1.1天然氣知識近20多年來，世界天然氣需求持續(xù)穩(wěn)定增長，平均增長率保持在2%，預(yù)計2020在世界能源組成中的比重將會增加到29%左右。中國是開發(fā)利用天然氣資源最早的國家。新中國成立后，天然氣產(chǎn)業(yè)有了很大發(fā)展。特別是八五”以來，中國儲量快速增長，天然氣進入高速發(fā)展時期。但從全世界看，中國天然氣產(chǎn)業(yè)整體水平還很低，資源探明程度僅7%左右，儲量動用程度約50%，特別是天然氣在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例極低，不到世界平均水平的十分之一。隨著中國國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)化程度的不斷提高，對清潔能源的需求不斷增大，預(yù)示著天然氣具有很大的發(fā)展空間，中國天然氣產(chǎn)業(yè)具有良好的發(fā)展前景。中國天然氣產(chǎn)業(yè)正面臨著前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。隨著科技進步，世界能源消費結(jié)構(gòu)不斷地向低碳化演變，天然氣作為低碳化的清潔能源在世界各國都得到了高度的重視和發(fā)展，而目前中國天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與國民經(jīng)濟及社會發(fā)展很不適應(yīng)。為此，國家從能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、加強環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等基本國策出發(fā)，十五”將大力發(fā)展天然氣的開發(fā)利用，這將為天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。1.1.1天然氣組成天然氣是由烴類和非烴類組成的復(fù)雜混合物。大多數(shù)天然氣的主要成份是氣體烴類，此外還含有少量非烴類氣體。天然氣中的烴類基本上是烷烴，通常以甲烷為主，還有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、以及少量的已烷以上烴類。在C6中有時還含有極少量的環(huán)烷烴（如甲基不戊烷）及芳香烴（如苯、甲苯）。天然氣中的非烴類氣體，一般為少量的氮氣、氧氣、氫氣、二氧化碳、水蒸氣、硫化氫，以及微量的惰性氣體如氦、氬、氙等。天然氣中的水蒸氣一般呈飽和狀態(tài)。天然氣的組成并非固定不變，不僅不同地區(qū)油、氣藏中采出的天然氣組成判別很大，甚至同一油、氣藏的不同生產(chǎn)井采出的天然氣組成也會有很大的區(qū)別。1、根據(jù)化學(xué)組成的不同分類（1）干性天然氣：含甲烷90%以上的天然氣。（2）濕性天然氣：除主要含甲烷外，還有較多的乙烷、丙烷、丁烷等氣體。2、根據(jù)天然氣的來源分類（1）純天然氣：氣藏中通過采氣井開采出來的天然氣稱為氣井氣。這種氣體屬于干性氣體，主要成分是甲烷。（2）油田伴生氣：系指在油藏中與原油呈平衡接觸的氣體，包括游離氣和溶解在原油中的溶解氣兩種。油田氣是與石油伴生的，是天然氣的一種，從化學(xué)組成來說屬于濕性天然氣。開采時與原油一起打出，氣油比（m3/）一般在20~500范圍內(nèi)。這種氣體中含有60%~90%的甲烷，10%~40%的乙烷、丙烷、丁烷和高碳烷烴。（3）凝析氣田氣：是含有容易液化的丙烷和丁烷成分的富天然氣。這種氣體通常含有甲烷85%~90%，C3到C5約2%~5%?？刹捎脡嚎s法、吸附法或低溫分離法，將后者分離出去制液化石油氣。（4）礦井氣口從井下煤層抽出的礦井氣，習(xí)慣稱為礦井瓦斯氣。1.1.2天然氣燃燒特性天然氣最主要的成分是甲烷，基本不含硫，無色、無臭、無毒、無腐蝕，性，具有安全、熱值高、潔凈和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，目前已成為眾多發(fā)達(dá)國家的城市必選燃?xì)鈿庠?。城市燃?xì)鈶?yīng)按燃?xì)忸悇e及其燃燒特性指數(shù)（華白數(shù)W和燃燒勢CP）分類，并應(yīng)控制其波動范圍。