1、LNG技术发展与中国机会,制冷空调学科前沿,2,目录,1 前言-Why LNG? 2 LNG技术 2.1 LNG生产 2.2 LNG储运 2.3 LNG气化与冷量利用 3 LNG在中国,3,1 前言-Why LNG,液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)：气田开采出来的天然气，经过脱水、脱酸性气体和重烃类，然后压缩、膨胀、液化而成的低温液体。 基本特点 甲烷（天然气主要成分）常压液化温度为-162(111K)； LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性； LNG体积约为同量常温常压气态天然气体积的1/600； LNG密度仅为同体积水的45%左右； LNG热值约为52MMBt
2、u/t (1MMBtu=2.52108cal)。,4,LNG优点,LNG有特有的运输方式。对于远洋运输,LNG是唯一的运输方式。 利用LNG方式是解决远海,荒漠地区气田开发,回收边远气田天然气的有效办法。 LNG作为用气负荷调峰安全可靠。 LNG用途广泛：LNG不仅自身可以作为能源利用，低温冷量可回收。 LNG与氦联产,可得到LNG和氦两种产品。 低的储存成本。 LNG比管输天然气更洁净。,5,LNG应用前景,加快天然气应用是全球性趋势 天然气资源的潜力较大 2006年世界石油剩余探明储量为1645亿吨，储采比40.5 2006年世界天然气剩余探明储量181.46万亿立方米，相当于1638亿吨
3、油当量，储采比63.3 预计2015年天然气产量将超过原油，成为世界第一大能源 天然气应用有利于环境保护 天然气燃烧远较煤、油等燃烧清洁,2009年世界天然气产量29870亿立方米，中国天然气产量852亿立方米（占世界总量2.85%）,天然气产量,液化天然气贸易量,LNG贸易增长迅速：2009年世界LNG贸易量已占世界天然气总贸易量的21.7（在70年代只占5）。1996年世界LNG贸易量92109m3，2009年达242.77109m3 。,Major gas trade movements (2009) Trade flows worldwide (billion cubic metres
4、),9,2 LNG技术,LNG产业链,液化工厂 LNG运输船 大型接收与气化站 小型气化站 冷能利用,10,2.1 LNG生产,2.1.1 天然气净化 2.1.2 级联式液化流程 2.1.3 混合制冷剂循环液化流程 2.1.4 膨胀机液化流程 2.1.5 天然气液化工艺的发展趋势,11,2.1.1 天然气净化,LNG工厂原料气预处理标准和杂质的最大允许含量,12,脱水,为了避免天然气中水的存在造成堵塞现象，通常须在高于水合物形成温度时就将原料气中的游离水脱除，使其露点达到100以下。 目前，常用的天然气脱水方法有冷凝法、吸收法、吸附法和化学反应法等。 吸收脱水是用吸湿性液体（或活性固体）吸收脱
5、除气流中的水蒸气。实践证明采用二甘醇及其相邻的同系物三甘醇(TEG)是特别有效的。 甘醇法适用于大型天然气液化装置中脱除原料气所含的大部分水分。优点：一次投资较低，压降少，可节省动力；可连续运行，容易扩建；塔易重新装配；可方便地应用于在某些固体吸附剂易受污染的场合。,13,吸附脱水,能够提供非常低的露点，可使水的体积分数降至110-6m3/m3以下； 吸附法对气温、流速、压力等变化不敏感； 没有腐蚀、形成泡沫等问题； 主要缺陷是基本建设投资大；一般情况下压力降较高；吸附剂易于中毒或碎裂；再生时需要的热量较多。 吸附法脱水一般适用于小流量气体的脱水。,14,脱酸性气体,天然气最常见的酸性气体是H
6、2S、CO2和COS。 H2S具有致命的剧毒，对金属具有腐蚀性。在天然气液化装置中，CO2易成为固相析出，堵塞管道。 脱酸性气体的方法一般可分为化学吸收法、物理吸收法、联合吸收法、直接转化法、非再生性法、膜分离法、低温分离法和固体床脱硫法等。 醇胺法是脱除天然气中酸性组分的现有方法中应用较普遍的一种。常用的醇胺类溶剂有一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、甲基二乙醇胺(MDEA),15,吸附分离,在工业上常用的是变压吸附PSA技术或变温吸附TSA技术 主要特点是：循环时间短，常温操作（能耗低）、易于自动控制、可获得高纯度产品。 由于新型高效吸附剂不断产生，工艺逐渐得到
