液化天然气应用与安全

摘要

天然气是一种清洁优质能源，近年来，世界天然气产量和消费量呈持续增长趋势。从今后我国经济和社会发展看，加快天然气的开发利用，对改善能源结构，保护生态环境，提高人民生活质量，具有十分重要的战略意义。国际上液化天然气(LNG)的生产和应用已有久远的历史,LNG工业将是未来天然气工业重要组成部分。本文着重介绍液化天然气的应用及安全问题。

关键词：LNG 应用 安全

1.绪论

天然气的主要成分是甲烷，是当今世界能源消耗中的重要组成部分，它与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。天然气经预处理、脱除重质烃、硫化物、CO2、水等杂质后,在冷却到-162℃就会变成液体称为液化天然（Liquid Natural Gas，简称LNG）。LNG是天然气以液态存在的形式，其体积仅为气态时的1/625。由于LNG在生产时已脱除了气体的杂质，因此LNG作为燃料燃烧时所排放的烟气中 S02及NOx含量很少，因此被称为清洁能源。

我国对LNG产业的发展越来越重视，近十年来，随着气田周边小型LNG工厂，以及沿海大型LNG接收站的建造，中国LNG应用技术得到了大力发展，促使了LNG产业的形成，基本建立起了涉及从天然气液化、储存、运输、接收、汽化和终端利用各环节相配套的LNG产业。展望未来，我国天然气需求旺盛，在一次能源中增长最快，液化天然气(LNG)产业作为天然气工业的一个重要方面，凭借其自身独特的优势，将促使天然气在发展方式、发展规模、投资成本、生产消费等方面呈现新的特点，同时进一步带动LNG应用的发展。

LNG生产项目从2001年至今已经投入运营的有：中原油田、新疆广汇集团、上海的LNG事故调峰站、北海新奥燃气、海南；而且正在规划和实施的沿海LNG项目有：广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁，这些项目将最终构成一个沿海LNG接收站与输送管网。除广东、福建已经进入正式实施阶段外，其余项目多处在前期准备阶段。

2.液化天然气基本知识

1.1 液化天然气（LNG）的概念

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称 LNG）是由天然气液化制取的、以甲烷为主的液烃混合物。它是天然气经压缩、冷却，在-160℃下液化而成的一种无色、挥发性液体。LNG被公认是地球上最干净的能源。

1.2 液化天然气的性质

液化天然气的主要成分是甲烷，它的密度通常在430kg/m³-470kg/m³,但在某些情况下可高达520kg/m3，其沸腾温度取决于组分，在大气压力下通常在-166℃～-157℃之间。LNG临界温度和临界压力分别为-82.1℃及45.5kg/cm2，压力随着温度的上升而增高。液化天然气液膨胀比大，它的体积为其气体体积（101.325kPa，20℃）的1/625，故有利于输送和储存。 液化天然气具有可燃性，无色、无味、无毒且无腐蚀性，LNG的重量仅为同体积水的45%左右，热值为52MMBtu/t(1MMBtu=2.5 2×108cal )。由于LNG分子量小、粘度低，因而浸透性强，容易泄漏，它产生的水分会冻结并形成激凌状的硬块。 LNG安全性高，具有可燃性，为清洁能源。

3.液化天然气的应用

3.1 LNG冷能回收利用

大型LNG接收终端在LNG气化时若不采取冷能回收措施，则需要通过大量的海水进行热交换，低温海水向海中排放，会影响局部海域的生态平衡，造成冷污

3.1.1 LNG冷能

LNG中蕴藏着大量的冷能，在使用时，LNG需重新转化为常温气体，温度由-162℃复温至常温，大量的可用冷能释放出来。通过特定的工艺与装置，可将LNG的冷量有效进行回收，合理地应用于发电、制造干冰、低温冷库、汽车冷藏、汽车空调等生产、生活的各个领域，可以节约大量的电力资源。

我国深圳大鹏LNG接收终端站已经投产，“冰雪大世界” 项目拟LNG利用该站的冷能，福建LNG接收终端冷能利用也在计划中。随着LNG工业在我国的发展，LNG中所蕴藏的冷能也越来越引起人们的重视，发展我国LNG冷能利用将具有广阔的市场前景。

