第25卷第6期油氣儲運綜述天然氣儲運技術(shù)張琳李長俊陳寧(西南石油大學(xué))(西南油氣田分公司華陽輸氣管理處)劉銀春蘇欣(西安長慶科技工程有限公司)(西南石油大學(xué))張琳李長俊等:天然氣儲運技術(shù),油氣儲運,2006,25(6)1~4摘要介紹了天然氣的5種儲運方式及其技術(shù)研究現(xiàn)狀,對比分析了這幾種天然氣儲運方式的技術(shù)經(jīng)濟特點,探討了天然氣儲運技術(shù)在實際應(yīng)用中存在的問題重點敘述了天然氣水合物的儲運方式,提出了加強NGH儲運相關(guān)方面基礎(chǔ)研究的建議。主題詞天然氣儲運技術(shù)研究在我國的能源結(jié)構(gòu)中,天然氣約占能源總量的特別是井口壓力高、總體儲量有限氣井的開發(fā)敷設(shè)2%,國外為20%。隨著西氣東輸管道工程的投產(chǎn),管道經(jīng)濟性很差我國天然氣能源結(jié)構(gòu)的比例將進一步提高。天然氣2、LNG儲運資源大都遠離能源消耗區(qū),因而其有效利用率很低。LNG儲運方式是利用低溫技術(shù)將天然氣液化,鑒于此,天然氣的運輸就顯得尤為重要,而運輸方式并以液體形式進行儲運的一種技術(shù),一般采用丙烷的選擇則決定了其供應(yīng)與消費的經(jīng)濟性。預(yù)冷的混合制冷劑液化。LNG液化站一般建在氣源充足的氣井處,以擴大LNG產(chǎn)量,便于回收投天然氣的儲運方式資。LNG采用低溫儲罐槽車經(jīng)公路運輸,到達目的地后,經(jīng)LNG槽車自增壓系統(tǒng)增壓,然后進入LNG儲罐。儲罐中的LNG再經(jīng)自增壓系統(tǒng)壓人氣化器目前天然氣的儲運方式有管道運輸液化天然中氣化,經(jīng)調(diào)壓計量送入城市管網(wǎng)。LNG液化后的氣(LNG)輸送、壓縮天然氣(CNG)儲運、吸附體積遠比氣體小,在運輸方面具有很大的優(yōu)勢。(ANG)儲運和天然氣水合物(NGH)儲運5種LNG運輸是目前天然氣遠洋輸送的主要手段,是提1、管道儲運高海洋、荒漠地區(qū)天然氣開發(fā)利用率的有效方法,同管道輸送方式適用于穩(wěn)定氣源與穩(wěn)定用戶間的時,LNG輸送成本僅為管道輸送的1/6~1/7,并可長期供氣情況是一種成熟的已得到廣泛應(yīng)用的技降低因氣源不足敷設(shè)管道而造成的風(fēng)險。但是術(shù)。目前約占總量75%的天然氣采用管道輸送。LNG工廠規(guī)模龐大,設(shè)備昂貴,凈化、液化工藝復(fù)我國的輸氣管道主要分布在四川盆地、東北地區(qū)和雜,運行費用較高,日產(chǎn)400m3的LNG工廠一次華北地區(qū),管道總長約20000km。隨著天然氣消性投資在1×10元人民幣以上。世界上大多數(shù)費量的增長,天然氣管道總長還將快速增加。管道LNG都是采用船運的方式,LNG船結(jié)構(gòu)復(fù)雜,技術(shù)輸送的缺點是投資大,成本高,每公里約為400萬要求高中國煤化工溫度低LNG一美元,西氣東輸管道工程僅敷設(shè)干線管道就投旦發(fā)生CNMHG此,在生產(chǎn)和儲入了460×105元人民幣對于大量的邊遠零散氣田,運過程中危險性很高。四川省重點學(xué)科建設(shè)資助項目(SZD0416)610500,四川省成都市新都區(qū);電話:(028)67300830油氣儲運2006年3、CNG儲運5、NGH儲運CNG儲運是將天然氣進行高度壓縮至20~25NGH儲運技術(shù)是近幾年國外研究發(fā)展的一項MPa,再用高壓氣瓶組槽車通過公路運輸,或?qū)⑻烊恍录夹g(shù),由于NGH儲量豐富,應(yīng)用前景廣闊,現(xiàn)已氣充入一個管束容器(由高級鋼管制成)中,將容器成為能源前沿科學(xué)的熱點課題。