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天然氣儲運技術(shù)

文檔作者：張琳李長俊陳寧劉銀春蘇欣文檔來源：西南石油大學西南油氣田分公司華陽輸氣管理處西安長慶科技工程有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月04日
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第25 卷第6 期　　　　　　　　　　　　　　　　油　氣　儲　運
綜　　述
天然氣儲運技術(shù)3
張　琳3 3 　李長俊
(西南石油大學) 　　
陳　寧
(西南油氣田分公司華陽輸氣管理處)
劉銀春
(西安長慶科技工程有限公司) 　　蘇　欣
(西南石油大學) 　　
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N GH 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
2 % ,國外為20 %。隨著西氣東輸管道工程的投產(chǎn),
我國天然氣能源結(jié)構(gòu)的比例將進一步提高。天然氣
資源大都遠離能源消耗區(qū),因而其有效利用率很低。
鑒于此,天然氣的運輸就顯得尤為重要,而運輸方式
的選擇則決定了其供應(yīng)與消費的經(jīng)濟性。
一、天然氣的儲運方式
　　目前,天然氣的儲運方式有管道運輸、液化天然
氣(LN G) 輸送、壓縮天然氣( CN G) 儲運、吸附
(AN G) 儲運和天然氣水合物(N GH) 儲運5 種。
1 、　管道儲運
管道輸送方式適用于穩(wěn)定氣源與穩(wěn)定用戶間的
長期供氣情況,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),管道總長約20 000 km。隨著天然氣消
費量的增長,天然氣管道總長還將快速增加。管道
輸送的缺點是投資大、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。對于大量的邊遠零散氣田,
特別是井口壓力高、總體儲量有限氣井的開發(fā),敷設(shè)
管道經(jīng)濟性很差。
2 、　LNG儲運
LN G儲運方式是利用低溫技術(shù)將天然氣液化,
并以液體形式進行儲運的一種技術(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,以擴大LN G 產(chǎn)量,便于回收投
資。LN G采用低溫儲罐槽車經(jīng)公路運輸,到達目的
地后,經(jīng)LN G槽車自增壓系統(tǒng)增壓,然后進入LN G
儲罐。儲罐中的LN G再經(jīng)自增壓系統(tǒng)壓入氣化器
中氣化,經(jīng)調(diào)壓計量送入城市管網(wǎng)。LN G液化后的
體積遠比氣體小, 在運輸方面具有很大的優(yōu)勢。
LN G運輸是目前天然氣遠洋輸送的主要手段,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,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)管道而造成的風險。但是,
LN G工廠規(guī)模龐大,設(shè)備昂貴,凈化、液化工藝復
雜,運行費用較高,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都是采用船運的方式,LN G船結(jié)構(gòu)復雜,技術(shù)
要求高,耗資巨大。另外,由于儲存溫度低,LN G一
旦發(fā)生泄漏將很快形成爆炸云團,因此,在生產(chǎn)和儲
運過程中危險性很高〔1〕。
　3 四川省重點學科建設(shè)資助項目(SZD0416) 。
　3 3 610500 ,四川省成都市新都區(qū);電話: (028) 67300830 。
·1 ·
　　3 、　CNG儲運
CN G儲運是將天然氣進行高度壓縮至20～25
MPa ,再用高壓氣瓶組槽車通過公路運輸,或?qū)⑻烊?
氣充入一個管束容器(由高級鋼管制成) 中,將容器
固裝在運輸船上海運,還可以將管束容器制成鐵路
運輸槽車的形式通過鐵路運輸,在使用地的減壓站
(輸配站) 將高壓天然氣經(jīng)1～2 級減壓(1. 6 MPa左
右) ,然后泵入儲罐,或進一步調(diào)壓進入城市管網(wǎng)。
與氣瓶組相比,管束容器雖然略重,但制作工藝較為
簡單,相同容積的造價更低,使用安全性及靈活性也
好于高壓氣瓶組。CN G 儲運適用于零散用戶及車
用燃氣的用氣,技術(shù)難度低,成熟度高,在我國得到
了一定程度的應(yīng)用。但由于其儲氣壓力高達20
MPa 以上,對儲存容器要求高,具有一定的危險性,
而且能量儲存密度不大,因此,不具有大規(guī)模發(fā)展應(yīng)
用的可能性。
4 、　ANG儲運
AN G儲運方式克服了CN G 儲存壓力過高的
缺點。AN G是在儲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),在一定的儲存壓力(3～4 MPa) 下使AN G 達到
與CN G 相接近的存儲容量,使用時再通過降低儲
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
改進儲存容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。理想的吸附劑應(yīng)在正常
情況下吸附和脫附的速率高,當壓力下降到常壓時,
殘留在壁內(nèi)的“余氣”少,有良好的導熱性能,使熱量
迅速傳出儲罐外,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,能
夠再生使用,價格便宜。近年來,國內(nèi)外許多學者已
對各種不同固體吸附材料(沸石、分子篩、硅膠、炭
黑、活性炭等) 進行過吸附性能的研究和評價。試驗
證明,吸附存儲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
相同儲存容積下的有效儲氣量比CN G 或LN G 儲
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降低了儲存壓力,使
用安全方便,儲存容器無需隔熱,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儲運
N GH 儲運技術(shù)是近幾年國外研究發(fā)展的一項
新技術(shù),由于N GH 儲量豐富,應(yīng)用前景廣闊,現(xiàn)已
成為能源前沿科學的熱點課題。一個單位體積的
N GH 固體中可含有100～300 倍體積的天然氣氣
體,以水合物形式來儲運天然氣具有體積小的優(yōu)點。
同時,N GH 的儲存壓力比CN G和LN G低,增加了
系統(tǒng)的安全性和可靠性。另外,N GH 儲運方式不
需要復雜的設(shè)備(只需一級冷卻裝置) ,工藝流程簡
化;在水合物狀態(tài)下儲運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〕。它是一種非化學計量籠形物,為超分子結(jié)
構(gòu),具有很強的吸附(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。在標準大氣壓下,1 m3 飽和N GH 可釋
