我國(guó)液化天然氣 (LNG) 鐵路運(yùn)輸 區(qū)域通道設(shè)計(jì)研究

張 輝，呂志昕，陳志先

(1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2. 中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司貨運(yùn)部，遼寧 沈陽(yáng) 110001；3. 中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 貨運(yùn)部，廣西 南寧 530029)

液化天然氣(LNG)是氣態(tài)天然氣通過(guò)降溫、加壓后液化形成的深冷液體，標(biāo)態(tài)沸點(diǎn)-162℃，液體的體積為同質(zhì)量氣體體積的1/625，2.1類易燃?xì)怏w，鐵危編號(hào)21008，屬鐵路禁止運(yùn)輸品類[1]。作為一種清潔、高效的能源，LNG在城鎮(zhèn)供暖清潔燃料、交通工具用燃料、工業(yè)氣體燃料以及發(fā)電燃料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為國(guó)家能源戰(zhàn)略調(diào)整的重要方向。受環(huán)保政策、城市燃?xì)夂凸I(yè)領(lǐng)域煤改氣等因素的影響，近年來(lái)LNG需求量迅速增加，LNG運(yùn)輸能力已經(jīng)成為制約其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前我國(guó)LNG鐵路運(yùn)輸尚處于空白，鐵路作為一種安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的運(yùn)輸方式，如果能參與LNG運(yùn)輸，可以為國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略提供有利支撐。

1 我國(guó)LNG陸上運(yùn)輸方式比較分析

目前我國(guó)LNG陸上運(yùn)輸方式包括管道運(yùn)輸、公路運(yùn)輸2種。管道運(yùn)輸是將天然氣液化成LNG液體進(jìn)行長(zhǎng)距離管道輸送，為防止液體氣化，需要采用密相輸送工藝，管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)液體單相流動(dòng)，管道沿線每隔一定距離需要建設(shè)LNG加壓泵站和冷卻站[2]。除管道運(yùn)輸外，LNG還可以采用公路槽車運(yùn)輸，經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑為500 ～ 800 km以內(nèi)[2]，是目前我國(guó)LNG主要陸上運(yùn)輸方式。目前只有日本、美國(guó)、俄羅斯少數(shù)國(guó)家開展LNG鐵路運(yùn)輸業(yè)務(wù)[3]，我國(guó)還尚未開展LNG鐵路運(yùn)輸業(yè)務(wù)。而鐵路適于長(zhǎng)距離、大宗貨物運(yùn)輸，是LNG潛在的陸上運(yùn)輸方式。LNG陸上運(yùn)輸方式優(yōu)缺點(diǎn)比較分析如表1所示。

表1 LNG陸上運(yùn)輸方式優(yōu)缺點(diǎn)比較分析Tab.1 Comparative analysis of advantages and disadvantages of LnG transportation by land

我國(guó)已經(jīng)建成投產(chǎn)西氣東輸?shù)闹椅渚€、陜京一線、陜京二線等較大的輸氣管道，這些大的輸氣工程雖然解決了沿線地區(qū)的部分用氣，但對(duì)于很多中小城鎮(zhèn)、獨(dú)立的工業(yè)項(xiàng)目、汽車用氣等還有相當(dāng)大的缺口。LNG公路運(yùn)輸不僅運(yùn)輸能力和運(yùn)輸半徑有限，還受天氣、運(yùn)輸車輛、徑路、里程、安全管控等方面制約，運(yùn)輸成本高，特別在雨雪、大霧等惡劣天氣影響下，保供能力差，事故多發(fā)，而且傳統(tǒng)公路運(yùn)輸車輛存儲(chǔ)時(shí)間較短，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間、大量運(yùn)輸及儲(chǔ)存[4]。因此，在管道氣增量有限、管線建設(shè)周期長(zhǎng)、公路運(yùn)輸能力有限的情況下，運(yùn)輸能力已經(jīng)成為制約LNG運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵因素。由于鐵路運(yùn)輸尤其是在冬季，不會(huì)因?yàn)楸┑缆返仍蛴绊戇\(yùn)輸，運(yùn)輸安全性和供給保障性相對(duì)較高，還可以發(fā)揮鐵路運(yùn)輸半徑大、網(wǎng)絡(luò)完善的優(yōu)勢(shì)，形成LNG鐵路運(yùn)輸網(wǎng)，解決LNG運(yùn)輸瓶頸問(wèn)題，有利于全國(guó)范圍內(nèi)調(diào)配LNG，將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[5]。

