科学研究训练（论文）液化天然气气化站工艺设计院（系、部）：姓名：班级：学号：指导教师：教师职称：年月日·北京液化天然气气化站工艺设计油气储运工程专业指导教师摘要合理选择、设计LNG气化站的工艺流程和处理好气化站设备的选型问题，是降低工程造价、提高项目的经济效益的关键所在。
解决这一关键问题需要：首先，通过对设计要求及经济性、可行性分析完成对LNG气化站工艺流程的比选，选择它们当中较优的设计方案；接着针对该设计方案进行设计计算和选型：如主要工艺管道的计算、选型及校核，LNG 储罐、卸车增压器、储罐增压器、气化器、NG加热器、BOG加热器、EAG加热器、NG调压器、计量和加臭装置等设备的设计、计算及选型；最后，介绍了气化站的安全设计并对整个气化站进行了经济评价。
关键词 LNG气化站，工艺，设备选型，安全一、选题背景和研究意义1.选题背景近年来，液化天然气(LNG) 因具有运输效率高、用途广、供气设施造价低、见效快、方式灵活等特点，越来越得到国家的重视。
如今，LNG已经成为不少无法使用管输天然气供气城市的主要气源或过渡气源, 同时也成为许多使用管输天然气供气城市的补充气源或调峰、应急气源。
LNG 气化站作为城市处理、利用LNG 的主要设施,凭借其建设周期短、能方便及时地满足市场用气需求的特点, 成为国内东南沿海众多经济较发达、但能源紧缺地区的永久供气设施或管输天然气到达前的过渡供气设施[1]。
然而，国内现有的LNG气化站的工艺流程及设备设置存在着一些不合理的地方，导致了资源的浪费和成本的增加。
究其原因主要有：对LNG气化站的设计、国内相关规范还不完善；不少设计人员在对气化站的规划时缺乏科学依据，没有通过科学的计算，导致一些不必要的设施的设置，从而增加了成本；对相关设备的选择具有一定的盲目性，无法根据实际情况，具体问题具体分析。
国外LNG气化站建设已经比较成熟，而我国在这一方面明显落后。
我国要改善能源消费结构，就必须加快LNG气化站的建设，优化已有气化站的流程和设备设置，使其在满足城市对天然气消费需求的同时，运行得到进一步优化，成本得到大幅减少。
总之，LNG气化站的工艺设计研究有利于国家对已有LNG气化站的优化，对以后LNG气化站的建设具有一定的参考作用。
2.研究意义城市气源有主气源、辅助气源、过渡性气源、调峰气源、备用气源等不同的形式，对用户的供气对不同的气源有不同的要求，一般对主气源和辅助气源要求安全、稳定、可靠，对调峰气源和备用气源除要求与主气源有互换性外,还要求气源供应有保障，工艺设备简单，投运时间短。
因此，在工程项目投资前期，应根据城市规划、长输管线开始运行的时间，对气化站的建站条件、气源的供气能力与方式、用户的需求、材料及设备的选取等，进行方案可行性论证、安全性分析比较[2]。
因此，在工程设计前应进行气化站工艺设计。
我国现有的LNG气化站的工艺流程及相关设备选型仍存在一些问题，如工艺流程不合理造成资源的浪费和处理的不彻底，有的设备的设置是多余的或者经常处于很低的处理量下。
对LNG气化站的工艺设计的研究有利于工艺流程的正确选择以及设备的合理设置。
总之，对LNG气化站的工艺设计有利于使气化站工艺流程能很好满足对LNG 处理的要求，进而给用户提供优质的天然气；有利于使气化站的主要设备处于安全、稳定、高效的运行状态；有利于对整个气化站进行宏观调控；有利于降低气化站的建设成本和运营成本。
二、文献综述2.1 LNG气化站卸车及管道预冷工艺图1 卸车、预冷工艺2.1.1 LNG卸车LNG卸车时一般不需要额外消耗动力，通过卸车增压器使槽车内的压力增大，从而与LNG储罐间存在一定的压差，在压力差的作用下将LNG输送至储罐内。
