液化天然氣儲存及應(yīng)用技術(shù)的研究

陳 燕

（中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

天然氣在冷卻至零下160℃后，會從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，壓縮體積有助于其存儲和運輸。但是，液化天然氣也具有較高的危險性，除了易燃易爆外，還會產(chǎn)生凍傷危險，對儲存、運輸和應(yīng)用都提出了較為嚴(yán)格的要求。目前，液化天然氣已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如城市燃?xì)狻⑵嚾剂系?。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國2018年國內(nèi)液化天然氣市場總供應(yīng)量超過1500萬t，近年來呈現(xiàn)出逐年上升趨勢。按照國家能源局發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，未來幾年我國將繼續(xù)大力支持天然氣等清潔能源的發(fā)展，掌握液化天然氣儲存及應(yīng)用技術(shù)既有其必要性，又有其緊迫性[1]。

1 液化天然氣的制取

1.1 天然氣預(yù)處理

在進行天然氣液化處理之前，必須先進行預(yù)處理，其目的是除去天然氣中含有的雜質(zhì)，如硫化氫、重?zé)N等。通過對天然氣的預(yù)處理，一來可以保證液化天然氣的清潔，二來可以防止低溫環(huán)境下雜質(zhì)凍結(jié)堵塞管道，影響液化天然氣的儲運。天然氣預(yù)處理的常用方法有兩種，分別是脫水處理和脫酸性氣體處理。通常來說，天然氣中水的預(yù)處理指標(biāo)應(yīng)當(dāng)在0.1×10-8m3/m3以下，被認(rèn)為是符合液化處理基本要求。人們可以選擇冷卻法、液體洗手法、膜分離法等方法進行天然氣脫水[2]。以膜分離法為例，其基本原理就是使用高分子氣體分離膜，在一定壓力下過濾掉天然氣中的酸性成分，如水氣、二氧化碳、硫化氫等。天然氣脫酸處理是降低管道腐蝕和保證能源清潔的一種有效方法，除了膜分離法可以滿足脫酸要求外，還可以使用聯(lián)合吸收法、直接轉(zhuǎn)化法等方法。

1.2 天然氣液化

天然氣在零下162℃的環(huán)境下會發(fā)生液化，現(xiàn)階段常用的天然氣液化裝置有兩種，其中國內(nèi)應(yīng)用較廣的是調(diào)峰型液化天然氣裝置，以“年”為單位，根據(jù)用氣峰值變化進行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，可以滿足液化天然氣的使用需求。相比于基本負(fù)荷型天然氣液化裝置，調(diào)峰型裝置的優(yōu)點在于大幅度提高了天然氣液化能力，而且該裝置對安裝環(huán)境要求不高，可以就近安裝在人口密集、用氣量大的城市附近，更好地發(fā)揮液化天然氣的使用便利性，無形中也降低了使用成本。天然氣液化所用的設(shè)備主要有壓縮機、換熱器、液化天然氣泵等幾種?？茖W(xué)選擇設(shè)備的型式、參數(shù)等，對于提高天然氣液化效率也有一定的幫助。

2 液化天然氣的運輸

無論是從國內(nèi)范圍還是國際上來看，天然氣能源雖然總體儲量豐富，但是分布極不均勻。根據(jù)海關(guān)總署最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國2018年天然氣進口超9000萬t，成為世界第一大天然氣進口國。在國內(nèi)，天然氣資源主要分布在中部和西部，另外近海海域也有一定分布。相比之下，我國東部地區(qū)由于人口密集、產(chǎn)業(yè)集聚，對天然氣資源需求量較大。為了解決這一矛盾，就需要通過多種渠道進行天然氣運輸。為了提高運輸效率、降低運輸成本，需要先將天然氣液化，目前液化天然氣的運輸方式主要有以下幾種。

2.1 罐車運輸

對于短距離的液化天然氣運輸，使用罐車是一種比較靈活且經(jīng)濟性較好的運輸方式，根據(jù)罐車結(jié)構(gòu)的不同，又可分為半掛式和集裝箱式兩種。使用罐車運輸液化天然氣時，一方面是要保證儲罐的密封性，需要通過無損檢測等方式，對儲罐可能存在的問題進行及時、有效的處理，以防止液化天然氣泄露，保障運輸人員安全；另一方面，還要定期觀察罐車上反映儲罐狀態(tài)的一些儀表器具，如液面計、溫度計、壓力計等，這也是保障運輸安全的一種有效方法。液化天然氣的罐車運輸、裝車和卸車都會使用增壓器，必須由專人在專門的地方完成。