2 我國(guó)LNG供需區(qū)域分布

2.1 供給區(qū)域分布

我國(guó)LNG供給來(lái)源主要包括進(jìn)口LNG和國(guó)產(chǎn)LNG。進(jìn)口LNG是通過(guò)分布在沿海地區(qū)的接收站卸載船運(yùn)LNG，目前我國(guó)已經(jīng)建成20余座LNG接收站，主要分布在廣東、山東、福建和浙江沿海地區(qū)，年接收能力6 765萬(wàn)t[6]。2018年我國(guó)通過(guò)沿海接收站進(jìn)口LNG約5 400萬(wàn)t，占我國(guó)天然氣進(jìn)口量的59%，成為全球第一大天然氣進(jìn)口國(guó)，通過(guò)接收站進(jìn)口的LNG大部分經(jīng)氣化后直接進(jìn)入管網(wǎng)，其余約1 388萬(wàn)t通過(guò)公路運(yùn)輸進(jìn)行銷售[6]。我國(guó)天然氣氣源主要來(lái)自塔里木盆地、柴達(dá)木盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地等，2018年天然氣產(chǎn)量為1 576億m3，其中156億m3天然氣經(jīng)工廠生產(chǎn)成1 100萬(wàn)t LNG進(jìn)行銷售，主要集中在新疆、內(nèi)蒙古、陜西和四川[7]。

2.2 需求區(qū)域分布

天然氣廣泛應(yīng)用于居民生活、工商業(yè)、發(fā)電、交通運(yùn)輸、分布式能源等多個(gè)領(lǐng)域。2018年，我國(guó)天然氣消費(fèi)結(jié)構(gòu)為:工業(yè)燃料38.2%、城市燃?xì)?2.5%、天然氣發(fā)電14.7%、天然氣化工14.6%[7]，消費(fèi)呈現(xiàn)出地域不均衡現(xiàn)象，環(huán)渤海、長(zhǎng)三角、東南、中南地區(qū)是天然氣主要消費(fèi)區(qū)域，占全國(guó)天然氣消耗量的63%；八大經(jīng)濟(jì)區(qū)天然氣消費(fèi)量比例分別為環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)(21%)、長(zhǎng)三角(17%)、東南沿海(13%)、西南地區(qū)(13%)、中南地區(qū)(11%)、中西部(10%)、西北地區(qū)(9%)、東部地區(qū)(6%)[7]。

我國(guó)天然氣大部分是通過(guò)管道直接運(yùn)輸?shù)较M(fèi)區(qū)域，其余以LNG采用公路槽車運(yùn)輸。2018年，我國(guó)LNG市場(chǎng)消費(fèi)量為2 498萬(wàn)t，與2017年同比增長(zhǎng)25%，LNG消費(fèi)前6名省份年消費(fèi)量均超過(guò)100萬(wàn)t。我國(guó)LNG消費(fèi)量前6位省份如表2所示[6]。

由于公路槽車運(yùn)輸能力和經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑有限，現(xiàn)有公路運(yùn)輸并不能滿足LNG的消費(fèi)需求，導(dǎo)致很多地區(qū)LNG供應(yīng)不足。據(jù)中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，河北、江蘇、浙江、山東的LNG需求量缺口約為181萬(wàn)～ 191萬(wàn)t；安徽、河南省的LNG需求量缺口約為41萬(wàn)～ 80萬(wàn)t；云南、貴州、天津、湖北、湖南、江西、北京、遼寧的LNG需求量缺口約為1萬(wàn)～ 40萬(wàn)t。我國(guó)LNG需求量仍存在較大的缺口，LNG需求區(qū)域主要集中在華北、華東和中南地區(qū)。

表2 我國(guó)LNG消費(fèi)量前6位省份Tab.2 Top 6 of the largest LnG consumption provinces in China

2.3 LNG運(yùn)輸流向分析

我國(guó)一些區(qū)域既是LNG供給區(qū)，也是LNG消費(fèi)區(qū)，在滿足自需后余量運(yùn)輸至其他LNG需求區(qū)域。經(jīng)初步估算，我國(guó)LNG主要供給區(qū)域和需求區(qū)域基本情況如表3所示。

表3 我國(guó)LNG主要供給區(qū)域和需求區(qū)域基本情況Tab.3 Major areas of the supply and demand for LnG in China