1.1.3天然氣的儲運天然氣是以氣態(tài)燃用，但儲運方式有管輸天然氣、壓縮天然氣、液化天然氣等多種形式。另外，目前還在發(fā)展天然氣水合物。壓縮天然氣（CNG）壓縮天然氣（CNG）是通過壓縮機加壓的方式，將天然氣壓縮全容器，增加容器存儲體積的天然氣運輸方式。一般情況下，天然氣經(jīng)過幾級壓縮，達(dá)到20MPa的高壓，在用氣時在經(jīng)減壓閥降壓使用。在20MPa高壓下，天然氣的壓縮比可以達(dá)到276。CNG在生產(chǎn)和利用過程中成本相對較低，能耗低。但是由于采用笨重的高壓氣瓶，導(dǎo)致CNG單車運輸量比較小，運輸成本高。因此，一般認(rèn)為該種方式只適合為距離氣源地近、用氣量小的城市供應(yīng)燃?xì)?。CNG項目的特點：與LNG相比，設(shè)備相對簡單、投資少；與管道天然氣相比要靈活，因為管道一旦建設(shè)好以后，無法根據(jù)市場的需要發(fā)生轉(zhuǎn)移。液化天然氣（LNG）當(dāng)天然氣在大氣壓下，冷卻至約T62C時，天然氣由氣態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)，稱為液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，縮寫為LNG）。LNG體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625,密度在450kg/m3左右?？梢娨夯烊粴饩哂休^大的氣液，便于運輸。另外，由于LNG的燃點及爆炸極限高于汽油，所以不易發(fā)生爆炸，安全性能好。LNG項目包括液化工廠、低溫儲槽和再氣化工廠的建設(shè)。液化和再氣化工廠的經(jīng)濟可行性由年產(chǎn)量和最高供氣量決定。由于LNG所以低溫液體，其生產(chǎn)、儲運及利用過程中都需要相應(yīng)的液化、保溫和氣化設(shè)備，投資額高。這種運輸形式只有在規(guī)模發(fā)展較大時才具有合理的經(jīng)濟性能。管輸天然氣（PNG）管輸天然氣是通過管道直接將天然氣輸運到用戶點的一種運輸方式，主要針對氣源地用戶或與氣源地通過陸地相連的國家之間天然氣運送。管道長度對于PNG方式有一定要求。對于距離氣源地較遠(yuǎn)的地區(qū)，只有當(dāng)用氣量較大時才會具有較好經(jīng)濟性。由于海底管道的建造和維護費用高，當(dāng)天然氣的海上運輸距離較長時，將會傾向于采用LNG船運輸。與LNG項目不同，PNG項目既不需要液化工廠也不需要再氣化工廠。管道基本建設(shè)投資是影響項目經(jīng)濟可行性的主要決定因素?；窘ㄔO(shè)投資額隨著管線距離、管線走向、地理環(huán)境和負(fù)荷系數(shù)的變化而變化。天然氣井口價格也對PNG項目的經(jīng)濟可行性有較大影響。當(dāng)天然氣的進口價格一定時，運輸距離是決定其貿(mào)易方式的主要因素。如果輸送距離高于臨界點，LNG項目將更加可行。據(jù)英國BP公司提供數(shù)據(jù)，管道天然氣和液化天然氣運輸成本運輸距離的臨界值大致在4000~5000公里間。其他技術(shù)除了上述三種已經(jīng)成熟的天然氣存儲技術(shù)，各國還在積極探尋其他更經(jīng)濟有效方式。其中包括天然氣水合物（NGH，NaturalGasHydrate，簡稱GasHydrate）和吸附天然氣（ANG，AdsorptionNaturalGaS等。天然氣水合物資源是世界能源開發(fā)的下一個主要目標(biāo)。海底的天然氣水化物資源豐富，其開發(fā)利用技術(shù)已成為一個國際能源領(lǐng)域的熱點。天然氣水合物是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等）下由水和天然氣組成的類冰的、非化學(xué)計量的、籠形結(jié)晶化合物，其遇火即可燃燒。形成天然氣水合物的主要氣體為甲烷，對甲烷分子含量超過99%的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物（MethaneHydrate）。