液化天然氣儲存及應用技術的研究

陳 燕

（中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院，北京 100083）

天然氣在冷卻至零下160℃后，會從氣態轉化為液態，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，還會產生凍傷危險，對儲存、運輸和應用都提出了較為嚴格的要求。目前，液化天然氣已經在多個領域得到了廣泛應用，如城市燃氣、汽車燃料等。相關數據顯示，我國2018年國內液化天然氣市場總供應量超過1500萬t，近年來呈現出逐年上升趨勢。按照國家能源局發布的《能源發展“十三五”規劃》，未來幾年我國將繼續大力支持天然氣等清潔能源的發展，掌握液化天然氣儲存及應用技術既有其必要性，又有其緊迫性[1]。

1 液化天然氣的制取

1.1 天然氣預處理

在進行天然氣液化處理之前，必須先進行預處理，其目的是除去天然氣中含有的雜質，如硫化氫、重烴等。通過對天然氣的預處理，一來可以保證液化天然氣的清潔，二來可以防止低溫環境下雜質凍結堵塞管道，影響液化天然氣的儲運。天然氣預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，天然氣中水的預處理指標應當在0.1×10-8m3/m3以下，被認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，還可以使用聯合吸收法、直接轉化法等方法。

1.2 天然氣液化

天然氣在零下162℃的環境下會發生液化，現階段常用的天然氣液化裝置有兩種，其中國內應用較廣的是調峰型液化天然氣裝置，以“年”為單位，根據用氣峰值變化進行適應性調節，可以滿足液化天然氣的使用需求。相比于基本負荷型天然氣液化裝置，調峰型裝置的優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備主要有壓縮機、換熱器、液化天然氣泵等幾種。科學選擇設備的型式、參數等，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。根據海關總署最新統計數據，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，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，我國東部地區由于人口密集、產業集聚，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濟性較好的運輸方式，根據罐車結構的不同，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，由于鋪設技術、管材質量等方面因素的限制，運輸成本高，而且經常會出現泄漏問題。近年來，隨著鋪設技術的不斷發展和新材料的投入使用，管道鋪設成本顯著降低，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，需要沿管道布置加壓站和冷卻站等設施，因為一旦液化天然氣過熱，就會出現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，管道內天然氣的溫度在臨界冷凝溫度之下，避免摩擦導致天然氣溫度升高而氣化，確保管道運輸的安全。

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，也就避免了地理環境等因素的影響。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、經濟效益和環保效益。

3 液化天然氣接收站的工藝系統

液化天然氣接收站的工藝系統的流程，主要包括液化天然氣的卸船流程、液化天然氣的儲存系統、液化天然氣再氣化/外輸系統。首先，卸船系統采用的是雙母管式設計，當其中一個出現故障時，另一個可以繼續工作。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量，可以適當提高儲罐內的壓力[3]。

4 液化天然氣接收站的主要設備

液化天然氣接收站的主要設備包括卸科臂、液化天然氣儲罐、液化天然氣輸送泵、液化天然氣氣化器、蒸發氣壓縮機和再冷凝器等。為了提升安全性能，卸料臂中旋轉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構。液化天然氣卸料臂的材質主要為不銹鋼和鋁合金兩種材質。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構，一般為雙壁圓柱形，所有的開口均應設置在儲罐的頂部，避免接口外泄漏。此外，在液化天然氣接收時，還應該避免液體分層和儲罐漏過熱引起的翻滾現象。

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

5.2 高壓儲存技術

相比于常壓低溫存儲技術，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，會自動發生液化現象。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、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，高壓環境下也對儲罐質量、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注。

6 液化天然氣的應用

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

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℃的低溫環境下將其液化，并通過壓縮等方式將其儲存在特殊材質的罐中。根據能量守恒定律，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中重新釋放出來。這一過程中產生的能量即為“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。直接利用包括發電、海水淡化等。間接利用包括低溫破碎、水、污染物等。隨著經濟的快速發展，液化天然氣的冷能利用取得了一些成果。

6.2 液化天然氣汽車利用

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70年代就出現了天然氣汽車，經過幾十年的發展，無論是在技術方面還是推廣方面，都取得了良好的成績。截至2018年底，國內天然氣汽車保有量已經超過700萬輛。使用液化天然氣代替以往的柴油、汽油，其優點主要有：一是經濟性好。就目前的前沿技術來看，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，燃燒過程中不會產生二氧化硫等污染氣體、苯等有毒致癌氣體。

7 結論

液化天然氣作為一種清潔、高效的綠色能源，迎合了我國關于綠色發展的相關理念，近年來得到了大力的推廣和廣泛的應用。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，人們必須嚴格遵循行業相關準則，嚴格進行技術管理，將安全問題擺在首位。隨著液化天然氣儲運技術的不斷發展，未來液化天然氣將在更多領域得到推廣和使用。