 降低了绝热保温的要求； (3) 把液化设备集中首站； (4) 终点站是低温气体。 冷态输送费用比液态输送高三分之一，比气态输送低60% 。,第三节 LNG的管道输送,二、LNG输送管道材质的选择对于输送LNG这样的
16、低温产品，既可采用柔性软管，也可采用刚性管道。前者由于花费高和绝热的局限性，仅限于应用于短距离的装载和卸载，而较长距离的输送则应采用刚性管道。要实现刚性管道在低温“密相区”工况下运行，管道材质的选择十分关键。,第三节 LNG的管道输送,表7-2 部分低温管材的机械和物理性能,第三节 LNG的管道输送,图7.9 奥氏体不锈钢管道安装情况 图7.10 殷钢管道安装情况,第三节 LNG的管道输送,表7-3 9%Ni钢、殷钢和奥氏体不锈钢的材料特性对比表,第三节 LNG的管道输送,三、LNG输送管道壁厚的计算管道壁厚是根据环向应力来决定的，在均匀内压力作用下，可按下式计算壁厚：（7-1） 式中： 管道
17、壁厚，mm；P管道的工作压力，MPa；D 管道的外直径，mm；管材许用应力，MPa。LNG输送直管段的许用应力应符合下列规定：（7-2） 式中： K设计参数，其值参见GB 50253-2003输油管道工程设计规范的附录E；s管材的最低屈服强度，MPa；焊缝系数。无缝钢管取1.0。,第三节 LNG的管道输送,在相同输送压力和管外径的情况下，9%Ni钢管道的厚度值要比殷钢和AISI 300系奥氏体不锈钢的一半还小，可以节省大量的钢材，节约成本，降低焊接难度。综上所述，9%Ni钢、殷钢和AISI 300系奥氏体不锈钢均可以用于输送LNG，在实际操作时应根据管材的价格、输送距离、输送工艺和施工技术水平
18、等条件，从技术经济的角度选取管材。,第三节 LNG的管道输送,四、LNG输送管道的预冷LNG输送管道建成后，在正式投入使用之前（输送LNG之前），必须进行LNG管道的预冷过程。如果没有这一过程，这个管道系统处于室温下，LNG突然流入常温的管道，管道会迅速地收缩。管道的底部与沸腾的LNG直接接触，而顶部相对较热，因顶部温度相对较高，这种结果便是所谓的香蕉效应。此外LNG管道预冷还包括以下作用： 检验低温材料质量是否合格； 检验焊接质量； 检验管道冷缩量和管托支撑变化； 检验低温阀门的密封性。,第三节 LNG的管道输送,1.预冷时间的计算（7-3）式中 Q热量传递的总量；mi、ms起始状态和终了状
19、态时系统中所具有的质量；ui、us起始状怒和终了状态时系统中比热力学能；t冷却所需时间；q m，g2流出系统的预冷排放质量流量；hg2流体流出系统时比焓；q m，l1流进系统的预冷质量流量；hl2流体流进系统时比焓。 传递给系统的总热量可以表达为各种热量之和，即：（7-4）式中 Qs从环境传入的热量；mw需要冷却的系统质量；需要冷却的物体的平均比热容。,第三节 LNG的管道输送,根据系统质量守恒，冷却期间冷却介质的质量变化，等于进入管线的质量减去t时间内流出管线的气体的平均质量，即（7-5） 气体流出口时流速为：（7-6） 式中 Cd传输管线一端相连特定连接物的排出系数；为比热（容）比；R气体
20、常数。 流出气体的平均比焓hg2可以定义为：（7-7） 也可由气体出口状态的T-S图和管道平均温度来确定。,第三节 LNG的管道输送,初始质量mi以写成气体体积V和初始密度的乘积，即：（7-8） 最终的质量为，由此得出：（7-9） 式中 Vl饱和液体比体积；Vg饱和蒸气比体积； 气相的体积百分比。 则冷却时间为：（7-10）,第三节 LNG的管道输送,2.预冷耗液量的计算 （1）最小预冷耗液量的计算质量预冷 降温放出的热量为：（7-11） 式中 被预冷质量在温度时的比热容。金属材料的比热容随温度降低而下降。在很低的温度下，金属材料的比热容随绝对温度的3次方比例下降。在预冷过程中， 质量的预冷介
21、质气化并吸热，其吸热量为：（7-12） 式中 预冷介质的气化热；cpf介质蒸气的定压比热；Ts介质的饱和温度；Te管道结构温度；Tf蒸气温度。,第三节 LNG的管道输送,由能量守恒定律有 ，则：（7-13）质量由温度 的耗液量为：（7-14） 对于质量为 的预冷耗液量为：（7-15） 单位质量的预冷耗液量为：（7-16）令，则：（7-17）式中 蒸气在温度范围的平均比热容；蒸气在温度范围的平均比热容。,第三节 LNG的管道输送,变换积分可得： （7-18） 当预冷到低温介质的饱和温度时， ，则最小预冷耗液量为：（7-19）在作近似计算时最小预冷耗液量可用下式计算：（7-20） （2）最大预冷耗
