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天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)

文檔作者：張琳李長(zhǎng)俊陳寧劉銀春蘇欣文檔來源：西南石油大學(xué) 西南油氣田分公司華陽輸氣管理處西安長(zhǎng)慶科技工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月04日
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第25 卷第6 期　　　　　　　　　　　　　　　　油　氣　儲(chǔ)　運(yùn)
綜　　述
天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)3
張　琳3 3 　李長(zhǎng)俊
(西南石油大學(xué)) 　　
陳　寧
(西南油氣田分公司華陽輸氣管理處)
劉銀春
(西安長(zhǎng)慶科技工程有限公司) 　　蘇　欣
(西南石油大學(xué)) 　　
張　琳　李長(zhǎng)俊等:天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù),油氣儲(chǔ)運(yùn),2006 ,25 (6) 1～4 。
　　摘　要　介紹了天然氣的5 種儲(chǔ)運(yùn)方式及其技術(shù)研究現(xiàn)狀,對(duì)比分析了這幾種天然氣儲(chǔ)運(yùn)方
式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn),探討了天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題,重點(diǎn)敘述了天然氣水合物的
儲(chǔ)運(yùn)方式,提出了加強(qiáng)N GH 儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)方面基礎(chǔ)研究的建議。
　　主題詞　天然氣　　儲(chǔ)運(yùn)　　技術(shù)　　研究
　　在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中,天然氣約占能源總量的
2 % ,國(guó)外為20 %。隨著西氣東輸管道工程的投產(chǎn),
我國(guó)天然氣能源結(jié)構(gòu)的比例將進(jìn)一步提高。天然氣
資源大都遠(yuǎn)離能源消耗區(qū),因而其有效利用率很低。
鑒于此,天然氣的運(yùn)輸就顯得尤為重要,而運(yùn)輸方式
的選擇則決定了其供應(yīng)與消費(fèi)的經(jīng)濟(jì)性。
一、天然氣的儲(chǔ)運(yùn)方式
　　目前,天然氣的儲(chǔ)運(yùn)方式有管道運(yùn)輸、液化天然
氣(LN G) 輸送、壓縮天然氣( CN G) 儲(chǔ)運(yùn)、吸附
(AN G) 儲(chǔ)運(yùn)和天然氣水合物(N GH) 儲(chǔ)運(yùn)5 種。
1 、　管道儲(chǔ)運(yùn)
管道輸送方式適用于穩(wěn)定氣源與穩(wěn)定用戶間的
長(zhǎng)期供氣情況,是一種成熟的已得到廣泛應(yīng)用的技
術(shù)。目前,約占總量75 %的天然氣采用管道輸送。
我國(guó)的輸氣管道主要分布在四川盆地、東北地區(qū)和
華北地區(qū),管道總長(zhǎng)約20 000 km。隨著天然氣消
費(fèi)量的增長(zhǎng),天然氣管道總長(zhǎng)還將快速增加。管道
輸送的缺點(diǎn)是投資大、成本高,每公里約為400 百萬
美元, 西氣東輸管道工程僅敷設(shè)干線管道就投
入了460 ×108 元人民幣。對(duì)于大量的邊遠(yuǎn)零散氣田,
特別是井口壓力高、總體儲(chǔ)量有限氣井的開發(fā),敷設(shè)
管道經(jīng)濟(jì)性很差。
2 、　LNG儲(chǔ)運(yùn)
LN G儲(chǔ)運(yùn)方式是利用低溫技術(shù)將天然氣液化,
并以液體形式進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)的一種技術(shù),一般采用丙烷
預(yù)冷的混合制冷劑液化。LN G 液化站一般建在氣
源充足的氣井處,以擴(kuò)大LN G 產(chǎn)量,便于回收投
資。LN G采用低溫儲(chǔ)罐槽車經(jīng)公路運(yùn)輸,到達(dá)目的
地后,經(jīng)LN G槽車自增壓系統(tǒng)增壓,然后進(jìn)入LN G
儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐中的LN G再經(jīng)自增壓系統(tǒng)壓入氣化器
中氣化,經(jīng)調(diào)壓計(jì)量送入城市管網(wǎng)。LN G液化后的
體積遠(yuǎn)比氣體小, 在運(yùn)輸方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。
LN G運(yùn)輸是目前天然氣遠(yuǎn)洋輸送的主要手段,是提
高海洋、荒漠地區(qū)天然氣開發(fā)利用率的有效方法,同
時(shí),LN G輸送成本僅為管道輸送的1/ 6～1/ 7 ,并可
降低因氣源不足敷設(shè)管道而造成的風(fēng)險(xiǎn)。但是,
LN G工廠規(guī)模龐大,設(shè)備昂貴,凈化、液化工藝復(fù)
雜,運(yùn)行費(fèi)用較高,日產(chǎn)400 m3 的LN G 工廠一次
性投資在1 ×108 元人民幣以上。世界上大多數(shù)
LN G都是采用船運(yùn)的方式,LN G船結(jié)構(gòu)復(fù)雜,技術(shù)
要求高,耗資巨大。另外,由于儲(chǔ)存溫度低,LN G一
旦發(fā)生泄漏將很快形成爆炸云團(tuán),因此,在生產(chǎn)和儲(chǔ)
運(yùn)過程中危險(xiǎn)性很高〔1〕。
　3 四川省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目(SZD0416) 。
　3 3 610500 ,四川省成都市新都區(qū);電話: (028) 67300830 。
·1 ·
　　3 、　CNG儲(chǔ)運(yùn)
CN G儲(chǔ)運(yùn)是將天然氣進(jìn)行高度壓縮至20～25
MPa ,再用高壓氣瓶組槽車通過公路運(yùn)輸,或?qū)⑻烊?
