我國LNG產(chǎn)業(yè)儲運裝備發(fā)展現(xiàn)狀與展望

鐘林 王陽 敬佳佳 王黨飛 黃澤奇

(1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.西南石油大學能源裝備研究院，四川 成都 610000)

世界環(huán)境危機日益嚴峻，碳中和已成全球共識，碳減排是大勢所趨，能源轉(zhuǎn)型是重要舉措。

天然氣的碳排放僅有煤炭的一半，氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、煙塵濃度水平顯著低于燃煤。美國在2007年和2019年能源消耗總量基本持平，天然氣消費量從23%增至32%，煤炭消費量從24%下降至12%，非化石能源從12%增長至17%，碳排放總量下降32%，其中接近三分之二的貢獻來自天然氣發(fā)電替代燃煤發(fā)電。相比于全球天然氣消費在能源消費中約25%的占比，中國9%的天然氣消費占比仍有很大的上升空間[1]。作為最低碳、清潔、靈活的化石能源，天然氣將在我國“雙碳”進程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，是承接高碳燃料有序退出的補位能源和支撐可再生能源大規(guī)模利用的“穩(wěn)定器”，將與零碳能源長期并存。

1 LNG產(chǎn)業(yè)裝備發(fā)展的必要性

從國家長遠發(fā)展出發(fā)，能源安全是全局性、戰(zhàn)略性問題。習近平總書記在黨的十九大報告中提出“要構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”。中國2021年供應天然氣中45%依靠國外進口。進口氣由管道氣與LNG構(gòu)成，LNG相比管道氣有靈活、來源廣等優(yōu)點，不受管網(wǎng)限制。我國是全球最大的LNG進口國，2021年我國進口LNG為1089億m3，在進口氣中占比高達65%[2]，是我國全年天然氣消費量的近三分之一(見圖1)。國家能源局在《中國天然氣發(fā)展報告(2021)》中[3]提到天然氣消費預計將從2020年的3251億m3增長至2030年的6000億m3，屆時我國仍有1200億～1700億m3天然氣供需缺口，加上2017年開始的煤改氣工程進一步擴大了天然氣缺口，僅靠自產(chǎn)氣與陸地進口管道氣無法填補用氣缺口，海上進口LNG將會成為未來天然氣增量的重要組成部分。

圖1 2015—2021年中國天然氣供應量

不難看出，無論作為能源保駕國家社會經(jīng)濟發(fā)展還是助力世界環(huán)境改善，天然氣都舉足輕重。此外，受限于我國儲氣庫建設(shè)滯后儲氣能力弱，LNG這種“靈活”的天然氣其重要性進一步得以體現(xiàn)，當遭遇特殊及應急情況例如管道氣進口受限以及極端天氣氣候變化等，LNG可成為保供的主要來源。隨著2018年LNG被正式納入國家天然氣儲備體系(國發(fā)〔2018〕31號)，以及供需缺口的逐漸增大，我國LNG戰(zhàn)略儲備能力弱、儲備量少、區(qū)域發(fā)展和布局不平衡、受到國際形勢影響時天然氣供應的抗風險能力較差等問題將會凸顯。要解決這些問題必須要大力發(fā)展與之相關(guān)配套的LNG產(chǎn)業(yè)儲運裝備，建立LNG裝備產(chǎn)業(yè)體系、規(guī)?；瘍\裝備設(shè)施，攻關(guān)關(guān)鍵卡脖子技術(shù)，逐漸降低直至擺脫對外依賴。本文聚焦LNG產(chǎn)業(yè)鏈上、中、下游關(guān)鍵儲運環(huán)節(jié)，對LNG儲備相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化以及LNG產(chǎn)業(yè)儲運設(shè)備標準化等發(fā)展現(xiàn)狀進行了對比闡述，對其未來發(fā)展趨勢進行了展望，并提出了相關(guān)技術(shù)發(fā)展建議。

