Сжиженный природный газ (СПГ) стал одним из основных источников газа для городов, которые не могут использовать трубопроводный природный газ. Он также является дополнительным источником газа или источником пикового газа для многих городов, которые используют трубопроводный природный газ. В этой статье в основном представлены базовые знания, связанные со сжиженным природным газом, от процесса получения СПГ до газификации, основного оборудования, обычно используемого на станциях газификации СПГ, эксплуатации и технического обслуживания, а также аварийного ремонта.

Раздел 1. Базовые знания о сжиженном природном газе

Когда природный газ охлаждается примерно до -162℃ при нормальном давлении, он переходит из газообразного состояния в жидкое, которое называется сжиженным природным газом (СПГ). Основными компонентами СПГ являются метан, а также небольшие количества этана, пропана и азота.

В процессе сжижения природный газ проходит дополнительную очистку, и метан становится более чистым, практически не содержит углекислого газа и сульфидов, не имеет цвета, запаха и нетоксичен.

1. Природа СПГ

1. Плотность

Плотность СПГ зависит от его состава и температуры, обычно от 430 кг/м3 до 470 кг/м3, но в некоторых случаях может достигать 520 кг/м3. Плотность изменяется с температурой примерно на 1,35 кг/(м3·℃). Объем СПГ составляет около 1/600 объема того же количества природного газа в газообразной форме.

(2) Температура кипения

Кипение — это явление, при котором жидкость испаряется как внутри, так и на поверхности при определенной температуре и давлении. Температура, при которой жидкость кипит, называется точкой кипения. Температура кипения СПГ зависит от его состава и давления и обычно составляет от -166°C до -157°C при нормальном давлении.

(III) Испарение СПГ

СПГ хранится в изолированном резервуаре в состоянии кипения. Любое тепло, переданное резервуару, приведет к тому, что часть СПГ испарится в газ, который называется газом выкипания. Его состав связан с составом СПГ. Когда СПГ испаряется, азот и метан первыми испаряются из жидкости из-за их более низких температур кипения. Обычно газ выкипания включает около 20% азота, 80% метана и следовое количество этана. Содержание азота в газе выкипания в 20 раз больше, чем в СПГ.

(IV) Мгновенное испарение

При нагревании жидкости в закрытом контейнере давление газовой фазы продолжает расти из-за испарения жидкой фазы. Когда жидкость и газ достигают состояния равновесия, если газовая фаза контейнера внезапно соединяется с внешней средой с низким давлением, давление газовой фазы немедленно упадет, жидкость быстро закипит, а явление испарения большого количества жидкости в газовую фазу называется мгновенным испарением.

Вспышка также происходит, когда давление СПГ в контейнере или трубопроводе внезапно падает ниже давления насыщенных паров. Поскольку СПГ представляет собой смесь нескольких компонентов, компоненты газа вспышки отличаются от компонентов оставшейся жидкости. В качестве ориентира, когда давление составляет от 100 кПа до 200 кПа, 1 м3 жидкости производит приблизительно 0,4 кг газа на каждое падение давления на 1 кПа.

5. Утечка, расширение и диффузия СПГ

Когда СПГ сбрасывается на землю (например, случайный разлив), он сначала бурно кипит, а затем скорость испарения быстро снижается до фиксированного значения, которое зависит от тепловых свойств земли и нагрева окружающего воздуха. Когда разлив происходит над водой, конвекция в воде достаточно сильна, чтобы поддерживать постоянную скорость испарения в пределах затронутой области, и площадь разлива СПГ будет продолжать расширяться до тех пор, пока общее количество испарившегося газа не сравняется с общим количеством вытекшего СПГ.

Первоначально температура отпарного газа почти такая же, как у СПГ, а его плотность больше, чем у окружающего воздуха. Сначала газ течет вдоль слоя над землей, пока не поглотит тепло из атмосферы и не нагреется. Когда температура СПГ составляет -107°C, его плотность близка к плотности воздуха, и по мере дальнейшего повышения температуры его плотность станет меньше плотности окружающего воздуха.

