天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)新進(jìn)展

張 洋 曾 堯

(西華大學(xué) 汽車(chē)與交通學(xué)院 四川 成都 610039)

天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)新進(jìn)展

張 洋 曾 堯

(西華大學(xué) 汽車(chē)與交通學(xué)院 四川 成都 610039)

天然氣儲(chǔ)運(yùn)是天然氣推廣使用過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，但由于在儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)上還存在很多技術(shù)難題與挑戰(zhàn)，目前能夠利用的天然氣僅僅不到儲(chǔ)量的25%。因此，對(duì)天然氣儲(chǔ)運(yùn)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。論文中指出了天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)對(duì)天然氣大規(guī)模推廣使用的重要性，介紹了天然氣管道、壓縮天然氣、液化天然氣等三種常用天然氣儲(chǔ)運(yùn)方式的基本原理以及適用范圍，重點(diǎn)綜述了這幾種儲(chǔ)運(yùn)方式存在的主要問(wèn)題和最新研究進(jìn)展，最后對(duì)每種儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了相關(guān)探討。

天然氣；儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)；新進(jìn)展；內(nèi)涂減阻涂料；25MpaCNG氣瓶；CNG船；LNG罐式集裝箱

前言

能源和環(huán)境是世界上各國(guó)都在關(guān)注的兩大基本問(wèn)題，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的我國(guó),能源利用與環(huán)境污染之間的問(wèn)題更加突出,已成為影響我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。天然氣是一種優(yōu)質(zhì)的能源與清潔化工原料，其在保護(hù)大氣環(huán)境質(zhì)量、支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展、改善人民生活水平等方面發(fā)揮出了越來(lái)越重要的作用。在過(guò)去的10年里，中國(guó)天然氣消費(fèi)量呈現(xiàn)出了年均增長(zhǎng)13%以上的態(tài)勢(shì)；即使這樣，天然氣在中國(guó)仍有很大發(fā)展前景。目前，天然氣在我國(guó)一次能源消費(fèi)中所占的比例僅為5.8%，人均用氣量也只有國(guó)際平均水平的三分之一，仍存在很大差距[1]。

由國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》提出了：十三五中國(guó)天然氣發(fā)展戰(zhàn)略，要求到2020年天然氣在中國(guó)一次能源消費(fèi)中的比重要提高到10%以上。但現(xiàn)實(shí)狀況是我國(guó)用氣量最為巨大的中心城市和相關(guān)工業(yè)企業(yè)都與氣源相離甚遠(yuǎn)，這就需要將商品天然氣安全、穩(wěn)定、連續(xù)不斷地輸送給用戶。

一、天然氣儲(chǔ)運(yùn)方式

現(xiàn)階段常用的天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要有管道儲(chǔ)運(yùn)(pipenaturalgas,PNG)、液化天然氣(liquefiednaturalgas,LNG)儲(chǔ)運(yùn)、壓縮天然氣(compressednaturalgas,CNG)儲(chǔ)運(yùn)這三種。

(一)管道儲(chǔ)運(yùn)

PNG法作為陸上進(jìn)行天然氣運(yùn)輸和貿(mào)易的主要方式，是一種成熟的已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)?，F(xiàn)階段世界上約有65%的天然氣采用這種方法輸送。管道儲(chǔ)運(yùn)所存在的問(wèn)題在于一次性投入資金數(shù)額巨大，配套設(shè)施較多不易監(jiān)控，不適用于邊遠(yuǎn)零散氣田等。為了解決這些問(wèn)題，現(xiàn)在管道選線的原則普遍是將投資最低且距離最短的線路作為最佳路線；管道的鋪設(shè)現(xiàn)多采用的是國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施提供的數(shù)據(jù)，并通過(guò)衛(wèi)星遙感影像和航空攝影測(cè)量獲得最新的地形、地質(zhì)、水文等直觀環(huán)境數(shù)據(jù)，這不僅提高了測(cè)量精度，降低了成本，還大大縮短了管道建設(shè)周期，方便了后期的運(yùn)行管理[2]。

