天然氣儲運技術新進展

張 洋 曾 堯

(西華大學 汽車與交通學院 四川 成都 610039)

天然氣儲運技術新進展

張 洋 曾 堯

(西華大學 汽車與交通學院 四川 成都 610039)

天然氣儲運是天然氣推廣使用過程中不可或缺的重要環節，但由于在儲運技術上還存在很多技術難題與挑戰，目前能夠利用的天然氣僅僅不到儲量的25%。因此，對天然氣儲運及相關技術進行研究具有重要意義。論文中指出了天然氣儲運技術對天然氣大規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運方式的基本原理以及適用范圍，重點綜述了這幾種儲運方式存在的主要問題和最新研究進展，最后對每種儲運技術的未來發展方向進行了相關探討。

天然氣；儲運技術；新進展；內涂減阻涂料；25MpaCNG氣瓶；CNG船；LNG罐式集裝箱

前言

能源和環境是世界上各國都在關注的兩大基本問題，在經濟快速發展的我國,能源利用與環境污染之間的問題更加突出,已成為影響我國社會和經濟能否實現可持續發展的關鍵因素。天然氣是一種優質的能源與清潔化工原料，其在保護大氣環境質量、支持國民經濟持續健康發展、改善人民生活水平等方面發揮出了越來越重要的作用。在過去的10年里，中國天然氣消費量呈現出了年均增長13%以上的態勢；即使這樣，天然氣在中國仍有很大發展前景。目前，天然氣在我國一次能源消費中所占的比例僅為5.8%，人均用氣量也只有國際平均水平的三分之一，仍存在很大差距[1]。

由國務院辦公廳印發的《能源發展戰略行動計劃(2014-2020年)》提出了：十三五中國天然氣發展戰略，要求到2020年天然氣在中國一次能源消費中的比重要提高到10%以上。但現實狀況是我國用氣量最為巨大的中心城市和相關工業企業都與氣源相離甚遠，這就需要將商品天然氣安全、穩定、連續不斷地輸送給用戶。

一、天然氣儲運方式

現階段常用的天然氣儲運技術主要有管道儲運(pipenaturalgas,PNG)、液化天然氣(liquefiednaturalgas,LNG)儲運、壓縮天然氣(compressednaturalgas,CNG)儲運這三種。

(一)管道儲運

PNG法作為陸上進行天然氣運輸和貿易的主要方式，是一種成熟的已經得到廣泛應用的技術。現階段世界上約有65%的天然氣采用這種方法輸送。管道儲運所存在的問題在于一次性投入資金數額巨大，配套設施較多不易監控，不適用于邊遠零散氣田等。為了解決這些問題，現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；管道的鋪設現多采用的是國家空間數據基礎設施提供的數據，并通過衛星遙感影像和航空攝影測量獲得最新的地形、地質、水文等直觀環境數據，這不僅提高了測量精度，降低了成本，還大大縮短了管道建設周期，方便了后期的運行管理[2]。

與此同時，管線鋼等級也快速發展，采用大口徑高壓輸氣與高強度管材組合的方式是近幾年新建天然氣管道的發展趨勢，這樣既可以減小管道壁厚，達到節約鋼材的目的，同時也能降低輸氣成本。目前歐洲和北美天然氣管道的設計壓力已普遍在10MPa以上。另外長輸管道的自動化控制技術水平也不斷提高，由計算機和PLC(可編程邏輯控制器)組成的SCADA(數據采集與監視控制)系統以及現代通信技術的應用，有效提高了管道系統的操作智能化，使天然氣長輸管道系統得以科學、高效、安全、穩定地運行，目前基本實現各站場“有人值守、無人操作、遠程控制”的目標[3]。

(二)CNG儲運

CNG儲運的技術原理是將天然氣進行高度壓縮至20～25MPa,再采用高壓氣瓶組槽車通過公路運輸的一種儲運方式。CNG儲運技術面臨儲氣壓力過高，對儲存容器的材質要求較高；瓶體自重較大且制瓶工藝復雜；單個氣瓶體積不大，能量儲存密度不高等諸多問題。

