LNG儲(chǔ)存技術(shù)研究現(xiàn)狀

華 創(chuàng)，張 帆，胡洪兵，高利波，張 杰

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LNG儲(chǔ)存技術(shù)研究現(xiàn)狀

華 創(chuàng)，張 帆，胡洪兵，高利波，張 杰

（中國石油大學(xué)（北京） 油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室/石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

LNG作為一種高效清潔的能源，在能源供應(yīng)中占有越來越大的比例。因?yàn)槠湟兹?、易爆性，且必須在低?162 ℃下保存，所以需要克服許多技術(shù)難題。在LNG的工業(yè)鏈中，儲(chǔ)存和運(yùn)輸是兩個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。LNG的儲(chǔ)存不僅要保持這種低溫狀態(tài)，更是要防止分層，翻滾，老化，泄漏等可能引發(fā)的事故。所以LNG儲(chǔ)存設(shè)備及相關(guān)技術(shù)是LNG工業(yè)發(fā)展的重要因素。對(duì)LNG儲(chǔ)存技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述和總結(jié)。

LNG；低溫；儲(chǔ)存技術(shù)

液化天然氣（liquefied natural gas）是一種清潔、高效的能源，是無色、無味、無毒且無腐蝕性的液體。其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的0.167%，重量?jī)H為同體積水的45%左右。

LNG作為清潔高效能源，受到許多國家的青睞。近年來天然氣在能源供應(yīng)中的比例迅速增加，液化天然氣正以每年大約12%的增速高速增長(zhǎng)，成為全球增長(zhǎng)最迅猛的能源行業(yè)之一。

在LNG的工業(yè)鏈中，其儲(chǔ)存和運(yùn)輸是兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)。我們都知道天然氣是易燃、易爆氣體，LNG是將天然氣經(jīng)過超低溫常壓液化，臨界溫度為-162℃。LNG的儲(chǔ)存不僅要保持這種低溫狀態(tài)，更是要防止分層、翻滾等可能引發(fā)的事故。所以LNG儲(chǔ)存設(shè)備及相關(guān)技術(shù)是LNG工業(yè)發(fā)展的重要因素。

1 LNG儲(chǔ)存技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 LNG儲(chǔ)罐低溫儲(chǔ)存技術(shù)

LNG的特殊性質(zhì)要求其必須儲(chǔ)存在-162 ℃以下，所以LNG儲(chǔ)罐低溫儲(chǔ)存技術(shù)的突破是LNG發(fā)展的重中之重。LNG儲(chǔ)罐的發(fā)展經(jīng)歷了從單容罐到雙容罐，再到全容罐和薄膜罐的歷程。LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，安裝標(biāo)準(zhǔn)高，且由于儲(chǔ)存物必須維持超低溫，更要保證良好的絕熱效果。

因?yàn)長(zhǎng)NG的儲(chǔ)存溫度的環(huán)境溫度可能相差200℃，這么大的溫差下，保溫材料的選擇對(duì)保溫效果起著非常關(guān)鍵的作用。LNG儲(chǔ)罐的保冷絕熱材料應(yīng)該滿足導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率小、抗凍性強(qiáng)、耐火性好、極低溫度下不開裂、不易霉?fàn)€、機(jī)械強(qiáng)度高、經(jīng)久耐用、價(jià)格適宜及施工方便等要求?，F(xiàn)在常用于LNG儲(chǔ)罐保冷絕熱的材料有：內(nèi)罐為鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的鎳鋼，外罐為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，內(nèi)外罐之間用膨脹珍珠巖，彈性玻璃纖維或泡沫玻璃磚等。

樊宏偉[1]針對(duì)山東液化天然氣工程16萬m3的儲(chǔ)罐罐底保冷技術(shù)做了詳細(xì)介紹。大型LNG低溫儲(chǔ)罐一般為全容式預(yù)應(yīng)力混凝土雙壁單吊頂儲(chǔ)罐。作者介紹的16萬m3儲(chǔ)罐內(nèi)罐直徑80 m，外罐內(nèi)徑82 m，罐體高度51.943 m，容積16萬m3，LNG儲(chǔ)存溫度為-162 ℃。罐體保冷系統(tǒng)分為罐底保冷、罐壁保冷和罐頂保冷，同時(shí)罐底保冷又分為三部分構(gòu)成，包括罐底環(huán)形邊緣區(qū)保冷、罐底中心區(qū)保冷和熱角保護(hù)保冷。儲(chǔ)罐的不同部位應(yīng)該使用不同的保溫材料。經(jīng)過計(jì)算16萬m3儲(chǔ)罐保溫的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域是儲(chǔ)罐底板，整個(gè)儲(chǔ)罐建成后日蒸發(fā)率為0.047%。底部保溫層應(yīng)該使用泡沫玻璃磚，除了其較好的保溫性能之外，這種材料具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，可以承受罐體負(fù)荷。