氣充入一個(gè)管束容器(由高級(jí)鋼管制成) 中,將容器
固裝在運(yùn)輸船上海運(yùn),還可以將管束容器制成鐵路
運(yùn)輸槽車的形式通過鐵路運(yùn)輸,在使用地的減壓站
(輸配站) 將高壓天然氣經(jīng)1～2 級(jí)減壓(1. 6 MPa左
右) ,然后泵入儲(chǔ)罐,或進(jìn)一步調(diào)壓進(jìn)入城市管網(wǎng)。
與氣瓶組相比,管束容器雖然略重,但制作工藝較為
簡(jiǎn)單,相同容積的造價(jià)更低,使用安全性及靈活性也
好于高壓氣瓶組。CN G 儲(chǔ)運(yùn)適用于零散用戶及車
用燃?xì)獾挠脷?技術(shù)難度低,成熟度高,在我國(guó)得到
了一定程度的應(yīng)用。但由于其儲(chǔ)氣壓力高達(dá)20
MPa 以上,對(duì)儲(chǔ)存容器要求高,具有一定的危險(xiǎn)性,
而且能量?jī)?chǔ)存密度不大,因此,不具有大規(guī)模發(fā)展應(yīng)
用的可能性。
4 、　ANG儲(chǔ)運(yùn)
AN G儲(chǔ)運(yùn)方式克服了CN G 儲(chǔ)存壓力過高的
缺點(diǎn)。AN G是在儲(chǔ)罐中裝入高比表面的天然氣專
用吸附劑,利用其巨大的內(nèi)表面積和豐富的微孔結(jié)
構(gòu),在一定的儲(chǔ)存壓力(3～4 MPa) 下使AN G 達(dá)到
與CN G 相接近的存儲(chǔ)容量,使用時(shí)再通過降低儲(chǔ)
存壓力,使被吸附的天然氣釋放出來。決定AN G
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
改進(jìn)儲(chǔ)存容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。理想的吸附劑應(yīng)在正常
情況下吸附和脫附的速率高,當(dāng)壓力下降到常壓時(shí),
殘留在壁內(nèi)的“余氣”少,有良好的導(dǎo)熱性能,使熱量
迅速傳出儲(chǔ)罐外,以減弱這一影響,而且單位體積吸
附劑的吸附量應(yīng)盡可能大,吸附劑的使用壽命長(zhǎng),能
夠再生使用,價(jià)格便宜。近年來,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已
對(duì)各種不同固體吸附材料(沸石、分子篩、硅膠、炭
黑、活性炭等) 進(jìn)行過吸附性能的研究和評(píng)價(jià)。試驗(yàn)
證明,吸附存儲(chǔ)天然氣的有效吸附劑是具有高微孔
體積的活性炭。目前,該技術(shù)還存在一些問題,一是
相同儲(chǔ)存容積下的有效儲(chǔ)氣量比CN G 或LN G 儲(chǔ)
存容器低得多;二是天然氣吸附與釋放過程中的熱
效應(yīng)未得到解決;三是如何解決天然氣的重組分在
釋放過程中的滯留問題。AN G降低了儲(chǔ)存壓力,使
用安全方便,儲(chǔ)存容器無需隔熱,材質(zhì)選擇余地大,
質(zhì)輕,低壓,具有一定的發(fā)展前景。但由于氣體儲(chǔ)存
密度不大、吸附劑壽命有限等,其在工業(yè)方面的應(yīng)用
范圍受到了限制〔2〕。
5 、　NGH儲(chǔ)運(yùn)
N GH 儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是近幾年國(guó)外研究發(fā)展的一項(xiàng)
新技術(shù),由于N GH 儲(chǔ)量豐富,應(yīng)用前景廣闊,現(xiàn)已
成為能源前沿科學(xué)的熱點(diǎn)課題。一個(gè)單位體積的
N GH 固體中可含有100～300 倍體積的天然氣氣
體,以水合物形式來儲(chǔ)運(yùn)天然氣具有體積小的優(yōu)點(diǎn)。
同時(shí),N GH 的儲(chǔ)存壓力比CN G和LN G低,增加了
系統(tǒng)的安全性和可靠性。另外,N GH 儲(chǔ)運(yùn)方式不
需要復(fù)雜的設(shè)備(只需一級(jí)冷卻裝置) ,工藝流程簡(jiǎn)
化;在水合物狀態(tài)下儲(chǔ)運(yùn)氣體的裝置不需要承受壓
力,采用普通鋼材制造即可。
(1) N GH 的特性
N GH 又稱固態(tài)甲烷,由天然氣與水組成,呈固
態(tài),外貌極像冰雪或固體酒精,點(diǎn)火即可燃燒,因此
被稱為“可燃冰”或“固體瓦斯”,是一種重要的潛在