國際上對于壓縮天然氣氣瓶的研究開發速度很快，氣瓶制造在選材上從鋼瓶慢慢向復合材料發展，如使用熱塑性塑料作為氣瓶的內襯，筒體的體殼部分采用玻璃纖維或碳纖維環氧樹脂預浸料干法纏繞成型，瓶兩端的封頭采用不銹鋼或鋁合金材質等都大大降低了氣瓶的重量。氣瓶在質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用，這種氣瓶整體性和封閉性更好，質地更加輕巧，更具有耐腐蝕性和強度[4]；而在體積方面，由中國河北邯鄲開發區生產出的711系列CNG(壓縮天然氣)氣瓶長管拖車于2013年成功下線，該裝備的氣瓶直徑達711毫米，比國內外傳統大容量CNG氣瓶的直徑多出152毫米，穩居單個氣瓶容積世界第一的寶座；該長管拖車總充氣量為6000標方,是全球天然氣運輸領域最大的CNG氣瓶拖車，有效提高了壓縮天然氣的運輸效率。

另外針對當前的LNG成熟海運方式，歐美等國提出了CNG船運方法。CNG船的天然氣存儲容器為保溫的管束容器，對耐壓的要求較高，另外需要增加壓縮和冷卻設備，但費用比LNG液化費用低得多；與LNG船舶對保溫功能要求嚴格相比，CNG船舶只需在運輸過程中控制好天然氣的溫度波動的范圍即可，所以普通的運輸船就可以運輸天然氣[5]。關于CNG船的建造方面，世界上首艘由青島重工設計的現代化CNG運輸船已于去年完工交付，該船長110米，航速14節，整個貨物系統的主體是800多個鋼瓶，工作壓力是25MPa，可裝載2230m3氣體其成功實踐可謂是天然氣海上運輸方式發生改變的重要一步,必將為CNG運輸船這一船型帶來更多新的市場機遇[6]。

(三)LNG儲運

LNG儲運方式是采用低溫技術將氣態的天然氣冷卻到-162℃使其液化,然后以液體形式進行儲運的一種技術。而船運、車運和管道輸送則是LNG運輸采用的三種主要方式。

國際上關于LNG長輸管道的工藝設計標準和方法已經有了相關標準，但是建設LNG長輸管道依然十分困難。原因在于建設LNG長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械性能的材料；同時為了減少LNG運輸時的不斷升溫氣化問題，還需要使用性能良好的絕熱保溫材料；即便如此，長距離管道中間還需要設置LNG冷卻站來鞏固保溫效果[7]。所以目前還沒有采用低溫長輸管道輸送LNG的實例，現有的LNG管道主要用于天然氣液化廠和LNG槽車裝卸設施的附屬配套設備上。

相對而言LNG船運技術則不斷成熟，船運作為液化天然氣運輸的主要方式，輸送了世界上液化天然氣產量的80%以上。而LNG船發展面臨的主要問題是行駛過程中會出現LNG蒸發而產生BOG氣體，導致LNG船的運輸效率降低。對于這個問題，現采用的方法是將運輸過程中產生的BOG氣體收集起來與柴油混合作為運輸船的燃料，而針對停靠時產生的BOG氣體則是通過再液化裝備液化，來以減少資源浪費。

天然氣槽車運輸有公路和鐵路兩種。液化天然氣通過槽車運輸將液化天然氣從LNG接收站、衛星站、液化廠等地快速運送到各個使用點。隨著LNG槽車的廣泛使用，LNG槽車裝車設施也得到了不斷的應用與發展，安全可靠、簡單快速、經濟實用的撬裝系統相繼出現。目前撬裝系統已經從單一的單裝/單卸到裝發展到了可以槽車間直接導車的三用型撬裝系統。三用型撬裝系統可以同時實現裝車、卸車、槽車對接導車等功能，極大的滿足了用戶的需求，也大大的提高了LNG的裝車、卸車、以及槽車導車的效率[8]。

