-
一、
天然气基础知识
天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，主要成分为甲烷，也包括一定量的乙
烷、
丙烷和重质碳氢化合物。
还有少量的氮气、
氧气
、
二氧化碳和硫化物。
另外，
在天然气
管线中还发现有水分。纯天然气的组成以甲烷为主，比空气轻，沸点
-160.49
℃，难易液化。天然气爆炸极限为
5%-15%
（占空气中体积
%
）
，天然气相<
/p>
对容易爆炸。
甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原子组成，
燃烧产物主要
是二氧化碳和水。
CH<
/p>
4
＋
2O
2
→
CO
2
＋
2H
2
O
。
蒸汽压
: 53.32kPa/
（
-168.8
℃）
闪点：
-188
℃、熔点
: -182.5
℃
<
/p>
相对密度（干空气＝
1
）
:0.5-0.7
（
0
℃）<
/p>
天然气可分为
5
种：
①纯天然气：从地下开采出来的气田气为纯天然气；
②石油伴生气：伴随石油开采一块出来的气体称为石油伴生气；
③矿井瓦斯：开采煤炭时采集的矿井气；
④煤层气：从井下煤层抽出的矿井气；
⑤凝析气田气：含石油轻质馏分的气体。
甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。
当空气中
甲烷达
25%-30%
时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不
集中、呼吸和
心跳加速、供给失调。若不及时脱离，可致窒息死亡。皮肤接触液化本品，
可致
冻伤。
天然气是较为安全的燃气
之一，它不含一氧化碳，也比空气轻，一旦泄漏，
立即会向上扩散，
不易积聚形成爆炸性气体，
安全性较高。
采用天然气作为能
源，
可减少煤和石油的用量，
因而大大改善环境污染问题；
天然气作为一种清洁能源，
能减少二氧化硫和粉尘排放量近
100%
，
减少二氧化碳排放量
60%
和氮氧化合物排
放量
5
0%
，
并有助于减少酸雨形成，
舒缓地
球温室效应，
从根本上改善环境质量。
主要优点：
①
绿色环保
天然气是一种洁净环保的优质能源，
几乎不含硫、
粉尘和其他有害物
< br>质，
燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料，
造成温室效
应较低，
因而能从根本上改
善环境质量。
②
经济实惠
天然气与人工煤气相比，
同比热值价格相当，
并且天
然气清洁干净，
能延
长灶具的使用寿命，
也有利于用户减少维修费用的支出。
天然气是洁净燃气，
供<
/p>
应稳定，
能够改善空气质量，
因而能为该
地区经济发展提供新的动力，
带动经济
繁荣及改善环境。
③
安全可靠
天然气无毒、易散发，比重轻于空气，不宜积聚成爆炸性气体，是较为安
全的
燃气。
④
改善生活
随着家庭使用安全、
可靠的天然气，
将会极大改善家
居环境，
提高生活质
量。
天然气耗氧情况计算：
1
立方米天然气
（纯度按
100%
计算）
完全燃烧约需
2.0
立方米氧气，
大约
需要
10
立方米的空气。
主要缺点：
①储运：与煤等固体燃料相比，天然气储运要求较高，成本支出较大；与
LPG
相比，液化技术难度高且成本大，储运要求高。
②热值：相对于煤等固体燃料来说，天然气相对热值比较小。
③技术：
相对与一些占主体地
位的能源，
天然气的生产技术还趋于起步阶段，
特别是有关于<
/p>
LNG
的技术。
目前我公司经营的天然气按照形态来分，可以分为两种，即压缩天然气
（
CNG
）和液化天然气（
LNG
）
。
1
、压缩天然气
压缩天然气：压缩天然气
(C
ompressedNaturalGas,
简称
CNG)
是将天然气压
缩增压至
200kg/cm<
/p>
2
时，
天然气体积缩小
< br>200
倍，
并储入容器中，
便于
汽车运输，
经济运输半径以
150-200
公里为妥。压缩天然气可用于民用及作为汽车清洁燃