Reginald B Kogbara[2]等研究了混凝土在低溫下的特性。9％鎳鋼被用于LNG儲(chǔ)罐的主密封，如果可以用混凝土代替鎳鋼作為初級(jí)密封，儲(chǔ)罐的成本會(huì)顯著降低。文獻(xiàn)[2]研究了低溫凍結(jié)對(duì)混凝土的工程性質(zhì)的影響，以及混凝土的微觀結(jié)構(gòu)變化。研究方案是將混凝土立方體在水下固化至少28d，然后從環(huán)境溫度（20℃）放置到低溫（-165 ℃）冷凍。在冷凍過程中放置在混凝土中的傳感器發(fā)射X射線，計(jì)算機(jī)通過掃描研究混凝土芯的微觀結(jié)構(gòu)變化。通過研究相關(guān)的變化，以生產(chǎn)耐低溫的可以作為L(zhǎng)NG初級(jí)密封的混凝土。

何立勝[3]對(duì)現(xiàn)有的LNG儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為其可分為兩種。一種是常壓低溫儲(chǔ)存，這種方法的儲(chǔ)存壓力大約為10 kPa。許多大規(guī)模的存儲(chǔ)會(huì)首先考慮到這種方式，其優(yōu)點(diǎn)是投資相對(duì)較少，缺點(diǎn)就是工藝比較復(fù)雜，因?yàn)樗饕獌?chǔ)存容器是采用常壓拱頂?shù)蜏貎?chǔ)罐。另一種是帶壓子母罐儲(chǔ)存，該方式最大的優(yōu)勢(shì)就是工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)就是由于受到子罐制造容積的限制，只適合中小規(guī)模，難以滿足大規(guī)模的LNG 儲(chǔ)存。LNG帶壓儲(chǔ)存的子罐通常設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa，儲(chǔ)存壓力大約為0.3 MPa。母罐用于保冷和抗風(fēng)荷載，內(nèi)外罐之間用保冷絕熱材料填充。

王剛[4]研究指出LNG儲(chǔ)罐的發(fā)展經(jīng)歷了從單容罐到雙容罐，再到全容罐和薄膜罐的歷程。總體來看這四種罐形各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此在選擇罐形的時(shí)候要綜合考慮技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)、占地面積等因素進(jìn)行合理選擇。目前全容罐的應(yīng)用最多，因?yàn)槿莨薜脑O(shè)計(jì)壓力和操作壓力相對(duì)較高，需要處理的BOG量相應(yīng)減少，也可以利用自身的壓力進(jìn)行卸料，降低了操作運(yùn)營費(fèi)用。單容罐和雙容罐的最大優(yōu)勢(shì)是建設(shè)周期短且投資費(fèi)用較低。

1.2 LNG儲(chǔ)存安全及預(yù)警技術(shù)

由于LNG和氣化后的天然氣都有易燃、易爆的性質(zhì)，所以在儲(chǔ)存過程中不僅要保持低溫的環(huán)境，更是要保證儲(chǔ)存的穩(wěn)定和安全性。先進(jìn)的預(yù)警技術(shù)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)罐內(nèi)的情況，防止發(fā)生分層，翻滾，泄漏等惡劣事故。

王文彥[5]闡述了LNG的分層翻滾的形成機(jī)理及預(yù)防。分層翻滾是因?yàn)長(zhǎng)NG長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)分層，然后下邊的溫度升高，上邊的溫度較低，可能出現(xiàn)下邊的LNG突然上升，壓力降低，處于過熱狀態(tài)，進(jìn)而出現(xiàn)劇烈的翻滾，如圖1所示。預(yù)防翻滾主要是防止分層，可以采用以下措施：（1）將不同產(chǎn)地的LNG分開儲(chǔ)存；（2）使用混合噴嘴和多孔管，使新充入的LNG和原有的充分混合；（3）控制LNG的含氮量不超過1%；（4）長(zhǎng)期儲(chǔ)存的LNG采取定期倒罐防止分層。

圖1 LNG翻滾圖示

Laura A.Pellegrini[6]等研究了LNG儲(chǔ)罐周圍環(huán)境與儲(chǔ)罐的傳熱熱流速度，建立可以預(yù)測(cè)LNG老化程度的模型。液化天然氣是微正壓下儲(chǔ)存，并且管壁高度絕熱，但是由于高溫差不可避免會(huì)散失冷量，汽化會(huì)始終存在。罐內(nèi)氣體混合物和液相的密度的變化稱為L(zhǎng)NG老化或風(fēng)化。文獻(xiàn)[6]通過研究獲得一個(gè)模型，可以預(yù)測(cè)隨著時(shí)間的變化罐內(nèi)的老化程度。和其他以前開發(fā)的模型不同，該模型不需要汽化率的相關(guān)知識(shí)和數(shù)據(jù)，它是從熱流速率來實(shí)現(xiàn)的。并且其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)類似，可以對(duì)儲(chǔ)罐情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，保證LNG的儲(chǔ)存安全。