一個單位體積的固裝在運輸船上海運,還可以將管束容器制成鐵路NGH固體中可含有100~300倍體積的天然氣氣運輸槽車的形式通過鐵路運輸,在使用地的減壓站體,以水合物形式來儲運天然氣具有體積小的優(yōu)點(輸配站)將高壓天然氣經(jīng)1~2級減壓(1.6MPa左同時,NGH的儲存壓力比CNG和LNG低,增加了右),然后泵入儲罐,或進一步調(diào)壓進入城市管網(wǎng)。系統(tǒng)的安全性和可靠性。另外,NGH儲運方式不與氣瓶組相比,管束容器雖然略重,但制作工藝較為需要復(fù)雜的設(shè)備(只需一級冷卻裝置),工藝流程簡簡單,相同容積的造價更低,使用安全性及靈活性也化;在水合物狀態(tài)下儲運氣體的裝置不需要承受壓好于高壓氣瓶組。CNG儲運適用于零散用戶及車力,采用普通鋼材制造即可。用燃氣的用氣,技術(shù)難度低,成熟度高,在我國得到(1)NGH的特性了一定程度的應(yīng)用。但由于其儲氣壓力高達20NGH又稱固態(tài)甲烷,由天然氣與水組成,呈固MPa以上,對儲存容器要求高,具有一定的危險性,態(tài),外貌極像冰雪或固體酒精,點火即可燃燒,因此而且能量儲存密度不大,因此,不具有大規(guī)模發(fā)展應(yīng)被稱為“可燃冰”或“固體瓦斯”,是一種重要的潛在用的可能性。能源。它是一種非化學(xué)計量籠形物,為超分子結(jié)4、ANG儲運構(gòu),具有很強的吸附(濃縮)氣體能力。分子量小,成ANG儲運方式克服了CNG儲存壓力過高的分不穩(wěn)定,除了以甲烷氣體為主外,還含有乙、丙、丁缺點。ANG是在儲罐中裝入高比表面的天然氣專烷多種氣體。NGH的結(jié)晶格架主要由水分子構(gòu)用吸附劑,利用其巨大的內(nèi)表面積和豐富的微孔結(jié)成在不同的低溫高壓條件下,水分子結(jié)晶形成不同構(gòu),在一定的儲存壓力(3~4MPa)下使ANG達到類型多面體的籠形結(jié)構(gòu)。NGH的結(jié)構(gòu)類型有I、與CNG相接近的存儲容量,使用時再通過降低儲Ⅱ和H型。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,1m2飽和NGH可釋存壓力,使被吸附的天然氣釋放出來。決定ANG放出約164m3的甲烷氣體方法工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵是開發(fā)一種專用高效吸附劑和(2)NGH儲運技術(shù)改進儲存容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。理想的吸附劑應(yīng)在正常①NGH的制備。NGH的生成需要具備3個情況下吸附和脫附的速率高,當(dāng)壓力下降到常壓時,條件,一是氣體中存在液態(tài)水或過飽和水蒸氣;二是殘留在壁內(nèi)的“余氣”少,有良好的導(dǎo)熱性能使熱量具備足夠高的壓力;三是具備足夠低的溫度。若氣迅速傳出儲罐外,以減弱這一影響,而且單位體積吸體壓力有較大的波動或有晶體存在時,能促進水合附劑的吸附量應(yīng)盡可能大,吸附劑的使用壽命長,能物的生成。當(dāng)高于水合物的臨界形成溫度時,壓力夠再生使用,價格便宜。近年來,國內(nèi)外許多學(xué)者已無論多大也不會形成水合物。