1、第一章 天然气与液化天然气（ LNG）知识 1.1 天然气知识 近 20 多年来，世界天然气需求持续稳定增长，平均增长率保持在 2%，预计2020 在世界能源组成中的比重将会增加到 29%左右。中国是开发利用天然气资源最早的国家。新中国成立后，天然气产业有了很大发展。特别是“八五”以来，中国储量快速增长，天然气进入高速发展时期。但从全世界看，中国天然气产业整体水平还很低，资源探明程度仅 7%左右，储量动用程度约 50%，特别是天然气在能源结构中所占的比例极低，不到世界平均水平的十分之一。随着中国国民经济的持续发展，工业化 程度的不断提高，对清洁能源的需求不断增大，预示着天然气具有很大的发展空间
2、，中国天然气产业具有良好的发展前景。 中国天然气产业正面临着前所未有的发展机遇和挑战。随着科技进步，世界能源消费结构不断地向低碳化演变，天然气作为低碳化的清洁能源在世界各国都得到了高度的重视和发展，而目前中国天然气产业的发展与国民经济及社会发展很不适应。为此，国家从能源结构调整、加强环保和可持续发展等基本国策出发，“十五”将大力发展天然气的开发利用，这将为天然气产业的发展创造良好环境。 1.1.1 天然气组成 天然气是由烃类和非烃类组成 的复杂混合物。大多数天然气的主要成份是气体烃类，此外还含有少量非烃类气体。天然气中的烃类基本上是烷烃，通常以甲烷为主，还有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、以及少量的已
3、烷以上烃类。在 6C 中有时还含有极少量的环烷烃（如甲基不戊烷）及芳香烃（如苯、甲苯）。天然气中的非烃类气体，一般为少量的氮气、氧气、氢气、二氧化碳、水蒸气、硫化氢，以及微量的惰性气体如氦、氩、氙等。天然气中的水蒸气一般呈饱和状态。 天然气的组成并非固定不变，不仅不同地区油、气藏中采出的天然气组成判别很大，甚至同一 油、气藏的不同生产井采出的天然气组成也会有很大的区别。 1、根据化学组成的不同分类 （ 1）干性天然气：含甲烷 90%以上的天然气。 （ 2）湿性天然气：除主要含甲烷外，还有较多的乙烷、丙烷、丁烷等气体。 2、根据天然气的来源分类 （ 1）纯天然气：气藏中通过采气井开采出来的天然气
4、称为气井气。这种气体属于干性气体，主要成分是甲烷。 （ 2）油田伴生气：系指在油藏中与原油呈平衡接触的气体，包括游离气和溶解在原油中的溶解气两种。油田气是与石油伴生的，是天然气的一种，从化学组成来说属于湿性天然气。开采时与原油一起打出，气油 比（ m3/t）一般在20500 范围内。这种气体中含有 60%90%的甲烷， 10%40%的乙烷、丙烷、丁烷和高碳烷烃。 （ 3）凝析气田气：是含有容易液化的丙烷和丁烷成分的富天然气。这种气体通常含有甲烷 85%90%，碳三到碳五约 2%5%。可采用压缩法、吸附法或低温分离法，将后者分离出去制液化石油气。 （ 4）矿井气口从井下煤层抽出的矿井气，习惯称为
5、矿井瓦斯气。 1.1.2 天然气燃烧特性 天然气最主要的成分是甲烷，基本不含硫，无色、无臭、无毒、无腐蚀性，具有安全、热值高、洁净和应用广泛等优点，目前已成为众 多发达国家的城市必选燃气气源。 城市燃气应按燃气类别及其燃烧特性指数（华白数 W 和燃烧势 CP）分类，并应控制其波动范围。 华白数 W 按式（ 1）计算： dQW g（ 1） 式中： W 华白数， MJ/m3（ kcal/m3);Qg 燃气高热值， MJ/m3/（ kcal/m3）；d 燃气相对密度（空气相对密度为 1)。 燃烧势 CP 按式 2 计算： d CHCOHCHKCP nm 42 3.06.00.1 （ 2） 22005
6、4.01 OK （ 3） 式中： CP 燃烧势； H2 燃气中氢含量， %（体积）； CmHn 燃气中除甲烷以外的碳氢化合物含量， %（体积）； CO 燃气中一氧化碳含量， %（体积）； CH4 燃气中甲烷含量， %（体积）； d 燃气相对密度（空气相对密度为 1）； K 燃气中氧含量修正系数； O2 燃气中氧含量， %（体积）。 城市燃气的分类应符合表的规定。 城市燃气的分类（干， 0， 101.3kPa）表 类别 华白系数 W,MJ/m3（ Kcal/m2） 燃烧势 CP 标准 范围 标准 范围 人工燃气 5R 22.7 (5430) 21.1(5050)24.3(5810) 94 55