另外，為了實現LNG資源的快速分撥，改善目前依賴LNG接收站轉公路槽車再轉客戶的繁瑣模式。同時也為了打通上下游，使國內中小批量LNG進口貿易市場規模擴大成為可能。中集安瑞科公司推出了全球首創LNG罐式集裝箱“一罐到底”式海陸聯運技術，成功開啟了LNG在公路、鐵路、水運之間無中間環節的國際聯運模式。這種LNG罐式集裝箱在起吊、運輸和堆存時同其他集裝箱相比并無明顯差別，利用現有的集裝箱碼頭就可以實現LNG的接收，不必興建大型接收裝置；海港卸貨后，罐箱將被直接運送至待使用現場，并可以在現場存放數日[9]。隨著多年來LNG技術的不斷成熟與完善以及全球天然氣消耗量的不斷增加，LNG罐式集裝箱技術在未來幾年將有望促進全球LNG物流模式升級。

二、結論

(1)管道輸送是一種成熟的已得到廣泛應用的技術,適合穩定氣源與穩定用戶間的長期供氣情況。其未來發展應繼續向著高壓力、高鋼級、大口徑，以及調度靈活、數字化控制等方向發展。同時提高管道系統的科學性、穩定性和操作的智能化，保障管道安全運行。

(2)CNG技術成熟度高、設備投資少、靈活性強,對于用戶距氣源及輸氣干線較遠且用氣量不大的情況尤為適用。但儲氣壓力較高，存在較大的安全隱患，長遠距離輸送運行費用較大是這種儲運方式的缺點。針對這些缺點我們要研發出更為先進的天然氣加壓運輸設備，增大充裝容量，降低運輸成本；還要加快對CNG船的研究工作，增加CNG船的安全性和單艘船的運輸量，同時為其推廣應用掃除障礙。

(3)LNG輸送方式雖然存在天然氣液化臨界溫度低、技術難度大、液化成本高、建設初期成本巨大、運輸和存放過程中容易產生BOG氣體等不足；但儲存密度大、壓力低、系統安全性和可靠性比較高等優點使其廣泛應用于大規模、長距離、跨海船運方面。長距離LNG低溫管輸仍處于研究階段，但技術在理論上已經比較成熟，我國應自主研發自己的LNG長輸工藝技術、管材生產技術等，促進LNG低溫長輸管道技術的快速發展。另外，LNG罐式集裝箱運輸和小型LNG船運在我國已進入實質發展階段，在技術上應繼續開拓創新，擴大其適用范圍。

[1]周總瑛，張抗，周慶凡.中國能源消費特征與發展戰略分析[J].資源產業，2001，(05)：25-27.

[2]田瑛，焦忠良，杜艷.國外天然氣管道建設現狀、發展趨勢及啟示[J].石油規劃設計，2015,26(6)：5-10.

[3]王保群，林艷紅，焦忠良.我國天然氣管道現狀與發展方向[J].國際石油經濟，2013,8.

[4]白潔，寧秋紅.大型碳纖維復合材料氣瓶在壓縮天然氣儲運領域中的研制與應用進展[J].中國新技術新產品，2015.06.

[5]孫志高.天然氣儲運技術及其應用發展前景[J].油氣儲運，2006,25(10)：17-21.

[6]祁斌.LNG替代者—CNG[N].中國船檢，2014-11(59).

[7]馮若飛，李學新，焦光偉等.液化天然氣長輸管道輸送技術[J].天然氣與石油，2012,30(2)：8-10.

[8]吳興樓.LNG槽車撬裝系統發展與探索[J].化工管理，2015,11.

[9]崔燕.LNG運輸新模式[N].中國船檢，2015-3.

四川省哲學社會科學重點研究項目“四川省LNG汽車應用推廣研究”(項目編號 ：W14203328)

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

西華大學大學生創新創業項目 (項目編號：05030177)