Pooya Arjomandnia[7]等根據(jù)現(xiàn)有的LNG發(fā)生翻滾的有效數(shù)據(jù)，建立模型預(yù)測(cè)可能發(fā)生翻滾的時(shí)間和臨界值。文獻(xiàn)[7]主要是監(jiān)測(cè)LNG分層的組合物或LNG分層的密度來進(jìn)行計(jì)算的。通過分析Bates和Morrison的圖形數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，從發(fā)生翻滾的LNG對(duì)流相分離出的擴(kuò)散相臨界比率，c大約為3.8左右。然而，與其它報(bào)告中的LNG翻轉(zhuǎn)事件相比，模型預(yù)測(cè)的翻轉(zhuǎn)時(shí)間過短，因?yàn)閭髻|(zhì)系數(shù)的值較大。該研究的結(jié)果是，可以用一個(gè)更小的傳質(zhì)系數(shù)來提高準(zhǔn)確性，并通過監(jiān)測(cè)多組分體系的穩(wěn)定比率，可以進(jìn)一步提高傳質(zhì)體制的臨界值計(jì)算精度。

Juan A.Vilcheza[8]等對(duì)液化天然氣泄漏的情況下，其燃燒下限（LFL）的濃度之間的差距，和對(duì)應(yīng)的LNG蒸汽云的可見輪廓下限（VIS）的關(guān)系進(jìn)行了研究。LNG的泄漏分散的安全系數(shù)（DSF）被定義為L(zhǎng)FL和VIS這兩個(gè)長(zhǎng)度之間的比率，并提出了估算DSF的兩個(gè)表達(dá)式。在LNG儲(chǔ)存期間，若出現(xiàn)緊急情況，DSF用來表示點(diǎn)火和爆燃的危險(xiǎn)性，并且是一個(gè)可靠的參數(shù)。

Sangeun Roh[9]等通過求解LNG蒸發(fā)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，結(jié)合CFD軟件和FLUENT數(shù)值研究?？梢詫?duì)LNG儲(chǔ)罐自然對(duì)流狀態(tài)下，在液-氣界面蒸發(fā)氣體（BOG）氣化速率的熱平衡的預(yù)測(cè)。作者還研究了儲(chǔ)罐的增壓時(shí)，BOG的生成情況。最終數(shù)值表明，BOG的生成強(qiáng)烈依賴于儲(chǔ)罐內(nèi)垂直方向的溫度分布和增壓的具體方式。

Dae Woong Ha[10]等研究了一種新的LNG儲(chǔ)存信息傳感系統(tǒng)。LNG儲(chǔ)罐必須采取措施防止泄漏和外部沖擊產(chǎn)生破壞。這種安全要求是非常高的，所以作者開發(fā)了一套新的安全管理系統(tǒng)，是基于一個(gè)低頻的無線通信網(wǎng)絡(luò)上，可以補(bǔ)充現(xiàn)在有線傳感器系統(tǒng)的缺陷，是通過LNG儲(chǔ)罐的混凝土壁實(shí)現(xiàn)的。

M.W.Lukaszewski[11]等通過改善現(xiàn)有的LNG存儲(chǔ)模型，以提高LNG儲(chǔ)存的安全性和經(jīng)濟(jì)化管理。文獻(xiàn)[11]通過反演兩個(gè)方法進(jìn)行比較。第一個(gè)對(duì)實(shí)時(shí)逆向的開發(fā)優(yōu)化方法進(jìn)行了分析。另一種方法是基于非線性參數(shù)估算來規(guī)劃線性方程，可以突破前一種方法的主要限制。這兩種方法都顯著改善的LNG的儲(chǔ)存模型，提高了預(yù)測(cè)的可信度，并且對(duì)優(yōu)化LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)管理有重要的指導(dǎo)意義。

Nicola Paltrinieri[12]等研究了LNG的儲(chǔ)存安全預(yù)警技術(shù)。傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別過程難以包括新技術(shù)和新設(shè)備的一些情況，不一定能做出準(zhǔn)確的預(yù)警。該研究通過創(chuàng)新的技術(shù)和液化天然氣再氣化設(shè)施，系統(tǒng)地對(duì)LNG的儲(chǔ)存狀態(tài)有了較高的認(rèn)知潛力。該技術(shù)的目的是從LNG終端的典型事故中學(xué)習(xí)，然后系統(tǒng)地給出準(zhǔn)確的預(yù)警。

