赵小红，穆云飞，刘云辉

（银川天佳仪器仪表有限公司，宁夏银川 750200）

在液化天然气（LNG）生产中，一般对产品进行过冷处理并降低产品压力，以减少运输、充装过程中的产品损失，并提高运输过程安全性。在使用时一般将LNG气化后使用。在有的项目中，LNG 气化放出的冷量被重新利用，如为中央空调、超市提供冷量[1]，但有时却无法得到利用，如LNG 汽车在燃烧LNG 过程中，冷量无法被充分利用。另外，即使有诸如冷库等消耗冷量的设备，LNG 温度一般在-140 ℃以下，如此高品质的低温冷量很难得到有效利用，而要得到该等级的低温冷量则需要较大能耗。所以应综合考虑，在满足运输和使用要求前提下尽量提高LNG 产品温度，降低生产能耗。

1 LNG 生产、运输、使用过程分析

LNG 的生产一般源于气田、煤层气和化工尾气[2]，通过不同的制冷工艺[3]将原料气冷却到一定温度来生产LNG。所得到的LNG 产品参数和具体的工艺有关，一般温度在-140 ℃以下，压力在常压-0.5 MPa。国家对LNG 产品的参数没有详细规定，所以一般生产者倾向于生产温度压力较高的LNG，这样能降低生产能耗，但这将使运输时贮罐内压力较高，在装车卸车时易损失较多的LNG。用户则希望厂家提供温度压力较低的产品，但这将增加生产成本。所以应确定一个较好的LNG 产品参数，既能满足用户和运输需要，同时尽量降低生产能耗，这需要综合考虑LNG 的生产、运输和使用过程。

图1 单膨胀机膨胀制冷LNG 生产工艺流程图

LNG 生产后首先存放在液化厂贮罐内，然后进行装车操作将LNG 送入运输槽车，LNG 运到目的地后进行卸车操作将LNG 送入用户的贮罐内。将本文结合生产、运输和使用三个环节中LNG 状态的变化，对LNG的产品参数进行讨论。

2 LNG 的生产模拟计算

根据原料气参数的不同，LNG 生产工艺存在较大差异。本文假设原料气为100 %甲烷，制冷循环采用单级膨胀机膨胀制冷工艺进行计算。工艺流程（见图1）。在该工艺中，制冷介质选用氮气，氮气增压后膨胀获得冷量来冷却原料气生产LNG。

在模拟计算中，分别计算了原料气压力为200 kPa和300 kPa 时，将每千克原料气冷却到不同温度所需要的功率，具体数据（见图2）。随着冷却温度的降低，得到单位LNG 所消耗的功率越高。其中当原料气压力200 kPa 时，-146.6 ℃为其饱和温度；原料气压力300 kPa 时，-142 ℃为其饱和温度。温度更低使LNG处于过冷状态。

图2 不同原料气压力等级单位LNG 生产能耗变化图

从图2 中看出，原料气压力较高则其饱和温度较高，更容易被液化。图2 中两条曲线几乎平行，对不同压力的原料气，使LNG 产品降低1 ℃所需要的能耗几乎相同。在生产中，追求更低的产品压力和温度将使生产能耗增加，而较高的产品压力也能获得过冷度较高的产品，同时能耗也较低。所以在实际生产中，应尽量在压力较高的条件下生产LNG 以降低能耗。但产品的压力和温度与运输和使用过程相关，所以还应结合运输和使用环节来确定产品参数。

3 LNG 运输过程分析

LNG 运输过程包括装车、运输和卸车三个部分。其中装车和卸车可以使用低温泵或自增压两种方式。若采用低温泵装车、卸车，则消耗了电能完成产品装卸，对产品状态影响不大。这里主要讨论采用自增压方式进行LNG 装卸的情况。

采用自增压方式需要通过气化器将部分LNG 加热气化返回到贮罐以提高贮罐压力。若LNG 处于过冷状态，则通过气化器对LNG 加热时刚开始压力不会变化，当LNG 达到饱和状态后，其温度和压力才会上升。所以被气化的LNG 实际上不需要被过冷。过冷度太高反而浪费了生产LNG 时所消耗的能源。

在LNG 气化自增压时，仅有部分LNG 被加热气化，更多的LNG 将被送入低压容器中，所以大部分LNG 特别是贮罐底部的LNG 状态不会有太大变化，但贮罐顶部的LNG 还是会吸收部分热量，温度压力有所升高。总体来说，装车、卸车时间越短，贮罐内整体LNG吸热量越小，状态改变越小。

在LNG 向低压容器输送的过程中，由于存在压力差，LNG 进入低压容器会发生闪蒸。即压力突然降低部分LNG 将气化吸热，使液态LNG 温度降低与压力相适应。若LNG 处于过冷状态，则气化的LNG 相对较少或不用气化。

不同温度下，LNG 从300 kPa 变为200 kPa 时的气化量（见图3）。LNG 处于300 kPa 的饱和状态时，压力突然变为200 kPa 将有3.56 %的LNG 气化。300 kPa时LNG 的温度越低，闪蒸时气化的LNG 越少，若温度为200 kPa 的饱和温度，则没有LNG 气化。所以LNG产品温度应根据运输时槽车的运输压力或用户要求的压力确定，尽量使LNG 在发生压力变化时没有气化现象，减少损失。