在標(biāo)）隹狀）兄下，1單位體積的氣水合物分解最多可產(chǎn)生164單位體積的甲烷氣體。但是根據(jù)目前的發(fā)展來看，該技術(shù)距離工業(yè)應(yīng)用的成熟水平還有一定的距離。吸附天然氣技術(shù)是利用一些諸如活性炭等多孔性固體物質(zhì)對氣體的吸附特性進行儲氣。由于這種新型的儲氣方式也要求在一定的壓力作用下（通常為3MPa-4MPa）方能最大限度地提高氣體附量（如在儲存壓力為3.5MPa時，理論儲氣量可達(dá)其容積體積的150倍），因此從一定意義上講，該儲存方式同屬壓力儲存。但由于儲存壓力較CNG大為降低，因此容器重量相應(yīng)減輕，安全性相對提高。當(dāng)儲氣容器的改良同樣是減輕車輛無效載重、提高空間利率、減緩容器內(nèi)外壁腐蝕等部題的最根本方法。目前該技術(shù)的關(guān)鍵部分：吸附劑以及熱能儲存器的開發(fā)已有了較大進展。作為天然氣儲存的一種方式，由于單位存儲介質(zhì)的吸附量還比較小，還不能在工業(yè)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。目前只有少數(shù)機構(gòu)可以將其應(yīng)用到天然氣汽車上。1.2LNG基本性質(zhì)天然氣的主要組分是甲烷，其臨界溫度為-831,故在常溫下，無法僅靠加壓將其液化。通常的液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，簡稱LNG）多存儲在溫度為-1620、壓力為0.1MPa左右的低溫儲罐內(nèi)，其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的600多倍，體積能量密度為汽油的72%,十分有利于輸送和儲存。液化天然氣是經(jīng)過凈化處理（脫水、脫烴、脫汞、脫酸性氣體）后，采用節(jié)流膨脹及外加冷源冷卻的工藝使得天然氣液化的。預(yù)處理主要包括H2S，，CO2，H2O的清除，以免低溫下凍結(jié)、堵塞。天然氣液化裝置按用途可分為兩大類，即基本負(fù)荷型天然氣液化裝置和調(diào)峰型天然氣液化裝置。基本負(fù)荷型天然氣液化裝置由天然氣預(yù)處理系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、裝卸設(shè)施和消防系統(tǒng)等組成，是一個復(fù)雜龐大的系統(tǒng)工程，投資高達(dá)數(shù)十億美元。由于項目投資巨大，LNG項目大多由殼牌、道達(dá)爾等大型跨國石油公司與資源擁有國政府合資建設(shè)?；矩?fù)荷型天然氣液化裝置的液化單元常采用級聯(lián)式液化流程和混合制冷劑液化流程。20世紀(jì)60年代最早建設(shè)的天然氣液化裝置，采用當(dāng)時技術(shù)成熟的級聯(lián)式液化流程。到70年代又轉(zhuǎn)而采用流程大為簡化的混合制冷劑液化流程（MRC）。80年代后，新建與擴建的基本負(fù)荷型天然氣液化裝置則幾乎無一例外地采用APCI公司的丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程（C3/MRC）。調(diào)峰型天然氣液化裝置是小流量的天然氣液化裝置,并非常年連續(xù)運行。因此，調(diào)峰型液化流程要求具有高效、靈活、簡便、低成本的特點。一般，對于管道氣壓力較高的情〉兄，為充分利用其壓力能，可考慮使用膨脹機液化流程。選擇調(diào)峰型LNG液化流程，必須根據(jù)具體的設(shè)計要求和外圍條件對上述因素進行綜合考慮，即對不同液化流程的投資成本、比功耗、運行要求以及靈活性進行全面對比,才能最終決定采用何種液化流程。天然氣液化工廠的工藝流程不同，出廠LNG的溫度和壓力也有所不同，如新疆廣匯液化工廠出廠LNG溫度約為-162C，壓力為常壓；中原綠能高科液化工廠出廠LNG溫度約為—145C，壓力為0.35MPa。2.1LNG的物理性質(zhì)主要成分:甲烷在常溫下，不能通過加壓將其液化，而是經(jīng)過預(yù)處理，脫除重?zé)N、硫化物、二氧化碳和水等雜質(zhì)后，深冷到-162C，實現(xiàn)液化。