7、96 6R 27.1 (6470) 25.2(6017)29.0(6923) 108 63 110 7R 32.7 (7800) 30.4(7254)34.9(8346) 121 72 128 天然气 4T 18.0 (4300) 16.7(3999)19.3(4601) 25 22 57 6T 26.4 (6300) 24.5(5859)28.2(6741) 29 25 65 10T 43.8 (10451) 41.2(9832)47.3(11291) 33 31 34 12T 53.5 (12768) 48.1(11495)57.8(13796) 40 36 88 13T 56.5 (13
8、500) 54.3(12960)58.8(14040) 41 40 94 液化石油气 19Y 81.2 (19387) 76.9(18379)92.7(22152) 48 42 49 22Y 92.7 (22152) 76.9(18379)92.7(22152) 42 42 49 20Y 84.2 (20113) 76.9(18379)92.7(22152) 46 42 49 注： 6T为液化石油气混空气，燃烧特性接近天然气。 1.1.3 天然气的储运 天然气是以气态燃用，但储运方式有管输天然气、压缩天然气、液化天然气等多种形式。另外，目前还在发展天然气水合物。 1. 压缩天然气（ CNG）
9、压缩天然气（ CNG）是通过压缩机加压的方式，将天然气压缩至容器，增加容器存储体积的天然气运输方式。一般情况下，天然气经过几级压缩，达到 20MPa的高压，在用 气时在经减压阀降压使用。在 20MPa 高压下，天然气的压缩比可以达到 276。 CNG 在生产和利用过程中成本相对较低，能耗低。但是由于采用笨重的高压气瓶，导致 CNG 单车运输量比较小，运输成本高。因此，一般认为该种方式只适合为距离气源地近、用气量小的城市供应燃气。 CNG 的特点：与 LNG 相比，设备相对简单、投资少；与管道天然气相比要灵活，因为管道一旦建设好以后，无法根据市场的需要发生转移。 2. 液化天然气（ LNG） 当
10、天然气在大气压下，冷却至约 -162时，天然气由气态转变成液态，称为液化天然气（ Liquefied Natural Gas，缩写为 LNG）。 LNG 体积约为同量气态天然气体积的 1/625，密度在 450kg/m3左右。可见液化天然气具有较大的气液，便于运输。另外，由于 LNG 的燃点及爆炸极限高于汽油，所以不易发生爆炸，安全性能好。 LNG 包括液化工厂、低温储槽和再气化工厂的建设。液化和再气化工厂的经济可行性由年产量和最高供气量决定。由于 LNG 所以低温液体，其生产、储运及利用过程中都需要相应的液化、保温和气化设备，投资额高。这种运输形式只有在规模发展较大时才具有合理的经济性能。
11、3. 管输天然气（ PNG） 管 输天然气是通过管道直接将天然气输运到用户点的一种运输方式，主要针对气源地用户或与气源地通过陆地相连的国家之间天然气运送。管道长度对于 PNG 方式有一定要求。对于距离气源地较远的地区，只有当用气量较大时才会具有较好经济性。由于海底管道的建造和维护费用高，当天然气的海上运输距离较长时，将会倾向于采用 LNG 船运输。 与 LNG 不同， PNG 既不需要液化工厂也不需要再气化工厂。管道基本建设投资是影响经济可行性的主要决定因素。基本建设投资额随着管线距离、管线走向、地理环境和负荷系数的变化而变化。天然气井口价格也对 PNG 的经 济可行性有较大影响。当天然气的进
12、口价格一定时，运输距离是决定其贸易方式的主要因素。如果输送距离高于临界点， LNG 将更加可行。据英国 BP 公司提供数据，管道天然气和液化天然气运输成本运输距离的临界值大致在 4000 5000 公里间。 4. 其他技术 除了上述三种已经成熟的天然气存储技术，各国还在积极探寻其他更经济有效方式。其中包括天然气水合物（ NGH ， Natural Gas Hydrate，简称 Gas Hydrate）和吸附天然气（ ANG， Adsorption Natural Gas）等。 天然气水合物资源是世 界能源开发的下一个主要目标。海底的天然气水化物资源丰富，其开发利用技术已成为一个国际能源领域的热
13、点。天然气水合物是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、 pH 值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过 99的天然气水合物通常称为甲烷水合物（ Methane Hydrate）。在标准状况下， 1 单位体积的气水合物分解最多可产生 164 单位体积的甲烷气体。但是根据目前的发展来看，该技术距离工业应用的成熟水平还有一定的 距离。 吸附天然气技术是利用一些诸如活性炭等多孔性固体物质对气体的吸附特性进行储气。由于这种新型的储气方式也要求在一定的压力作用下（通常为3MPa-4MPa）方能最大限