與此同時(shí)，管線鋼等級(jí)也快速發(fā)展，采用大口徑高壓輸氣與高強(qiáng)度管材組合的方式是近幾年新建天然氣管道的發(fā)展趨勢(shì)，這樣既可以減小管道壁厚，達(dá)到節(jié)約鋼材的目的，同時(shí)也能降低輸氣成本。目前歐洲和北美天然氣管道的設(shè)計(jì)壓力已普遍在10MPa以上。另外長(zhǎng)輸管道的自動(dòng)化控制技術(shù)水平也不斷提高，由計(jì)算機(jī)和PLC(可編程邏輯控制器)組成的SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)系統(tǒng)以及現(xiàn)代通信技術(shù)的應(yīng)用，有效提高了管道系統(tǒng)的操作智能化，使天然氣長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)得以科學(xué)、高效、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，目前基本實(shí)現(xiàn)各站場(chǎng)“有人值守、無(wú)人操作、遠(yuǎn)程控制”的目標(biāo)[3]。

(二)CNG儲(chǔ)運(yùn)

CNG儲(chǔ)運(yùn)的技術(shù)原理是將天然氣進(jìn)行高度壓縮至20～25MPa,再采用高壓氣瓶組槽車(chē)通過(guò)公路運(yùn)輸?shù)囊环N儲(chǔ)運(yùn)方式。CNG儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)面臨儲(chǔ)氣壓力過(guò)高，對(duì)儲(chǔ)存容器的材質(zhì)要求較高；瓶體自重較大且制瓶工藝復(fù)雜；單個(gè)氣瓶體積不大，能量?jī)?chǔ)存密度不高等諸多問(wèn)題。

國(guó)際上對(duì)于壓縮天然氣氣瓶的研究開(kāi)發(fā)速度很快，氣瓶制造在選材上從鋼瓶慢慢向復(fù)合材料發(fā)展，如使用熱塑性塑料作為氣瓶的內(nèi)襯，筒體的體殼部分采用玻璃纖維或碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料干法纏繞成型，瓶?jī)啥说姆忸^采用不銹鋼或鋁合金材質(zhì)等都大大降低了氣瓶的重量。氣瓶在質(zhì)量上也不斷推陳出新，封頭與筒體粘在一起的氣瓶也得到推廣應(yīng)用，這種氣瓶整體性和封閉性更好，質(zhì)地更加輕巧，更具有耐腐蝕性和強(qiáng)度[4]；而在體積方面，由中國(guó)河北邯鄲開(kāi)發(fā)區(qū)生產(chǎn)出的711系列CNG(壓縮天然氣)氣瓶長(zhǎng)管拖車(chē)于2013年成功下線，該裝備的氣瓶直徑達(dá)711毫米，比國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)大容量CNG氣瓶的直徑多出152毫米，穩(wěn)居單個(gè)氣瓶容積世界第一的寶座；該長(zhǎng)管拖車(chē)總充氣量為6000標(biāo)方,是全球天然氣運(yùn)輸領(lǐng)域最大的CNG氣瓶拖車(chē)，有效提高了壓縮天然氣的運(yùn)輸效率。

另外針對(duì)當(dāng)前的LNG成熟海運(yùn)方式，歐美等國(guó)提出了CNG船運(yùn)方法。CNG船的天然氣存儲(chǔ)容器為保溫的管束容器，對(duì)耐壓的要求較高，另外需要增加壓縮和冷卻設(shè)備，但費(fèi)用比LNG液化費(fèi)用低得多；與LNG船舶對(duì)保溫功能要求嚴(yán)格相比，CNG船舶只需在運(yùn)輸過(guò)程中控制好天然氣的溫度波動(dòng)的范圍即可，所以普通的運(yùn)輸船就可以運(yùn)輸天然氣[5]。關(guān)于CNG船的建造方面，世界上首艘由青島重工設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化CNG運(yùn)輸船已于去年完工交付，該船長(zhǎng)110米，航速14節(jié)，整個(gè)貨物系統(tǒng)的主體是800多個(gè)鋼瓶，工作壓力是25MPa，可裝載2230m3氣體其成功實(shí)踐可謂是天然氣海上運(yùn)輸方式發(fā)生改變的重要一步,必將為CNG運(yùn)輸船這一船型帶來(lái)更多新的市場(chǎng)機(jī)遇[6]。