挪威科技大學(xué)的對各種不同固體吸附材料(沸石、分子篩、硅膠、炭 Gudmundsson建議在2~6MPa壓力和0~20℃溫黑活性炭等)進行過吸附性能的研究和評價。試驗度下在攪拌容器中生成,當(dāng)反應(yīng)容器中的氣水體系證明,吸附存儲天然氣的有效吸附劑是具有高微孔過冷到理論平衡線以下4~5℃時,就可以形成體積的活性炭。目前,該技術(shù)還存在一些問題,一是NGH。水合物生成工藝流程如圖1所示。NGH的相同儲存容積下的有效儲氣量比CNG或LNG儲生產(chǎn)工藝過程包括將氣井、伴生氣田及常規(guī)油氣存容器低得多;二是天然氣吸附與釋放過程中的熱加工過程中生產(chǎn)的天然氣作為原料提供給水合物制效應(yīng)未得到解決;三是如何解決天然氣的重組分在造廠,天然氣流經(jīng)一系列連續(xù)攪拌反應(yīng)器,與水發(fā)生釋放過程中的滯留問題。ANG降低了儲存壓力,使反中國煤化工H在開始形成時存用安全方便,儲存容器無需隔熱,材質(zhì)選擇余地大,在還需考慮生成速率質(zhì)輕低壓,具有一定的發(fā)展前景。但由于氣體儲存和交CNMH小陽利于NGH生成密度不大、吸附劑壽命有限等,其在工業(yè)方面的應(yīng)用即使用脂肪酸鹽或其它降低表面張力的化學(xué)劑,降范圍受到了限制(2低氣水界面的表面張力,促進氣體的溶解;使水合第25卷第6期張琳等:天然氣儲運技術(shù)物在液液界面形成,而不在氣液界面形成,氣體溶天然氣。但由于運輸能力的有效利用率僅為第一種解在非水溶性載體里進行水合反應(yīng),降低生成壓力工藝方法的一半,因而運送成本明顯增加。三是挪并提高生成效率;使用低濃度的醇類和氯化烴類物威阿克爾工程公司研究的NGH的運輸工藝。該方質(zhì),促進籠型結(jié)構(gòu)的形成和氣體分子的吸附,從而提法是將制成的干水合物與已經(jīng)冷凍到—10℃的原油高水合物的生成效率;投入水合物晶種,作為晶體生充分混合,形成懸浮于原油中的NGH油漿液,然后長的核心,促進水合物晶體的生長;通過紊流擾動提在接近于常壓的條件下泵入絕熱的油輪隔艙或絕熱高混合效率,在連續(xù)過程中形成水合物性能良好、運距較短的輸油管中,輸送到接收終端后,在三相分離器升溫,分離出原油、天然氣和水水化物儲罐制冰反應(yīng)器分離器冷凍據(jù)報道,從油漿液中釋放出來的天然氣約為油漿液船卸載體積的100倍,其經(jīng)濟效果也與英國天然氣公司的水罐15℃工藝方法相近。分高器這3種生產(chǎn)工藝都具有工藝要求不高和操作簡天然氣便的特點,尤其是第三種方法,由于可以通過管道輸送,因此更值得關(guān)注。結(jié)合我國天然氣生產(chǎn)的具體情況,位于近海的分散小型油氣田可以使用上述方圖1水合物生成工藝流程圖法運送伴生氣或天然氣,處于邊遠地區(qū)的分散小型②NGH的儲存。 Gudmundsson發(fā)現(xiàn),在溫度陸上油氣田也可以在對上述方法略作改進的基礎(chǔ)上為0~20℃和壓力為2~6MPa條件下,在攪拌容器加以利用,從而提高對分散的天然氣資源的有效利中形成的天然氣水合物,可被冷凍和儲存在一5℃、用率。10℃和-18℃的冷庫中達10天。他認(rèn)為,可能是④NGH的分解。NGH的分解可以通過改變由于NGH表層水合物分解后形成保護冰層,阻止水合物平衡條件而使天然氣從中釋放出來。通常應(yīng)了進一步的分解,這一點與加拿大的 Davidson和具備的條件是,對特定溫度和組分的氣體,壓力必Handa在1986得出的結(jié)論是一致的。