2 LNG產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵儲運裝備發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

LNG全產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游的開采液化、中游的儲運接收以及下游的分銷，其中上游開采液化主要包括兩種：一是陸地開采天然氣然后在LNG液化廠進行液化，二是海上開采天然氣然后通過FLNG進行液化；從液化廠出來的LNG主要通過漕運車送至LNG接收站，從FLNG出來的LNG通過LNG船從海上運送至LNG站。目前在LNG全產(chǎn)業(yè)鏈(見圖2)中，LNG產(chǎn)業(yè)儲運裝備主要包括四大核心裝備：FLNG船、LNG運輸船、LNG儲罐與LNG-FSRU。

圖2 LNG全產(chǎn)業(yè)鏈總覽圖

2.1 FLNG發(fā)展現(xiàn)狀

FLNG(Floating Liquid Natural Gas)，即浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置，F(xiàn)LNG的概念源于FPSO，其存儲介質(zhì)為LNG，由于LNG的物理特性(低溫：-162℃；低密度：425～470 kg/m3)，F(xiàn)LNG遠比FPSO復雜。典型的FLNG包括船體系統(tǒng)(船型、圓筒型、半潛型等)、系泊系統(tǒng)(單點系泊系統(tǒng)、多點新系統(tǒng))、液貨艙系統(tǒng)(Moss、SPB、GTT)、外輸系統(tǒng)(串靠外輸、旁靠外輸)、油氣處理系統(tǒng)、生活樓等。業(yè)界也稱作LNG-FPSO，F(xiàn)LNG集生產(chǎn)平臺、外輸管線與陸上終端的功能于一身，可實現(xiàn)海上天然氣生產(chǎn)、處理、液化及儲存，結(jié)合LNGC(LNG運輸船)可在海上直接實現(xiàn)LNG的液貨出口，其在設(shè)計上對相關(guān)設(shè)備的布局以及安全性有非常高的要求。FLNG的概念最早由殼牌公司于20世紀60年代末首次提出，70年代末第一次提出用于解決LNG的相關(guān)問題。

截止2022年7月世界上有5艘FLNG正式投入使用，其中最大的是澳大利亞的Prulude FLNG，該FLNG由韓國三星重工建造，是全球最大的浮式海工裝置。這艘FLNG船長489 m，寬74 m，排水量達60萬噸，建造時采用了大約26萬噸鋼材，具有超過150項專利。Prelude FLNG每年能夠生產(chǎn)360萬噸LNG、130萬噸冷凝水和40萬噸LPG，可以抵抗各種極端天氣氣候變化[4]。世界已投產(chǎn)和在建的FLNG項目如表1所示。

表1 世界已投產(chǎn)和在建的FLNG項目

我國自主的FLNG相關(guān)裝備技術(shù)也正在積極研發(fā)中，其主要研發(fā)工作由中國海油領(lǐng)銜開展，截止目前該項研究工作已經(jīng)完成存儲模塊、上部模塊的設(shè)計建造，同時也解決了部分核心裝備以及部分技術(shù)難題，從整體上掌握了FLNG的核心技術(shù)。此外，針對FLNG中關(guān)鍵的液化裝備以及晃動工況下LNG繞管式換熱器兩相流均布及換熱性能技術(shù)進行了研發(fā)和實驗，包括一套液化量可達2萬m3/天的氮膨脹液化裝置與3套模擬海上晃動試驗臺，3套試驗臺分別對應微型雙混合冷劑液化工藝實驗裝置的晃動工況模擬與實驗研究、晃動工況下LNG繞管式換熱器兩相流均布及換熱性能技術(shù)研究與預處理用塔器內(nèi)部兩相流傳熱傳質(zhì)的模擬和實驗研究以及晃動工況下的兩相流動和化學反應理論研究，提出了可以在晃動工況下均勻流動的兩相流設(shè)備，突破了浮式生產(chǎn)裝置兩相流設(shè)備的流動換熱控制關(guān)鍵技術(shù)[5]。圖3為“FLNG+水下生產(chǎn)系統(tǒng)”的工程模式[6]。

