劉名瑞，陳天佐

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LNG接收站及其工藝發(fā)展現(xiàn)狀

劉名瑞，陳天佐

（中國(guó)石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源在國(guó)際能源貿(mào)易中占有重要地位，而接收站是LNG的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于促進(jìn)LNG貿(mào)易具有關(guān)鍵作用?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外LNG接收站發(fā)展及現(xiàn)狀，比較LNG接收站的兩種主要處理工藝及流程，分析現(xiàn)有LNG接收站工藝中能耗偏高、操作困難等問(wèn)題及相關(guān)優(yōu)化方案，并對(duì)我國(guó)LNG接收站技術(shù)研究中需要關(guān)注的幾個(gè)方面提出建議。

液化天然氣；LNG接收站；工藝流程; 工藝優(yōu)化

液化天然氣（LNG）是對(duì)從油氣田開采出來(lái)的天然氣采用一系列凈化工藝處理，如去雜、脫水、脫重?zé)N、脫酸性氣體等，再通過(guò)外部制冷等手段將其液化而成。這種天然的可燃?xì)怏w主要成分是甲烷，在-162 ℃下可轉(zhuǎn)化成為液態(tài)，體積減小600倍。液化天然氣的熱值高，在工業(yè)和民用領(lǐng)域是優(yōu)質(zhì)的燃料；儲(chǔ)存效率低，但是占地少；相對(duì)于氣態(tài)，其儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本較低，且適宜遠(yuǎn)距離運(yùn)輸；具有燃?xì)庹{(diào)峰站的作用，有利于城市供氣負(fù)荷的平衡調(diào)節(jié)[1,2]。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在2010年，LNG的交易量在世界天然交易市場(chǎng)上的比重已達(dá)到30 %，預(yù)計(jì)到2020年其比重可增至40 %，約為天然氣消費(fèi)量的15 %。而天然氣的消費(fèi)量將以年2%~3%的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)[3]。

1 國(guó)外LNG工業(yè)的發(fā)展概述

1914年美國(guó)克利夫蘭市建造了世界上第一個(gè)商業(yè)運(yùn)營(yíng)的液化天然氣工廠,從此天然氣液化技術(shù)迅速發(fā)展，裝置規(guī)模也在逐步擴(kuò)大。1959年美國(guó)搭建了世界上第一個(gè)LNG儲(chǔ)罐，促使LNG接收站工藝陸續(xù)開發(fā)和進(jìn)步。經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，液化天然氣接收站的全面建設(shè)使得LNG供給國(guó)際化[4]。從國(guó)家能源戰(zhàn)略角度來(lái)看，進(jìn)口LNG有助于能源消費(fèi)國(guó)穩(wěn)定能源供應(yīng)、保障能源安全、實(shí)現(xiàn)供應(yīng)結(jié)構(gòu)多元化、保護(hù)環(huán)境；而出口LNG有助于天然氣生產(chǎn)國(guó)充分開發(fā)天然氣資源、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、增加外匯收入，液化天然氣貿(mào)易在世界能源市場(chǎng)上日漸活躍[5]。因此，世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都在積極開展液化天然氣工業(yè)的建設(shè)。

1964年全球第一座LNG工廠在阿爾及利亞建成并投入生產(chǎn)，將產(chǎn)出的液化天然氣出口至法國(guó)和英國(guó)，標(biāo)志著世界LNG貿(mào)易的開始。亞洲LNG的商業(yè)運(yùn)作始于日本，1968年，東京燃?xì)夤竞蜄|京電力公司率先從美國(guó)阿拉斯加進(jìn)口液化天然氣。1970年非洲在利比亞建成第一個(gè)LNG工廠，主要的出口地區(qū)是西班牙、意大利等歐洲市場(chǎng)。1972年文萊成為亞洲第一個(gè)液化天然氣生產(chǎn)國(guó)，其生產(chǎn)的液化天然氣主要出口國(guó)是日本。

表1為截止至2013年6月，全球的LNG接收站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出日本是擁有接收站最多的國(guó)家，共擁有30個(gè)接收站，其次是美國(guó)。從修建時(shí)間上看，1990年以后接收站數(shù)量增速最快，而且很多新興國(guó)家也加入進(jìn)口LNG的行列，比如中國(guó)和印度。