После разлива образуется облако «тумана» из-за конденсации водяного пара в атмосфере. Когда это облако «тумана» видно (днем и без естественного тумана), это видимое облако «тумана» можно использовать для отображения движения испаряющегося газа и дать консервативное представление о диапазоне воспламеняемости газовоздушной смеси. В случае разлива в сосуде высокого давления или трубопроводе СПГ попадет в атмосферу в виде струйной струи и будет расширяться и испаряться одновременно. Этот процесс происходит одновременно с интенсивным смешиванием с воздухом. Большая часть СПГ изначально содержится в газовом облаке в виде аэрозоля (коллоидной дисперсионной системы, образованной мелкими твердыми или жидкими частицами, диспергированными и взвешенными в газовой среде). Этот аэрозоль в конечном итоге испаряется при дальнейшем смешивании с воздухом.

(VI) Пожар в проливе СПГ

Для горящего бассейна СПГ диаметром более 10 м мощность поверхностного излучения пламени очень высока (т.е. температура очень высока). Мощность поверхностного излучения зависит от размера огненного бассейна, рассеивания дыма и метода измерения. Мощность поверхностного излучения уменьшается с увеличением сажи и сажи.

(VII) Кувыркающийся

Опрокидывание относится к процессу, при котором из контейнера СПГ за короткий промежуток времени высвобождается большое количество газа. Если не приняты превентивные меры или контейнер не имеет специальной конструкции, опрокидывание приведет к избыточному давлению или разрушению контейнера.

При подаче тепла в контейнер происходит тепло- и массообмен между блоками и испарение поверхности жидкости. Плотность между блоками достигнет равновесия и в конечном итоге смешается в один. Это спонтанное смешивание называется опрокидыванием.

8. Фазовый переход

Когда две жидкости при разных температурах вступают в контакт при определенных условиях, иногда происходит фазовый переход, который может производить взрывные силы. Это явление, называемое быстрым фазовым переходом, происходит, когда СПГ вступает в контакт с водой. Хотя возгорания не происходит, явление имеет все остальные характеристики взрыва.

9. Расширение кипящей жидкости и взрыв пара

Любая жидкость, находящаяся при температуре кипения или близкой к ней и находящаяся под давлением выше определенного значения, если она внезапно высвободится из-за отказа системы давления, испаряется с чрезвычайно высокой скоростью. Это явление называется взрывом паров при расширении кипящей жидкости.

2. Сжижение природного газа

1. Предварительная очистка природного газа

Природный газ, как сырой газ для установки сжижения, должен быть сначала предварительно обработан. Предварительная обработка природного газа подразумевает удаление из природного газа примесей, таких как сероводород, углекислый газ, влага, тяжелые углеводороды и ртуть, чтобы предотвратить коррозию оборудования этими примесями или их замерзание при низких температурах, а также засорение оборудования и трубопроводов.

(II) Процесс сжижения природного газа

Существуют различные формы процесса сжижения природного газа, которые можно разделить на следующие три метода в зависимости от метода охлаждения:

1. Процесс каскадного сжижения

2. Процесс сжижения смешанного хладагента

3. Процесс сжижения с помощью детандера

Такое разделение не является строгим, и обычно принимается составной процесс, включающий различные комбинации определенных частей вышеупомянутых процессов сжижения.

3. Введение в процесс охлаждения природного газа

К распространенным процессам охлаждения при сжижении природного газа относятся каскадный процесс охлаждения, смешанный процесс охлаждения и процесс охлаждения с расширением.

1. Каскадный процесс охлаждения

Каскадный процесс охлаждения является обычным процессом охлаждения. Для процесса сжижения природного газа он обычно состоит из трех стадий цикла охлаждения с пропаном, этиленом и метаном в качестве хладагентов, которые обеспечивают холодопроизводительность, необходимую для сжижения природного газа шаг за шагом, а градиенты температуры охлаждения составляют около -30 ℃, -90 ℃ и -150 ℃ соответственно. Очищенный сырой природный газ охлаждается, конденсируется, сжижается и переохлаждается шаг за шагом в охладителях трех циклов охлаждения. После дросселирования и снижения давления получается сжиженный природный газ низкой температуры и нормального давления, который отправляется в резервуар для хранения.