3.1.2 LNG冷能回收及利用技术

⑴ 低温联合发电

低温联合发电是目前LNG冷能回收利用的重要方式，技术较为成熟。

①天然气直接膨胀发电

②朗肯循环发电

③LNG燃气轮机冷量综合利用发电

低温联合站发电循环过程简单，所需设备少，LNG的低温冷能没有充分利用，1吨LN G的发电量约为20 kW•h 左右。

低温朗肯循环发电装置流程图

1—涡轮机 2—减速器 3—发电机 4—天然气加热器 5—丙烷蒸发器 6—丙烷泵 7—LNG蒸发器

⑵ 液化空气及干冰生产

空分工厂在制造液氮、液氧和液氩时，通常低温环境由电力驱动的机械制冷产生，液化1m³空气大约需要1766kJ的冷能，产生这些冷能需要大量的电力。空分装置中利用LNG冷能是技术上最合理的方式。 利用LNG汽化时提供的冷能来冷却空气，不但使所需能耗大幅度降低，而且使空分系统的流程简化，设备减少。

空气液化装置流程图

1—过滤器；2—压缩机；3—净化器；4、10—换热器；5—主精馏塔；6—氩净化器；7—氢罐；8—氩塔；9—循环氮压缩机；11—天然气加热器；12—液氩贮槽；13—液氮贮槽；14—液氧贮槽。

与普通的生产工艺比较，电力消耗可节省50%以上，冷却水的节约量超过70%。

⑶ 蓄冷装置

LNG蓄冷可实现以下应用：

① 装货航行中冷却液货舱：即使船舶在海况恶劣的环境下航行，利用贮藏的LNG冷能，船舶的液货舱也能得到实时监控释放冷量冷却，控制平稳，航行安全可靠，经济性突出。在海况平静船舶不摇晃时，可用LNG直接通到货舱底部，使货舱液货搅动。当货物冷却到要求程度，释冷冷量只需抵消从外界通过绝热层传给液货舱的热量。

② 船舶空调和伙食冷库：LNG液体燃料在燃料燃烧前气化时吸收的气化潜热所产生的冷量，足以维持船舶冷库-20℃的库温和船舶空调夏天26～28℃的环境控制温度。

③ 燃气轮机进气冷却：燃气轮机的热效率和功率随机组燃气温度的升高而降低。经过燃机的总的空气质量流量在被冷却后热效率得到提高，余热锅炉的汽轮机出力可提高约8%。

④ 周边建筑和周边冷冻品：岸站周边的建筑空调可考虑采用利用LNG蓄冷装置贮存的冷能集中供冷。快速冷冻食品具有保留食品的原始成分，维持良好的食品质量的优点，尤其许多深海鱼类需深度冷冻保鲜。利用码头岸站贮存的巨大冷量和LNG本身的低温性及时为它们的加工提供条件，从而开发速冻食品和加工深海鱼类。

3.2 LNG车用燃料

液化天然气(LNG)用作车用燃料，具有储存压力低、能量密度高、行驶里程长、排放尾气更加清洁等优点，其安全、高效、经济、环保优势正越来越受到我国城市公交业界的青睐。以LNG取代燃油后可以减少90%的二氧化硫排放和80%的氮氧化物排放，环境效益十分明显，是汽车的优质代用燃料。LNG以液态储存输送，摆脱了天然气管网的束缚，LNG加气站具有储存效率高、充装速度快、设备简单、占地面积小、噪音小、便于建站布点等特点。LNG 的燃点比汽、柴油的燃点高；LNG蒸汽比空气轻，稍有泄露立即挥发飞散，很难形成遇火燃烧爆炸的浓度。因此，无论LNG，还是它的蒸汽都不会在一个不封闭的环境下爆炸。同时，LNG的储存压力小于1.6MPa，远低于CNG 的储存压力，避免了CNG因采用高压容器带来的潜在危险，同时也大大减轻了容器自身的重量。可以预见，城市在汽车燃料方面逐步用LNG或天然气代替燃油。近年来，它已被世界许多国家重视和推广。俄罗斯在将 LNG用于汽车运输、铁路运输、水上运输和空中运输方面积累了许多经验；英国的运输公司大部分采用LNG为车用燃料。