表1 LNG接收站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從LNG供應(yīng)來(lái)看，印度尼西亞、卡塔爾等國(guó)家的液化天然氣供應(yīng)量占全球總量的50 %，對(duì)外出口至少還能維持20 a。另一方面，據(jù)調(diào)查世界上約70 %的天然氣儲(chǔ)于俄羅斯的西伯利亞西部和中東波斯灣地區(qū)，因此在全球范圍內(nèi)天然氣供應(yīng)增長(zhǎng)較快的地區(qū)主要是中東國(guó)家和俄羅斯[6]。2006年卡塔爾已經(jīng)超越印度尼西亞成為世界上最大的LNG出口國(guó)，主導(dǎo)著中東地區(qū)的LNG供應(yīng)；預(yù)計(jì)到2018年，澳大利亞有望取代卡塔爾，在亞太地區(qū)的LNG供應(yīng)中發(fā)揮很大的作用。未來(lái)10～15 a，液化天然氣的生產(chǎn)和出口國(guó)家和地區(qū)將不斷增加。例如特立尼達(dá)和多巴哥、尼日利亞、埃及、卡塔爾和澳大利亞都將擴(kuò)大LNG出口。

從LNG需求來(lái)看，2011年在全球天然氣消費(fèi)增長(zhǎng)普遍緩慢的背景下，天然氣貿(mào)易的增長(zhǎng)速度明顯放緩，而液化天然氣貿(mào)易量卻增長(zhǎng)顯著，漲幅為10.1 %，在全球天然氣市場(chǎng)的份額達(dá)到32.3 %。日本作為最大的液化天然氣進(jìn)口國(guó)， 其進(jìn)口量占全球總量的40 %。由于頁(yè)巖氣大規(guī)模開發(fā)生產(chǎn),美國(guó)將可能成為L(zhǎng)NG最大凈出口國(guó)；而中國(guó)、印度等新興的液化天然氣消費(fèi)市場(chǎng)將成為亞太地區(qū)新的LNG需求主力。此外， LNG供應(yīng)國(guó)自身的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略促使其自身的需求量不斷快速增加。

2 我國(guó)LNG接收站的發(fā)展情況

我國(guó)國(guó)內(nèi)天然氣資源有限，天然氣的需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我國(guó)現(xiàn)有天然氣的產(chǎn)量，并且隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)和能源供應(yīng)的緊張，天然氣的供需缺口越來(lái)越大。引進(jìn)LNG已經(jīng)成為我國(guó)解決能源供應(yīng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略和有效途徑。

我國(guó)對(duì)于液化天然氣的研究起步較晚，1973年中科院低溫中心聯(lián)合幾家天然氣公司共同研制了兩臺(tái)天然氣液化設(shè)備，標(biāo)志著我國(guó)液化天然氣技術(shù)應(yīng)用的開始。

20世紀(jì)90年代中期，為了開發(fā)和利用陜北氣田的邊緣單井，長(zhǎng)慶石油勘探局建造了一座示范性液化天然氣工廠；20世紀(jì)90年代末，上海建立了我國(guó)第一座液化天然氣事故調(diào)峰站，以便于對(duì)東海天然氣早期的開發(fā)和利用[7]。

2001年，中原油田成功搭建了我國(guó)第一座具有生產(chǎn)能力的小型天然氣液化裝置以滿足城市生活和生產(chǎn)能源供給的需求，這標(biāo)志我國(guó)邁出了液化天然氣生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。2002年新疆廣匯集團(tuán)開始投資建設(shè)LNG項(xiàng)目，在新疆建設(shè)一座百萬(wàn)級(jí)的液化天然氣工廠，通過(guò)槽車將其生產(chǎn)的液化天然氣運(yùn)送到各地，支援國(guó)家“西氣東輸”主干管網(wǎng)以外的其他地區(qū)。該LNG工程目前是我國(guó)最大的液化天然氣生產(chǎn)基地。2004年6月，國(guó)家發(fā)改委制定了《關(guān)于我國(guó)液化天然氣進(jìn)口方案的建議》，提出在廣東，福建，山東，浙江，上海，江蘇等沿海地區(qū)建設(shè)若干LNG接收碼頭和輸氣干線[6]。2006年6月，廣東大鵬LNG 項(xiàng)目作為中國(guó)首個(gè)LNG項(xiàng)目啟動(dòng)，我國(guó)進(jìn)口液化天然貿(mào)易也從此開始。在隨后的幾年里，我國(guó)沿海地區(qū)先后建起LNG接收站，以提高我國(guó)對(duì)LNG的進(jìn)口和輸送能力，實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源供應(yīng)的多元化。