7、改进，吸附分离技术的应用领域还在不断拓展，处理规模也在日益扩大。在液化天然气技术领域，吸附分离技术也正获得越来越多的应用。,16,天然气液化流程分类,按照制冷方式 级联式液化流程（Cascade） 混合制冷剂循环液化流程（MRC） 膨胀机液化流程 按照液化装置的生产模式 基本负荷型（baseload） 调峰型（peak-shaving）,17,2.1.2 级联式液化流程,级联式液化流程分三级独立的蒸气压缩制冷，逐级提供冷量液化天然气，各级所用的制冷剂分别为丙烷（标准沸点-42.3）、乙烯（标准沸点-104）或乙烷、甲烷（标准沸点-162）。 优点：能耗低，循环中采用的制冷剂除乙烯外可取自液化的
8、天然气，各制冷循环与天然气液化系统各自独立，操作稳定。 缺点：流程至少要有三台独立的压缩机组，需要贮存制冷剂的设备，管道及控制复杂，维护不便。,18,世界上第一座大型基本负荷型天然气液化装置(CAMEL),19,2.1.3 混合制冷剂循环液化流程,混合制冷剂循环（MRC）是采用N2和C1-C5烃类混合物作为循环制冷剂的工艺。实现了在连续的温度下提供冷量，只需一台混合制冷剂压缩机，避免了级联式液化流程机械设备复杂的缺点。配比良好的混合制冷剂可以保证换热器的冷却曲线与加热曲线之间维持较小的温差(23)，减少热力学不可逆性，增大换热效率。 混合制冷剂液化流程具有流程简单、工艺控制容易、投资少等优点，
9、有着较好的发展前景，70年代以后建立的调峰型LNG装置中有60采用了混合制冷剂液化流程。为了提高循环的热力学效率，在一些大型的液化装置中采用丙烷预冷式混合制冷剂循环。,20,制冷剂与液化过程中的天然气的温度变化曲线,21,利比亚伊索工厂天然气液化装置流程,22,PRICO流程,除了上述APCI的MRC流程之外，由Black & Veatch开发的 PRICO流程也是无预冷的单级混合制冷剂流程的典型代表。但制冷剂在多个压力级别下工作，提供不同温度范围的冷量。,23,丙烷预冷的混合制冷剂制冷循环工艺,APCI的C3/MR流程成为经典,24,带丙烷预冷的混合冷剂循环天然气冷却曲线,25,文莱丙烷预冷
10、混合制冷剂液化流程,26,双级混合制冷剂循环工艺流程,27,混合流体级联式流程,Linde/ Statoil,28,Linde的螺旋绕管式换热器,29,2.1.4 膨胀机液化流程,膨胀机液化流程是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机等熵膨胀的克劳特循环制冷实现天然气液化的流程。 氮膨胀液化流程有四个重要优点：（1）启动快，热态启动12小时即可获得满负荷产品；（2）制冷剂采用单组分气体，为不同组分的原料气操作提供了灵活性；（3）操作安全，放空不会引起火灾或爆炸危险。（4）氮膨胀循环流程简化、设备紧凑、造价低。但能耗比混合制冷剂高40左右。 天然气膨胀液化流程是指直接利用高压天然气在膨胀机中等熵膨胀到输
11、出管道压力而使天然气液化的流程。这种流程的最突出优点是它的动力消耗少，只需对待液化的那部分天然气脱除杂质，因而预处理的天然气量可大为减少（约占气量的2035）。但制冷循环不能获得象氮循环那样低的温度，循环气量大，液化率低。膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大，对系统的安全性要求较高。 氮-甲烷膨胀机循环流程：以上两者的折中,30,天然气膨胀机液化流程,31,氮气膨胀机液化流程,32,氮-甲烷膨胀液化流程,33,天然气液化流程能耗比较,34,用膨胀机改进混合制冷剂循环,AP-X流程与C3/MRC流程的主要区别，即最低温度段（过冷段）的负荷改由氮气膨胀制冷机循环承担,35,C3/MRC
