LNG儲存技術研究現狀

華 創，張 帆，胡洪兵，高利波，張 杰

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LNG儲存技術研究現狀

華 創，張 帆，胡洪兵，高利波，張 杰

（中國石油大學（北京） 油氣管道輸送安全國家工程實驗室/石油工程教育部重點實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京 102249）

LNG作為一種高效清潔的能源，在能源供應中占有越來越大的比例。因為其易燃、易爆性，且必須在低溫-162 ℃下保存，所以需要克服許多技術難題。在LNG的工業鏈中，儲存和運輸是兩個非常重要的環節。LNG的儲存不僅要保持這種低溫狀態，更是要防止分層，翻滾，老化，泄漏等可能引發的事故。所以LNG儲存設備及相關技術是LNG工業發展的重要因素。對LNG儲存技術的研究現狀進行闡述和總結。

LNG；低溫；儲存技術

液化天然氣（liquefied natural gas）是一種清潔、高效的能源，是無色、無味、無毒且無腐蝕性的液體。其體積約為同量氣態天然氣體積的0.167%，重量僅為同體積水的45%左右。

LNG作為清潔高效能源，受到許多國家的青睞。近年來天然氣在能源供應中的比例迅速增加，液化天然氣正以每年大約12%的增速高速增長，成為全球增長最迅猛的能源行業之一。

在LNG的工業鏈中，其儲存和運輸是兩個重要的環節。我們都知道天然氣是易燃、易爆氣體，LNG是將天然氣經過超低溫常壓液化，臨界溫度為-162℃。LNG的儲存不僅要保持這種低溫狀態，更是要防止分層、翻滾等可能引發的事故。所以LNG儲存設備及相關技術是LNG工業發展的重要因素。

1 LNG儲存技術現狀

1.1 LNG儲罐低溫儲存技術

LNG的特殊性質要求其必須儲存在-162 ℃以下，所以LNG儲罐低溫儲存技術的突破是LNG發展的重中之重。LNG儲罐的發展經歷了從單容罐到雙容罐，再到全容罐和薄膜罐的歷程。LNG儲罐結構復雜，施工難度大，安裝標準高，且由于儲存物必須維持超低溫，更要保證良好的絕熱效果。

因為LNG的儲存溫度的環境溫度可能相差200℃，這么大的溫差下，保溫材料的選擇對保溫效果起著非常關鍵的作用。LNG儲罐的保冷絕熱材料應該滿足導熱系數小、吸水率小、抗凍性強、耐火性好、極低溫度下不開裂、不易霉爛、機械強度高、經久耐用、價格適宜及施工方便等要求。現在常用于LNG儲罐保冷絕熱的材料有：內罐為鎳的質量分數為9%的鎳鋼，外罐為預應力鋼筋混凝土，內外罐之間用膨脹珍珠巖，彈性玻璃纖維或泡沫玻璃磚等。

樊宏偉[1]針對山東液化天然氣工程16萬m3的儲罐罐底保冷技術做了詳細介紹。大型LNG低溫儲罐一般為全容式預應力混凝土雙壁單吊頂儲罐。作者介紹的16萬m3儲罐內罐直徑80 m，外罐內徑82 m，罐體高度51.943 m，容積16萬m3，LNG儲存溫度為-162 ℃。罐體保冷系統分為罐底保冷、罐壁保冷和罐頂保冷，同時罐底保冷又分為三部分構成，包括罐底環形邊緣區保冷、罐底中心區保冷和熱角保護保冷。儲罐的不同部位應該使用不同的保溫材料。經過計算16萬m3儲罐保溫的一個關鍵區域是儲罐底板，整個儲罐建成后日蒸發率為0.047%。底部保溫層應該使用泡沫玻璃磚，除了其較好的保溫性能之外，這種材料具有足夠的機械強度，可以承受罐體負荷。

Reginald B Kogbara[2]等研究了混凝土在低溫下的特性。9％鎳鋼被用于LNG儲罐的主密封，如果可以用混凝土代替鎳鋼作為初級密封，儲罐的成本會顯著降低。文獻[2]研究了低溫凍結對混凝土的工程性質的影響，以及混凝土的微觀結構變化。研究方案是將混凝土立方體在水下固化至少28d，然后從環境溫度（20℃）放置到低溫（-165 ℃）冷凍。在冷凍過程中放置在混凝土中的傳感器發射X射線，計算機通過掃描研究混凝土芯的微觀結構變化。通過研究相關的變化，以生產耐低溫的可以作為LNG初級密封的混凝土。

