天然氣的液化工藝和儲運安全性研究

張媛，武丹(陜西省燃?xì)庠O(shè)計院有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

液化天然氣在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用，但使用中可能存在的安全問題。因此，在天然氣液化和儲運中，應(yīng)對安全工作引起重視，不斷提升天然氣液化、儲運等過程中的安全水平，為液化天然氣的便捷、安全使用提供支持。

1 天然氣的液化工藝技術(shù)

天然氣液化工藝的核心是制冷部分，對投資和運行費用起決定性作用。其液化流程有成熟的膨脹機(jī)循環(huán)制冷、級聯(lián)式循環(huán)制冷和混合冷劑循環(huán)制冷等幾種流程。有關(guān)研究表明，膨脹機(jī)循環(huán)制冷流程適用于LNG產(chǎn)量為7 萬噸/年以下的小型液化工廠，級聯(lián)式循環(huán)制冷流程適用于LNG產(chǎn)量為500萬噸/年以上的大型液化工廠，混合冷劑循環(huán)制冷流程適用于LNG產(chǎn)量為8～500萬噸/年中小型液化工廠，以下對這幾種基本流程進(jìn)行簡單的介紹。

1.1 膨脹機(jī)液化流程工藝技術(shù)

膨脹機(jī)制冷循環(huán)是指利用高壓制冷劑通過透平膨脹機(jī)絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷實現(xiàn)天然氣液化的制冷循環(huán)。氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時，對外做功，可用于驅(qū)動流程中的壓縮機(jī)。

當(dāng)前，在天然氣液化處理中，膨脹制冷工藝因能耗較大，運行成本較高，目前采用較少。其具體是通過膨脹機(jī)降溫方式進(jìn)行天然氣處理工作，繼而實現(xiàn)天然氣液化目標(biāo)。在實踐中，膨脹機(jī)液化流程工藝技術(shù)的常見應(yīng)用形式有三類主要的加工工藝，分別是天然氣的直接膨脹制冷、甲烷和氮氣混合進(jìn)行天然氣膨脹制冷、氮氣膨脹制冷[1]。

1.2 級聯(lián)式液化工藝技術(shù)

在天然氣液化工藝中，級聯(lián)式液化工藝技術(shù)作為一項應(yīng)用較早的工藝技術(shù)，尤其是級聯(lián)式制冷循環(huán)液化工藝的應(yīng)用，其由三個制冷系統(tǒng)相互串聯(lián)形成，其中所用的制冷劑主要有三類，分別是甲烷、乙烷、丙烷[2]。在天然氣液化工藝加工生產(chǎn)時，級聯(lián)式制冷循環(huán)中的冷卻器裝置承擔(dān)諸多工藝流程的操作，具體包括冷卻、液化、過冷等，在此基礎(chǔ)上，對天然氣液化管進(jìn)行降壓處理，最終獲得低溫常壓條件下安全儲運和使用的液化天然氣[3]。在經(jīng)歷較長一段時間的實踐，級聯(lián)式液化工藝技術(shù)應(yīng)用穩(wěn)定性不斷提升，為此項技術(shù)在天然氣液化生產(chǎn)中的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的外部條件。但是隨著天然氣在市場中需求量的劇增，級聯(lián)式液化工藝技術(shù)流程復(fù)雜，機(jī)組多，要有生產(chǎn)和儲存各種制冷劑的設(shè)備，各制冷循環(huán)系統(tǒng)間不能有任何滲漏，維修不便，使得此項技術(shù)應(yīng)用存在成本的局限性，而難以進(jìn)行推廣使用[4]。

1.3 混合制冷流程工藝技術(shù)

在目前天然氣液化裝置中，目前最成熟及普遍采用的液化工藝就是混合制冷液化工藝。此項技術(shù)的發(fā)展源于級聯(lián)式液化工藝技術(shù)的發(fā)展與升級。因此，基于原理角度分析，混合制冷流程工藝技術(shù)與級聯(lián)式液化工藝技術(shù)相比，兩者既有相同點，又有優(yōu)化之處[5]。在天然氣液化工藝應(yīng)用中，混合制冷流程工藝技術(shù)的實現(xiàn)主要采用以碳?xì)浠衔餅橹鞯奈宸N混合制冷劑，代替級聯(lián)式液化工藝技術(shù)中三個相互關(guān)聯(lián)的制冷系統(tǒng)，并發(fā)揮出相應(yīng)的作用。

天然氣混合制冷流程工藝技術(shù)原理主要是對多組分混合制冷劑(以C1至C5的碳?xì)浠衔?，以及N2等五種混合物)進(jìn)行逐級冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣的目的?；旌现评鋭┲懈鹘M分一般可部分或全部從天然氣本身提取和補(bǔ)充，其純度要求沒有級聯(lián)式液化那樣嚴(yán)格。但是，將混合制冷流程工藝技術(shù)應(yīng)用到天然氣液化加工過程當(dāng)中，需對混合冷劑進(jìn)行合理調(diào)配，流程計算相對比較困難。應(yīng)結(jié)合規(guī)模、氣源組分等實際情況，合理科學(xué)地應(yīng)用混合制冷流程工藝技術(shù)，從而確保天然氣液化加工效益的提升。