12、流程与AP-X流程的对比,36,2.1.5 天然气液化工艺的发展趋势 1)大型基本负荷型天然气液化装置,(1)装置大型化趋势明显。大型化可降低流程单位能耗，也可减少单位产量的投资成本。目前建设的装置生产能力一般在35Mt/a，并有进一步扩大的趋势。 (2)在流程选择方面，APCI的C3/MRC流程占据了绝对的优势。,37,2)调峰型天然气液化装置,(1)调峰型液化装置的规模根据需要确定，一般较小，但与液化能力相比储存能力和气化能力相对较大。典型的调峰型LNG工厂的液化能力为100000200000Nm3/d，制冷动力大约为15007000kW，贮存容量为25000100000m3。 (2)调峰
13、型液化装置对设备开停灵活性要求很高，一般并不追求单位能耗达到最低。 (3)调峰型液化装置可供选择的流程较多，没有明显占据优势的流程，比较确定的是级联式流程已基本上不再采用。,38,3)中小型基本负荷型天然气液化装置,(1)中小型与大型基本负荷型天然气液化装置之间并无严格界定，在现今大型装置生产能力一般在35Mt/a的背景下，可将1Mt/a以下的装置列为中小型。小型装置通常指处理气量100,000m3/d以下的装置。 (2)与大型装置一样，中小型基本负荷型天然气液化装置一般连续稳定运行；但与调峰型液化装置类似，对设备简单性、灵活性要求较高，虽注重单位能耗指标，但不一定将其列为最重要指标。 (3)
14、中小型基本负荷型天然气液化装置可供选择的流程较多，但级联式流程已采用得较少。相对来说，PRICO流程在这中型装置中采用得较为广泛。,39,2.2 LNG储运 2.2.1 LNG储存,日本接收终端及大型储槽,40,世界最大的LNG接收终端,41,小型LNG储罐,立式LNG储罐工艺流程图,42,子母型LNG储罐,620m3/0.2MPa LNG子母罐结构示意图,43,2.2.2 LNG运输 1）LNG运输槽车-27m3,1-牵引车；2-外筒安全装置；3-外筒；4-绝热层 真空纤维；5-内筒；6-操作箱；7-仪表、阀门及管路系统；8-THT9360型分体式半挂车底架,44,LNG槽车-40m3,45
15、,LNG罐式集装箱,专用LNG低温液体罐式集装箱（张家港圣达因） 绝热方法：高真空多层缠绕绝热 规 格：20英尺、40英尺、43英尺 有效容积：14.5m3-40m3 工作压力：0.7M Pa 通过CCS认证，可根据用户需要取得国际船级社的认证以满足国际海运要求,46,LNG船主要有 （1）独立球型（MOSS）； （2）SPB型船； （3）薄膜型（Membrane）。 薄膜型LNG船是法国GTT公司的技术 SPB型LNG船是石川岛播磨重工业的技术,LNG运输船,47,LNG运输船,48,液化天然气运输船-薄膜型,GTT NO.96型LNG船,49,液化天然气运输船-薄膜型,GTT NO 96型
16、LNG运输船储槽结构示意图,50,液化天然气运输船-MOSS型,MOSS型(球型)LNG船,51,液化天然气运输船-SPB型,中国建造LNG船,2008年4月3日，由招商局集团、中远集团和澳大利亚液化天然气有限公司等投资方共同投资，沪东中华造船（集团）有限公司承建的中国首制LNG船舶“大鹏昊”命名暨交付仪式在上海沪东中华造船（集团）有限公司隆重举行。这是中国建造的首艘LNG船。 “大鹏昊”采用法国GTT专利技术NO96型，船长292米，船宽43.35米，吃水11.45米，设计航速19.5节，载货6.5万吨，货舱舱容为14.7万立方米，服务航速19.5节，27300千瓦推进功率，采用可同时燃烧燃
17、油和天然气的双燃料锅炉和蒸汽透平系统。 2010年2月7日，沪东中华造船（集团）有限公司与上海液化天然气海运有限公司的液化天然气（LNG）船建造项目签约仪式在京举行。这是沪东中华继成功建造首批5艘LNG船后，承接到的第6艘同型LNG船。,54,2.5 LNG气化站,建成和在建项目,55,2.3 LNG气化与冷量利用 2.3.1 LNG气化,设计能力为12万Nm3/d,山东淄博设计气化能力为12万Nm3/d,56,姜堰LNG气化站,建设时间：2002.2 投产时间：2002.7 设计规模：6900 Nm3/d 现期使用气源：中原油田LNG,57,余姚LNG气化站,建设时间：2002.4 投产时间