Система охлаждения и система сжижения природного газа каскадного процесса охлаждения независимы друг от друга, хладагент является одним компонентом, системы имеют малое взаимное влияние, работа стабильна и больше подходит для источников газа высокого давления (использующих энергию давления источника газа). Однако из-за большого количества холодильных установок и длительного процесса требования к чистоте хладагента строгие, и он не подходит для природного газа с высоким содержанием азота. Поэтому этот процесс сжижения редко использовался в оборудовании для сжижения природного газа.

(II) Гибридный процесс охлаждения

Процесс смешанного охлаждения произошел от процесса каскадного охлаждения в конце 1960-х годов. В нем в основном используются смеси углеводородов (N2, C1, C2, C3, C4, C5) в качестве хладагентов для замены нескольких чистых компонентов в процессе каскадного охлаждения. Состав хладагента определяется составом и давлением сырого газа. Тяжелые компоненты в многокомпонентной смеси конденсируются первыми, а легкие компоненты конденсируются позже. Смеси конденсируются, разделяются, дросселируются и испаряются последовательно для получения охлаждающей способности при различных уровнях температуры. В зависимости от того, смешивается ли смешанный хладагент с сырым природным газом, существует два типа процессов смешанного охлаждения: закрытый и открытый.

Замкнутый цикл: Система циркуляции хладагента является независимой системой. После сжатия смешанного хладагента холодильным компрессором он охлаждается водой (воздухом), конденсируется и разделяется шаг за шагом при разных температурах. После дросселирования он поступает в различные температурные секции холодильного блока (теплообменника), чтобы обеспечить охлаждающую способность для сырого природного газа. После обработки сырого природного газа с помощью «трех удалений» он поступает в холодильный блок (теплообменник) и охлаждается, конденсируется, дросселируется и сбрасывает давление шаг за шагом, чтобы получить сжиженный природный газ.

Открытый цикл: Неочищенный природный газ смешивается со смешанным хладагентом после обработки «тремя дегазациями», а затем последовательно протекает через различные уровни теплообменников и газожидкостных сепараторов. При постепенной конденсации требуемые компоненты хладагента также конденсируются и разделяются один за другим. Отделенные компоненты хладагента испаряются шаг за шагом в соответствии с точкой кипения хладагента и собираются для формирования низкотемпературной логистики, которая представляет собой холодильный цикл противоточного теплообмена с неочищенным природным газом. Система открытого цикла требует длительного запуска, сложна в эксплуатации, и технология еще не совершенна.

Раздел 2. Технологическая схема станции СПГ

Существует два распространенных типа станций СПГ: станции газификации СПГ и станции газификации баллонных групп СПГ. Станции газификации СПГ относятся к станциям, которые выполняют функции разгрузки, хранения, газификации, регулирования давления, измерения и одоризации СПГ, перевозимого автоцистернами или судами-цистернами, и отправки его в городские газопроводы и распределительные трубопроводы. Они часто используются в городах, где невозможно использовать трубопроводный газ. Станции газификации баллонных групп СПГ относятся к тем, которые используют группы газовых баллонов в качестве объектов хранения и газоснабжения. Их масштабы газоснабжения невелики, и они в основном используются для газоснабжения сообществ или отдельных промышленных потребителей. В этом разделе основное внимание уделяется подробному анализу технологического процесса станций газификации и кратко знакомит с технологическим процессом станций групповых баллонов.

1. Технологическая схема станции газификации СПГ

Рисунок 1. Технологическая схема станции газификации СПГ

Газификационная станция СПГ является основным режимом, принятым в области применения СПГ в нижнем течении, и ее основная функция заключается в хранении и газификации СПГ. Она включает в себя разгрузочную платформу, криогенный резервуар для хранения, систему наддува, систему газификации, систему регулирования давления, измерения и одоризации. В этом разделе основное внимание уделяется процессу разгрузки, процессу самонагнетания давления в резервуаре для хранения и процессу нагрева газификации станции газификации СПГ, а также присоединенным процессам BOG и EAG. Технологический процесс обычной станции газификации СПГ показан на рисунке 1.