表2所示為中國(guó)已投用、建設(shè)中和認(rèn)證中的LNG接收站情況。由此可見，我國(guó)LNG工業(yè)已形成了一定規(guī)模。隨著液化天然氣接收終端工程的全面建設(shè)，中國(guó)液化天然氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的時(shí)期，接收終端在沿海地區(qū)正在快速?gòu)?qiáng)勁發(fā)展，潛力大，進(jìn)步快。但是在技術(shù)層面上，我國(guó)的LNG工藝仍然主要依賴于國(guó)外的技術(shù)，國(guó)內(nèi)在LNG的專用設(shè)計(jì)、施工安裝、運(yùn)行管理等方面仍欠成熟。

3 LNG接收站工藝

LNG接收站是一項(xiàng)投資十分巨大、上下游各環(huán)節(jié)聯(lián)系十分緊密的鏈狀系統(tǒng)工程[8]。LNG接收站工程主要包括LNG卸船、儲(chǔ)罐、氣化外輸系統(tǒng)、冷能利用裝置和其他配套設(shè)備。LNG接收站類型按工藝劃分有兩種：再冷凝工藝和直接輸出工藝。再冷凝工藝是先將蒸發(fā)氣（BOG）壓縮到一定的較低壓力后輸送至再冷凝器，LNG從儲(chǔ)罐中加壓后也進(jìn)入再冷凝器中進(jìn)行循環(huán)。利用LNG增壓后的過(guò)冷量，使蒸發(fā)氣再冷凝，冷凝后的LNG與直接從儲(chǔ)罐中輸出的LNG經(jīng)高壓輸送泵加壓后，經(jīng)氣化器氣化后外輸。直接輸出工藝是用壓縮機(jī)將接收站內(nèi)的蒸發(fā)氣直接增加至外輸壓力，與氣化后的NG混合后外輸。由于外輸管道氣體壓力均較高(外輸管道設(shè)計(jì)壓力達(dá)10.0 MPa)，且接收站蒸發(fā)氣量較大，尤其卸船時(shí)將產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣，由此所需BOG壓縮機(jī)功率較大，能耗高。相比于液體，對(duì)氣體加壓需要消耗的能量更多，工藝也更加復(fù)雜，因此大部分接收站向高壓管網(wǎng)輸送時(shí)都采用BOG再冷凝工藝。該工藝的核心是增加了再冷凝器，它為BOG與LNG接觸進(jìn)行熱交換提供了足夠的空間，以確保足夠的接觸時(shí)間來(lái)利用加壓后LNG的過(guò)冷量能將全部BOG液化，另外它還可以作為液體高壓泵入口的緩沖罐，保持高壓泵入口壓力穩(wěn)定，防止汽蝕。

表2 中國(guó)已投用、建設(shè)中和認(rèn)證中的LNG接收站

4 LNG接收站工藝存在的問(wèn)題

目前，LNG工藝最主要的問(wèn)題仍是LNG在運(yùn)輸和儲(chǔ)罐存儲(chǔ)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的BOG，如何將這些BOG轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)NG是現(xiàn)有兩種基本工藝的核心。首先，從耗能的角度來(lái)看，若是BOG直接壓縮工藝，氣體壓縮的能耗較大，對(duì)設(shè)備的損耗也很大；若是BOG再冷凝工藝，雖然耗能會(huì)降低，但是再冷凝器中LNG的液位隨著LNG在外輸用量的變化而存在波動(dòng)，液位難控制影響整個(gè)工藝流程。再冷凝器的液位高時(shí)，會(huì)使LNG進(jìn)入NG系統(tǒng)；液位低時(shí)有可能致使高壓泵抽空。

其次，從BOG 的利用角度來(lái)看，在不同工況下BOG產(chǎn)生量差別也很大。天然氣下游用戶的用氣量波動(dòng)與季節(jié)及時(shí)段變化密切相關(guān)，這就使得LNG再冷凝接收站的操作負(fù)荷點(diǎn)波動(dòng)頻繁且波動(dòng)幅度大。當(dāng)LNG外輸量低時(shí)，產(chǎn)生的BOG增加，再冷凝器中用來(lái)冷凝BOG的冷量不足，此時(shí)就需要對(duì)再冷凝器進(jìn)行加壓來(lái)提高LNG的過(guò)冷度，造成系統(tǒng)能耗的增加。但是當(dāng)設(shè)備達(dá)到承壓極限時(shí)，未被液化的BOG只能通過(guò)外排燃燒掉，造成資源浪費(fèi)。

