液化天然气储存及应用技术梳理

　　天然气在冷却至零下160℃后，会从气态转化为液态，压缩体积有助于其存储和运输。但是，液化天然气也具有较高的危险性，除了易燃易爆外，还会产生冻伤危险，对储存、运输和应用都提出了较为严格的要求。目前，液化天然气已经在多个领域得到了广泛应用，如城市燃气、汽车燃料等。相关数据显示，我国2018年国内液化天然气市场总供应量超过1500万t，近年来呈现出逐年上升趋势。按照国家能源局发布的《能源发展“十三五”规划》，未来几年我国将继续大力支持天然气等清洁能源的发展，掌握液化天然气储存及应用技术既有其必要性，又有其紧迫性。

　　1、天然气的制取

　　1.1天然气预处理

　　在进行天然气液化处理之前，必须先进行预处理，其目的是除去天然气中含有的杂质，如硫化氢、重烃等。通过对天然气的预处理，一来可以保证液化天然气的清洁，二来可以防止低温环境下杂质冻结堵塞管道，影响液化天然气的储运。天然气预处理的常用方法有两种，分别是脱水处理和脱酸性气体处理。通常来说，天然气中水的预处理指标应当在0.1×10-8m3/m3以下，被认为是符合液化处理基本要求。人们可以选择冷却法、液体洗手法、膜分离法等方法进行天然气脱水。以膜分离法为例，其基本原理就是使用高分子气体分离膜，在一定压力下过滤掉天然气中的酸性成分，如水气、二氧化碳、硫化氢等。天然气脱酸处理是降低管道腐蚀和保证能源清洁的一种有效方法，除了膜分离法可以满足脱酸要求外，还可以使用联合吸收法、直接转化法等方法。

　　1.2 天然气液化

　　天然气在零下162℃的环境下会发生液化，现阶段常用的天然气液化装置有两种，其中国内应用较广的是调峰型液化天然气装置，以“年”为单位，根据用气峰值变化进行适应性调节，可以满足液化天然气的使用需求。相比于基本负荷型天然气液化装置，调峰型装置的优点在于大幅度提高了天然气液化能力，而且该装置对安装环境要求不高，可以就近安装在人口密集、用气量大的城市附近，更好地发挥液化天然气的使用便利性，无形中也降低了使用成本。天然气液化所用的设备主要有压缩机、换热器、液化天然气泵等几种。科学选择设备的型式、参数等，对于提高天然气液化效率也有一定的帮助。

　　2液化天然气的运输

　　无论是从国内范围还是国际上来看，天然气能源虽然总体储量丰富，但是分布极不均匀。根据海关总署最新统计数据，我国2018年天然气进口超9000万t，成为世界第一大天然气进口国。在国内，天然气资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，我国东部地区由于人口密集、产业集聚，对天然气资源需求量较大。为了解决这一矛盾，就需要通过多种渠道进行天然气运输。为了提高运输效率、降低运输成本，需要先将天然气液化，目前液化天然气的运输方式主要有以下几种。

　　2.1罐车运输

　　对于短距离的液化天然气运输，使用罐车是一种比较灵活且经济性较好的运输方式，根据罐车结构的不同，又可分为半挂式和集装箱式两种。使用罐车运输液化天然气时，一方面是要保证储罐的密封性，需要通过无损检测等方式，对储罐可能存在的问题进行及时、有效的处理，以防止液化天然气泄露，保障运输人员安全；另一方面，还要定期观察罐车上反映储罐状态的一些仪表器具，如液面计、温度计、压力计等，这也是保障运输安全的一种有效方法。液化天然气的罐车运输、装车和卸车都会使用增压器，必须由专人在专门的地方完成。

　　2.2管道运输

　　综合考虑运输成本和安全性等因素，一般来说，在陆上运输距离大于2500km后，就可以考虑使用管道运输。早期的液化天然气管道运输，由于铺设技术、管材质量等方面因素的限制，运输成本高，而且经常会出现泄漏问题。近年来，随着铺设技术的不断发展和新材料的投入使用，管道铺设成本显著降低，为液化天然气的管道运输也提供了便利。

　　在液化天然气管道的运输过程中，由于输送的是液体，为确保液化天然气在运输中保持良好状态，需要沿管道布置加压站和冷却站等设施，因为一旦液化天然气过热，就会出现管道气化而形成两相流动，造成增大输送阻力等不良后果，这不仅不利于提高输送管道的容量，也不能有效保证管道运输安全。因此，在液化天然气管道输送过程中，应防止气化以保证天然气为单相流动。在密相输送液化天然气管道的过程中，除设置加压站和冷却站外，同时控制管道工作压力在临界冷凝压力之上，管道内天然气的温度在临界冷凝温度之下，避免摩擦导致天然气温度升高而气化，确保管道运输的安全。

　　2.3船舶运输

　　跨洋的液化天然气运输，需要考虑使用船舶作为主要工具。尤其是对于进口天然气，使用船舶也是一种成本较低且灵活性较强的运输方式。相比于管道运输，船舶运输不需要投入大量成本进行运输管道的建设，也就避免了地理环境等因素的影响。但是，船舶运输液化天然气，也存在一定的局限性，例如，船舶本身行进速度较慢，加上需要沿固定的线路行进，可能会在路途中耽误较多时间。此外，船舶运输由于液化天然气的容量较大，对安全性问题有着更高的要求。海洋运输中要投入专项力量加强安全保护，以维护安全效益、经济效益和环保效益。