3.3 调峰和备用气源

由于天然气需求旺盛，以及季节性用量差别大，往往造成地区性供气缺口，所以发展小型LNG调峰生产装置和卫星储备站，是保障城市安全平稳供气的重要手段。同时由于地区性经济发展水平的差别，一些地区管网建设有困难，可采取卫星站的方式实现天然气供应。因此，城市调峰和供气管网缺乏地区是小型LNG调峰生产装置和卫星储备站技术应用的重要方面。同时卫星储备站也是大型LNG接收站在合理经济配送半径内最好的配套设施。天然气大量应用于城市建筑采暖（制冷）将是必然的，它由此而引起的季节性供气量差别会很大，同时城市公用设施对天然气的依赖性也越来越大，因此解决天然气供应的季节性调峰和提高可靠性LNG是一个新的选择。与其他措施相比，LNG有更好的可靠性和灵活性，投资小建设周期短。对于新建城市供气项目，由于规模或其他原因，近期天然气管道无法到达，可先建设LNG供气设施发展市场规模，待管道天然气到达后LNG设施改做调峰和备用气源。

3.4 LNG综合利用

近40年来，由于人们对环境保护的重视，天然气的开发与应用越来越受到重视，被广泛用于发电、汽车燃料、化工原料、民用燃料等方面，其消耗量以5%～10%的速度逐年增长。

3.4.1 工业用LNG

LNG在工业上的应用潜力是很大的。一些能源消耗很大的企业往往距城市或天然气管很远，或者根本得不到管道输送的天然气，这种情况下LNG的优势就很明显。最典型的是陶瓷厂，使用LNG可以使产品档次提高，质量提高，成本下降。 LNG供气规模比较大时，气化过程要产生很大的冷量，合理利用可以产生额外收益。据了解，一些低温加工、冷藏、制冰、制氧或其他需要冷能的产业有可能与之结合。

3.4.2 中小城镇生活用LNG

随着社会的发展、科技的进步以及人类对环境保护的意识增强，近年来，LNG作为清洁能源现备受关注，天然气燃烧后产生的二氧化碳和氮氧化合物仅为煤的50%和20%，污染为液化石油气的1/4，煤的1/800。随着居民生活水平的提高，中小城镇居民更希望能用洁净的能源，由于管道铺投资费用大，LNG气化站具有比管道气更好的经济性，在中小城镇可采用LNG气化站作为气源供居民使用，此外还可用于商业、事业单位的生活以及用户的采暖等。

4.液化天然气安全问题

LNG是天然气储存和输送的一种有效的方法，在实际应用中，LNG也是要转变为气态使用，因此，在考虑LNG设备或工程的安全问题时，不仅要考虑天然气所具有的易燃易爆的危险性，还要考虑由于转变为液态以后，其低温特性和液体特征所引起的安全问题。

4.1 LNG具有的危险性

4.1.1 低温的危险性

人们通常认为天然气的密度比空气小，LNG泄漏后可气化向空气飘散，较为安全。但事实远非如此，当LNG泄漏后迅速蒸发，然后降至某一固定的蒸发速度。开始蒸发时其气体密度大于空气的密度，在地面形成一个流动层，当温度上升到约-110℃以上时，蒸气与空气的混合物在温度上升过程中形成了密度小于空气的“云团”。同时，由于LNG泄漏时的温度很低，其周围大气中的水蒸气被冷凝成“雾团”，然后LNG再进一步与空气混合过程中完全气化。LNG的低温危险性还能使相关设备脆性断裂和遇冷收缩，从而损坏设备和低温冻伤操作者。

4.1.2 BOG的危险性

虽然LNG存在于绝热的储罐中，但外界传入的能量均能引起LNG的蒸发，这就是BOG（Boil of Gas）蒸发气体。故要求LNG储罐有一个极低的蒸发率，要求储罐本身设有合理的安全放空系统，否则BOG将大大增加，严重者使罐内温度、压力上升过快，直至储罐破裂。

4.1.3 着火的危险性

天然气在空气中百分含量在5%～15%（体积%）时，遇明火可产生爆燃。因此，必须防止可燃物、点火源、氧化剂（空气）这三个因素同时存在。

4.1.4 翻滚的危险性

通常储罐内的LNG长期静止将形成两个稳定的液相层，下层密度大于上层密度。当外界热量传入罐内时，两个液相层引发传质和传热并相互混合，液层表面也开始蒸发，下层由于吸收了上层的热量，而处于“过热”状态。当二液相层密度接近时，可在短时间内产生大量气体，使罐内压力急剧上升，这就是翻滚现象。

4.1.5 对人生理上的影响

人暴露在体积分数为9％以上的CH4气氛中会引起前额和眼部有压迫感，但只要恢复呼吸新鲜空气，就可消除这种不适的感觉。如果持续地暴露在这样的气氛环境下，会引起意识模糊和窒息。甲烷是一种普通的窒息性物质。