圖3 FLNG+水下生產(chǎn)系統(tǒng)”的工程模式

2.2 LNG運輸船發(fā)展現(xiàn)狀

LNG船是國際公認的高技術(shù)、高難度、高附加值的“三高”船型，被稱為“海上超級冷庫”，最難的部分是它的液貨圍護系統(tǒng)，也就是要將-163℃的低溫LNG安全儲存，不能泄露，同時使低溫液貨與船體結(jié)構(gòu)有效隔離以防止產(chǎn)生鋼板低溫脆裂，而且蒸發(fā)率要低。LNG船按液貨艙的結(jié)構(gòu)形式可分為獨立儲罐式和膜式。前者是將柱形、罐形、球形等形狀的儲罐置于船內(nèi)；后者采用雙殼結(jié)構(gòu)，體內(nèi)殼就是液貨艙的承載殼體，相比于獨立儲罐式結(jié)構(gòu)來說，雙殼結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)勢特征，不僅具有較高的容積利用率，而且結(jié)構(gòu)重量也比較輕[7]。世界上已有的液貨艙技術(shù)有法國GTT薄膜型、英國的Moss球罐型、日本的SPB型艙以及應用較少的C型壓力罐式，此外近兩年也出現(xiàn)了韓國的KC-1型和挪威的LNT-A型液貨艙技術(shù)[8]。在這其中應用最多的是法國GTT薄膜型液貨艙技術(shù)，在市場上其他幾種技術(shù)類型的份額總和不及它的一半。

最早的LNG運輸船是1958年美國用普通舊油船改建成的5100 m2的“甲烷光鐸”號。當時直接將儲罐移至船艙內(nèi)部作為液貨倉。目前，世界上先進的LNG運輸船有韓國大宇造船公司建造的Christophe de Margerie號，它是全球唯一一艘SRC7冰級特大型LNG運輸船，用于北冰洋西伯利亞地區(qū)的LNG運輸，該船型在必要的時候可以進行破冰作業(yè)，其滿載LNG運輸量可以達到17.36萬m3。北方海航道上行駛的Christophe de Margerie號LNG運輸船如圖4所示[9]。

圖4 北方海航道上行駛的Christophe de Margerie號LNG運輸船

我國生產(chǎn)過不少LNG運輸船，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的LNG運輸船有中小型的“海洋石油301”號，該船滿載運輸量為3萬m3，液貨艙采用4個C型壓力罐，是目前全球最大的C型LNG運輸船，需要注意的是C型壓力罐式液貨艙并非世界主流LNG運輸船液貨艙技術(shù)。此外，中船旗下的數(shù)艘LNG運輸船也是自主研發(fā)制造的。截止目前，中船旗下的LNG運輸船正在進行第五代LNG運輸船的研制，在其已經(jīng)交付的LNG運輸船中，最先進的是4艘第四代大型LNG運輸船，分別是“大鵬昊”、“大鵬月”、“閩榕”以及“閩鷺”。中國船舶旗下的4艘大型LNG運輸船中運輸量最大的是“大鵬昊”，其滿載運輸量可達14.7萬m3，這一數(shù)據(jù)已經(jīng)接近了世界上最大的LNG運輸船。2022年8月中國第五代大型液化天然氣船首制船點火開工，這標志著由中國自主研發(fā)設(shè)計、代表當今世界大型LNG運輸船領(lǐng)域最高技術(shù)水平的中國第五代“長恒系列”17.4萬m3LNG運輸船由設(shè)計藍圖“駛向”實船建造。這款具有完全知識產(chǎn)權(quán)的“長恒系列”船型已經(jīng)獲得美國船級社、法國船級社、英國勞氏船級社、挪威船級社等四家國際著名船級社頒發(fā)的船型設(shè)計通用認可、入級預先認可等證書，取得了實船建造的通行證[10]?！昂Ｑ笫?01號”LNG運輸船如圖5所示[11]，“大鵬昊”LNG運輸船如圖6所示[12]。

圖5 “海洋石油301號”LNG運輸船

圖6 “大鵬昊”LNG運輸船

2.3 LNG儲罐發(fā)展現(xiàn)狀

自2006年大鵬LNG接收站投產(chǎn)以來，中國LNG儲罐的最長運營時間已經(jīng)超過11年。目前國內(nèi)大型LNG儲罐的數(shù)量已經(jīng)達到40多個。儲罐決定了LNG接收站的接收能力，我國在前些年放緩了LNG接收站的建設(shè)，但是由于最近幾年的天然氣消費量上升速度太快，自產(chǎn)氣增速和進口管道氣的增速滿足不了，所以至2016年開始又加快了LNG接收站的建設(shè)進度，這同時也對LNG儲罐研制提出了更高的要求。