能源〔3〕。它是一種非化學(xué)計(jì)量籠形物,為超分子結(jié)
構(gòu),具有很強(qiáng)的吸附(濃縮) 氣體能力。分子量小,成
分不穩(wěn)定,除了以甲烷氣體為主外,還含有乙、丙、丁
烷多種氣體。N GH 的結(jié)晶格架主要由水分子構(gòu)
成,在不同的低溫高壓條件下,水分子結(jié)晶形成不同
類型多面體的籠形結(jié)構(gòu)。N GH 的結(jié)構(gòu)類型有Ⅰ、
Ⅱ和H 型。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,1 m3 飽和N GH 可釋
放出約164 m3 的甲烷氣體。
(2) N GH 儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)
①N GH 的制備。N GH 的生成需要具備3 個(gè)
條件,一是氣體中存在液態(tài)水或過飽和水蒸氣;二是
具備足夠高的壓力;三是具備足夠低的溫度。若氣
體壓力有較大的波動(dòng)或有晶體存在時(shí),能促進(jìn)水合
物的生成。當(dāng)高于水合物的臨界形成溫度時(shí),壓力
無論多大也不會(huì)形成水合物。挪威科技大學(xué)的
Gudmundsson 建議在2～6 MPa 壓力和0～20 ℃溫
度下在攪拌容器中生成,當(dāng)反應(yīng)容器中的氣水體系
過冷到理論平衡線以下4 ～ 5 ℃時(shí), 就可以形成
N GH。水合物生成工藝流程如圖1 所示。N GH 的
生產(chǎn)工藝過程〔4〕包括將氣井、伴生氣田及常規(guī)油氣
加工過程中生產(chǎn)的天然氣作為原料提供給水合物制
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
反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為水合物。由于N GH 在開始形成時(shí)存
在誘導(dǎo)時(shí)間,并且在工業(yè)應(yīng)用時(shí)還需考慮生成速率
和效率的問題?？刹扇〈胧┮岳贜 GH 生成〔5〕,
即使用脂肪酸鹽或其它降低表面張力的化學(xué)劑,降
低氣2水界面的表面張力,促進(jìn)氣體的溶解;使水合
·2 · 油 　氣 　儲(chǔ) 　運(yùn) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006 年 　
物在液2液界面形成,而不在氣2液界面形成,氣體溶
解在非水溶性載體里進(jìn)行水合反應(yīng),降低生成壓力
并提高生成效率;使用低濃度的醇類和氯化烴類物
質(zhì),促進(jìn)籠型結(jié)構(gòu)的形成和氣體分子的吸附,從而提
高水合物的生成效率;投入水合物晶種,作為晶體生
長(zhǎng)的核心,促進(jìn)水合物晶體的生長(zhǎng);通過紊流擾動(dòng)提
高混合效率,在連續(xù)過程中形成水合物。
圖1 　水合物生成工藝流程圖
　?、贜 GH 的儲(chǔ)存。Gudmundsson 發(fā)現(xiàn),在溫度
為0～20 ℃和壓力為2～6 MPa 條件下,在攪拌容器
中形成的天然氣水合物,可被冷凍和儲(chǔ)存在- 5 ℃、
- 10 ℃和- 18 ℃的冷庫中達(dá)10 天。他認(rèn)為,可能是
由于N GH 表層水合物分解后形成保護(hù)冰層,阻止
了進(jìn)一步的分解〔6〕,這一點(diǎn)與加拿大的Davidson 和
Handa 在1986 得出的結(jié)論是一致的。N GH 在大
氣壓下保持凍結(jié)時(shí)仍然是穩(wěn)定的,也可在高壓和較
高的氣溫下儲(chǔ)存,而不是在零下溫度和大氣壓下儲(chǔ)
存。例如,N GH 可在高壓下制成,然后在壓力為2
～5 MPa 的管道中儲(chǔ)存和運(yùn)輸,或用小型運(yùn)貨車運(yùn)
輸。當(dāng)儲(chǔ)存壓力為大氣壓,儲(chǔ)存溫度約為- 15 ℃時(shí),
N GH 將處于分解成氣體和水的溫度壓力區(qū)域。然
而,N GH 要溶化還需要很多熱能,如果儲(chǔ)存在隔熱
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。
③N GH 的運(yùn)輸。目前,N GH 有3 種運(yùn)輸方
式〔7 ,8〕,一是英國(guó)氣體公司研發(fā)的工藝,先生產(chǎn)干水