放出約164 m3 的甲烷氣體。
(2) N GH 儲運技術(shù)
①N GH 的制備。N GH 的生成需要具備3 個
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或有晶體存在時,能促進水合
物的生成。當高于水合物的臨界形成溫度時,壓力
無論多大也不會形成水合物。挪威科技大學的
Gudmundsson 建議在2～6 MPa 壓力和0～20 ℃溫
度下在攪拌容器中生成,當反應(yīng)容器中的氣水體系
過冷到理論平衡線以下4 ～ 5 ℃時, 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 在開始形成時存
在誘導時間,并且在工業(yè)應(yīng)用時還需考慮生成速率
和效率的問題。可采取措施以利于N GH 生成〔5〕,
即使用脂肪酸鹽或其它降低表面張力的化學劑,降
低氣2水界面的表面張力,促進氣體的溶解;使水合
·2 · 油 　氣 　儲 　運 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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
長的核心,促進水合物晶體的生長;通過紊流擾動提
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
　　②N GH 的儲存。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,可被冷凍和儲存在- 5 ℃、
- 10 ℃和- 18 ℃的冷庫中達10 天。他認為,可能是
由于N GH 表層水合物分解后形成保護冰層,阻止
了進一步的分解〔6〕,這一點與加拿大的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)時仍然是穩(wěn)定的,也可在高壓和較
高的氣溫下儲存,而不是在零下溫度和大氣壓下儲
存。例如,N GH 可在高壓下制成,然后在壓力為2
～5 MPa 的管道中儲存和運輸,或用小型運貨車運
輸。當儲存壓力為大氣壓,儲存溫度約為- 15 ℃時,
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 的運輸。目前,N GH 有3 種運輸方
式〔7 ,8〕,一是英國氣體公司研發(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
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
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可以得到約為原體積75 倍的
天然氣。但由于運輸能力的有效利用率僅為第一種
工藝方法的一半,因而運送成本明顯增加。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)濟效果也與英國天然氣公司的
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
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
法運送伴生氣或天然氣,處于邊遠地區(qū)的分散小型
陸上油氣田也可以在對上述方法略作改進的基礎(chǔ)上
加以利用,從而提高對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、火車運輸?shù)诫x用戶較近
第 25 卷第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　張 　琳等:天然氣儲運技術(shù) 　　　　　　 ·3 ·
的地點集中進行氣化處理后,輸送至用戶。
②遠洋輸送。挪威科學家曾做過比較,水合物
技術(shù)的經(jīng)濟性要比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,然后進行運輸,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行
運輸。
④天然氣儲存。將天然氣轉(zhuǎn)變成水合物儲存在
特定的海底或陸地上,需要時再分解水合物獲得天
然氣。因此,水合物可以代替地下儲氣庫作為城市
用氣的一種大規(guī)模儲氣調(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,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 儲運技術(shù)的開發(fā)必將促進水合物生成、分解
動力學基礎(chǔ)研究的發(fā)展,為水合物的勘探開發(fā)奠定
堅實的理論基礎(chǔ)。
(4) 存在的問題
N GH 技術(shù)目前還處在試驗研究階段,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;進一步優(yōu)化
N GH 形成和儲備的溫度、壓力條件; 經(jīng)濟實用的
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,同時也是N GH 儲運工藝研究的主要方
面,而如何進一步確定N GH 具體形成條件、優(yōu)化其
儲氣量與能耗的關(guān)系以提高N GH 儲運技術(shù)的經(jīng)濟
性也正是這項技術(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,遠洋輸送不易實現(xiàn),而且輸送壓力
高,運行、維護費用較高。
(2) LN G輸送方式在大規(guī)模、長距離、跨海船運
方面應(yīng)用廣泛,其儲存密度大、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、投資少
等特點,特別適合于用氣量不大、用戶距氣源及輸氣
干線較遠的情況。缺點是運行費用較大,不適合遠
距離輸送,存在較大的安全隱患。
(4) AN G儲運壓力較低,但是吸附劑壽命短,吸
附和吸附周期長,擴大吸附劑篩選范圍的技術(shù)難度
較大。
(5) N GH 儲存密度高,投資運行費用低,安全
性高,具有較大的應(yīng)用市場和發(fā)展?jié)摿?但儲運技術(shù)
目前還處于研發(fā)階段。按國外研究部門的估計,未
來5 年之后可達到商業(yè)化應(yīng)用的程度。天然氣水合
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)
展,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。我國應(yīng)加強
N GH 儲運相關(guān)方面的基礎(chǔ)研究,為N GH 技術(shù)在我
國儲運工業(yè)中的應(yīng)用作好技術(shù)準備。
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(收稿日期:2005206230)
編輯:劉春陽
·4 · 油 　氣 　儲 　運 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006 年

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