料
；<
/p>
CNG
可
作<
/p>
为
车
辆
燃
料
利
用
。
这
种
以
CNG
为
燃
料
的
车
辆
叫
做
NGV
（
NaturalGasVehicle
）。
2
、液化天然气
液化天然气：
当天然气在大气压下，
冷却至约
-162
℃时，
天然气由气态转变
< br>成液态，称为液化天然气（
LiquefiedNaturalGas
，缩写为
LNG
）。
LN
G
无色、无
味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体
积的
1/600
，
LNG
的重量仅
为同体积水的
45%
左右。液化天然气用液化甲烷船及专用汽车运输。
二、天然气的应用
民用燃料：天然气价格低廉、热值高、安全性能、环境性能好，是民用燃气
的首选燃料。
工业燃料
：
以天然气代替煤，
用于工厂采暖，
生
产用锅炉以及热电厂燃气轮
机锅炉。
工艺生产：如烤漆生产线，烟叶烘干、沥青加热保温等。
化工原料：如以天然气中甲烷为原料生产氰化钠，黄血
盐钾，赤血盐钾等。
天然气汽车：用以解决汽车尾气污染问题。
以下列举几个常见的应用：
①金属熔
炼、加工制造业（主要应用为铜、铝的熔炼、压延加工前的加热）
②玻璃生产及玻璃制品业（如灯具、玻璃器具）
③纺织、印染、定型、烧毛工艺
④大型农业暖篷
⑤各种金属热处理（如加热炉、退火炉、回火炉、工频炉等）
⑥造船业（主要用作金属切割用气，替代乙炔）
⑦宾馆、饭店业（用作空调、锅炉燃气等）
< br>液化天然气（
LNG
）
1
、
LNG
的优点<
/p>
①
LNG
有特
有的运输方式。对于远洋运输，
LNG
是唯一的运输方式。
②利用
LNG
方
式是解决沿海、荒漠地区气田开发，回收边远气田天然气的有效
方法。
< br>
③
LNG
作为用气负荷调峰安
全可靠。
④
LNG
< br>用途广泛：不仅自身可作为能源利用，低温冷能亦可回收利用。
⑤
LNG
和氦联产，可得到
L
NG
和氦两种产品。
⑥
LNG
比管输天然气更清洁。
2
、
LNG
的物理性质
主要成分：甲烷
临界温度：
190.58K
在常温下
，不能通过加压将其液化，而是经过预处理，脱除重烃、硫化物、二氧
化碳和水等杂质后
，深冷到
-162
℃，实现液化。
主要物理性质如表所示：
液体密度（
沸
高热值
气体相对密度
沸点（常压）
颜色
点下）
g/l
（
MJ/m3
）
0.6---
0.7
约
-162
°
C
430---460
41.5---45.3
无色透明
3
、
LNG
的安全特性
（
1
）燃烧特性
燃烧范围：
5%~15%
，即体积分数低于
5%
和高于
15%
都
不会燃烧；
自燃温度：可燃气体与空气混合物，在没有火源的
情况下，达到某一温度后，能
够自动点燃着火的最低温度称为自燃温度。
甲烷性质比较稳定，
在大气压力条件
下，
纯甲烷的平均自燃温度为
650
℃。
以甲烷为主要成分的天然气自燃温度较高，
LNG
的自
燃温度随着组份的变化而变化。
燃烧速度：是火焰在空气
-
燃气的混合物中的传递速度。天然气的燃烧速度较低，
其最高燃烧速度只有
0.3m/s
。
（
2
）低温特性
隔热保冷：
LNG
系
统的保冷隔热材料应满足导热系数低，密度低，吸湿率和吸
水率小，抗冻性强，并在低温
下不开裂，耐火性好，无气味，不易霉烂，对人体
无害，机械强度高，经久耐用，价格低
廉，方便施工等。
蒸发特性：
LNG
作为沸腾液体储存在绝热储罐中，外界任何传入的热量都会引
起
一定量液体蒸发成气体，这就是蒸发气（
BOG
）
。标准状况下蒸发气密度是空
气的
60%
。
当
LNG
压力降到沸点
压力以下时，
将有一定量的液体蒸发成为气体，
同时液体温度也
随之降低到其在该压力下的沸点，这就是
LNG
闪蒸。由于压力
和温度变化引起的
LNG
蒸发产生的蒸
发气处理是液化天然气储存运输中经常遇
到的问题。
（
3
）泄露
特性：
LNG
泄漏到地面，起初迅速
蒸发，当热量平衡后便降到某一固定的蒸发速度。
当
LNG