18、：2002.10 设计规模：12600 Nm3/d 现期使用气源：中原油田LNG,58,九江LNG气化站,建设时间：2002.11 投产时间：2003.5 设计规模：11500 Nm3/d 现期使用气源：中原油田LNG,59,沭阳LNG气化站,建设时间：2003.2 投产时间：2003.7 设计规模：11465 Nm3/d 现期使用气源：中原油田LNG,60,LNG气化工艺,液化天然气气化站工艺大致分为两种：一种是蒸发气体（BOG）再液化工艺；另一种是BOG直接压缩工艺。,61,气化器,LNG气化器是一种专门用于液化天然气气化的换热器，但由于液化天然气的使用特殊性，使LNG气化器也颇具特色。低
19、温的液态天然气要转变成常温的气体，必须要提供相应的热量使其气化。热量的来源可以从环境空气和水中获得，也可以通过燃料燃烧或蒸气来加热LNG。 对于基本负荷型系统使用的气化器，使用率高（通常在80%以上），气化量大。首先考虑的应该是设备的运行成本，最好是利用廉价的低品位热源，如从环境空气或水中获取热量，以降低运行费用。以空气或水作热源的气化器，结构最简单，几乎没有运转部件，运行和维护的费用很低，比较适合于基本负荷型的系统。 对于调峰型系统使用的气化器，是为了补充用气高峰时供气量不足的装置，其工作特点是使用率低，工作时间是随机性的。应用于调峰系统的气化器，要求启动速度快，气化速率高，维护简单，可靠性
20、高，具有紧急启动的功能。由于使用率相对较低，因此要求设备初投资尽可能低，而对运行费用则不大苛求。,62,空气加热型气化器,空气加热型气化器大多数是翅片管型或其它伸展体表面的换热器。因为空气加热的能量比较小，一般用于气化量比较小的场合，在LNG工业中的应用受到一定的限制。空气加热型气化器的另一缺点是受环境条件的影响太大，如温度和湿度的影响。另外，它们的气化能力还受当地的最低温度和最高湿度的影响。因为结冰过多会减少有效的传热面积和堵塞空气的流动。空气加热型气化器的上限一般在标准状况下是1400m3/h。由于没有燃料的消耗，所以结构简单，运行费用低。但单位容量的投入费用势必较高的，而最大气化能力是比
21、较低的。,63,水加热型气化器,用水作热源的LNG气化器应用很广，特别是用海水作为热源，因为很多LNG生产装置和接受装置都是靠海建设，海水温度比较稳定，热容量大，是取之不尽的热源。开架式气化器(Open Rack Vaporizer, ORV)就是以海水作热源的气化器。用于基本负荷型的大型气化装置，最大天然气流量可达180t/h。气化器可以在0%100%的负荷范围内运行。可以根据需求的变化遥控调整气化量。通常气化器的进口水温的下限大约为5。,64,ORV气化器工作原理,整个气化器用铝合金支架固定安装。气化器的基本单元是传热管，由若干传热管组成板状排列，两端与集气管或集液管焊接形成一个管板，再由
22、若干个管板组成气化器。气化器顶部有海水的喷淋装置，海水喷淋在管板外表面上，依靠重力的作用自上而下流动。液化天然气在管内向上流动，在海水沿管板向下流动的过程中，LNG被加热气化。这种气化器也称之为“液膜下落式气化器（falling film）”。虽然水的流动是不停止的，但这种类型的气化器工作时，有些部位可能结冰，使传热系数有所降低。,65,具有中间传热流体的气化器,采用中间传热流体的方法可以改善结冰带来的影响，通常采用丙烷、丁烷或氟利昂等介质作中间传热流体。实际使用的气化器的传热过程是由两级换热组成：第一级是由LNG和丙烷进行热交换，第二级是丙烷和海水进行热交换。这样加热介质不存在结冰的问题。由