(三)LNG儲(chǔ)運(yùn)

LNG儲(chǔ)運(yùn)方式是采用低溫技術(shù)將氣態(tài)的天然氣冷卻到-162℃使其液化,然后以液體形式進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)的一種技術(shù)。而船運(yùn)、車(chē)運(yùn)和管道輸送則是LNG運(yùn)輸采用的三種主要方式。

國(guó)際上關(guān)于LNG長(zhǎng)輸管道的工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法已經(jīng)有了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是建設(shè)LNG長(zhǎng)輸管道依然十分困難。原因在于建設(shè)LNG長(zhǎng)輸管道必須采用像鎳鋼這種在低溫條件下仍可以保持良好機(jī)械性能的材料；同時(shí)為了減少LNG運(yùn)輸時(shí)的不斷升溫氣化問(wèn)題，還需要使用性能良好的絕熱保溫材料；即便如此，長(zhǎng)距離管道中間還需要設(shè)置LNG冷卻站來(lái)鞏固保溫效果[7]。所以目前還沒(méi)有采用低溫長(zhǎng)輸管道輸送LNG的實(shí)例，現(xiàn)有的LNG管道主要用于天然氣液化廠和LNG槽車(chē)裝卸設(shè)施的附屬配套設(shè)備上。

相對(duì)而言LNG船運(yùn)技術(shù)則不斷成熟，船運(yùn)作為液化天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞?，輸送了世界上液化天然氣產(chǎn)量的80%以上。而LNG船發(fā)展面臨的主要問(wèn)題是行駛過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)LNG蒸發(fā)而產(chǎn)生BOG氣體，導(dǎo)致LNG船的運(yùn)輸效率降低。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)采用的方法是將運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的BOG氣體收集起來(lái)與柴油混合作為運(yùn)輸船的燃料，而針對(duì)?？繒r(shí)產(chǎn)生的BOG氣體則是通過(guò)再液化裝備液化，來(lái)以減少資源浪費(fèi)。

天然氣槽車(chē)運(yùn)輸有公路和鐵路兩種。液化天然氣通過(guò)槽車(chē)運(yùn)輸將液化天然氣從LNG接收站、衛(wèi)星站、液化廠等地快速運(yùn)送到各個(gè)使用點(diǎn)。隨著LNG槽車(chē)的廣泛使用，LNG槽車(chē)裝車(chē)設(shè)施也得到了不斷的應(yīng)用與發(fā)展，安全可靠、簡(jiǎn)單快速、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的撬裝系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。目前撬裝系統(tǒng)已經(jīng)從單一的單裝/單卸到裝發(fā)展到了可以槽車(chē)間直接導(dǎo)車(chē)的三用型撬裝系統(tǒng)。三用型撬裝系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)裝車(chē)、卸車(chē)、槽車(chē)對(duì)接導(dǎo)車(chē)等功能，極大的滿足了用戶的需求，也大大的提高了LNG的裝車(chē)、卸車(chē)、以及槽車(chē)導(dǎo)車(chē)的效率[8]。

