国内外天然气液化技术研究与发展
一、 前言
液化天然气（LNG）被公认是地球上最干净的能源，无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，液化天然气的重量仅为同体积水的45%左右。其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理，经一连串超低温液化后，利用液化天然气船运送。燃烧后对空气污染非常小，放出的热量大，所以液化天然气是很好的能源。今年来，随着世界天然气产业的迅猛发展，液化天然气已经成为国际天然气贸易的重要部分。本文主要介绍国内外液化天然气技术的研究与发展，从中对比论文国内外液化天然气技术的差距。
二、 国外技术研究及发展
天然气液化技术始于1914年，但直到1941年才开始在美国的克利夫兰建成了世界上第一座工业规模的LNG生产装置。1959年，世界上第一艘LNG运输船“甲烷先锋”(Methane Pioneer)号从美国的路易斯安纳州载运5000m3LNG，横渡大西洋成功地抵达英国的坎威(Canvey)岛。1964年9月27日，阿尔及利亚的世界上第一座LNG工厂建成投产。同年，第一艘载着12000吨LNG的船驶往英国，标志着世界LNG贸易的开始。之后，1969年，位于美国阿拉斯加的肯奈LNG装置投产，开始向日本出口LNG。1970年，利比亚成为非洲第一个LNG生产与出口国，其目标市场是西班牙。文莱是亚洲第一个LNG生产国，1972年，其LNG装置投产，向日本出口。如今，LNG国际贸易已有将近40年的历史，全球已有8个LNG出口国与9个LNG进口国或地区。
国外从20世纪70年{BANNED}始，对LNG装置的液化流程进行了设计、模拟与评价工作。A.W.Weslerberg等编著的《过程流程模拟》和倍尼狄克等编著的《化工装置稳态流程模拟》先后在1979年和1980年问世。
进入八十年代以后，化工流程模拟软件的商品化进程也大大加速了。除了科学模拟公司以外，ASPEN技术公司、凯姆谢尔公司和考德公司在七十年代末，八十年代初先后成立，分别推出了ASPEN PLUS、DESIGN II、MICROCHESS等通用化工流程模拟系统[22]。科学模拟公司也在1984年推出新版的PROCESS系统。这些系统全部采用序贯模块法，但在流程拓扑、循环物流切断和收敛方法选择等方
面为用户提供了方便。虽然，关于联立方程法和联立模块法的研究仍很活跃，联邦德国的BASF公司宣布已经开发了一个采用联立方程法的模拟系统SHEMAIN。联立模块法的实用化在理论上认为已无不可解决的困难，但仍需要积累各种单元设备的简化模拟方程才能满足工业实践的需要。
近年来，在工业上不断出现新型或改进型的液化流程。如Shell公司设计的混合制冷剂液化流程(DMR)已在阿尔及利亚Skikda天然气液化工厂的I型液化装置(共3套)上采用。另外，特立尼达和多巴哥的LNG项目安装了菲力蒲的优化级联式液化流程。
Shell公司对基本负荷型LNG装置的液化流程的最新发展，模拟计算了级联式液化流程、丙烷预冷混合制冷剂液化流程、两级混合制冷剂液化流程和氮气膨胀液化流程，并分析了其优劣。其生产的双混合制冷剂液化流程主要用于中高生产量的LNG生产线，其产量范围为(200-500)×104t/a。这一液化流程包括两个混合制冷剂循环，一个用于制冷，另一个用于液化。Shell公司通过优化设计DMR液化流程，使流程可充分利用预冷循环和液化循环中的压缩机驱动装置的动力。对于DMR循环液化流程，可通过调节两个循环中混合制冷剂组分使压缩机在较宽的进气条件和大气环境下工作。DMR液化流程在投资方面比丙烷预冷混合制冷剂液化流程更具有竞争力，这已在阿尔及利亚Skikda天然气液化工厂中得到证实。DMR液化流程若用在热带地区，则投资将会进一步降低。1995年，Melaaen提出了简化的绕管式换热器模型。