何立勝[3]對現有的LNG儲存技術進行了總結，認為其可分為兩種。一種是常壓低溫儲存，這種方法的儲存壓力大約為10 kPa。許多大規模的存儲會首先考慮到這種方式，其優點是投資相對較少，缺點就是工藝比較復雜，因為它主要儲存容器是采用常壓拱頂低溫儲罐。另一種是帶壓子母罐儲存，該方式最大的優勢就是工藝相對簡單，缺點就是由于受到子罐制造容積的限制，只適合中小規模，難以滿足大規模的LNG 儲存。LNG帶壓儲存的子罐通常設計壓力為0.8 MPa，儲存壓力大約為0.3 MPa。母罐用于保冷和抗風荷載，內外罐之間用保冷絕熱材料填充。

王剛[4]研究指出LNG儲罐的發展經歷了從單容罐到雙容罐，再到全容罐和薄膜罐的歷程。總體來看這四種罐形各有優缺點，因此在選擇罐形的時候要綜合考慮技術、安全、經濟、占地面積等因素進行合理選擇。目前全容罐的應用最多，因為全容罐的設計壓力和操作壓力相對較高，需要處理的BOG量相應減少，也可以利用自身的壓力進行卸料，降低了操作運營費用。單容罐和雙容罐的最大優勢是建設周期短且投資費用較低。

1.2 LNG儲存安全及預警技術

由于LNG和氣化后的天然氣都有易燃、易爆的性質，所以在儲存過程中不僅要保持低溫的環境，更是要保證儲存的穩定和安全性。先進的預警技術能夠準確檢測罐內的情況，防止發生分層，翻滾，泄漏等惡劣事故。

王文彥[5]闡述了LNG的分層翻滾的形成機理及預防。分層翻滾是因為LNG長時間后會出現分層，然后下邊的溫度升高，上邊的溫度較低，可能出現下邊的LNG突然上升，壓力降低，處于過熱狀態，進而出現劇烈的翻滾，如圖1所示。預防翻滾主要是防止分層，可以采用以下措施：（1）將不同產地的LNG分開儲存；（2）使用混合噴嘴和多孔管，使新充入的LNG和原有的充分混合；（3）控制LNG的含氮量不超過1%；（4）長期儲存的LNG采取定期倒罐防止分層。

圖1 LNG翻滾圖示

Laura A.Pellegrini[6]等研究了LNG儲罐周圍環境與儲罐的傳熱熱流速度，建立可以預測LNG老化程度的模型。液化天然氣是微正壓下儲存，并且管壁高度絕熱，但是由于高溫差不可避免會散失冷量，汽化會始終存在。罐內氣體混合物和液相的密度的變化稱為LNG老化或風化。文獻[6]通過研究獲得一個模型，可以預測隨著時間的變化罐內的老化程度。和其他以前開發的模型不同，該模型不需要汽化率的相關知識和數據，它是從熱流速率來實現的。并且其預測結果與實驗數據類似，可以對儲罐情況進行預測，保證LNG的儲存安全。

Pooya Arjomandnia[7]等根據現有的LNG發生翻滾的有效數據，建立模型預測可能發生翻滾的時間和臨界值。文獻[7]主要是監測LNG分層的組合物或LNG分層的密度來進行計算的。通過分析Bates和Morrison的圖形數據的穩定性，從發生翻滾的LNG對流相分離出的擴散相臨界比率，c大約為3.8左右。然而，與其它報告中的LNG翻轉事件相比，模型預測的翻轉時間過短，因為傳質系數的值較大。該研究的結果是，可以用一個更小的傳質系數來提高準確性，并通過監測多組分體系的穩定比率，可以進一步提高傳質體制的臨界值計算精度。

Juan A.Vilcheza[8]等對液化天然氣泄漏的情況下，其燃燒下限（LFL）的濃度之間的差距，和對應的LNG蒸汽云的可見輪廓下限（VIS）的關系進行了研究。LNG的泄漏分散的安全系數（DSF）被定義為LFL和VIS這兩個長度之間的比率，并提出了估算DSF的兩個表達式。在LNG儲存期間，若出現緊急情況，DSF用來表示點火和爆燃的危險性，并且是一個可靠的參數。

Sangeun Roh[9]等通過求解LNG蒸發的質量、動量和能量守恒方程，結合CFD軟件和FLUENT數值研究。可以對LNG儲罐自然對流狀態下，在液-氣界面蒸發氣體（BOG）氣化速率的熱平衡的預測。作者還研究了儲罐的增壓時，BOG的生成情況。最終數值表明，BOG的生成強烈依賴于儲罐內垂直方向的溫度分布和增壓的具體方式。

Dae Woong Ha[10]等研究了一種新的LNG儲存信息傳感系統。LNG儲罐必須采取措施防止泄漏和外部沖擊產生破壞。這種安全要求是非常高的，所以作者開發了一套新的安全管理系統，是基于一個低頻的無線通信網絡上，可以補充現在有線傳感器系統的缺陷，是通過LNG儲罐的混凝土壁實現的。

