引言

天然气因具有污染小、储量丰富、单位质量热值高等优点，在石油资源日益紧张的今天，越发受到人们重视。天然气的生产地和消费地往往不处于同一地区，因此将天然气在低温条件下加工成液化天然气(lng)，并通过陆地或海上运输送达至消费地的供应模式使得lng的生产和销售发展迅速，世界lng贸易量从 1964年的8万吨发展到2004年的13182万吨[1]。日前天然气在世界能源结构中的比重为23%，而我国不到3%[2]。近年来，中国的天然气需求增长己高于煤炭和石油，成为世界第四大天然气消费国；尤其是沿海地区，经济的迅速发展促进了清洁能源需求的不断增长，存在着较大的天然气需求缺日。为改善能源结构，减少环境污染，我国将逐渐增加清洁能源的利用比重。计划到2010年，我国天然气在一次能源中所占的比例将增加到7%[3]。进日lng作为天然气利用的重要组成部分，己成为解决能源问题的重要途径之一，将在保证国家能源安全方面发挥越来越重要的作用。lng接收终端用来接收lng运输船，并将从天然气液化地运输来的lng卸入低温储罐保温，汽化后输送至用户。2007年广东大鹏湾建设成功我国第一个lng接收终端，第一期年供lng370万吨。福建己建成我国第一个lng接收终端，由印尼东固气田作为资源供应方，一期年供lng 260万吨[4]。浙江、上海等地的lng接收终端也处于建设之中。中国石油江苏、辽宁lng接收终端己开工建设，计划2011年投运，唐山lng工程拟于2012年投运。

由于国内大型lng接收终端运行时间不长，缺乏经验，很多技术需要借鉴及摸索，因此，实验装置的建设可为国外大型lng接收终端运行技术的吸收、消化提供硬件基础，也可为lng终端控制提供实验研究平台。本实验平台功能如下。

(1)运行操作平台：本实验装置设置了蒸发气冷凝流程功能模块，实验罐内蒸发气体压缩后被潜液泵抽出的过冷lng冷凝，通过设定罐内不同的气体量，测定lng不同分配方案对冷凝器出日的流动参数影响，从而使运行人员对lng冷凝器中如何科学配比有较深的认识。

(2)应用研究平台：本实验平台设置了不同的卸料管方案，研究不同距离lng卸料管路在尽可能少地引入外界传热量时如何有效减少摩阻的措施和方法。

(3)基础研究平台：本实验平台采用可拆卸式的隔热结构，通过不同隔热方案研究传热对lng罐内流场的影响；lng流动特性研究，在相同流态下，模拟卸料管路的流动规律，完成主要管件，水平直管、立管中lng流动参数测定。

1 实验装置流程设计

本文设计的lng接收终端实验装置的主要功能如图1所示，其中一些功能模块做过必要的近似处理，如卸载功能等[5]。根据图1所示的实际lng接收终端的液化天然气的输入和天然气的输出状况，lng接收的操作可分为以下几种模式。

(1)备用操作(lng接收站初次运行时)：lng接收站处于无卸船和零输出操作模式。在备用操作时，通过少量的lng循环保持系统的冷态。蒸发气将用作火炬长明月‘燃料气，多余的蒸发气则排放到火炬。

(2)无卸船，正常输出操作：lng将按需求量通过泵输送，部分lng经再冷凝器重液化储罐蒸发天然气，根据用户要求用泵升高到一定压力后，经再汽化器汽化外输。少量的lng循环以保持卸船总管的冷态。当外输气量很大，造成lng储罐压力过低时，将从天然气输出总管上返回少量气体到lng储罐保持压力平衡。

(3)卸船，正常输出操作：通过卸料臂和卸料管线，借助lng专用船上的卸料泵将lng送进接收终端储罐内。在卸料期间，再气化输出系统维持正常输出操作。

本实验装置研究的是lng接收终端上述3种操作模式的全过程。

由于低温lng储罐(约-160℃)受外界环境热量的侵入以及lng罐内低温泵运行时部分机械能转化为热能，使罐内lng汽化产生闪蒸气，也就是bog气体(boil off gas)。为了维持lng储罐恒定的压力10-17kpa(g)，必须不断排出bog气体。此外，外部lng从罐顶送入(如lng船卸料时)产生的容积置换，也要求排出bog气体，以维持罐压。如何处理bog气体成为lng接收站工艺的重要组成部分。从能量利用合理性角度定性分析，bog气体处理的优先顺序如下[6]：