合物,然后裝到與LN G運(yùn)輸船相似的輪船上,到達(dá)
目的地后,在船上進(jìn)行再氣化,分離出來的游離水留
在船上用作返航時(shí)的壓艙水。制作干水合物需要進(jìn)
行3 次脫水,生產(chǎn)成本較高,同時(shí),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(yùn)輸船上的隔
熱密封艙(該艙壓力為1 MPa ,溫度為2～3 ℃) 。這
種水合物漿再氣化時(shí)可以得到約為原體積75 倍的
天然氣。但由于運(yùn)輸能力的有效利用率僅為第一種
工藝方法的一半,因而運(yùn)送成本明顯增加。三是挪
威阿克爾工程公司研究的N GH 的運(yùn)輸工藝。該方
法是將制成的干水合物與已經(jīng)冷凍到- 10 ℃的原油
充分混合,形成懸浮于原油中的N GH 油漿液,然后
在接近于常壓的條件下泵入絕熱的油輪隔艙或絕熱
性能良好、運(yùn)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。
據(jù)報(bào)道,從油漿液中釋放出來的天然氣約為油漿液
體積的100 倍,其經(jīng)濟(jì)效果也與英國(guó)天然氣公司的
工藝方法相近。
這3 種生產(chǎn)工藝都具有工藝要求不高和操作簡(jiǎn)
便的特點(diǎn),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(guó)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
法運(yùn)送伴生氣或天然氣,處于邊遠(yuǎn)地區(qū)的分散小型
陸上油氣田也可以在對(duì)上述方法略作改進(jìn)的基礎(chǔ)上
加以利用,從而提高對(duì)分散的天然氣資源的有效利
用率。
④N GH 的分解。N GH 的分解可以通過改變
水合物平衡條件而使天然氣從中釋放出來。通常應(yīng)
具備的條件〔9〕是,對(duì)特定溫度和組分的氣體,壓力必
須在水合物形成壓力以下;對(duì)特定壓力和組分的氣
體,溫度必須提高到水合物形成溫度以上;對(duì)特定溫
度和壓力的水合物,加入電解質(zhì)或醇類物質(zhì),改變水
合物的平衡存在條件,從而使氣體從水合物中解析
出來。N GH 的分解一般采用加熱或降壓的方法,
在技術(shù)上不存在太大的問題。典型的水合物分解工
藝流程如圖2 所示。
圖2 　水合物分解工藝流程
　　(3) N GH 的應(yīng)用前景
①陸上天然氣的長(zhǎng)距離輸送。將天然氣在井口
制成固體水合物,通過汽車、火車運(yùn)輸?shù)诫x用戶較近
第 25 卷第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　張 　琳等:天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù) 　　　　　　 ·3 ·
的地點(diǎn)集中進(jìn)行氣化處理后,輸送至用戶。
②遠(yuǎn)洋輸送。挪威科學(xué)家曾做過比較,水合物
技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性要比LN G 技術(shù)好,可節(jié)約成本20 %
～30 %,因此,N GH 可代替LN G 技術(shù)作為遠(yuǎn)洋輸
送的主要手段。
③收集石油工業(yè)中的伴生氣。伴生氣在一定條
件下與水作用生成水合物,然后進(jìn)行運(yùn)輸,或者把水
合物與原油混合在一起以兩相冰形式通過管道進(jìn)行
運(yùn)輸。
④天然氣儲(chǔ)存。將天然氣轉(zhuǎn)變成水合物儲(chǔ)存在
特定的海底或陸地上,需要時(shí)再分解水合物獲得天
然氣。因此,水合物可以代替地下儲(chǔ)氣庫作為城市
用氣的一種大規(guī)模儲(chǔ)氣調(diào)峰手段。
⑤潛在能源。隨著傳統(tǒng)氣體能源的減少,非傳
統(tǒng)型氣體能源的需求量越來越大,水合物中的天然
氣將逐漸成為一種重要而清潔的潛在能源。經(jīng)勘
測(cè),永久凍土帶和深海沉積層中存在大量的天然氣
水合物,其中陸地資源量為3. 4 ×1016 m3 ,海洋資源
量為7. 6 ×1018 m3 ,N GH 最大地質(zhì)儲(chǔ)量等于2. 84
倍常規(guī)可燃礦物,因此水合物是潛在的巨大能源。