M.W.Lukaszewski[11]等通過改善現有的LNG存儲模型，以提高LNG儲存的安全性和經濟化管理。文獻[11]通過反演兩個方法進行比較。第一個對實時逆向的開發優化方法進行了分析。另一種方法是基于非線性參數估算來規劃線性方程，可以突破前一種方法的主要限制。這兩種方法都顯著改善的LNG的儲存模型，提高了預測的可信度，并且對優化LNG儲罐的設計和存儲管理有重要的指導意義。

Nicola Paltrinieri[12]等研究了LNG的儲存安全預警技術。傳統的風險識別過程難以包括新技術和新設備的一些情況，不一定能做出準確的預警。該研究通過創新的技術和液化天然氣再氣化設施，系統地對LNG的儲存狀態有了較高的認知潛力。該技術的目的是從LNG終端的典型事故中學習，然后系統地給出準確的預警。

1.3 LNG海上運輸儲存技術研究

LNG運輸過程必須維持在低溫環境下，由于受到環境狀況、技術條件和運營成本的限制，管道運輸在我國并沒有廣泛使用。相比之下海上運輸運價低廉，單次運量大，但是海上運輸容易發生火災，凍傷和窒息事故，因此LNG海上運輸儲存技術的發展也至關重要。

王建軍[13]等介紹了LNG三種常見的運輸中的儲存技術。管道運輸一般只在接收站內使用，由于保冷絕熱材料不可能不散失冷量，所以LNG接卸站的管道采用循環輸送的方式保持低溫。LNG公路運輸技術要求較低，成本也不算特別高。LNG海上運輸運價低廉，單次運量大，但是海上運輸時，LNG運輸船要嚴格密封，防止泄漏。操作人員也要熟練謹慎操作，在開關液化艙門一定要穿安全服和防護手套。并且要注意通風，并且監測含氧量，必須達到人體自主呼吸要求以上。

Yeelyong Noh[14]等結合動態過程模擬（DPS）和蒙特卡羅模擬（MCS）來確定LNG運輸船上儲罐的設計壓力的新方法。因為儲罐的壓力會隨時間發生變化，DPS被用來預測壓力分布情況。故障的發生具有很強的隨機性，用MCS生成離散事件，來創建一個壽命場景。結合長期的DPS壓力曲線，可以提供基于風險的評估信息，也能確定基于設計壓力的風險驗收標準。

Bin Xie[15]等主要研究了浮動式LNG的一些儲存技術，包括在液化過程中，LNG儲罐晃動的問題和LNG儲罐的選擇和布局。LNG儲罐晃動通過數值模擬和模型試驗，可以得到晃動的情況并進行優化處理。最后，作者對LNG船的儲存運輸風險進行評估，這對海上LNG的安全性是非常重要的。

Michael S[16]介紹了浮動LNG儲存技術的發展。當今世界各地的成功運營很多浮動LNG接收終端，這是需要很多技術支撐的。文獻[16]提到了海上的船到船LNG轉移，液化天然氣泄漏和用氣安全，水冷卻系統逐漸成熟。最關鍵的就是浮式液化儲存技術。海上浮動LNG儲存的發展，會節省天然氣的開發運輸成本，提高LNG的經濟性。

2 總結及展望

液化天然氣作為新型的綠色燃料，符合我國經濟可持續發展和環境保護的要求，近年來發展速度非常快。但是其存儲設備投資成本高，存儲技術復雜，所以需要針對儲存技術進行深入研究。本文介紹了近年來LNG儲存的最新技術，包括儲罐保冷絕熱，建立安全預警模型預測和預防LNG發生分層、翻滾，LNG海上運輸儲存等技術。LNG儲存技術的持續發展，會提高儲存的安全性，降低運營成本。結合LNG高效，清潔，環保的優勢，在未來LNG一定會有更為廣闊的應用前景。

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Research Status of LNG Storage Technology

HUA Chuang，ZHANG Fan，HU Hong-bing，GAO Li-bo，ZHANG Jie

（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety/MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering/Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249，China）

LNG as an efficient and clean energy, plays an increasingly large proportion of the energy supply, Because it is flammable and explosive, and must be stored at low temperature of -162 ℃,it is necessary to overcome many technical problems. In the industrial chain of LNG, storage and transport are two very important links.LNG storage is not only to maintain the low temperature condition, but also to prevent delamination, rolling, aging, leakage and other possible incidents. So LNG storage equipment and related technology are important factors in the development of the LNG industry. In this article, research status of LNG storage technologies was summarized.

LNG; low temperature; storage technology

TE 624

A

1671-0460（2016）06-1267-04

2016-01-22

華創（1992-），男，陜西省咸陽市人，在讀碩士研究生，2014年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業，研究方向：從事石油天然氣儲運方面研究。E-mail：hua.beater@qq.com。