由表3可以看出，南部沿海和西北地區(qū)是主要的LNG供給區(qū)，廣東省2018年LNG消費(fèi)量高居全國(guó)首位，但每年廣東省進(jìn)口LNG比例占全國(guó)的20%[6]，除滿足自需外還有余量可以供給其他區(qū)域；新疆、內(nèi)蒙古、陜西等西北華北產(chǎn)氣區(qū)域每年都可以向外供給LNG。華北、華東和華中是主要的需求區(qū)域，對(duì)于華北地區(qū)，雖然可以從天津和唐山進(jìn)口LNG，但是河北中西部缺氣較為嚴(yán)重、缺口量較大；對(duì)于華東地區(qū)，雖然山東、江蘇、浙江等東部沿海接收站可以進(jìn)口LNG，但仍然不能滿足本地區(qū)LNG消費(fèi)，存在較大的LNG需求量缺口；對(duì)于華中地區(qū)，本身既無(wú)氣田又缺少接收站，只能通過(guò)其他地區(qū)供給。西南地區(qū)中四川盆地也是主要的產(chǎn)氣區(qū)域，可以就近供給至云貴缺氣地區(qū)。綜上分析，我國(guó)LNG供給區(qū)域與需求區(qū)域存在地域不均衡現(xiàn)象，陸上運(yùn)輸流向主要從西北LNG生產(chǎn)區(qū)域和南部沿海LNG進(jìn)口區(qū)域流向華東、華北、華中和西南地區(qū)，我國(guó)LNG運(yùn)輸流向示意圖如圖1所示。

3 我國(guó)LNG鐵路運(yùn)輸區(qū)域通道設(shè)計(jì)

鐵路運(yùn)輸區(qū)域通道是采用一條或多條鐵路線連接多個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)區(qū)域間旅客或貨物運(yùn)輸?shù)蔫F路運(yùn)輸系統(tǒng)的總稱[8]。在LNG運(yùn)輸需求不斷增長(zhǎng)的情況下，LNG鐵路運(yùn)輸區(qū)域通道設(shè)計(jì)需要考慮鐵路開展LNG運(yùn)輸具備的運(yùn)輸技術(shù)條件，依據(jù)LNG鐵路運(yùn)輸需求，提出LNG鐵路運(yùn)輸區(qū)域通道。

3.1 運(yùn)輸條件分析

從載運(yùn)工具、裝卸作業(yè)設(shè)備及場(chǎng)站、應(yīng)急救援技術(shù)、徑路條件等方面對(duì)LNG鐵路運(yùn)輸技術(shù)條件進(jìn)行分析。

LNG鐵路載運(yùn)工具采用無(wú)損儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，無(wú)損儲(chǔ)運(yùn)時(shí)間必須滿足正常鐵路運(yùn)輸要求，其設(shè)計(jì)、制造需滿足國(guó)際國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，并需通過(guò)鐵路靜強(qiáng)度試驗(yàn)、鐵路沖擊試驗(yàn)、鐵路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)及低溫性能試驗(yàn)[9]，以滿足鐵路運(yùn)輸工況安全要求。按照易燃易爆危險(xiǎn)品裝卸作業(yè)要求，LNG鐵路運(yùn)輸涉及的裝卸設(shè)施設(shè)備及場(chǎng)站必須滿足《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50183)、《鐵路危險(xiǎn)貨物辦理站、專用線(專用鐵路)貨運(yùn)安全設(shè)備設(shè)施暫行技術(shù)條件》(TJ/KH 003)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，還應(yīng)制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案以應(yīng)對(duì)LNG鐵路運(yùn)輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的泄漏、火災(zāi)等事故。LNG鐵路運(yùn)輸徑路發(fā)到端和沿線技術(shù)條件應(yīng)滿足易燃易爆炸危險(xiǎn)品運(yùn)輸技術(shù)要求，盡量避開客貨繁忙線路。因此，需要進(jìn)一步研究LNG鐵路運(yùn)輸技術(shù)條件，在確保安全的前提下，開展相關(guān)試驗(yàn)研究驗(yàn)證LNG鐵路運(yùn)輸技術(shù)條件。