1. Процесс разгрузки СПГ

СПГ транспортируется с заводов по сжижению природного газа и морских приемных терминалов на станции газификации СПГ в городах-потребителях газа автоцистернами или контейнеровозами, взвешивается и измеряется автомобильными весами. Автоцистерна соединяется с соответствующими трубопроводами разгрузочной платформы с помощью металлорукавов, а автоцистерна нагнетается с помощью разгрузочного газификатора на станции для создания определенной разности давлений между автоцистерной и резервуаром для хранения СПГ. Эта разность давлений используется для выгрузки СПГ из автоцистерны в резервуар для хранения станции газификации. По окончании выгрузки газообразный природный газ из автоцистерны извлекается через трубопровод газовой фазы (BOG) разгрузочной платформы, как показано на рисунке 2.

При разгрузке используются различные методы разгрузки, чтобы предотвратить повышение давления в резервуаре для хранения СПГ и влияние на скорость разгрузки. Когда температура СПГ в автоцистерне ниже, чем температура СПГ в резервуаре, используется верхний метод впуска жидкости. Низкотемпературный СПГ в автоцистерне поступает в резервуар для хранения через сопло верхнего впускного трубопровода для жидкости резервуара в распыленном состоянии, охлаждая часть газа в жидкость и снижая давление в резервуаре, так что разгрузка может проходить плавно. Если температура СПГ в автоцистерне выше, чем температура СПГ в резервуаре, используется нижний метод впуска жидкости, и высокотемпературный СПГ поступает в резервуар для хранения через нижний впускной патрубок для жидкости, смешивается с низкотемпературным СПГ в резервуаре и охлаждается, избегая попадания высокотемпературного СПГ в резервуар через верхний впускной патрубок для жидкости и испарения, что увеличивает давление в резервуаре и вызывает трудности при разгрузке.

В реальных условиях эксплуатации, поскольку источник СПГ в настоящее время находится далеко от города-потребителя газа, при транспортировке на большие расстояния температура СПГ в автоцистерне обычно выше, чем температура СПГ в резервуаре-хранилище газификационной станции, поэтому применяется метод нижнего впуска жидкости.

Рисунок 2. Процесс разгрузки с повышением давления

(II) Автоматический процесс повышения давления в резервуаре для хранения

Поскольку СПГ из резервуара для хранения непрерывно вытекает в испаритель, давление в резервуаре продолжает снижаться, и скорость СПГ из резервуара постепенно замедляется, пока не остановится. Поэтому при нормальной работе газоснабжения газ должен непрерывно добавляться в резервуар для хранения, чтобы поддерживать давление в резервуаре в определенном диапазоне, чтобы процесс газификации СПГ продолжался. Наддув резервуара для хранения достигается с помощью автоматического регулирующего клапана усилителя и испарителя с самонагнетанием температуры воздуха. Когда давление в резервуаре для хранения ниже установленного значения открытия автоматического клапана усилителя, автоматический клапан усилителя открывается, и СПГ из резервуара для хранения поступает в испаритель с самонагнетанием температуры воздуха за счет разницы уровней жидкости. В испарителе с самонагнетанием температуры воздуха СПГ газифицируется в газообразный природный газ посредством теплообмена с воздухом, а затем газообразный природный газ поступает в резервуар для хранения, повышая давление в резервуаре для хранения до требуемого рабочего давления. В процессе самонагнетания, по мере того как газообразный природный газ продолжает поступать, давление в резервуаре для хранения продолжает расти. Когда давление повышается до давления закрытия автоматического регулирующего клапана усилителя, автоматический клапан усилителя закрывается и процесс нагнетания давления заканчивается. По мере продолжения процесса газификации, когда давление в резервуаре для хранения ниже давления открытия, установленного клапаном усилителя, автоматический клапан усилителя открывается и начинается новый цикл нагнетания.