與LNG儲罐研制相對應的是儲罐建造的核心技術(shù)，核心技術(shù)包括全模型建模分析、地震響應分析、隔震研究、支撐結(jié)構(gòu)研究、局部構(gòu)件的校核以及失效性分析。中國已完全具備常規(guī)LNG儲罐的自主設(shè)計能力，當前自主核心技術(shù)主要在常規(guī)單容罐以及常規(guī)全容儲罐，包括雙金屬壁全容罐和混凝土全容罐方面，且集中在數(shù)值模擬計算方面[13]。相關(guān)研究和設(shè)計單位已經(jīng)掌握27萬m3以內(nèi)的全容儲罐核心技術(shù)，正在建設(shè)的江蘇LNG一期擴建、珠海LNG二期項目里11座27萬m3儲罐，為目前世界單罐罐容最大的全容儲罐，同時也是世界上罐容最大的LNG儲罐。該項技術(shù)可用于未來國內(nèi)LNG戰(zhàn)略儲氣庫布局，加速國內(nèi)LNG儲罐國產(chǎn)化進程。在常規(guī)單容罐方面，我國自主設(shè)計的單容罐最大容積為8萬m3，國外最大為16萬m3，全容儲罐其優(yōu)點是安全性高、占地少、完整性和技術(shù)可靠性高，是未來常規(guī)LNG儲罐發(fā)展趨勢[14-15]。建設(shè)中的中海油江蘇LNG站6座27萬m3儲罐如圖7所示，建設(shè)中的中海油珠海LNG站5座27萬m3儲罐如圖8所示。常規(guī)LNG儲罐國內(nèi)外對比如表2所示。

表2 常規(guī)LNG儲罐國內(nèi)外對比

圖7 建設(shè)中的中海油江蘇LNG站6座27萬m3儲罐

圖8 建設(shè)中的中海油珠海LNG站5座27萬m3儲罐

在超大型LNG儲罐的發(fā)展方面，目前沒有超大型儲罐的明確定義，單彤文等業(yè)界專家傾向于將罐容在20萬m3以上的LNG儲罐定義為超大型LNG儲罐。從這個角度來說我國已經(jīng)完全掌握了超大型的儲罐的研制，但是全容罐受制于其形貌、表層截面尺寸、厚度、安裝方式等原因，其罐容不可能無限增大，27萬m3的罐容幾乎已經(jīng)達到了上限。

在新型儲罐方面，目前有自支撐儲罐、海上LNG儲罐等，國外在新型儲罐的研制方面暫時領(lǐng)先于國內(nèi)。Haug等[16]對國外混凝土結(jié)構(gòu)LNG海上接收終端的研究進程進行了論述，對不同形狀的附屬結(jié)構(gòu)以及存儲結(jié)構(gòu)的受力模式及特點進行了分析，總結(jié)了設(shè)計和建設(shè)過程中需要考慮的主要因素；Sullivan等[17]對重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)接收終端和海上接收模塊與陸上接收終端進行了對比，從結(jié)構(gòu)的受力、基礎(chǔ)型式、施工周期、造價和技術(shù)風險等方面進行了分析；國內(nèi)目前已經(jīng)對海上LNG儲罐運輸系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、抗冰系統(tǒng)等方面逐步開展了部分研究。

此外，目前國內(nèi)LNG儲罐部分保冷及儀表系統(tǒng)仍未實現(xiàn)國產(chǎn)化。其中，泡沫玻璃磚、瀝青氈、玻璃棉等保冷材料，可實現(xiàn)國產(chǎn)化，但國內(nèi)供應商較少，在部分項目實際建設(shè)時采用進口或國產(chǎn)的形式。玻璃布、彈性氈、珍珠巖原礦、罐表系統(tǒng)，目前還未實現(xiàn)國產(chǎn)化，國內(nèi)LNG儲罐建設(shè)時仍采用進口形式。