2.2 管道運輸

綜合考慮運輸成本和安全性等因素，一般來說，在陸上運輸距離大于2500 km后，就可以考慮使用管道運輸。早期的液化天然氣管道運輸，由于鋪設(shè)技術(shù)、管材質(zhì)量等方面因素的限制，運輸成本高，而且經(jīng)常會出現(xiàn)泄漏問題。近年來，隨著鋪設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展和新材料的投入使用，管道鋪設(shè)成本顯著降低，為液化天然氣的管道運輸也提供了便利。

在液化天然氣管道的運輸過程中，由于輸送的是液體，為確保液化天然氣在運輸中保持良好狀態(tài)，需要沿管道布置加壓站和冷卻站等設(shè)施，因為一旦液化天然氣過熱，就會出現(xiàn)管道氣化而形成兩相流動，造成增大輸送阻力等不良后果，這不僅不利于提高輸送管道的容量，也不能有效保證管道運輸安全。因此，在液化天然氣管道輸送過程中，應(yīng)防止氣化以保證天然氣為單相流動。在密相輸送液化天然氣管道的過程中，除設(shè)置加壓站和冷卻站外，同時控制管道工作壓力在臨界冷凝壓力之上，管道內(nèi)天然氣的溫度在臨界冷凝溫度之下，避免摩擦導(dǎo)致天然氣溫度升高而氣化，確保管道運輸?shù)陌踩?/p>

2.3 船舶運輸

跨洋的液化天然氣運輸，需要考慮使用船舶作為主要工具。尤其是對于進口天然氣，使用船舶也是一種成本較低且靈活性較強的運輸方式。相比于管道運輸，船舶運輸不需要投入大量成本進行運輸管道的建設(shè)，也就避免了地理環(huán)境等因素的影響。但是，船舶運輸液化天然氣，也存在一定的局限性，例如，船舶本身行進速度較慢，加上需要沿固定的線路行進，可能會在路途中耽誤較多時間。此外，船舶運輸由于液化天然氣的容量較大，對安全性問題有著更高的要求。海洋運輸中要投入專項力量加強安全保護，以維護安全效益、經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

3 液化天然氣接收站的工藝系統(tǒng)

液化天然氣接收站的工藝系統(tǒng)的流程，主要包括液化天然氣的卸船流程、液化天然氣的儲存系統(tǒng)、液化天然氣再氣化/外輸系統(tǒng)。首先，卸船系統(tǒng)采用的是雙母管式設(shè)計，當(dāng)其中一個出現(xiàn)故障時，另一個可以繼續(xù)工作。在卸船流程中，需要注意的是卸船前需要用船上的液化天然氣對卸料臂進行預(yù)冷，然后將卸船量提升到正常輸量，并且需要在卸船時用管線上的取樣器分析液化天然氣的密度和熱值。為最大限度減少卸船時的蒸發(fā)量，可以適當(dāng)提高儲罐內(nèi)的壓力[3]。

4 液化天然氣接收站的主要設(shè)備

液化天然氣接收站的主要設(shè)備包括卸科臂、液化天然氣儲罐、液化天然氣輸送泵、液化天然氣氣化器、蒸發(fā)氣壓縮機和再冷凝器等。為了提升安全性能，卸料臂中旋轉(zhuǎn)接頭在低溫下必須要有良好的密封性能，通常采用雙層密封結(jié)構(gòu)。液化天然氣卸料臂的材質(zhì)主要為不銹鋼和鋁合金兩種材質(zhì)。液化天然氣的儲罐屬于常壓大型儲罐類型，通常有地下式和地上式兩種類型結(jié)構(gòu)，一般為雙壁圓柱形，所有的開口均應(yīng)設(shè)置在儲罐的頂部，避免接口外泄漏。此外，在液化天然氣接收時，還應(yīng)該避免液體分層和儲罐漏過熱引起的翻滾現(xiàn)象。