22、液量的计算计算最大预冷耗液量时冷蒸气的吸热完全不子考虑。因此在上述计算最小预冷耗液量的公式中令 = 0，即可导出最大预冷耗液量的计算公式：（7-21） 式中 ha被预冷质量在Ta温度下的热焓；he被预冷质量在Te温度下的热焓。,第三节 LNG的管道输送,五、LNG输送管道的绝热技术 1. LNG输送管道绝热方式的选择低温液体的刚性输送管道可分为三类：非绝热管（裸管）、普通（堆积）绝热管以及真空绝热管。 非绝热管虽造价低，但在使用时会出现严重跑冷，通常用于间断性短距离输送。 真空绝热管由内管、外管及支撑件构成，一般是在管道外围形成绝热空间，造成低压和真空环境，这样能提供相对良好的绝热效果，但制作
23、工艺复杂，施工管理费用高，系统的运行和维护费用高昂。 3km以上的管道，通常采用普通(堆积)绝热方式，而不采用真空绝热方式。,第三节 LNG的管道输送,2. LNG输送管道绝热材料的选择由于LNG输送温度低、压力高，绝热材料必须满足的条件是：材料在超低温和常温交变时尺寸稳定性要好、材料具有较低的导热系数、抗压强度要高。同时，在工程选材设计中还应考虑材料的成木、施工性能，可以满足LNG绝热要求的部分绝热材料的指标见下表。,表7-4 部分绝热材料物理性能,第三节 LNG的管道输送,选择改性聚氨酯泡沫作为LNG管道输送的绝热材料，在目前的技术水平下是最理想的，最合理经济的。 （1）改性聚氨酯泡沫热导
24、率的计算公式 这类固体材料连续而气孔不连续的材料，平均有效导热率K与固相热导率m、气相热导率g以及气孔率之间有下列关系：（7-22）式中： K平均有效热导率，W/(m K)；m改性聚氨酯泡沫固相热导率，W/(m K)；g改性聚氨酯泡沫气相热导率，W/(m K)；改性聚氨酯泡沫的气孔率，%。,第三节 LNG的管道输送,3. LNG输送管道保冷层厚度的计算保冷层的厚度主要有以下三种计算方法：保冷层经济厚度计算方法；防止表面凝露的保冷厚度计算方法；控制最大允许冷损失量的保冷厚度计算方法。,第三节 LNG的管道输送,（1）经济厚度的计算方法式中 PE冷价，元/106kJ。冷价PE应按实际购价或生产成本
25、取值。一般可按当地热价的6倍计取54； D1保冷层外径，m； D0管道外径，m； 保冷层厚度，m； 保冷材料在平均温度下的导热系数，W/（m）； PT保冷结构的单位造价，元/m3,包括主材费、施工安装费、管理费等； t年运行时间，h。常年运行按8000h计,非常年运行取实际运行时间； Ta环境温度，。取运行期间的平均气温； T0管道外表面温度，。取介质的最低操作温度； s保冷层外表面向周围环境的放热系数，W/（m2）。其值按下式计算，为年平均风速m/s。当无风速计算值时, 取为11.6 W/（m2）；S保冷工程投资年摊销率%，按复利计算。,第三节 LNG的管道输送,（2）防凝露的厚度计算方法为
26、防止空气中的水蒸气凝结在管道表面腐蚀保护层或水分渗入保冷材料影响保冷效果, 要求管道外表面温度不低于周围空气露点温度。计算公式为：（7-27）式中： Ta夏季空气调节室外计算干球温度，；s保冷层外表面向周围环境的放热系数，W/（m2），取值8.141；Ts保冷层外表面的温度， 。 ；Td夏季空气调节室外计算干球温度和最热月月平均相对湿度对应的空气露点值， 。,第三节 LNG的管道输送,（3）控制最大冷损失量的厚度计算方法 计算公式如下：（7-28）式中 Q每平方米保冷层外表面积为单位的最大允许冷损失量。在GB 50264-97工业设备及管道绝热工程设计规范中一般要求保冷层的热流密度小于25W/m2，取25 W/m2进行计算。,第七章LNG运输,习 题 1.LNG运输的方式有哪些？试进行简单的比较。 2.LNG汽车罐体常采用哪些绝热方式？各有什么优缺点？ 3.LNG罐式集装箱较汽车罐车有哪些优点？ 4.目前常见的LNG运输船的货物维护系统有哪几种？各有什么特点？ 5.简述LNG船的卸载流程。 6. LNG管道输送工艺有哪两种方式？ 7. LNG输送管道材质如何选择？ 8.LNG输送管道的预冷时间如何计算？ 9. LNG输送管道的预冷耗液量如何计算？ 10.LNG输送管道如何保温？ 11.如何计算LNG输送管道保冷层厚度？,