图3 不同温度下LNG 闪蒸气化量变化图

在运输过程中，LNG 几乎处于静止状态，理论上说参数不会发生变化。但实际上贮罐都会漏热，所以对长时间运输，LNG 的温度压力还是会有所增加。目前的LNG 槽车蒸发率较低，运输过程中若正常运行，LNG吸附少许热量压力不会超过安全范围。所以运输时只要压力合适，LNG 稍微过冷即可。

从运输环节来看，若采用低温泵进行装车、卸车操作，整个过程中LNG 产品吸入少量热量，并且对压力没有要求，产品不用有较低的过冷度。若采用自增压方式，由于产品装卸需要较高的压力才能完成，所以LNG产品压力不宜过低，可采用较高的压力。在压力较高的条件下，需要具有一定的过冷度防止LNG 气化损失，并保证运输时其压力不因吸热大幅提高。

4 LNG 使用过程分析

LNG 的使用过程一般是将其气化后燃烧，所以完全是加热LNG 的过程，此时LNG 仍处于深度过冷态将没有意义。此时的理想状态为处于压力温度较高的饱和状态。所以对使用者而言，产品并不是温度压力越低越好。产品温度低更多是有利于保存或充装，产品压力低更多是有利于操作和使用的安全。

5 LNG 产品状态讨论

根据上述讨论，LNG 的产品参数应该从使用环节倒推获得。在LNG 的使用环节中，主要是对LNG 进行加热的过程，所以不需要LNG 温度太低，此时LNG 产品不需要过冷。

在LNG 从槽车向用户卸车时，若使用低温泵则LNG 状态无太大变化；若采用自增压方式，则槽车内需要有一定压力才能顺利卸车，所以槽车中的LNG 处于低压状态并不符合卸车要求，此时槽车中的LNG 应处于压力稍高的状态，这样可以减少用于加热气化以提高产品压力的LNG 量。LNG 具有一定过冷度。

在LNG 运输过程中，槽车内的LNG 一直处于静止状态，贮罐有少量漏热将使LNG 状态发生变化，所以LNG 可以有适当的过冷度。

在LNG 向槽车内充装的过程中，一般是从LNG生产厂家的贮罐向槽车充装LNG，若使用低温泵则LNG 状态无太大变化；若采用自增压方式，则贮罐内需要有一定压力才能顺利装车，所以贮罐内的LNG 处于低压状态不符合装车要求，此时贮罐内应处于压力较高的状态。但考虑到以后还有运输及槽车卸车的过程，所以此时的LNG 应有较深的过冷度。

综合来看，LNG 从生产到使用过程中，若采用自增压方式则需要有一定的压力才能完成装车、卸车，在运输时LNG 压力在槽车安全压力范围内即可，在使用时不需要过低的LNG 温度，整个过程中对LNG 压力温度的要求（见图4）。其中P1＞P2＞P3，T1＜T2＜T3，T3小于或等于P3对应的饱和温度。例如假定用户要求的贮存压力为300 kPa，该压力对应的饱和温度为-142 ℃，则运输压力可定为0.45 MPa，产品压力定为0.6 MPa，T1低于-142 ℃，可取-145～-150 ℃。则生产出的LNG 具有较深的过冷度，装车时LNG 压力降为0.45 MPa 后过冷度降低，温度有所升高变为T2但仍处于过冷状态，运输过程中吸入少量热量过冷度进一步降低。运输后进行卸车操作，LNG 压力变为0.3 MPa，温度接近饱和值，LNG 接近饱和状态。在装车和卸车过程中，由于已经存在压力差，可以减小用于加热的LNG 量。

图4 生产、运输、使用中LNG 产品压力温度变化示意图

6 其他问题

上述讨论为理论上的情况，还应考虑其他实际问题。

（1）设备压力等级要求和运输安全性：虽然LNG产品压力较高能降低生产能耗，但LNG 作为危险化学品，在运输时应充分考虑其安全性，采用较低的运输压力能确保其安全。但在设备制造水平和安全性越来越高的条件下，可以考虑提高其运输压力，降低生产能耗。

（2）用户要求：有的用户接受LNG 后还需要贮存一段时间，这种情况下LNG 还应有一定的过冷度以便于用户贮存。所以在生产时，LNG 产品温度应具有更大的过冷度，这样在用户贮存时LNG 也能具有一定的过冷度。

7 总结

LNG 作为清洁能源有着广泛的市场和使用前景，但生产LNG 本身仅是消耗能源改变天然气的物质状态，使之便于运输，而不会产生新的热值或能量，同时LNG 气化时的冷量较难得到高效利用。所以在满足使用要求，以及保证安全性的前提下，应尽量生产较高压力的LNG 产品以降低生产能耗，在较高压力条件下使LNG 产品具有一定的过冷度，使之在装车、卸车和运输过程中不会发生气化即可。

［1］ 焦琳，段常贵，聂廷哲.LNG 气化站冷能利用方式的探讨［J］.煤气与热力，2007，27（1）：21-23.

［2］ 曹文胜，鲁雪生，顾安忠，等.我国LNG 工厂的生产流程介绍［J］.天然气工业，2005，25（5）：100-103.

［3］ 罗媛媛，袁宗明，谢英，等.LNG 液化工艺［J］.石油化工应用，2007，26（1）：12-15.