23、于水在管内流动，因此可以利用废热产生的热水。换热管采用钛合金管，不会产生腐蚀，对海水的质量要求也没有过多的限制。这种气化器已经广泛应用在基本负荷型的LNG气化系统，最大天然气流量达150t/h。,66,燃烧加热型气化器,在燃烧加热型气化器中，浸没式燃烧加热型气化器是使用最多的一种。结构紧凑，节省空间，装置的初始成本低。它使用了一个直接向水中排出燃气的燃烧器，由于燃气与水直接接触，燃气激烈地搅动水，使传热效率非常高。水沿着气化器的管路向上流动，LNG在管路中气化，气化装置的热效率在98%左右。每个燃烧器每小时105GJ的加热能力，适合于负荷突然增加的要求，可快速启动，并且能对负荷的突然变化作出反
24、应。可以在10%100%的负荷范围内运行，适合于紧急情况或调峰时使用。运用气体提升的原理，可以在传热管外部获得激烈的循环水流，管外的传热系数可以达到58008000W/m2.K。,67,2.3.2 LNG冷能利用,LNG冷能利用技术总图,1）LNG冷量用于空气液化和分离系统,69,日本的Hitachi 空分厂,70,墨西哥的Monclova 空分厂,71,日本空气液化和分离工厂图例,72,日本几个接收基地的空气分离装置的主要技术指标,中国第一套LNG冷能利用装置调试成功,2010年7月29日，福建LNG公司LNG冷能利用空分项目调试成功，标志着中国第一套LNG冷能利用装置进入试运行。 设计理念
25、是利用LNG的冷能和少量电能使空气低温液化分离，以制造液氮、液氧和液氩等工业气体产品。项目日产液氮、液氧和液氩等产品600余吨，其生产比常规生产法节能50、节水70以上，节能减排效应明显。,73,74,2）LNG冷能用于发电,发电方案（1）直接膨胀法（2）二次媒体法（中间载热体的朗肯循环）（3）联合法（4）混合媒体法（5）布雷敦循环（气体动力循环）（6）燃气轮机利用方式,Futtsu电厂TOPCO(东京电力公司)第一个联合循环发电厂,1520MW 联合循环发电,印度玻多黎各EcoElectrica电厂 (由美国安然公司投资）,507MW联合法发电,日本Yokohama CCGT 电厂,2,80
26、0MW 联合循环发电,2800MW 联合循环发电,78,澳大利亚西北部的LNG电厂,大阪煤气公司的天然气冷能利用发电总图,79,大阪煤气公司的LNG接收站利用冷量 发电的不同方案列表,利用LNG冷能的准零CO2排放燃气轮机发电循环系统,中科院张娜等提出利用LNG冷能的准零CO2排放燃气轮机发电循环系统,80,ASU空分装置 B燃烧器 G发电机 HE换热器 LC/HC低/高压压缩机 LT/HT低压/高压透平机 Pc液态CO2泵 PLLNG泵 S水分离器,LNG冷能用于CO2跨临界朗肯循环和CO2液化回收,Lin WS, Huang MB, He HM, Gu AZ. A transcritica
27、l CO2 Rankine Cycle with LNG cold energy utilization and liquefaction of CO2 in gas turbine exhaust. Journal of Energy Resources Technology-Transactions of the ASME, 2009,131(4),81,82,3）LNG冷量用于液化CO2和制取干冰,83,4）LNG冷量回收用于冷库,84,利用LNG冷能进行食品冷冻储存,85,5）间接利用LNG冷能的 低温粉碎工厂,6）间接利用LNG冷能淡化海水,海水部分结冰时，可以有约80%盐分被排除在
28、冰晶之外 直接法与间接法,86,LNG冷能海水淡化项目,本课题组获上海市重点科技攻关专项“利用液化天然气冷能的海水淡化技术与装置的研究开发”资助,87,LNG冷能海水淡化论文,Lin WS, Huang MB, Shen QQ, Gu AZ. Comparison of seawater desalination methods with LNG cold energy utilization. In: Proceedings of the 9th International Conference on Sustainable Energy technologies, 2010, Shangh