泄漏到水中会产生强烈的对流传热，
在一定的面积内蒸发速度保持不
变，
随着
LNG
流动泄漏面积逐渐增大
，直到气体蒸发量等于漏出液体所能产生的气
体量为止。泄漏的
LNG
以喷射形式进入大气，同时进行膨胀和蒸发，与空气进
行
剧烈的混合。
（
4
< br>）储存特性：
分层：
LNG<
/p>
是多组分混合物，因温度和组分的变化引起密度变化，液体密度的
差异使储罐内的
LNG
发生分层。
<
/p>
翻滚：若
LNG
已经分层，上层液体吸收
的热量一部分消耗于液体表面蒸发所需
的潜能，其余热量使上层液体温度升高。随着蒸发
的持续，上层液体密度增大，
下层液体密度减小，
当上下两层液
体密度接近相等时，
分界面消失，
液层迅速混
< br>合并伴有大量液体蒸发，此时蒸发率远高于正常蒸发率，出现翻滚。
快速相态转变（
RPT
）
：两种温差极大的液体接触，若热液体温度比冷液体沸点
温度高
1.1
倍，则冷液体温度上升极快，表层温度超过自发成核温度（当液体中
出现气泡）
，此过程冷液体能在极短时间内通过复杂的链式反应机理以爆炸速
度
产生大量蒸气，这就是
LNG
或液氮
与水接触时出现的
RPT
现象的原因。
（
5
）生理影响
LNG
蒸气是无毒的，但如果吸进纯
LNG
蒸气，会迅速失去知觉，几分钟后死亡；
人员暴露在体
积分数为
9%
的甲烷含量的环境中没有什么不良反应，如果吸入
过
量天然气会引起缺氧窒息，当天然气的体积分数达到
50%<
/p>
以上，会对人体产生永
久性伤害。
4
、
LNG
的生产
流程
（
1
）
预处理：从原料气中脱除气田生产环节没有去掉的杂质，如水、二氧化碳、
硫、硫醇等。
（
2
）去除
NGL
：脱除天然气中的
NGL
（天然气凝析液）以达到液化需要处理的
LNG
规格和技术要求。
（
3
）液化：用深冷制冷剂将原料气冷却并冷凝到
-162
℃，使其成为液态产品。
LNG
从气田采集到用户使用天然气，是一条相互联接，相互约束的生产供需
链。每个
供需环节紧密衔接，互相制约，并以严格的合同予以保证。
天
然气
--LNG--
天然气简图：
(<
/p>
略）
5
、
LNG
气化站
LNG
供气系统主要由天然气液化站
（
或
LNG
接收终端站）
、
LNG
槽车、
LNG
气化站
和输配管网组成。目前我公司主要经营的
LNG
项目是
LNG
气化站。
气化
站工艺流程：
(
略）
（
1
）
LNG
储罐
LNG
贮
罐（低温贮罐）是
LNG
的贮藏设备
LNG
贮罐的特殊性：
①大容量的
LNG
贮罐，由于是在超低温的状态下工
作（
-162
℃）
，因此与其他石
油化工贮罐相比具有其特殊性。同时在运行中由于贮藏的
LNG
处于沸腾状态，
当外部热量侵入时，或由于充装时的冲击、大气压的
变化，都将使贮存的
LNG
持续气化成为气体，为此运行中必须
考虑贮罐内压力的控制、气化气体的抽出、
处理及制冷保冷等。
②此外，
LNG
贮罐的安全阀、液位计
、温度计、进出口管的伸缩接头等附属件
也必须要耐低温。贮罐的安全装置在低温、低压
下，也必须能可靠的起动。
③
LNG
储罐是气化站中的关键设备，其绝热性及密封性的好坏直接影响到
LNG
的蒸发和泄漏速度，即
LNG
的损耗速度和使用率。储罐的性能参数主要有真空
度、漏率、静态蒸发率。作为低温容器
，
LNG
储罐必须满足国家及行业标准中
的相关技术要求。
储罐的真空封结度反映储罐的真空性，
但真
空度随时间推移而
降低；
储罐的漏率影响储罐真空寿命，
即储罐真空度的变化速度；
静态蒸发率则
能够
较为直观的反映储罐在使用时的保冷性能。以一台
50m
3
储罐为例说明：
漏率
1x10-9Pa.m
3
/s
。
静态蒸发率
0.3%/d
。
一台
50m
3
的
LNG
储罐装满<
/p>
LNG
时，
在不使用的情况下，
完全蒸发需要近一年的时间。
静态蒸发率可以
通过实验的方法测得，
也可以通过实际运行中数据的分析计算得
到。
漏率
:
在已
知漏泄处两侧压差的情况下，单位时间内流过漏泄处的给定温度
的干燥气体量。漏率单位
为：
Pa
?