另外，從LNG工藝系統(tǒng)的操作來(lái)看，天然氣下游輸氣消耗量的波動(dòng)幅度過(guò)大或波動(dòng)頻繁時(shí)，操作控制困難以及靈敏度不高。工藝參數(shù)能否滿足為再冷凝系統(tǒng)的自動(dòng)化控制提供有效而穩(wěn)定的控制是工藝控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。而且控制系統(tǒng)的靈活性以及響應(yīng)速度也會(huì)影響整個(gè)工藝流程。

5 LNG接收站工藝優(yōu)化

2009年，楊志國(guó)等[9]針對(duì)再冷凝器中的液位和壓力難控制的問(wèn)題，對(duì)LNG接收站再冷凝工藝優(yōu)化條件進(jìn)行了研究并對(duì)壓縮機(jī)部分進(jìn)行了工藝優(yōu)化。先通過(guò)對(duì)BOG熱交換預(yù)冷隨后再增壓，使BOG進(jìn)入再冷凝器的溫度降低來(lái)減少冷凝BOG所需要LNG的冷量，從而實(shí)現(xiàn)降低壓比的目的。優(yōu)化后整個(gè)再冷凝工藝的能量消耗降低了32.5%。2010年華南理工大學(xué)發(fā)明了一種可以利用加壓后LNG的冷量循環(huán)，用于蒸發(fā)氣冷凝回收的天然氣接收站工藝，并配備了相應(yīng)的回收方法[10]。在該工藝中，再冷凝器分為垂直冷凝塔以及高壓泵緩沖槽兩個(gè)部分，并且BOG先通過(guò)預(yù)冷換熱器冷卻降溫,而后再在再冷凝器中進(jìn)行液化。該設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了降低能耗，而且使接收站對(duì)輸氣負(fù)荷波動(dòng)具有了良好的適應(yīng)性。操作控制系統(tǒng)簡(jiǎn)便而且穩(wěn)定。

另一方面可通過(guò)優(yōu)化LNG接收站再冷凝器設(shè)計(jì)提高接收站性能。魯珊等[11]從再冷凝器的構(gòu)造和控制原理分析比較了江蘇LNG接收站和KOGAS公司采用的兩種再冷凝器。前者采用的是目前普遍使用的再冷凝器，壓力及液位的控制主要通過(guò)旁路壓力控制閥，同時(shí)由BOG壓縮機(jī)的負(fù)荷、再冷凝器的補(bǔ)氣閥和放空閥輔助控制綜合實(shí)現(xiàn)。而KOGAS公司采用的再冷凝器是雙殼雙罐設(shè)計(jì)，通過(guò)BOG進(jìn)入再冷凝器的環(huán)隙空間來(lái)控制壓力，并通過(guò)調(diào)節(jié)LNG進(jìn)入再冷凝器的量來(lái)控制液位。后者在控制方面比較有優(yōu)勢(shì)，但前者的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，成本低。

針對(duì)現(xiàn)有LNG接收站工藝中BOG的再液化耗能較大，且當(dāng)用氣負(fù)荷波動(dòng)過(guò)大時(shí)，工藝操作和控制困難等問(wèn)題，李亞軍等[12]在保持原有冷凝器結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)再冷凝的控制系統(tǒng)的優(yōu)化，通過(guò)軟件程序節(jié)省優(yōu)化成本。優(yōu)化的控制系統(tǒng)能夠避免液位變化對(duì)再冷凝器增加的BOG壓縮機(jī)虛功，使得壓縮機(jī)功耗降低24 %。

2011年中國(guó)寰球工程公司公開了一種包括LNG卸船、儲(chǔ)存、加壓及氣化外輸、BOG冷凝和LNG裝車、裝船等的全系統(tǒng)液化天然氣接收站[13]，用以提高LNG接收站的運(yùn)行范圍和適應(yīng)能力。另外，該公司還發(fā)明了一種循環(huán)系統(tǒng)[14]，采用液氮對(duì)從BOG壓縮機(jī)出來(lái)的BOG進(jìn)行液化回收，實(shí)現(xiàn)BOG的零排放。2012年廣東寰球廣業(yè)工程有限公司發(fā)明了一種適用于中低壓輸出的接收站工藝[15]。