　　3液化天然气接收站的工艺系统

　　液化天然气接收站的工艺系统的流程，主要包括液化天然气的卸船流程、液化天然气的储存系统、液化天然气再气化/外输系统。首先，卸船系统采用的是双母管式设计，当其中一个出现故障时，另一个可以继续工作。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气对卸料臂进行预冷，然后将卸船量提升到正常输量，并且需要在卸船时用管线上的取样器分析液化天然气的密度和热值。为最大限度减少卸船时的蒸发量，可以适当提高储罐内的压力。

　　4液化天然气接收站的主要设备

　　液化天然气接收站的主要设备包括卸科臂、液化天然气储罐、液化天然气输送泵、液化天然气气化器、蒸发气压缩机和再冷凝器等。为了提升安全性能，卸料臂中旋转接头在低温下必须要有良好的密封性能，通常采用双层密封结构。液化天然气卸料臂的材质主要为不锈钢和铝合金两种材质。液化天然气的储罐属于常压大型储罐类型，通常有地下式和地上式两种类型结构，一般为双壁圆柱形，所有的开口均应设置在储罐的顶部，避免接口外泄漏。此外，在液化天然气接收时，还应该避免液体分层和储罐漏过热引起的翻滚现象。

　　5液化天然气的主要存储方式

　　5.1常压低温存储

　　常压低温存储使用常压拱顶低温储罐，从结构上来看，通常是平底拱盖的立式双层壁结构，该结构既可以减少热量消散，有利于常压环境下的温度恒定，同时又能够增加存储容量。在存储容器安装时，应确保安装现场的地面平整，并且使用水泥砌筑平台，或是垫上平直钢板，以保证储罐的稳定性。此外，结合以往的经验可知，在常压低温储存环境下，储罐使用一段时间后容易出现底部变形的问题，分析原因主要是举升力的作用导致内槽变形。为了防止内槽凹陷、变形导致罐内锈蚀等问题，还需要向储罐中适当充入氮气，以保证其压力平衡。

　　5.2高压储存技术

　　相比于常压低温存储技术，高压存储的特点是工艺相对简单，只需要在一定压力下将天然气压入储罐中即可。在高压作用下，天然气分子体积减小，会自动发生液化现象。此外，高压存储液化天然气，还可以提高储存罐的隔热性能，避免天然气的蒸发、泄露。但是，高压存储也有一定的缺陷，例如，考虑到容器的使用安全性，一般将高压储存罐的容量设计得相对较小，加上为了保证隔热性能，罐壁相对较厚，因此单罐存储的液化天然气容量有限。此外，高压环境下也对储罐质量、性能、使用寿命等提出了较高要求，安全性问题也需要重点关注。

　　6液化天然气的应用

　　作为传统化石燃料（煤、石油）的一种完美替代品，天然气储量丰富，并且在实际应用中具有产物清洁、燃烧完全等特点，除了已经作为生活燃气进入千家万户外，液化天然气还有许多其他方面的应用。

　　6.1液化天然气冷能利用

　　为了方便天然气的储运，需要在-162℃的低温环境下将其液化，并通过压缩等方式将其储存在特殊材质的罐中。根据能量守恒定律，在压缩、液化过程中消耗的巨大能量，会在液化天然气的气化状态中重新释放出来。这一过程中产生的能量即为“冷能”。

　　其中，液化天然气的冷能主要是依靠液化天然气和周围环境之间的温度和压力差。通过液化天然气变化，达到与外界平衡，最后达到回收储存的能量目的。液化天然气的冷能分为直接利用和间接利用两种情况。

　　直接利用包括发电、海水淡化等。间接利用包括低温破碎、水、污染物等。随着经济的快速发展，液化天然气的冷能利用取得了一些成果。

　　6.2液化天然气汽车利用

　　天然气汽车是以天然气代替汽油作为动力能源，我国早在20世纪70年代就出现了天然气汽车，经过几十年的发展，无论是在技术方面还是推广方面，都取得了良好的成绩。截至2018年底，国内天然气汽车保有量已经超过700万辆。使用液化天然气代替以往的柴油、汽油，其优点主要有：一是经济性好。就目前的前沿技术来看，很多厂家推出的天然气汽车，折合行驶成本仅为0.2元/km，而使用汽油的成本则在0.8元/km左右。二是天然气燃烧充分，积碳较少，燃烧过程中不会产生二氧化硫等污染气体、苯等有毒致癌气体。

　　7结论

　　液化天然气作为一种清洁、高效的绿色能源，迎合了我国关于绿色发展的相关理念，近年来得到了大力的推广和广泛的应用。液化天然气使用过程中，需要通过储存、运输解决资源地域分布不均的问题，以满足不同地区的用气需求。在进行天然气液化、储存、运输和装卸等工作时，人们必须严格遵循行业相关准则，严格进行技术管理，将安全问题摆在首位。随着液化天然气储运技术的不断发展，未来液化天然气将在更多领域得到推广和使用。（文/陈燕　中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，转载自《中国资源综合利用》）