(1)将储罐bog气体返回lng船，填补舱罐卸料产生的真空；

(2)与输出的lng直接换热，将bog再冷凝成lng送出；

(3)直接压缩到外送输气管道压力送出；

(4)送火炬或者排入大气。

上述第1种方式简便、高效，但只在lng船卸料时才能平衡掉一部分bog气体，无lng船卸料时则无法使用。第4种方式是一种紧急安全措施，经济和环保上显然不合理。第2种再冷凝工艺和第3种直接压缩工艺都是将bog气体送入压缩机加压，最终送入外输高压管道利用，只是中间过程有所不同。相对于直接压缩工艺来说，再冷凝工艺将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。由于同等条件下，泵的功率始终小于压缩机的功率。第一阶段通过第一级泵完成，其日的为了减小能耗。再冷凝工艺的缺点是增加了再冷凝器和第一级泵，流程比较复杂。相反直接压缩工艺的优势在于设备少，流程简单，但能耗较高。另一个值得注意的问题是直接压缩工艺要有冷源，即接收站要连续不断有lng汽化，对外输气。如果lng汽化中断，则由于压缩机出日压力较低，无法直接将bog送入外输管道，只能暂时送入火炬系统，造成浪费。一般工程上的再冷凝器操作压力取0.7 -0.9mpa(g)。所有液体聚合后再由输出泵加压到外输气体所需的压力[这里为6mpa，一般为6.0-9.ompa(g)]后，进入水淋式汽化器即传统的开架式蒸发器(open rack vapouriser,  orv)中汽化。水淋汽化器在基本负荷下运行，浸没燃烧式汽化器(submerged vapouriser,  smv)作为备用设备，在水淋汽化器维修时运行或在需要增加气量调峰时并联运行[7]。相比于smv,  orv结构更紧读，经济性更高，缺点是易受海水腐蚀，对海水要求高。为避免影响周围海区生态平衡，海水进、出日温差不得超过7℃，实际经常控制在4-5℃ ，这也导致orv设备比较庞大，投资较高。汽化后的天然气经加臭、计量输往用户。

由上所述，选择再冷凝工艺的bog处理方案，实验装置流程见图2。图中流程除了主要的lng汽化系统，还包含放空系统、液化系统和冷却水系统。在汽化系统中，用一个10m3的lng储罐t1表示实际12x104m3的储罐，蒸发率为0.05%，蒸发气体(bog)处理采用再液化式处理方案。从储罐t1出来的蒸发气体(bog)温度约115k，压力0.29x105pa，经过低温压缩机压缩到约7x105pa,温度约为200k。储罐t1中的lng由潜液泵加压到相同7x105pa压力后，约5%分流进入再冷凝器冷却bog，使bog重新液化。理论上，再冷凝器的操作压力越低，lng第一级泵进日压力越小，节能效果越明显。但降低操作压力受到lng的过冷程度限制，过冷程度不能太小，否则影响操作。过程中，用一管壳换热器模拟实际的orv，热量由水系统提供。蒸发气压缩机采用低温往复式压缩机，可通过逐级调节来实现流量控制，其压缩能力(0-50%-75%-100%)通过储罐的压力来调节，但压缩机的最大流量受再冷凝器的能力限制。每个lng储罐都设有液位计及液位/密度/温度连续测量设施以监控储罐的液位及工作状态。储罐设置有足够的报警和自动高低液位保护装置来控制进料或控制罐内低压泵，以最大限度地保证lng储罐安全，确保进行正常实验。液位/密度/温度连续测量设施由数字逻辑单元和电机驱动单元组成，可在lng储罐内垂直移动、测量。当温差超过0.3℃或密度差超0.8kg/m3时，应用lng低压输送泵对罐内lng进行循环操作，以防止储罐内的lng出现分层、翻滚现象[8-9]。另外，流程中还设计了液化单元，实验过程汽化的lng或实验前后蒸发的lng都没储存到高压气体储罐，等下次实验时，重新液化到储罐t2，以供实验需要，这里储罐t2充当了实际终端lng运输船的作用。

该实验装置除了模拟实际lng接收终端功能，还另外设计了以lng为对象的实验段，用于研究lng管路压降、漏热、泄漏导致的扩散特性等实验。

2 数值仿真及参数确定

实验装置流程仿真进日天然气成分及主要参数见表1和表2。

图3 给出了小型lng接受终端实验装置汽化过程aspenplus模拟流程。包括1个10m3低温储罐，1个潜液泵，一个蒸发气体压缩机，1个蒸发气体液化换热器，1个高压泵及1个相当于orv的换热器。图中同时给出了各点的温度。模拟时考虑压缩机等嫡效率为0.72，潜液泵及高压泵效率为0.97，没有考虑管路及各部件的流程损失，储罐蒸发率为0.05%。数值模拟结果显示符合设计要求，可为流程工艺设计提供指导。

3 结论

本文设计了小型lng接收终端实验装置流程来模拟实际lng接收终端功能、操作及安全特性，该装置同时还考虑了以lng为对象的实验功能，用于管道压降、漏热及天然气泄漏、扩散等实验。利用大型流程软件aspenplus对实验装置流程进行了热力学分析，结果显示符合设计要求。现整个项日己完成初步设计。

参考文献：

[1] 张抗，庞名立.世界lng生产现状与前景.国际石油经济，2005.10:55-59
[2] 陈永武.中国21世纪初期天然气工业发展展望.天然气工业，2000. 20:1-4
[3] williams  m.natual gas: a new  energy  for  china. lng joural, 1999, 9：21-24
[4] 石玉关,汪荣顺，顾安忠.液化天然气接收终端.石油与天然气化工，2003.1：14-17
[5] 李志军.液化天然气接收站的工艺系统.中国海上油气(工程)，2002,  14 (6)：8-13
[6] 刘浩,金国强.lng接收站bog体处理工艺.化工设计，2006. 16(1)：13-16
[7] 曹文胜，鲁雪生，顾安忠，林文胜，石玉梅.液化天然气接收终端及其相关技术.天然气工业，2006. 1：112-115
[8] 程栋，顾安忠.液化天然气的贮存分层现象.深冷技术，1997. 1：13-15
[9] 林文胜，顾安忠，李品友.液化天然气的分层与涡旋研究进展.真空与低温，2009. 6(3)：125-131