在LNG儲(chǔ)罐中增加若干高壓泵井，在泵井中安裝高壓泵，直接將液化天然氣從儲(chǔ)罐泵井中加壓泵出，氣化后直接通往天然氣中壓管網(wǎng)。該過(guò)程中產(chǎn)生的BOG通過(guò)壓縮機(jī)加壓后輸送至低壓管網(wǎng)。該發(fā)明通過(guò)儲(chǔ)罐內(nèi)的泵井實(shí)現(xiàn)了高壓泵入口壓力的穩(wěn)定、解決了高壓泵汽蝕的問(wèn)題。另外，取消了再冷凝器，簡(jiǎn)化了工藝流程，從設(shè)備、控制、投資等方面實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、操作簡(jiǎn)單的目的。

2013年，日本株式會(huì)社IHI公司發(fā)明了一種LNG氣化設(shè)備[16]，用氮對(duì)LNG進(jìn)行熱交換實(shí)現(xiàn)氣化，交換后的氮仍具有冷量可重復(fù)用于降低BOG的生成量。該設(shè)計(jì)使用一系列的方案將LNG的冷量用于儲(chǔ)罐中抑制BOG的生成，而升溫后的LNG同樣可用于氣化設(shè)備。該工藝還可用于LNG儲(chǔ)罐被設(shè)置在不能夠利用海水進(jìn)行氣化的內(nèi)陸上的情況。

6 結(jié)語(yǔ)及建議

LNG是一種便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)那鍧嵞茉矗澜绺鲊?guó)都在大力發(fā)展LNG工業(yè)。它不僅可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，緩解能源短缺的問(wèn)題，還可以促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。國(guó)外的液化天然氣工業(yè)已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，而現(xiàn)階段我國(guó)的接收站工藝仍主要依靠國(guó)外的先進(jìn)工藝作為技術(shù)支持，但是也在短時(shí)期內(nèi)取得了蓬勃的發(fā)展并且發(fā)展?jié)摿薮蟆檫m應(yīng)我國(guó)LNG工業(yè)高速發(fā)展的需要，應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的研究：

（1）制定和頒發(fā)我國(guó)統(tǒng)一的LNG設(shè)計(jì)、施工規(guī)范，便于監(jiān)管LNG工程建設(shè)的各項(xiàng)安全指標(biāo)。目前我國(guó)沒(méi)有LNG專用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，各企業(yè)制定的相關(guān)建設(shè)運(yùn)行體系多數(shù)優(yōu)先考慮為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）合理的規(guī)劃和建設(shè)LNG接收站。接收站的合理分布以及天然氣發(fā)電廠等配套項(xiàng)目的建設(shè)和LNG冷能利用工程的建設(shè)，不僅可以避免電氣分配不均等問(wèn)題,而且還可以避免投資浪費(fèi)。

（3）加強(qiáng)LNG接受終端的工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化能力。研究人員應(yīng)大力提高LNG各類型接收站的設(shè)計(jì)能力，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的接受終端工藝流程，在保證接收站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)，帶動(dòng)LNG相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保障我國(guó)國(guó)內(nèi)能源供應(yīng)的需求。

（4）強(qiáng)化對(duì)LNG相關(guān)設(shè)備及其結(jié)構(gòu)、材料、儀表等的開發(fā)和優(yōu)化，以降低生產(chǎn)成本。目前，我國(guó)在設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域仍和國(guó)外有一定差距，國(guó)內(nèi) LNG項(xiàng)目中所用的設(shè)備及材料多數(shù)采用國(guó)外進(jìn)口，如能自主研制安全可靠的材料及設(shè)備，可大大降低建設(shè)成本。

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［15］陳強(qiáng)，劉書華，李雁軍，等. LNG接收站的儲(chǔ)存和氣化工程輸出系統(tǒng)及方法:CN,102913753[P]. 2013-02-06.

［16］山中裕介. LNG氣化設(shè)備:CN,103180656[P]. 2013-06-26．

Development and Status of LNG Terminal Industry

，

（ Sinopec Funshun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China）

As a clean energy，liquefied natural gas (LNG) plays an important role in the international energy trade, and the construction of LNG terminals is key to promoting the development of LNG trade. In this paper, firstly the domestic and foreign development and present situation of LNG terminal were reviewed, and then two main processes were compared. The optimal solutions for the problems of high energy consumption and difficult operation were focused, and some suggestions were put forward.

Liquefied natural gas (LNG); LNG terminal; Technological process; Optimization

TE 624

A

1671-0460（2014）06-1056-04

中國(guó)石油化工集團(tuán)公司資助項(xiàng)目。

2014-04-01

劉名瑞（1985-），女，吉林白城人，助理工程師，碩士，2012年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，現(xiàn)從事LNG工藝優(yōu)化等技術(shù)工作。E-mail：liumingrui.fshy@sinopec.com。