NGH在大須在水合物形成壓力以下;對特定壓力和組分的氣氣壓下保持凍結(jié)時仍然是穩(wěn)定的,也可在高壓和較體,溫度必須提高到水合物形成溫度以上;對特定溫高的氣溫下儲存,而不是在零下溫度和大氣壓下儲度和壓力的水合物,加入電解質(zhì)或醇類物質(zhì),改變水存。例如,NGH可在高壓下制成,然后在壓力為2合物的平衡存在條件,從而使氣體從水合物中解析5MPa的管道中儲存和運輸,或用小型運貨車運出來。NGH的分解一般采用加熱或降壓的方法輸。當(dāng)儲存壓力為大氣壓,儲存溫度約為-15℃時,在技術(shù)上不存在太大的問題。典型的水合物分解工NGH將處于分解成氣體和水的溫度壓力區(qū)域。然藝流程如圖2所示。而,NGH要溶化還需要很多熱能,如果儲存在隔熱船卸載好的罐中,它將不容易分解成氣體、水或冰,這種水合物將保持在亞穩(wěn)態(tài),直到外部加熱分高壓縮③NGH的運輸。目前,NGH有3種運輸方式(,一是英國氣體公司研發(fā)的工藝,先生產(chǎn)干水水合物儲罐合物,然后裝到與LNG運輸船相似的輪船上,到達目的地后,在船上進行再氣化,分離出來的游離水留10℃在船上用作返航時的壓艙水。制作干水合物需要進行3次脫水,生產(chǎn)成本較高,同時,干水合物的裝船作業(yè)也存在一定的技術(shù)難度。二是將經(jīng)過兩次脫水后稠度為1:1的水合物漿泵入雙殼運輸船上的隔THE中國煤化工CNMHG熱密封艙(該艙壓力為1MPa,溫度為2~3℃)。這①陸上天然氣的長距離輸送。將天然氣在井口種水合物漿再氣化時可以得到約為原體積75倍的制成固體水合物通過汽車、火車運輸?shù)诫x用戶較近油氣儲運2006年的地點集中進行氣化處理后,輸送至用戶性和可靠性比較高,但天然氣液化臨界壓力高、臨界②遠洋輸送。挪威科學(xué)家曾做過比較,水合物溫度低、液化成本高、技術(shù)難度大,建設(shè)初期成本巨技術(shù)的經(jīng)濟性要比LNG技術(shù)好,可節(jié)約成本20%大,輸配站受安全因素制約,不能在人口稠密地區(qū)~30%因此,NGH可代替LNG技術(shù)作為遠洋輸設(shè)立。送的主要手段(3)CNG技術(shù)成熟度高,具有靈活性強、投資少③收集石油工業(yè)中的伴生氣。伴生氣在一定條等特點特別適合于用氣量不大、用戶距氣源及輸氣件下與水作用生成水合物,然后進行運輸,或者把水干線較遠的情況。缺點是運行費用較大,不適合遠合物與原油混合在一起以兩相冰形式通過管道進行距離輸送,存在較大的安全隱患運輸。(4)ANG儲運壓力較低,但是吸附劑壽命短,吸④天然氣儲存。將天然氣轉(zhuǎn)變成水合物儲存在附和吸附周期長,擴大吸附劑篩選范圍的技術(shù)難度特定的海底或陸地上,需要時再分解水合物獲得天較大然氣。因此,水合物可以代替地下儲氣庫作為城市(5)NGH儲存密度高,投資運行費用低,安全用氣的一種大規(guī)模儲氣調(diào)峰手段。性高,具有較大的應(yīng)用市場和發(fā)展?jié)摿?但儲運技術(shù)⑤潛在能源。隨著傳統(tǒng)氣體能源的減少,非傳目前還處于研發(fā)階段。按國外研究部門的估計,未統(tǒng)型氣體能源的需求量越來越大,水合物中的天然來5年之后可達到商業(yè)化應(yīng)用的程度。天然氣水合氣將逐漸成為一種重要而清潔的潛在能源。經(jīng)勘物儲運技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用必將帶動相關(guān)工業(yè)的發(fā)測,永久凍土帶和深海沉積層中存在大量的天然氣展,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。