在此基础上，建立了基本负荷型天然气液化流程动态仿真模型，并采用隐式DASSL进行了仿真计算，指出设计变量初值的选取对仿真计算的收敛影响很大。1997年，Kikkawa在现有设备的基础上，设计了新型的混合制冷剂预冷、膨胀机液化流程，并采用CHEMCADIII软件进行了模拟计算。1998年，Terry采用HYSYS软件，对典型的调峰型天然气液化流程进行了模拟计算与优化。除了新型液化流程在装置中的应用外，还有一些设备方面的新技术也应用到装置中。这些新技术包括钎焊铝板翅式换热器制造工艺的主机成熟，并成功地应用于低温换热器、压缩机和膨胀机的大型化和性能提高，以及采用大型燃气透平作为制冷压缩机的驱动机，技术的进步极大地推动了天然气液化流程的进步与发展。
近年来，随着世界天然气产业的迅猛发展，LNG已成为国际天然气贸易的重
要部分。与十年前相比，世界LNG贸易量增长了一倍，出现强劲的增长势头。据预测，2012年国际市场上LNG的贸易量将占到天然气总贸易量的36%，到2020年将达到天然气贸易量的40%，占天然气消费量的15%。
国外的液化装置规模大、工艺复杂、设备多、投资高，基本都采用阶式制冷和混合冷剂制冷工艺，目两种类型的装置都在运行，新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺，研究的主要目的在于降低液化能耗。制冷工艺从阶式制冷改进到混合冷剂制冷循环，目前有报道又有 C Ⅱ -2 新工艺，该工艺既具有纯组分循环的优点，如简单、无相分离和易于控制，又有混合冷剂制冷循环的优点，如天然气和制冷剂制冷温位配合较好、功效高、设备少等优点。法国Axens公司与法国石油研究所 (IFP) 合作，共同开发的一种先进的天然气液化新工艺—— Liquefin 首次工业化，该工艺为 LNG 市场奠定了基础。其生产能力较通用的方法高 15%-20% ，生产成本低 25% 。使用 Liquefin 法之后，每单元液化装置产量可达 600 × 104 t/y 以上。采用 Liquefin 工艺生产 LNG 的费用每吨可降低 25% 。该工艺的主要优点是使用了翅片式换热器和热力学优化后的工艺，可建设超大容量的液化装置。 Axe ns已经给美国、欧洲、亚洲等几个主要地区提出使用该工艺的建议，并正在进行前期设计和可行性研究。 IFP 和Axens开发的 Liquefin 工艺的安全、环保、实用及创新特点最近已被世界认可，该工艺获得了化学工程师学会授予的“工程优秀奖” 。
美国德克萨斯大学工程实验站，开发了一种新型天然气液化的技术—— GTL 技术已申请专利。该技术比目前开发的 GTL 技术更适用于小规模装置，可加工 30.5 × 104 m3 /d 的天然气。该实验站的 GTL 已许可给合成燃料Synfuels) 公司。该公司在 A & M 大学校园附近建立了一套 GTL 中试装置，目前正在进行经济性模拟分析。新工艺比现有技术简单的多，不需要合成气，除了发电之外，也不需要用氧气，其经济性、规模和生产方面都不同于普通的费托 GTL 工艺。第一套工业装置可能在 2004 年上半年建成。
三、国内技术研究及发展
我国早在六十年代，国家科委就制订了LNG发展规划，六十年代中期完成了工业性试验。四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置，除生产He外，还生产LNG。进入九十年代，我国进一步开始
了液化天然气技术的实践，中科院低温中心联合有关企业，分别在四川和吉林研究建成了两台液化天然气装置，一台容量为每小时生产0.3方LNG，采用自身压力膨胀制冷循环，一台容量为每小时生产O.5方LNG，采用氮气膨胀闭式制冷循环。与国外情况不同的是，国内天然气液化的研究都是以小型液化工艺为目标。