2.4 LNG-FSRU發(fā)展現(xiàn)狀

FSRU浮式液化存儲及再氣化裝置是近些年提出來的一種新型海上LNG裝備，它集LNG接收、存儲、轉(zhuǎn)移運輸、再氣化、外輸?shù)榷喾N功能于一體，相當于將LNG運輸船和LNG接收站結(jié)合，是一種名副其實的海上大型移動LNG站，其可以將LNG運送至目的地后直接將LNG氣化，對接天然氣管線對外進行供氣。

當前世界上已經(jīng)投運的LNG-FSRU分為兩種，一種是基于已有的LNG船進行改造得來，一種是從新設(shè)計建造，其中大部分是重新設(shè)計建造的，在該領(lǐng)域韓國目前處于世界領(lǐng)先地位。世界已經(jīng)投運的近30艘LNG-FSRU里有22艘是韓國建造，我國基于在LNG運輸船以及路基LNG接收站上的研發(fā)積累，在2015年完成了1艘17萬m3的FSRU改裝工作，2017年接到首單小型FSRU的訂單，同年稍晚接到了兩艘17.4萬m3的大型FSRU訂單。目前只有建造17萬m3以上的FSRU才能在國際市場擁有一席之地，其可以永久或者半永久地停泊在LNG卸貨地。截止2022年，我國僅有一艘中海油天津“安海角”號LNG-FSRU，其采用的是Hoegh公司的14.5萬m3的FSRU，于2013年底正式投入運營?！鞍埠＝恰碧朙NG-FSRU如圖9所示[18]。

圖9 “安海角”號LNG-FSRU

相較于傳統(tǒng)LNG運輸船和路基LNG接收站，F(xiàn)SRU的主要技術(shù)難點集中在氣態(tài)外輸相關(guān)設(shè)備，包括再氣化工藝裝置、高壓外輸計量單元以及高完整性壓力保護系統(tǒng)等。目前相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)均未實現(xiàn)國產(chǎn)化。此外鋼材、控制系統(tǒng)、GCU、配電板、殷瓦、膠合板等，低溫材料如高壓低溫閥門、安全閥等基本都是進口；部分常規(guī)設(shè)備和材料如透氣桅、濾器、泵塔、低溫管及管件、低溫小口徑閥門、玻璃鋼管、PVC管、絕熱材料等可以國產(chǎn)，中船集團收購了瓦錫蘭集團低速機業(yè)務成立WinGD，使得FSRU推進系統(tǒng)可以國產(chǎn)，整體自產(chǎn)化率在50%～60%。

2021年我國自主設(shè)計研發(fā)的首座17.4萬m3的LNG-FSRU正式交付給希臘daynagas公司，標志著我國擁有了自主設(shè)計并建設(shè)大型LNG-FSRU的能力。該艘FSRU與中船的第五代LNG運輸船采用同型的液貨艙，存儲管理系統(tǒng)也類似，除了在單位時間內(nèi)再氣化能力(再氣化能力決定了FSRU的工作能力)以及液貨艙的蒸發(fā)率方面與韓國有一點差距，從實際效果來講處于世界先進水平。世界已投產(chǎn)的先進FSRU項目如表3所示。

表3 世界已投產(chǎn)的先進FSRU項目

2.5 LNG產(chǎn)業(yè)儲運裝備未來發(fā)展趨勢與展望

2.5.1 我國FLNG未來發(fā)展趨勢與展望

未來我國的自主FLNG除了要在結(jié)構(gòu)布局以及安全性上樹立高標準，其發(fā)展首先要完全突破并掌握：

1)船體設(shè)計技術(shù)；

2)上部模塊的設(shè)計與建造，包括油氣分離系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、儲藏系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)等；