14、度地提高气体附量（如在储存压力为 3.5 MPa 时，理论储气量可达其容积体积的 150 倍），因此从一定意义上讲，该储存方式同属压力储存。但由于储存压力较 CNG 大为降低，因此容器重量相应减轻，安全性相对提高。当储气容器的改良同样是减轻车辆无效载重、提高空间利率、减缓容器内外壁腐蚀等部题的最根本方法。目前该技术的关键部分：吸附剂以及热能储存器的开发已 有了较大进展。作为天然气储存的一种方式，由于单位存储介质的吸附量还比较小，还不能在工业中得到大规模的应用。目前只有少数机构可以将其应用到天然气汽车上。 1.2 LNG 基本性质 天然气的主要组分是甲烷，其临界温度为 83，故在常温下，无法仅靠
15、加压将其液化。通常的液化天然气（ Liquefied Natural Gas，简称 LNG）多存储在温度为 162、压力为 0.1MPa 左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的 600 多倍，体积能量密度为汽油的 72%，十分有利于输送和储存。 液化天然气是经过净化处理（脱水、 脱烃、脱酸性气体）后，采用节流膨胀及外加冷源冷却的工艺使得天然气液化的。预处理主要包括 O，HS，COH 222的清除，以免低温下冻结、堵塞。 天然气液化装置按用途可分为两大类 , 即基本负荷型天然气液化装置和调峰型天然气液化装置。基本负荷型天然气液化装置由天然气预处理系统、液化系统、储存系统、控制系统、装卸设施和
16、消防系统等组成，是一个复杂庞大的系统工程， 投资高达数十亿美元。由于投资巨大， LNG 大多由壳牌、道达尔等大型跨国石油公司与资源拥有国政府合资建设。基本负荷型天然气液化装置的液化 单元常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程。 20 世纪 60 年代最早建设的天然气液化装置 , 采用当时技术成熟的级联式液化流程。到 70 年代又转而采用流程大为简化的混合制冷剂液化流程 (MRC)。 80 年代后 , 新建与扩建的基本负荷型天然气液化装置则几乎无一例外地采用 APCI 公司的丙烷预冷混合制冷剂液化流程 (C3/MRC) 。 调峰型天然气液化装置是小流量的天然气液化装置 , 并非常年连续运行。因
17、此 , 调峰型液化流程要求具有高效、灵活、简便、低成本的特点。一般 , 对于管道气压力较高的情况 , 为充分利用其压力能 , 可考虑使用膨胀机液化流程。选择调峰型 LNG 液化流程 , 必须根据具体的设计要求和外围条件对上述因素进行综合考虑 , 即对不同液化流程的投资成本、比功耗、运行要求以及灵活性进行全面对比 , 才能最终决定采用何种液化流程。 天然气液化工厂的工艺流程不同，出厂 LNG 的温度和压力也有所不同，如新疆广汇液化工厂出厂 LNG 温度约为 162，压力为常压；中原绿能高科液化工厂出厂 LNG 温度约为 145，压力为 0.35MPa。 1.2.1 LNG 组分 新疆广汇和中原绿
18、能 LNG 工厂生产 LNG 的组分如下： 组分 分子式 体积含量 mol% 新疆广汇 中原油田 甲烷 CH4 86.23 95.857 乙烷 C2H6 12.77 2.936 丙烷 C3H8 0.3428 0.733 异丁烷 C4H10 0.201 正丁烷 C4H10 0.105 异戊烷 C5H12 0.037 正戊烷 C5H12 0.031 已烷 C6H14 0.009 庚烷 C7H16 0.003 辛烷 C8H18 0.003 氮 N2 0.6550 0.085 1.2.2 LNG 物性数据 新疆广汇 LNG 的物性如下： 分子量 ： 17.3 气化温度： 162.3（常压 1.053bar） 临界温度： 82.5 液相密度： 440kg/Nm3 气相密度： 0.75 kg/Nm3（ 15.5） 燃点： 650 热值： 8700kcal/Nm3 气化潜热： 0.51MJ/Kg（ 121Kcal/Kg） 运动粘度： 12.072 10 6m2/s 燃烧势： 45.18CP 华白数： 54.23MJ/m3 爆炸极根 上限 15.77 下限 4.91 1.2.3 LNG 特点 1. 天然气液化后，体积缩小 600 多倍，可以在公路、铁路、船舶上实现经