随着我国天然气工业的发展，在液化天然气技术实践的基础上，通过引进国外技术，第一台事故调峰型天然气液化装置于2000年在上海浦东建成，第一台商业化的天然气液化装置于2001年在中原油田建成。这标志着，在引进国外天然气液化技术的基础上，国内天然气液化应用技术开始全面推开，随后在新疆，四川等地相继有多个LNG工厂建成投产，促使我国天然气从液化，储存，运输， 到终端使用的LNG应用技术的全面发展。
从2001年中原油田建成的第一套商业化天然气液化装置开始，到目前近十年的时间，我国LNG应用技术得到了快速发展，建立起了涉及天然气液化，储存，运输，汽化和终端使用，以及配套装备各个方面，具有中国特色的LNG产业，成为了我国天然气工业发展中的一个重要方面。
3.1天然气的液化、储存和运输
目前，我国已建成近20套LNG生产工厂，总规模达到了年产LNGl46万吨，在建和待建的还有10套，总规模达到了年产LNGl20万吨前期的工厂大都是在引进国外技术的基础上，通过消化吸收与国内技术相结合完成，中原天然气液化装置由法国索菲燃气公司设计，使用丙烷和乙烯为制冷剂的复叠式制冷循环。新疆广汇天然气液化装置由德国林德公司设计，采用混合制冷剂循环。而国内已建和拟建的中小型LNG液化工厂，其液化设备除主要设备外基本以国产设备为主，配套国产化设备已达到60%。近年来，随着多套小型液化装置的建设，我国已完全能自行设计、制造、安装和调试LNG生产装置。2009年10月，由四川空分设备(集团)有限责任公司自行设计、制造、安装和调试的宁夏30万方/天天然气液化装置在银川开发区正式开车成功。该套装置采用带制冷机预冷的氮、甲烷混合介质膨胀制冷工艺流程，是目前国内最大的完全国产化的天然气液化装直。
在LNG储运方面，我国在低温液体储罐领域，如液氧、液氮、乙烯储罐，国内已有成熟的设计、建造技术。四川空分设备(集团)有限公司从20世纪80年代
开始吸收外国设计，建造储罐的先进技术，近年来自主开发了(400、6000)方的低温液体储罐，目前已建成该类储罐上百台，其中2000方以上储罐20多台。在国内主要有堆积绝热和真空粉末绝热两种类型的LNG储槽，容积从30方、100方、150方、700方 (组合)不等。而结构形式有立式和卧式两种。根据目前国内大型低温LNG储罐设计、建造技术现状，我国30000方以下的LNG储罐实现自主设计、建造的条件已基本成熟。
LNG槽车国内也是近年开始研制的。目前有30方、40方和45方等规格。因受车规的限制，目前真空粉末绝热一般以30～35方为限，而多层绝热可能达40～45方，而且从行走、底盘、制动、照明等方面均有新的改善。目前我国LNG槽车运载能力已达到2000万方规模，总车俩数700多俩，单车有效容积从最初的29方发展到了51方，具有多家专业生产LNG槽车的企业和专业运输公司。同时，罐式集装箱近年来也得到了大力发展。罐式集装箱一次可装运17.5方、40方或43.9方LNG产品，采用高真空多层绝热，绝热性能好，无损储存时间长， 自重轻，运输灵活。可公路，水路，铁路运输，或实现联运。
3.2 LNG卫星站
随着LNG生产装置商业化运行，LNG卫星站也得到了快速发展。以2001年建成投产的山东淄博LNG卫星汽化站为标志，在全国已建成100多座日供气规模在卜60万方的LNG卫星站，主要分布在华南和长三角等沿海经济发达地区。目前LNG卫星站已成为城市燃气调峰和弥补管道天然气不足的重要手段。LNG卫星站主要具有接卸、储存和汽化功能。我国的LNG卫星站以及陆上运输技术也已基本成熟，高真空粉末和超级真空缠绕式绝热技术得到了快速发展，小型LNG瓶(O.15方以下)的无损存放期在15天以上，车载罐和卫星站储罐在75天以上，LNG卫星站的建造和内陆液态运输设备制造都已完全国产化，同类型同性能产品价格比国外成倍的便宜，极具竞争力已形成的一整套完善、成熟确保安全的小型LNG运输、储存、气化和使用技术，以及一套有关运输、储存和使用的规范和法规，为我国LNG卫星站的健康发展奠定了基础。
3.3大型LNG接收站