5 液化天然氣的主要存儲方式

5.1 常壓低溫存儲

常壓低溫存儲使用常壓拱頂?shù)蜏貎?，從結(jié)構(gòu)上來看，通常是平底拱蓋的立式雙層壁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既可以減少熱量消散，有利于常壓環(huán)境下的溫度恒定，同時又能夠增加存儲容量。在存儲容器安裝時，應(yīng)確保安裝現(xiàn)場的地面平整，并且使用水泥砌筑平臺，或是墊上平直鋼板，以保證儲罐的穩(wěn)定性。此外，結(jié)合以往的經(jīng)驗可知，在常壓低溫儲存環(huán)境下，儲罐使用一段時間后容易出現(xiàn)底部變形的問題，分析原因主要是舉升力的作用導(dǎo)致內(nèi)槽變形。為了防止內(nèi)槽凹陷、變形導(dǎo)致罐內(nèi)銹蝕等問題，還需要向儲罐中適當(dāng)充入氮氣，以保證其壓力平衡。

5.2 高壓儲存技術(shù)

相比于常壓低溫存儲技術(shù)，高壓存儲的特點是工藝相對簡單，只需要在一定壓力下將天然氣壓入儲罐中即可。在高壓作用下，天然氣分子體積減小，會自動發(fā)生液化現(xiàn)象。此外，高壓存儲液化天然氣，還可以提高儲存罐的隔熱性能，避免天然氣的蒸發(fā)、泄露。但是，高壓存儲也有一定的缺陷，例如，考慮到容器的使用安全性，一般將高壓儲存罐的容量設(shè)計得相對較小，加上為了保證隔熱性能，罐壁相對較厚，因此單罐存儲的液化天然氣容量有限。此外，高壓環(huán)境下也對儲罐質(zhì)量、性能、使用壽命等提出了較高要求，安全性問題也需要重點關(guān)注。

6 液化天然氣的應(yīng)用

作為傳統(tǒng)化石燃料（煤、石油）的一種完美替代品，天然氣儲量豐富，并且在實際應(yīng)用中具有產(chǎn)物清潔、燃燒完全等特點，除了已經(jīng)作為生活燃?xì)膺M入千家萬戶外，液化天然氣還有許多其他方面的應(yīng)用。

6.1 液化天然氣冷能利用

為了方便天然氣的儲運，需要在-162℃的低溫環(huán)境下將其液化，并通過壓縮等方式將其儲存在特殊材質(zhì)的罐中。根據(jù)能量守恒定律，在壓縮、液化過程中消耗的巨大能量，會在液化天然氣的氣化狀態(tài)中重新釋放出來。這一過程中產(chǎn)生的能量即為“冷能”。其中，液化天然氣的冷能主要是依靠液化天然氣和周圍環(huán)境之間的溫度和壓力差。通過液化天然氣變化，達到與外界平衡，最后達到回收儲存的能量目的。液化天然氣的冷能分為直接利用和間接利用兩種情況。直接利用包括發(fā)電、海水淡化等。間接利用包括低溫破碎、水、污染物等。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，液化天然氣的冷能利用取得了一些成果。

6.2 液化天然氣汽車?yán)?/h3>

天然氣汽車是以天然氣代替汽油作為動力能源，我國早在20世紀(jì)70年代就出現(xiàn)了天然氣汽車，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無論是在技術(shù)方面還是推廣方面，都取得了良好的成績。截至2018年底，國內(nèi)天然氣汽車保有量已經(jīng)超過700萬輛。使用液化天然氣代替以往的柴油、汽油，其優(yōu)點主要有：一是經(jīng)濟性好。就目前的前沿技術(shù)來看，很多廠家推出的天然氣汽車，折合行駛成本僅為0.2元/km，而使用汽油的成本則在0.8元/km左右。二是天然氣燃燒充分，積碳較少，燃燒過程中不會產(chǎn)生二氧化硫等污染氣體、苯等有毒致癌氣體。

7 結(jié)論

液化天然氣作為一種清潔、高效的綠色能源，迎合了我國關(guān)于綠色發(fā)展的相關(guān)理念，近年來得到了大力的推廣和廣泛的應(yīng)用。液化天然氣使用過程中，需要通過儲存、運輸解決資源地域分布不均的問題，以滿足不同地區(qū)的用氣需求。在進行天然氣液化、儲存、運輸和裝卸等工作時，人們必須嚴(yán)格遵循行業(yè)相關(guān)準(zhǔn)則，嚴(yán)格進行技術(shù)管理，將安全問題擺在首位。隨著液化天然氣儲運技術(shù)的不斷發(fā)展，未來液化天然氣將在更多領(lǐng)域得到推廣和使用。