主要物理性質(zhì)如表1-1所示：氣體相對密度沸點/°C常壓）液體密度咱/D沸點下）高熱值（MJ/m3）0.60?0.70約-162C430~46041.5?45.3表1-11.2.2典型的LNG組成表1-2常壓泡點下的性質(zhì)組成1組成2組成3組成摩爾分?jǐn)?shù)）/%N20.51.790.36CH497.593.987.20C2H61.83.268.61C3H80.20.692.74I-CH4100.120.42N-C4H100.150.65C5H120.090.02摩爾質(zhì)量/（kg/mol）16.4117.0718.52泡點溫度/C-162.6-165.3-161.3密度/(kg/m5)431.6448.8468.7LNG的性質(zhì)特點溫度低在大氣壓力下，LNG沸點都在-1620左右。液態(tài)與氣態(tài)密度比大1體積液化天然氣的密度大約是1體積氣態(tài)天然氣的600倍，即1體積LNG大致轉(zhuǎn)化為600體積的氣體。可燃性;一般環(huán)境條件下，天然氣和空氣混合的云團中，天然氣含量在5%~15%（體積）范圍內(nèi)可以引起著火，其最低可燃下限（LEL）為4%。LNG的安全特性1）燃燒特性燃燒范圍：5%~15%，即體積分?jǐn)?shù)低于5%和高于15%都不會燃燒；自燃溫度:可燃?xì)怏w與空氣混合物，在沒有火源的情況下，達(dá)到某一溫度后，能夠自動點燃著火的最低溫度稱為自燃溫度。甲烷性質(zhì)比較穩(wěn)定，在大氣壓力條件下，純甲烷的平均自燃溫度為650C。以甲烷為主要成分的天然氣自燃溫度較高，LNG的自燃溫度隨著組份的變化而變化。燃燒速度:是火焰在空氣-燃?xì)獾幕旌衔镏械膫鬟f速度。天然氣的燃燒速度較低，其最高燃燒速度只有0.3m/s。2）低溫特性隔熱保冷:LNG系統(tǒng)的保冷隔熱材料應(yīng)滿足導(dǎo)熱系數(shù)低，密度低，吸濕率和吸水率小，抗凍性強，并在低溫下不開裂，耐火性好，無氣味，不易霉?fàn)€，對人體無害，機械強度高，經(jīng)久耐用，價格低廉，方便施工等。蒸發(fā)特性:LNG作為沸騰液體儲存在絕熱儲罐中，外界任何傳入的熱量都會引起一定量液體蒸發(fā)成氣體，這就是蒸發(fā)氣（B0G）。標(biāo)準(zhǔn)狀況下蒸發(fā)氣密度是空氣60%。當(dāng)LNG壓力降到沸點壓力以下時，將有淀量的液體蒸發(fā)成為氣體，同時液體溫度也隨之降低到其在該壓力下的沸點，這就是LNG閃蒸。由于壓力/溫度變化引起的LNG蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣處理是液化天然氣儲存運輸中經(jīng)常遇到的問題。泄露特性：LNG泄漏到地面，起初迅速蒸發(fā)，當(dāng)熱量平衡后便降到某一固定的蒸發(fā)速度。當(dāng)LNG泄漏到水中會產(chǎn)生強烈的對流傳熱，在一淀的面積內(nèi)蒸發(fā)速度保持不變，隨著LNG流動泄漏面積逐漸增大，直到氣體蒸發(fā)量等于漏出液體所能產(chǎn)生的氣體量為止。泄漏的LNG以噴射形式進入大氣，同時進行膨脹和蒸發(fā)，與空氣進行劇烈的混合。儲存特性：分層：LNG是多組分混合物，因溫度和組分的變化引起密度變化，液體密度的差異使儲罐內(nèi)的LNG發(fā)生分層。翻滾:若LNG已經(jīng)分層，上層液體吸收的熱量一部分消耗于液體表面蒸發(fā)所需的潛能，其余熱量使上層液體溫度升高。隨著蒸發(fā)的持續(xù)，上層液體密度增大，下層液體密度減小，當(dāng)上下兩層液體密度接近相等時，分界面消失，液層迅速混合并伴有大量液體蒸發(fā)，此時蒸發(fā)率遠(yuǎn)高于正常蒸發(fā)率，出現(xiàn)翻滾。快速相態(tài)轉(zhuǎn)變（RPT）:兩種溫差極大的液體接觸，若熱液體溫度比冷液體溫度沸點溫度高1.1倍，則冷液體溫度—上升極快，表層溫度超過自發(fā)成核溫度（當(dāng)液體中出現(xiàn)氣泡），此過程冷液體能在極短時間內(nèi)通過復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機理以爆炸速度產(chǎn)生大量蒸氣，這就是LNG或液氮與水接觸時出現(xiàn)的RPT現(xiàn)象的原因。3）生理影響LNG蒸氣是無毒的，但如果吸進純LNG蒸氣，會迅速失去知覺，幾分鐘后死