1.3 LNG海上運(yùn)輸儲(chǔ)存技術(shù)研究

LNG運(yùn)輸過程必須維持在低溫環(huán)境下，由于受到環(huán)境狀況、技術(shù)條件和運(yùn)營成本的限制，管道運(yùn)輸在我國并沒有廣泛使用。相比之下海上運(yùn)輸運(yùn)價(jià)低廉，單次運(yùn)量大，但是海上運(yùn)輸容易發(fā)生火災(zāi)，凍傷和窒息事故，因此LNG海上運(yùn)輸儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展也至關(guān)重要。

王建軍[13]等介紹了LNG三種常見的運(yùn)輸中的儲(chǔ)存技術(shù)。管道運(yùn)輸一般只在接收站內(nèi)使用，由于保冷絕熱材料不可能不散失冷量，所以LNG接卸站的管道采用循環(huán)輸送的方式保持低溫。LNG公路運(yùn)輸技術(shù)要求較低，成本也不算特別高。LNG海上運(yùn)輸運(yùn)價(jià)低廉，單次運(yùn)量大，但是海上運(yùn)輸時(shí)，LNG運(yùn)輸船要嚴(yán)格密封，防止泄漏。操作人員也要熟練謹(jǐn)慎操作，在開關(guān)液化艙門一定要穿安全服和防護(hù)手套。并且要注意通風(fēng)，并且監(jiān)測(cè)含氧量，必須達(dá)到人體自主呼吸要求以上。

Yeelyong Noh[14]等結(jié)合動(dòng)態(tài)過程模擬（DPS）和蒙特卡羅模擬（MCS）來確定LNG運(yùn)輸船上儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力的新方法。因?yàn)閮?chǔ)罐的壓力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，DPS被用來預(yù)測(cè)壓力分布情況。故障的發(fā)生具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，用MCS生成離散事件，來創(chuàng)建一個(gè)壽命場(chǎng)景。結(jié)合長(zhǎng)期的DPS壓力曲線，可以提供基于風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估信息，也能確定基于設(shè)計(jì)壓力的風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

Bin Xie[15]等主要研究了浮動(dòng)式LNG的一些儲(chǔ)存技術(shù)，包括在液化過程中，LNG儲(chǔ)罐晃動(dòng)的問題和LNG儲(chǔ)罐的選擇和布局。LNG儲(chǔ)罐晃動(dòng)通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，可以得到晃動(dòng)的情況并進(jìn)行優(yōu)化處理。最后，作者對(duì)LNG船的儲(chǔ)存運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)海上LNG的安全性是非常重要的。

Michael S[16]介紹了浮動(dòng)LNG儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)今世界各地的成功運(yùn)營很多浮動(dòng)LNG接收終端，這是需要很多技術(shù)支撐的。文獻(xiàn)[16]提到了海上的船到船LNG轉(zhuǎn)移，液化天然氣泄漏和用氣安全，水冷卻系統(tǒng)逐漸成熟。最關(guān)鍵的就是浮式液化儲(chǔ)存技術(shù)。海上浮動(dòng)LNG儲(chǔ)存的發(fā)展，會(huì)節(jié)省天然氣的開發(fā)運(yùn)輸成本，提高LNG的經(jīng)濟(jì)性。

2 總結(jié)及展望

液化天然氣作為新型的綠色燃料，符合我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的要求，近年來發(fā)展速度非常快。但是其存儲(chǔ)設(shè)備投資成本高，存儲(chǔ)技術(shù)復(fù)雜，所以需要針對(duì)儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)行深入研究。本文介紹了近年來LNG儲(chǔ)存的最新技術(shù)，包括儲(chǔ)罐保冷絕熱，建立安全預(yù)警模型預(yù)測(cè)和預(yù)防LNG發(fā)生分層、翻滾，LNG海上運(yùn)輸儲(chǔ)存等技術(shù)。LNG儲(chǔ)存技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，會(huì)提高儲(chǔ)存的安全性，降低運(yùn)營成本。結(jié)合LNG高效，清潔，環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，在未來LNG一定會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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Research Status of LNG Storage Technology

HUA Chuang，ZHANG Fan，HU Hong-bing，GAO Li-bo，ZHANG Jie

（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety/MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering/Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249，China）

LNG as an efficient and clean energy, plays an increasingly large proportion of the energy supply, Because it is flammable and explosive, and must be stored at low temperature of -162 ℃,it is necessary to overcome many technical problems. In the industrial chain of LNG, storage and transport are two very important links.LNG storage is not only to maintain the low temperature condition, but also to prevent delamination, rolling, aging, leakage and other possible incidents. So LNG storage equipment and related technology are important factors in the development of the LNG industry. In this article, research status of LNG storage technologies was summarized.

LNG; low temperature; storage technology

TE 624

A

1671-0460（2016）06-1267-04

2016-01-22

華創(chuàng)（1992-），男，陜西省咸陽市人，在讀碩士研究生，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：從事石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)方面研究。E-mail：hua.beater@qq.com。