卸车时的注意事项：一是，合理使用储罐的上进液口和下进液口，上进液时LNG以喷淋的形式进入罐内，下进液则为常规的进液方式[3]。
当槽车的液体温度比储罐的液体温度低时，可以选择上进液。
此时，液体以喷淋方式穿过LNG储罐的气相空间，过冷液滴会吸收储罐内的气体,使得槽车与储罐的压差增大，从而加快卸车的速度。
槽车的液体温度比储罐的液体温度高时，应选择下进液，从而加快换热速率，减弱LNG的气化倾向，避免对卸车产生影响。
当然，如果没有温度差可任意选择进液方式。
2.1.2 管道预冷卸车台管道为常温管道,而LNG为低温液体,所以每次卸车前都要对卸车台至储罐入口的管道进行预冷，以减少卸车时间，防止管道发生低温破裂甚至脆断[3]。
具体做法为，通过控制阀门的启闭来使低温液氮缓慢地通过管道及设备，对站内各管道、设备进行预冷置换，排除空气，检查设备及管道在低温状态下的安全可靠性。
并保冷观察，检查储罐的保冷效果,，一切正常后，用LNG置换液氮，进行正常的生产供气。
预冷过程中，阀门等设备遇冷液体收缩，可能导致产生泄漏，若外界空气及水蒸气进入管道中，会产生阀门冻住的现象。
因此，在预冷过程中需要好好控制预冷液的流动速度，密切注意阀门情况，对松动泄漏及时处理，以免阀门冻住。
预冷所需液氮的量应根据储罐的容积及数量通过冷量计算而定。
通常一个100m³低温储罐预冷约需要消耗10m³的液氮。
对于一个气化站来说，液氮冷能的充分利用可以减少站内预冷所需的液氮量。
实际操作中, 遵循“能源的梯级利用”的原则，利用一次换热后LNG罐中的氮气与站内其余设备进行二次换热预冷，甚至进行三次换热，可节约液氮消耗量及预冷时间，从而达到节约运营成本的目的，具有较好的效果[4]。
2.2 LNG的气化工艺LNG的气化工艺是整个气化站的中心环节，是保证稳定供气的关键一环。
LNG 气化站工艺根据对蒸发气体（BOG）处理方式的不同可分为蒸发气体再液化工艺和蒸发气体直接压缩输送工艺，根据对LNG的处理顺序可分为加压气化工艺和气化压缩工艺。
2.2.1 蒸发气体再液化工艺图2 蒸发气体再液化工艺流程图2为蒸发气体再液化工艺流程图。
在大型LNG接收站中，LNG经管道或卸料臂输送至储罐储存。
储罐中的LNG经泵升压后输送至气化器进行气化，最后经调压送至下游用户管网。
LNG在储存过程中，由于储罐不可避免的与外界换热，导致罐内的部分LNG会从液相蒸发出来，这部分蒸发气体称为BOG[5]。
采用蒸发气体再液化工艺时,BOG先通过压缩机加压到一定压力,然后按照一定的比例与LNG泵送来的压力相等的LNG过冷液体换热并重新液化为LNG，再经第二级泵加压，经气化器气化后送往下游用户管网。
对于处理BOG系统的压力控制的问题，马来西亚的Zolfkhani进行了研究。
发现，当操作压力提高时，运营支出（OPEX）略有增加，然而，BOG再冷凝能力）含量和气化站的操作模式得显著提高[6]。
最后，他根据天然气的组成、氮（N2出，操作压力7-8bar时烃的损失较少，需要放散或在火炬上燃烧的BOG减少，运营成本降低。
2.2.2 蒸发气体直接压缩输送工艺图3蒸发气体直接压缩输送工艺流程图3为送入城市中压管网的空温式蒸发气体直接压缩输送的LNG气化站工艺流程图。
通过储罐增压器将LNG增压，进入空温式气化器,LNG吸热气化发生相变,成为天然气。
当天然气在空温式气化器出口温度合适时，可直接经调压、计量装置后输往下游用户管道；当出口温度较低时,需要经水浴式气化器气化并调压、计量、加臭后送入城市高(中)压管网[1]。