我國應(yīng)加強水合物,其中陸地資源量為3.4×1016m3,海洋資源NGH儲運相關(guān)方面的基礎(chǔ)研究,為NGH技術(shù)在我量為7.6×102m3,NGH最大地質(zhì)儲量等于2.84國儲運工業(yè)中的應(yīng)用作好技術(shù)準(zhǔn)備。倍常規(guī)可燃礦物,因此水合物是潛在的巨大能源。NGH儲運技術(shù)的開發(fā)必將促進水合物生成、分解參考文獻動力學(xué)基礎(chǔ)研究的發(fā)展,為水合物的勘探開發(fā)奠定吳洪松:液化天然氣在燃氣工業(yè)中的應(yīng)用煤氣與燃8(5)堅實的理論基礎(chǔ)。蔣洪:吸附天然氣技術(shù)及其應(yīng)用,油氣儲運,2005(4)存在的問題NGH技術(shù)目前還處在試驗研究階段,大規(guī)模3, Sloan E D: Clathrate Hydrate of Natural Gases, Marcel Dekker工業(yè)化應(yīng)用還需要解決一系列的問題,其中主要包Inc., New York, 1998括:研究高效快速的NGH合成工藝;進一步優(yōu)化4, Gudmundsson JS, Parlaktuna M, Khokhar Aa; Storing Natural Gas as Frozen Hydrate, SPE Production Facilities, 1994GH形成和儲備的溫度、壓力條件;經(jīng)濟實用的9(1)NGH礦用合成設(shè)備的研制;現(xiàn)有NGH再氣化工藝5, Dale berner; The Marine Transport of Natural Gas in hydrate的突破等,同時也是NGH儲運工藝研究的主要方form, Proceedings of the Second International Offshore and Po面,而如何進一步確定NGH具體形成條件、優(yōu)化其r Engineering Conference, San Francisco, USA, 1992(6)儲氣量與能耗的關(guān)系以提高NGH儲運技術(shù)的經(jīng)濟6, Gudmundsson J S, Parlaktuna M, Storage of Natural Gas H性也正是這項技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵drate at Refrigerated Conditions, AICHE Spring Natural Meeting, New Orleans, 1992.Gudmundsson F H: Transport of Natural Gas as Frozen Hy二結(jié)論rate, Proceedings of the Fifth International Offshore and PolarEngineering Conference, The Hague, The Netherlands, 1995(1)管道輸送技術(shù)成熟,但受氣源、距離及投資然氣固態(tài)轉(zhuǎn)化運輸持術(shù),石油商報,2002(25)等條件的限制,遠洋輸送不易實現(xiàn),而且輸送壓力中國煤化工種巨大的潛在能源,能源研高,運行、維護費用較高CNMHG(2)LNG輸送方式在大規(guī)模、長距離跨海船運(收稿日期:2005-0630)方面應(yīng)用廣泛,其儲存密度大壓力低、系統(tǒng)的安全編輯:劉春陽