(III) Процесс газификации и нагрева СПГ

Когда СПГ поступает из резервуара для хранения в испаритель с температурой воздуха и испаряется в газ, на него сильно влияет температура окружающей среды. Летом температура на выходе испарителя с температурой воздуха может достигать более 15 °C и его можно напрямую использовать в трубопроводной сети. Зимой или в сезон дождей эффективность испарения испарителя значительно снижается, особенно на холодном севере. Зимой температура природного газа на выходе испарителя (примерно на 10 °C ниже температуры окружающей среды) намного ниже 0 °C и он становится низкотемпературным природным газом. Газифицированный природный газ необходимо нагреть до температуры выше 10 °C с помощью нагревателя с водяной баней перед отправкой в городскую передающую и распределительную трубопроводную сеть.

Обычно устанавливаются и используются попеременно две группы испарителей температуры воздуха. Когда одна группа используется слишком долго и испаритель сильно обмерзает, что приводит к снижению эффективности испарения и выходной температуре, которая не соответствует требованиям, он вручную (или автоматически, или по времени) переключается на другую группу для использования, и эта группа используется для естественного размораживания и ожидания.

(IV) Процесс естественного испарения

BOG — это аббревиатура от B0il Off Gas, что означает естественно испаряющийся природный газ. Во время хранения СПГ в резервуаре и потока СПГ в трубопроводе, из-за подвода тепла, часть СПГ будет испаряться в газообразный природный газ, что увеличит давление резервуара и трубопровода. Для обеспечения безопасности эксплуатации и полного использования природного газа, BOG, вырабатываемый автоцистерной, резервуаром и трубопроводом, собирается в основной трубопровод BOG через редукционный регулирующий клапан и предохранительный клапан, а затем нагревается нагревателем BOG и отправляется в передающую и распределительную сеть.

(V) Процесс аварийного выпуска

EAG — это аббревиатура от Escape Air Gas, что означает аварийный выброс природного газа. Все газы, высвобождаемые предохранительным клапаном криогенной системы, являются криогенными газами. При температуре ниже -113 ℃ вес природного газа больше, чем у воздуха при комнатной температуре. Он нелегко распространяется при выбросе и будет скапливаться вниз. Поэтому необходимо установить нагреватель газа с выбросом при температуре воздуха. Высвобождаемый газ сначала проходит через нагреватель. После теплообмена с воздухом удельный вес природного газа будет меньше, чем у воздуха. После выброса в верхней точке он будет легко распространяться, поэтому нелегко образовать взрывоопасную смесь вблизи земли.

2. Процесс газификации баллонной станции СПГ

Рисунок 3. Технологическая схема станции газификации баллонов СПГ

Технологический процесс станции газификации баллонной группы СПГ аналогичен процессу станции газификации. Стальной баллон, содержащий сжиженный природный газ, транспортируется на станцию, и шланги газовой и жидкой фазы соединяются. Стальной баллон нагнетается с помощью усилителя, предоставляемого стальным баллоном, и СПГ в стальном баллоне отправляется в газификатор с внешней температурой воздуха, используя разницу давлений; сжиженный природный газ газифицируется и нагревается в газификаторе: затем давление регулируется до требуемого давления регулятором давления, и он отправляется потребителю после измерения. Процесс подачи газа баллонной группы СПГ устанавливает две группы стальных баллонов для использования и резерва, и их количество одинаково. Когда уровень жидкости стального баллона СПГ на стороне использования падает до указанного уровня жидкости, его следует вовремя переключить на группу резервных баллонов, а пустой стальной баллон, отключенный вниз, также следует вовремя заправлять и использовать. Сам природный газ бесцветен и не имеет запаха. Как городской газ, он должен быть одорирован в соответствии с правилами. Если процесс поставки СПГ в баллонах осуществляется в холодных районах на севере, то перед поступлением природного газа в трубопроводную сеть устанавливается устройство подогрева и повышения температуры, как показано на рисунке 3.