而LNG储罐中的BOG气体则通过压缩机直接加压到燃气管网所需的压力后，直接进入外输管网。
相对于直接压缩工艺来说, 再液化工艺将BOG 加压过程分成两个阶段, 第一阶段由压缩机完成，与直接压缩工艺相同，第二阶段通过第二级泵完成, 其目的是减小能耗[7]。
BOG直接压缩输送工艺需将蒸发气体升压至管网压力才能保证整个工艺过程平稳进行，需要消耗大量压缩功，而BOG再液化工艺是将LNG用泵升压后与BOG充分接触换热，由于液体体积及压缩性都很小,因此整个过程比BOG 直接升压过程可节约50%的能耗[5]。
与直接压缩输送工艺相比，再液化工艺的缺点是增加了再冷凝器和第二级泵, 流程比较复杂。
中国石化集团上海工程有限公司的刘浩、金国强运用广义伯努利方程定性分析和定量计算, 指出再冷凝工艺更为节能。
通过流程模拟, 提出两种处理方式的适用范围[7]：（1）再冷凝工艺比直接压缩工艺更为节能，但需要可靠的冷源并增加设备。
（2）再冷凝工艺适合大型LNG 接收站。
（3）直接压缩工艺适合小型调峰型LNG 接收站。
2.2.3 加压气化工艺图4 LNG加压气化工艺流程图4为LNG加压气化工艺流程图。
将LNG用LNG槽车由公路运输至LNG气化站，在卸车台用卸车增压器对LNG槽车增压，利用压差将LNG送至LNG储罐。
当需要供气时，通过自增压器对储罐加压，增压后的LNG进入LNG低温泵，加压到一定程度后进入LNG气化器，换热后转化为常温气态天然气，经调压、计量、加臭后输往城市次高压管网。
LNG蒸发气通过BOG加热器加热后, 送入中压管网[8]。
EAG 为紧急放空气, 通过EAG 加热器加热后, 送至放散管集中放散。
2.2.4 气化压缩工艺气化压缩工艺其实大体上与加压气化工艺一致，只不过对LNG的处理顺序不同。
LNG气化压缩工艺即从LNG储罐来的LNG先经过气化器的气化，再对出来的天然气进行压缩，使其基本达到管网输送所需的压力，之后经调压、计量、加臭后输往城市管网。
由于液体的可压缩性比气体小得多，加压液体比加压气体效率高得多，加压气化工艺比气化压缩工艺节能效果好，且占地面积小得多，因此LNG气化工艺流程最好采用加压气化工艺。
2.3 设备的选型与设计LNG气化站的工艺设备及装置主要有LNG储罐、LNG气化器、LNG泵、BOG压缩机、调压装置、计量与加臭装置、阀门与管件等。
2.3.1 LNG储罐目前，国内外常用的LNG储存方式有常压储存、子母罐带压储存及单罐带压储存三种，这三种储存方式在国内技术都已经非常成熟。
常压罐为立式平底拱盖双圆筒结构，内罐用于常压贮存液体，夹层充填绝热材料。
外罐为常压容器，夹层无法抽真空，绝热方式为堆积绝热。
常压罐自身的排液压力极为有限，通常需采用输液泵加压排液，因此对泵的可靠性要求较高[9]。
相比之下，常压罐的投资最省，占地面积小、维护方便、运行费用低，但保温性能较差，排液需要低温泵，运行费用稍高，施工周期稍长[1]。
地上常压储存根据辅助容器的不同，又可分为单容罐、双容罐和全容罐三种[10]。
子母罐是指拥有3个以上子罐并联组成的内罐，组装在一个大型外罐之中。
子罐通常为立式圆筒形，外罐为立式平底拱盖圆筒形。
外罐为常压罐，绝热方式为珠光砂堆积绝热。
子罐通常在压力容器制造厂制造完工后运抵现场吊装就位，外罐则加工成零部件运抵现场后，在现场组装[9]。
子母罐运营费用低、操作简单，但保温性能较差，占地面积较大、投资最大。
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