m
3
/s
。
静态蒸发率：低温绝热压力容器在装有大于有效体积
1/2
低温液体时，静置
达到热平衡后，
24h
内自然蒸发损失的低温液体质量和容器有效体积下低温液体
质量的百分
比，换算为标准环境下
(20
℃，
10
1325Pa)
的蒸发率值。
真空度
是指空间所具有的气体压力与当时大气压力的差值。
一般说
“真
空度
高”
、
“真空度好”是指压强低，
反之“真空度低”
、
“真空坏”
、
“真空抽不上”是
指压强高。
（
2
）
LNG
的气化
①
LNG
气化为吸热过程，根据热媒的不同，有海水、空温、水浴等气化方式。
目前国内
LNG
气化站都采用空温式和水浴式结合的二级气化方
式。空温式换热
器直接利用自然空气进行换热，
不需要附加能源
，
其气化能力主要决定于换热面，
因此，
通常采用翅片的形式。
水浴式换热器是空温式换热器的补充，
只是在冬季
外界温度较低，
利用自然气化无法保证天然气温度的
情况下才使用，
在南方冬季
气温较高，基本不需要使用。
②换热器的规格主要决定于高峰小时燃气流量，单台气化能力最高可
达
3000
立
方米
/
小时，通常要考虑备用，可以切换使用。气化站中的储罐增压器、
BOG
加
热器、
EAG
加热器等设备也采用空温式换热器。
（
3
）
LNG
的预冷
和进液
LNG
气化站设备、管道施工
完成后，由于超低温及
LNG
特殊要求，在正式
投产之前，
必须采用中间介质进行低温预冷，
经过预冷
检验调试合格后方可接收
LNG
，
其过
程也是对设备及工程的检验。
通常采用液氮作为预冷介质。
气化
站内
的主要设备有
LNG
储罐、
BOG
（蒸发气）罐、气化器、增压器、
BO
G
加热器、
EAG
（放散排空气体）加
热器及相关工艺管道及管件，
LNG
储罐的预冷是气化
站预冷中的主要内容。
预冷的几个技术参数：
进液温度：低
于
-80
℃
储罐压力：
0.3
～
0.55MPa
进液速度：
3
分钟
/m
3
预冷时间：约
4
～
5
小时
/
罐（
50m
3
罐）
液氮耗量：约
10
m
3
（
50m
3
×
2
储罐）
约
13m
3
（
50m
3
×
3
储罐）
①预冷的必要性
LNG
气化站内低温管道和低温储罐在正式进入低温液体前，要首先进行充
分的冷却，即预冷过程。
LNG
储罐及管路通常采用奥氏体
不锈钢材料。奥氏体
不锈钢具有优异的低温性能，但线膨胀系数较大。在
LNG
温度条件下，不锈钢
收缩率约为千分之三，对于
304L
材质管路，在工作温度为
-1
62
℃时，
100m
管路
大约收缩
300mm
。因此在设计时要采取措施防止
出现冷收缩引起破坏。
LNG
管
路的收缩和补偿是一个需要细心考虑的重要问题。
两个固定点之间，
由于冷收缩产生的应力，可能远远超过材料的屈服点。特别是对于
LNG
储罐内
的管道要求更加严格，一旦出现问题，将会产生严重后果。因此在管
路设计时，
必须考虑有效的措施来补偿。在
LNG
设备和管路上，为了补偿冷收缩，一般采
用弯管和膨胀节。
< br>
虽然在设计时考虑了冷收缩的补偿，
但是在温度变化速
率较大时，
还存在温
度变化过快、
热应
力过大而使材料或连接部位产生损坏的问题。
这就要求在低温
管
道和设备进入低温液体前，首先进行预冷操作，确保投运安全。
②预冷目的