天然气的液化工艺和储运安全性研究

张媛，武丹(陕西省燃气设计院有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

液化天然气在生产生活中得到广泛应用，但使用中可能存在的安全问题。因此，在天然气液化和储运中，应对安全工作引起重视，不断提升天然气液化、储运等过程中的安全水平，为液化天然气的便捷、安全使用提供支持。

1 天然气的液化工艺技术

天然气液化工艺的核心是制冷部分，对投资和运行费用起决定性作用。其液化流程有成熟的膨胀机循环制冷、级联式循环制冷和混合冷剂循环制冷等几种流程。有关研究表明，膨胀机循环制冷流程适用于LNG产量为7 万吨/年以下的小型液化工厂，级联式循环制冷流程适用于LNG产量为500万吨/年以上的大型液化工厂，混合冷剂循环制冷流程适用于LNG产量为8～500万吨/年中小型液化工厂，以下对这几种基本流程进行简单的介绍。

1.1 膨胀机液化流程工艺技术

膨胀机制冷循环是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的制冷循环。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，对外做功，可用于驱动流程中的压缩机。

当前，在天然气液化处理中，膨胀制冷工艺因能耗较大，运行成本较高，目前采用较少。其具体是通过膨胀机降温方式进行天然气处理工作，继而实现天然气液化目标。在实践中，膨胀机液化流程工艺技术的常见应用形式有三类主要的加工工艺，分别是天然气的直接膨胀制冷、甲烷和氮气混合进行天然气膨胀制冷、氮气膨胀制冷[1]。

1.2 级联式液化工艺技术

在天然气液化工艺中，级联式液化工艺技术作为一项应用较早的工艺技术，尤其是级联式制冷循环液化工艺的应用，其由三个制冷系统相互串联形成，其中所用的制冷剂主要有三类，分别是甲烷、乙烷、丙烷[2]。在天然气液化工艺加工生产时，级联式制冷循环中的冷却器装置承担诸多工艺流程的操作，具体包括冷却、液化、过冷等，在此基础上，对天然气液化管进行降压处理，最终获得低温常压条件下安全储运和使用的液化天然气[3]。在经历较长一段时间的实践，级联式液化工艺技术应用稳定性不断提升，为此项技术在天然气液化生产中的应用创造了良好的外部条件。但是随着天然气在市场中需求量的剧增，级联式液化工艺技术流程复杂，机组多，要有生产和储存各种制冷剂的设备，各制冷循环系统间不能有任何渗漏，维修不便，使得此项技术应用存在成本的局限性，而难以进行推广使用[4]。

1.3 混合制冷流程工艺技术

在目前天然气液化装置中，目前最成熟及普遍采用的液化工艺就是混合制冷液化工艺。此项技术的发展源于级联式液化工艺技术的发展与升级。因此，基于原理角度分析，混合制冷流程工艺技术与级联式液化工艺技术相比，两者既有相同点，又有优化之处[5]。在天然气液化工艺应用中，混合制冷流程工艺技术的实现主要采用以碳氢化合物为主的五种混合制冷剂，代替级联式液化工艺技术中三个相互关联的制冷系统，并发挥出相应的作用。

天然气混合制冷流程工艺技术原理主要是对多组分混合制冷剂(以C1至C5的碳氢化合物，以及N2等五种混合物)进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。混合制冷剂中各组分一般可部分或全部从天然气本身提取和补充，其纯度要求没有级联式液化那样严格。但是，将混合制冷流程工艺技术应用到天然气液化加工过程当中，需对混合冷剂进行合理调配，流程计算相对比较困难。应结合规模、气源组分等实际情况，合理科学地应用混合制冷流程工艺技术，从而确保天然气液化加工效益的提升。

2 天然气储运安全性提升的有效方法

2.1 做好LNG储罐的设计和进液的准备工作

为提升液化天然气储运过程中的安全，关键设备LNG储罐的设计、制造是重中之重。目前国内LNG液化工厂多采用低温常压的产品储存方式，其产品储罐多采用单容罐和全容罐。单容罐和全容罐均为双层罐，由内罐和外罐组成，在内、外罐之间充填有保冷材料。区别在于单容罐外罐为普通碳钢，不能收纳罐内泄漏的液体。全容罐外罐为镍钢或混凝土外壁，可承受内罐的LNG 泄漏。根据介质的特性，不论选择何种罐型，在制作材料的选择上，都要求既具有良好的耐低温性和优异的保冷性能。