圖1 我國(guó)LNG運(yùn)輸流向示意圖Fig.1 LNG transportation fl ow direction in China

3.2 鐵路運(yùn)輸需求分析

根據(jù)中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司、中國(guó)石油天然氣有限公司等LNG鐵路運(yùn)輸需求較多的大型能源企業(yè)調(diào)研結(jié)果，能源企業(yè)具有較大的LNG鐵路運(yùn)輸需求，LNG鐵路運(yùn)輸主要是將LNG從沿海LNG接收站運(yùn)輸至華北、華中和西南地區(qū)，LNG鐵路運(yùn)輸流向與LNG運(yùn)輸流向一致。能源企業(yè)迫切希望盡早實(shí)現(xiàn)LNG鐵路運(yùn)輸，打通LNG公海鐵多式聯(lián)運(yùn)。大型能源企業(yè)LNG鐵路運(yùn)輸需求情況如表4所示。

表4 大型能源企業(yè)LNG鐵路運(yùn)輸需求情況Tab.4 Demand for LnG railway transportation by large-scale energy enterprises

3.3 區(qū)域通道設(shè)計(jì)

LNG屬于2.1類易燃易爆危險(xiǎn)品，在備選徑路選擇過(guò)程中應(yīng)考慮以下原則:①盡量避開客貨繁忙線路，徑路運(yùn)輸能力較大；②運(yùn)行徑路短、運(yùn)行速度快；③優(yōu)先開展長(zhǎng)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。因此，根據(jù)我國(guó)LNG流向分析結(jié)果，結(jié)合LNG鐵路運(yùn)輸需求和運(yùn)輸流向特點(diǎn)，假定LNG供需區(qū)域的發(fā)送端和到達(dá)端，提出我國(guó)LNG鐵路運(yùn)輸主要運(yùn)輸通道和徑路走向。我國(guó)LNG鐵路運(yùn)輸通道和主要備選徑路走向如表5所示，我國(guó)LNG鐵路主要運(yùn)輸通道與徑路走向示意圖如圖2所示。

表5 我國(guó)LNG鐵路運(yùn)輸通道和主要備選徑路走向Tab.5 LnG railway transport channels and the main alternative routes in China

由表5、圖2可以看出，LNG鐵路運(yùn)輸通道和主要備選徑路，發(fā)送端為L(zhǎng)NG供給區(qū)域(沿海進(jìn)口LNG接收站和西北LNG產(chǎn)區(qū))，到達(dá)端為L(zhǎng)NG需求區(qū)域，備選徑路走向與LNG運(yùn)輸流向一致，基本覆蓋了調(diào)研的各鐵路局集團(tuán)公司管內(nèi)和大型能源企業(yè)的LNG運(yùn)輸需求。第1條運(yùn)輸通道，可以將唐山和天津進(jìn)口LNG運(yùn)輸至華北地區(qū)；第2條運(yùn)輸通道可以將西北地區(qū)國(guó)產(chǎn)LNG運(yùn)輸至華北地區(qū)；第3條運(yùn)輸通道可以將南部沿海進(jìn)口LNG運(yùn)輸至華中、華北地區(qū)；第4條運(yùn)輸通道可以將南部沿海LNG接收站進(jìn)口LNG運(yùn)輸至云貴地區(qū)；第5條運(yùn)輸通道可以將四川產(chǎn)氣區(qū)域的LNG運(yùn)輸至云貴地區(qū)。我國(guó)LNG運(yùn)輸通道和主要備選徑路可以為L(zhǎng)NG鐵路運(yùn)輸徑路規(guī)劃提供參考。

圖2 我國(guó)LNG鐵路主要運(yùn)輸通道與徑路走向示意圖Fig.2 Major LnG railway transport channels and the main alternative routes in China

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比重越來(lái)越大。在管道氣增量有限、管線建設(shè)周期長(zhǎng)、公路運(yùn)輸能力有限的形勢(shì)下，運(yùn)輸能力與運(yùn)輸需求之間的矛盾日益嚴(yán)峻，已成為制約LNG市場(chǎng)推廣的關(guān)鍵因素。LNG鐵路運(yùn)輸運(yùn)輸半徑大、網(wǎng)絡(luò)完善，可以形成鐵路運(yùn)輸網(wǎng)，有利于全國(guó)范圍內(nèi)調(diào)配LNG，LNG鐵路運(yùn)輸可以與公路運(yùn)輸形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的LNG運(yùn)輸需求。若能開展LNG鐵路運(yùn)輸業(yè)務(wù)，不僅可以打通LNG“公海鐵”多式聯(lián)運(yùn)模式，還能解決西北氣源遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、沿海接收站配送半徑范圍有限等難題，擴(kuò)大LNG消費(fèi)市場(chǎng)范圍。