3)液化工藝以及相關(guān)配套設(shè)備的研制；

4)液艙系統(tǒng)及配套設(shè)備，單點系泊系統(tǒng)以及相關(guān)配套設(shè)備。

完成以上裝備與工藝的技術(shù)突破以后接下來則應當建造適合我國南海環(huán)境的FLNG，最后向體量更大且環(huán)境適應性更強的FLNG進行研發(fā)與突破。FLNG是海洋油氣工業(yè)發(fā)展與科技進步結(jié)合的產(chǎn)物，其誕生為海上氣田開發(fā)提供了全新的解決方案，我們應當著眼于FLNG的廣闊應用前景，大力發(fā)展全自主知識產(chǎn)權(quán)的各型FLNG。

2.5.2 我國LNG運輸船未來發(fā)展趨勢與展望

目前我國的LNG運輸船設(shè)計與建造已經(jīng)處于世界先進水平，但還有不足之處：無論是中船旗下的第四代還是第五代LNG運輸船其液貨艙均采用的是GTT薄膜罐技術(shù)，該技術(shù)收購于法國GTT公司非自主技術(shù)。此前第四代LNG運輸船基于該項技術(shù)將蒸發(fā)率(自然損失率)降低到了0.1%，第五代在此基礎(chǔ)上繼續(xù)降低了15%達到了0.085%，該項數(shù)據(jù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，但是與韓國的0.05%還有一定的差距。所以我們接下來的努力也有了目標，那就是繼續(xù)提高液貨艙的建造工藝水平，進一步降低蒸發(fā)率，相信在未來我國在全球范圍內(nèi)的LNG船市場會越來越廣闊。

2.5.3 我國LNG儲罐未來發(fā)展趨勢與展望

全容罐的建設(shè)我國目前已經(jīng)處于世界一流水平，接下來應當著重發(fā)展其他形式的超大型儲罐以及新型儲罐，不但應在原材料以及相關(guān)控制系統(tǒng)打破進口現(xiàn)狀，還要發(fā)展新型材料，同時在研發(fā)手段上應當多樣化。超大型LNG儲罐研制應當向地下罐、薄膜罐或者二者結(jié)合方向發(fā)展。新型儲罐中自支撐儲罐采用復合結(jié)構(gòu)的內(nèi)罐，對工藝和材料要求較高，但這種復合式內(nèi)罐在承載上限方面遠高于常規(guī)儲罐的壁板式內(nèi)罐，且材料成本較一般的板式內(nèi)罐要低；海上LNG儲罐最大的優(yōu)點集中在不受使用面積的限制，我國目前規(guī)劃了很多新的LNG接收站，全部建成以后LNG接收站的數(shù)量將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上翻一番，往后LNG的選址難度將會大大增加，海上LNG儲罐將會成為海上LNG接收終端的基礎(chǔ)。

2.5.4 我國LNG-FSRU未來發(fā)展趨勢與展望

目前我國已經(jīng)啟動了22萬m3的FSRU研制工作，已經(jīng)交付的17.4萬m3的FSRU和已經(jīng)改裝完成的17萬m3FSRU為我國在此領(lǐng)域的設(shè)計建造以及改裝方面積累了經(jīng)驗。未來FSRU的研發(fā)應著重向著材料領(lǐng)域以及控制系統(tǒng)領(lǐng)域進行研究突破，同時還應當考慮相關(guān)產(chǎn)品缺少船級社證書無法船用，在設(shè)計考慮、安裝方式、試驗條件、應用場景等方面與船用產(chǎn)品不一致等問題。

3 未來發(fā)展建議

現(xiàn)如今我國的LNG產(chǎn)業(yè)儲運裝備研發(fā)已經(jīng)進入了瓶頸期，正處于咬牙攻堅的關(guān)鍵期，基于前述發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢對我國相關(guān)儲運裝備的未來研究與發(fā)展方向提出以下建議：

(1)在研發(fā)時需長遠考慮，未來的相關(guān)裝備應具有系統(tǒng)化、集成化、精細化、模塊化的特點；

(2)應著重向核心部件的材料領(lǐng)域、控制系統(tǒng)領(lǐng)域以及加工工藝領(lǐng)域進行突破；

(3)研制過程中，其配套產(chǎn)品要跟上核心裝備的進程，在設(shè)計考慮、安裝方式、試驗條件、應用場景等方面要切合國際市場以及國內(nèi)市場的實際需求。