其次，由于罐内储存的是低温液体，储罐一旦出现意外，储存的液体会大量的挥发，在大气中会形成自动引爆的气团。所以，储罐均要求运用封拦的理念，在第一层罐体泄漏时，单容罐需设置围堰进行拦蓄，全容罐可通过外层罐体对泄漏的液体和蒸发气施行封拦，起到安全的作用。

另外，储罐施工建造完毕后，要围绕其焊缝进行检验工作，包括PT检验，RT检验，检查焊缝气密性的真空试验和PMI(焊缝合金成分鉴定)检验。还有相关储罐试验，主要有水压试验，主要是针对基础沉降、环向位移、径向位移及倾斜的测量；气压试验主要针对外罐的气密性试验；干燥及预冷主要采用液氮循环的方式对储罐进行干燥和惰化。

2.2 加强储存过程控制

在液化天然气储存过程中，既要保障液化天然气储存设施本体安全，又要保障液化天然气储存过程的安全控制。在此过程中，应重点做好如下工作：一是确保储罐内液化天然气的液位和设计标准保持一致，基于此，在液化天然气进液时，应在罐体上设置报警装置，以此实现运输泵、进料过程的有效控制，避免液化天然气过压而出现安全问题。二是液化天然气进料时，应进行全面且合理性分析，结合液化天然气密度来选择合适的进料方式。在液化天然气密度较小的情况下，应考虑下部进料方式；而液化天然气密度较大时，则考虑采用顶部进料方式。三是液化天然气储运罐内设置多个温度检测点，通过此方式可以让操作室控制人员掌握实时的罐内温度信息，从而有利于提升液化天然气储存安全性。四是加强气源比例控制，对罐内温度进行实时监控，避免罐内出现液化天然气分层现象。在实践操作中，应尽可能地保证储罐内的液化天然气属于同一气源，以此实现液化天然气成分的有效控制。不仅如此，在每次进料之前，相关工作人员全面深入分析对构成天然气温度、构成之间的兼容性等，据此采取合理手段来规避气源分层问题，在密度差较大条件下，应及时终止进料作业，从而可以大幅度提高液化天然气储运的安全性。五是液化天然气储罐内应增设两台输送泵，一台作为备用，一台始终保持开启状态，通过这种方式，可以避免液化天然气在储运过程中发生翻滚问题，继而有利于提高液化天然气储存安全性。

2.3 重视装车运输操作

目前，液化天然气运输在国内主要依靠汽车罐车和罐式集装箱将其运输至二级市场。汽车罐车和罐式集装箱均属于移动式压力容器。因LNG装车区域属于人员频繁操作的场所，其装车安全性尤为重要。装车时，充装人员应重点关注罐车液位和压力，避免因超限造成安全事故。紧急切断阀是装车的安全保护设备，其重要性不可忽视。以罐车为例，罐车罐体均自带安全系统、测量系统、充卸系统、防爆系统。同时，工厂内装车管道均应装设紧急切断阀，进一步保证装车安全。为防止超装，除保证罐车液位计读数准确外，还应使用定量装车系统来防止槽车超装。

除以上安全设施的配备外，操作人员还应做好法兰连接处的试漏和鹤管的吹扫置换工作。

3 结语

综上所述，液化天然气在现代生产生活中得以广泛的应用，并在现代能源市场中占据较大份额，为液化天然气产业的持续发展奠定了良好的基础。但是在天然气液化和储存过程中，往往存在较大风险，不利于液化天然气的安全使用。因此，加强天然气液化工艺及储存安全性研究具有显著的现实意义，一方面，针对天然气的液化工艺，相关人员应合理地使用多样化液化工艺；另一方面，相关人员应合理选用储运罐制作材料，并加强储存温度和压力等参数控制，才能提高天然气液化、储存等过程中的安全水平。