2 天然氣儲運安全性提升的有效方法

2.1 做好LNG儲罐的設(shè)計和進(jìn)液的準(zhǔn)備工作

為提升液化天然氣儲運過程中的安全，關(guān)鍵設(shè)備LNG儲罐的設(shè)計、制造是重中之重。目前國內(nèi)LNG液化工廠多采用低溫常壓的產(chǎn)品儲存方式，其產(chǎn)品儲罐多采用單容罐和全容罐。單容罐和全容罐均為雙層罐，由內(nèi)罐和外罐組成，在內(nèi)、外罐之間充填有保冷材料。區(qū)別在于單容罐外罐為普通碳鋼，不能收納罐內(nèi)泄漏的液體。全容罐外罐為鎳鋼或混凝土外壁，可承受內(nèi)罐的LNG 泄漏。根據(jù)介質(zhì)的特性，不論選擇何種罐型，在制作材料的選擇上，都要求既具有良好的耐低溫性和優(yōu)異的保冷性能。

其次，由于罐內(nèi)儲存的是低溫液體，儲罐一旦出現(xiàn)意外，儲存的液體會大量的揮發(fā)，在大氣中會形成自動引爆的氣團(tuán)。所以，儲罐均要求運用封攔的理念，在第一層罐體泄漏時，單容罐需設(shè)置圍堰進(jìn)行攔蓄，全容罐可通過外層罐體對泄漏的液體和蒸發(fā)氣施行封攔，起到安全的作用。

另外，儲罐施工建造完畢后，要圍繞其焊縫進(jìn)行檢驗工作，包括PT檢驗，RT檢驗，檢查焊縫氣密性的真空試驗和PMI(焊縫合金成分鑒定)檢驗。還有相關(guān)儲罐試驗，主要有水壓試驗，主要是針對基礎(chǔ)沉降、環(huán)向位移、徑向位移及傾斜的測量；氣壓試驗主要針對外罐的氣密性試驗；干燥及預(yù)冷主要采用液氮循環(huán)的方式對儲罐進(jìn)行干燥和惰化。

2.2 加強(qiáng)儲存過程控制

在液化天然氣儲存過程中，既要保障液化天然氣儲存設(shè)施本體安全，又要保障液化天然氣儲存過程的安全控制。在此過程中，應(yīng)重點做好如下工作：一是確保儲罐內(nèi)液化天然氣的液位和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)保持一致，基于此，在液化天然氣進(jìn)液時，應(yīng)在罐體上設(shè)置報警裝置，以此實現(xiàn)運輸泵、進(jìn)料過程的有效控制，避免液化天然氣過壓而出現(xiàn)安全問題。二是液化天然氣進(jìn)料時，應(yīng)進(jìn)行全面且合理性分析，結(jié)合液化天然氣密度來選擇合適的進(jìn)料方式。在液化天然氣密度較小的情況下，應(yīng)考慮下部進(jìn)料方式；而液化天然氣密度較大時，則考慮采用頂部進(jìn)料方式。三是液化天然氣儲運罐內(nèi)設(shè)置多個溫度檢測點，通過此方式可以讓操作室控制人員掌握實時的罐內(nèi)溫度信息，從而有利于提升液化天然氣儲存安全性。四是加強(qiáng)氣源比例控制，對罐內(nèi)溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，避免罐內(nèi)出現(xiàn)液化天然氣分層現(xiàn)象。在實踐操作中，應(yīng)盡可能地保證儲罐內(nèi)的液化天然氣屬于同一氣源，以此實現(xiàn)液化天然氣成分的有效控制。不僅如此，在每次進(jìn)料之前，相關(guān)工作人員全面深入分析對構(gòu)成天然氣溫度、構(gòu)成之間的兼容性等，據(jù)此采取合理手段來規(guī)避氣源分層問題，在密度差較大條件下，應(yīng)及時終止進(jìn)料作業(yè)，從而可以大幅度提高液化天然氣儲運的安全性。五是液化天然氣儲罐內(nèi)應(yīng)增設(shè)兩臺輸送泵，一臺作為備用，一臺始終保持開啟狀態(tài)，通過這種方式，可以避免液化天然氣在儲運過程中發(fā)生翻滾問題，繼而有利于提高液化天然氣儲存安全性。

2.3 重視裝車運輸操作

目前，液化天然氣運輸在國內(nèi)主要依靠汽車罐車和罐式集裝箱將其運輸至二級市場。汽車罐車和罐式集裝箱均屬于移動式壓力容器。因LNG裝車區(qū)域?qū)儆谌藛T頻繁操作的場所，其裝車安全性尤為重要。裝車時，充裝人員應(yīng)重點關(guān)注罐車液位和壓力，避免因超限造成安全事故。緊急切斷閥是裝車的安全保護(hù)設(shè)備，其重要性不可忽視。以罐車為例，罐車罐體均自帶安全系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、充卸系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)。同時，工廠內(nèi)裝車管道均應(yīng)裝設(shè)緊急切斷閥，進(jìn)一步保證裝車安全。為防止超裝，除保證罐車液位計讀數(shù)準(zhǔn)確外，還應(yīng)使用定量裝車系統(tǒng)來防止槽車超裝。

除以上安全設(shè)施的配備外，操作人員還應(yīng)做好法蘭連接處的試漏和鶴管的吹掃置換工作。

3 結(jié)語

綜上所述，液化天然氣在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中得以廣泛的應(yīng)用，并在現(xiàn)代能源市場中占據(jù)較大份額，為液化天然氣產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。但是在天然氣液化和儲存過程中，往往存在較大風(fēng)險，不利于液化天然氣的安全使用。因此，加強(qiáng)天然氣液化工藝及儲存安全性研究具有顯著的現(xiàn)實意義，一方面，針對天然氣的液化工藝，相關(guān)人員應(yīng)合理地使用多樣化液化工藝；另一方面，相關(guān)人員應(yīng)合理選用儲運罐制作材料，并加強(qiáng)儲存溫度和壓力等參數(shù)控制，才能提高天然氣液化、儲存等過程中的安全水平。