N GH 儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的開發(fā)必將促進(jìn)水合物生成、分解
動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究的發(fā)展,為水合物的勘探開發(fā)奠定
堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
(4) 存在的問題
N GH 技術(shù)目前還處在試驗(yàn)研究階段,大規(guī)模
工業(yè)化應(yīng)用還需要解決一系列的問題,其中主要包
括:研究高效快速的N GH 合成工藝;進(jìn)一步優(yōu)化
N GH 形成和儲(chǔ)備的溫度、壓力條件; 經(jīng)濟(jì)實(shí)用的
N GH 礦用合成設(shè)備的研制;現(xiàn)有N GH 再氣化工藝
的突破等,同時(shí)也是N GH 儲(chǔ)運(yùn)工藝研究的主要方
面,而如何進(jìn)一步確定N GH 具體形成條件、優(yōu)化其
儲(chǔ)氣量與能耗的關(guān)系以提高N GH 儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)
性也正是這項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。
二、結(jié)　論
　　(1) 管道輸送技術(shù)成熟,但受氣源、距離及投資
等條件的限制,遠(yuǎn)洋輸送不易實(shí)現(xiàn),而且輸送壓力
高,運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用較高。
(2) LN G輸送方式在大規(guī)模、長(zhǎng)距離、跨海船運(yùn)
方面應(yīng)用廣泛,其儲(chǔ)存密度大、壓力低、系統(tǒng)的安全
性和可靠性比較高,但天然氣液化臨界壓力高、臨界
溫度低、液化成本高、技術(shù)難度大,建設(shè)初期成本巨
大,輸配站受安全因素制約,不能在人口稠密地區(qū)
設(shè)立。
(3) CN G技術(shù)成熟度高,具有靈活性強(qiáng)、投資少
等特點(diǎn),特別適合于用氣量不大、用戶距氣源及輸氣
干線較遠(yuǎn)的情況。缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用較大,不適合遠(yuǎn)
距離輸送,存在較大的安全隱患。
(4) AN G儲(chǔ)運(yùn)壓力較低,但是吸附劑壽命短,吸
附和吸附周期長(zhǎng),擴(kuò)大吸附劑篩選范圍的技術(shù)難度
較大。
(5) N GH 儲(chǔ)存密度高,投資運(yùn)行費(fèi)用低,安全
性高,具有較大的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展?jié)摿?但儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)
目前還處于研發(fā)階段。按國(guó)外研究部門的估計(jì),未
來5 年之后可達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用的程度。天然氣水合
物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用必將帶動(dòng)相關(guān)工業(yè)的發(fā)
展,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)
N GH 儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)方面的基礎(chǔ)研究,為N GH 技術(shù)在我
國(guó)儲(chǔ)運(yùn)工業(yè)中的應(yīng)用作好技術(shù)準(zhǔn)備。
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(收稿日期:2005206230)
編輯:劉春陽
·4 · 油 　氣 　儲(chǔ) 　運(yùn) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006 年

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