另外，為了實(shí)現(xiàn)LNG資源的快速分撥，改善目前依賴(lài)LNG接收站轉(zhuǎn)公路槽車(chē)再轉(zhuǎn)客戶的繁瑣模式。同時(shí)也為了打通上下游，使國(guó)內(nèi)中小批量LNG進(jìn)口貿(mào)易市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大成為可能。中集安瑞科公司推出了全球首創(chuàng)LNG罐式集裝箱“一罐到底”式海陸聯(lián)運(yùn)技術(shù)，成功開(kāi)啟了LNG在公路、鐵路、水運(yùn)之間無(wú)中間環(huán)節(jié)的國(guó)際聯(lián)運(yùn)模式。這種LNG罐式集裝箱在起吊、運(yùn)輸和堆存時(shí)同其他集裝箱相比并無(wú)明顯差別，利用現(xiàn)有的集裝箱碼頭就可以實(shí)現(xiàn)LNG的接收，不必興建大型接收裝置；海港卸貨后，罐箱將被直接運(yùn)送至待使用現(xiàn)場(chǎng)，并可以在現(xiàn)場(chǎng)存放數(shù)日[9]。隨著多年來(lái)LNG技術(shù)的不斷成熟與完善以及全球天然氣消耗量的不斷增加，LNG罐式集裝箱技術(shù)在未來(lái)幾年將有望促進(jìn)全球LNG物流模式升級(jí)。

二、結(jié)論

(1)管道輸送是一種成熟的已得到廣泛應(yīng)用的技術(shù),適合穩(wěn)定氣源與穩(wěn)定用戶間的長(zhǎng)期供氣情況。其未來(lái)發(fā)展應(yīng)繼續(xù)向著高壓力、高鋼級(jí)、大口徑，以及調(diào)度靈活、數(shù)字化控制等方向發(fā)展。同時(shí)提高管道系統(tǒng)的科學(xué)性、穩(wěn)定性和操作的智能化，保障管道安全運(yùn)行。

(2)CNG技術(shù)成熟度高、設(shè)備投資少、靈活性強(qiáng),對(duì)于用戶距氣源及輸氣干線較遠(yuǎn)且用氣量不大的情況尤為適用。但儲(chǔ)氣壓力較高，存在較大的安全隱患，長(zhǎng)遠(yuǎn)距離輸送運(yùn)行費(fèi)用較大是這種儲(chǔ)運(yùn)方式的缺點(diǎn)。針對(duì)這些缺點(diǎn)我們要研發(fā)出更為先進(jìn)的天然氣加壓運(yùn)輸設(shè)備，增大充裝容量，降低運(yùn)輸成本；還要加快對(duì)CNG船的研究工作，增加CNG船的安全性和單艘船的運(yùn)輸量，同時(shí)為其推廣應(yīng)用掃除障礙。

(3)LNG輸送方式雖然存在天然氣液化臨界溫度低、技術(shù)難度大、液化成本高、建設(shè)初期成本巨大、運(yùn)輸和存放過(guò)程中容易產(chǎn)生BOG氣體等不足；但儲(chǔ)存密度大、壓力低、系統(tǒng)安全性和可靠性比較高等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于大規(guī)模、長(zhǎng)距離、跨海船運(yùn)方面。長(zhǎng)距離LNG低溫管輸仍處于研究階段，但技術(shù)在理論上已經(jīng)比較成熟，我國(guó)應(yīng)自主研發(fā)自己的LNG長(zhǎng)輸工藝技術(shù)、管材生產(chǎn)技術(shù)等，促進(jìn)LNG低溫長(zhǎng)輸管道技術(shù)的快速發(fā)展。另外，LNG罐式集裝箱運(yùn)輸和小型LNG船運(yùn)在我國(guó)已進(jìn)入實(shí)質(zhì)發(fā)展階段，在技術(shù)上應(yīng)繼續(xù)開(kāi)拓創(chuàng)新，擴(kuò)大其適用范圍。

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四川省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目“四川省LNG汽車(chē)應(yīng)用推廣研究”(項(xiàng)目編號(hào) ：W14203328)

張洋(1991-)，男，河南南陽(yáng)人，助教，碩士，主要從事清潔能源汽車(chē)方向的研究。

西華大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 (項(xiàng)目編號(hào)：05030177)