虽然LNG蒸气是无毒的，如果吸进纯的LNG蒸气，人迅速失去知觉，几分钟后死亡。当大气中的氧的含量逐渐减少时，工作人员有可能察觉不到，慢慢地窒息，待到发觉时已经很晚了。LNG缓慢窒息的过程分成4个阶段，见表1。

表1 LNG对人窒息的生理特征

当空气中氧气的体积分数低于10％，天然气的体积分数高于50％，对人体会产生永久伤害。在这情况下，工作人员不能进入LNG蒸气区域。

4.2 LNG安全对策

除LNG储罐本身具有的安全措施外，工艺管线中要设置安全阀、压力表、紧急切断阀、降压调节阀等安全措施；消防安全方面，要设置消防水池、消防水泵、LNG储罐喷淋降温设施、LNG泄漏导出防护设施。应设置可靠的防雷、防静电设施；设置必要的保冷措施和燃气加臭措施（民用户）。此外还要设置异常情况停气安全连锁系统。LNG站的储存设备、气化设备、输送设备制造安装质量要精良。

生产安全管理应到位：

（1）做好岗位人员的安全技术培训：包括LNG站工艺流程、设备的结构及工作原理、岗位操作规程、设备的日常维护及保养知识、消防器材的使用与保养等，都应进行培训，达到应知应会要求。

（2）建立各项安全生产制度。

（3）建立事故应急抢险救援预案：预案应对抢险救援的组织、分工、报警、各种事故（如LNG少量溢出、大量溢出、直至着火等）的处置方法等，应详细明确。并定期进这行演练，形成制度。

（4）加强消防设施的管理：重点对消防水池（罐）、消防泵、LNG储罐喷淋设施、干粉灭火设施、可燃气体报警设施要定期检修（测），确保其完好有效。

随着LNG在我市的逐步推广应用，如何搞好LNG的安全技术管理已成为一个新课题。我们要及早动手研究借鉴国内外的标准和兄弟城市的管理经验结合我国的实际情况制定相应的地方标准，对LNG站的安全技术问题给予关注和研究，通过不断探索逐步走出一条适合我市特点的LNG安全技术管理的新路子。

5.小结

我国尚处于LNG应用起步阶段，LNG在我国的应用空间广阔。展望未来，我国天然气需求旺盛，液化天然气（LNG）产业作为天然气工业的一个重要方面，凭借其自身独特的优势，将促使天然气在发展方式、发展规模、投资成本、生产消费等方面呈现出新的特点，同时进一步带动LNG应用技术的发展。凭借其自身独特的优势，将促使天然气在发展方式、发展规模、投资成本、生产消费等方面呈现新的特点，同时进一步带动LNG应用技术的发展。目前，LNG 冷能主要在发电系统、空分系统、制取干冰及冷冻冷藏等方面得到了应用，LNG可产生可观的经济效益、环境效益及社会效益。

参考文献

[1]梁平，王天祥.天然气集输技术.北京：石油工业出版社，2008[1] 曾自强．张育芳．天然气集输工程[M]．北京：石油工业出版社，2001[2] 梁平．王天祥．天然气集输技术．［Ｍ］．北京：石油工业出版社，2008

[1] 曾自强．张育芳．天然气集输工程[M]．北京：石油工业出版社，2001

[2] 梁平．王天祥．天然气集输技术．［Ｍ］．北京：石油工业出版社，2008

[1] 曾自强．张育芳．天然气集输工程[M]．北京：石油工业出版社，2001

[2] 梁平．王天祥．天然气集输技术．［Ｍ］．北京：石油工业出版社，2008

[2]陈国邦，新型低温技术.上海：上海交通大学出版社，2003

[3]李品友.液化气体海运技术.大连：大连海事大学出版社，2003

[4]顾安忠等.中国液化天然气的发展.北京：石油化工技术经济，2004

[6]李品友.液化气船国际气体规则—IGC规则.上海：上海造船，1995

[7]李文华等.石油工程HSE风险管理.北京：石油工业出版社.2008

[1] 曾自强．张育芳．天然气集输工程[M]．北京：石油工业出版社，2001

[2] 梁平．王天祥．天然气集输技术．［Ｍ］．北京：石油工业出版社，2008

[1] 曾自强．张育芳．天然气集输工程[M]．北京：石油工业出版社，2001

[2] 梁平．王天祥．天然气集输技术．［Ｍ］．北京：石油工业出版社，2008