29、ai, China: Paper No. RE-113 Shen QQ, Lin WS, Gu AZ. Analysis of direct contact heat transfer in desalination system utilizing LNG cold energy. In: Proceedings of the 9th International Conference on Sustainable Energy technologies, 2010, Shanghai, China: Paper No. RE-114,88,89,中国拥有丰富的天然气资源量，据估计，最终资源量
30、达55.16万亿m3。2006年天然年产量为586亿m3。在原油缺口比较大的情况下，应尽量使用天然气。若按天然气年产量2000亿m3计算，开采100年仅为20万亿m3。 2006年中国天然气剩余探明储量2.45万亿立方米（占世界总量1.35%），储采比41.8；2006年中国石油剩余探明储量22亿吨（占世界总量1.34%），储采比12.1,3 LNG在中国,90,中国主要LNG项目,上海：LNG事故调峰液化站(中国第一座工业化LNG液化厂) 处理天然气量100,000m3/d 河南：中原油田LNG液化厂(中国第一座商业运行LNG液化厂) 处理天然气量150,000m3/d 新疆：广汇一期LNG
31、液化厂(中国目前最大的LNG液化厂) 处理天然气量1,500,000m3/d 海南、广西北海也已建成LNG液化厂 内蒙古鄂尔多斯、四川达州、广东珠海等正在建设LNG液化厂 内蒙古、四川处理天然气量1,000,000m3/d（产LNG约200,000t/a） 广东深圳LNG接收终端(中国第一座LNG接收终端) 接收LNG3,000,000t/a。2006年6月，第一船LNG已由澳大利亚运抵深圳大鹏湾。 福建莆田、上海洋山LNG接收终端分别于2008和2009年建成投产 浙江、江苏、山东、辽宁等地拟建LNG接收终端 更多,91,上海天然气液化调峰装置,该装置采用了由法国燃气公司(Gaz de Fr
32、ance)开发的CII流程。,92,上海LNG液化站,93,中原绿能天然气液化装置,94,中原油田LNG液化站,95,新疆广汇天然气液化装置,新疆广汇建成了迄今国内最大规模的天然气液化装置。设计液化能力为1500000 Nm3/d天然气。采用了林德提供的混合制冷剂循环工艺流程,96,深圳LNG接收终端,地址：深圳市大鹏湾内的秤头角镇。 工程总体项目： LNG接收站； 输气干线项目；配套新建电厂建设，旧电厂改造；城市管网建设，其供气范围覆盖珠江三角洲和香港地区。 用途：该接收终端引进的LNG，预计70%以上用于工业和发电；其余作民用燃气。 资源供应方：澳大利亚，年提供300万t的LNG，期限为2
33、5年。,97,福建接收终端,地址：福建省莆田市秀屿港 。 工程项目：一期工程包括接收站及输气干线、三个燃气电厂和福州、莆田、泉州、厦门、漳州5城市燃气项目，年接收能力为260万吨LNG 。 资源供应方：印尼东固气田，总规模500万吨年。,上海LNG接收站,项目区域位置图 Regional location,100,LNG终端建设计划,珠海接收终端：总规模为900万吨年 ，主要为珠江三角洲西岸的部分电厂和城市工业与民用提供可靠的燃料 。 浙江宁波接收终端：总规模为900万吨年 ，项目由接收站、码头、输气干线及液化天然气电厂组成。 山东青岛接收终端：处理能力为300万吨/年。 ,101,本章阅读材料,1. 顾安忠等. 液化天然气技术. 北京：机械工业出版社，2004 2. Lin WS, Zhang N, Gu AZ. LNG (liquefied natural gas): A necessary part in Chinas future energy infrastructure. Energy, 2010,35(11):4383-4391(Special Issue: Energy and Its Sustainable Development for China),Thank YOU！,102,
