液化天然气的运输方式及其特点

油气储运液化天然气的输方式及其特点徐孝轩·陈维平余金怀(中国石油大学(北京))(中石化清江石油化工有限责任公司)徐孝轩陈维平等:液化天然气的运输方式及其特点,油气储运,2006,25(3)6~11摘要从液化天然气产业供应链的角度讨论了液化天然气的管道输送、公路罐车运输和海上液化天然气船舶运输的技术特点,首次提出了液化天然气管道密相输送工艺技术及其经济可行性。分析了液化天然气公路运输链中液化、储存、运输、再气化等环节的关键技术,以及国内外海上液化天然气运输链各个环节的技术特点。针对中国液化天然气工业的发展现状,指出中国液化天然气工业发展的前提是建立完善的能源政策。随着广东、福建等东部沿海地区液化天然气项目的逐步发展,中国液化天然气工业发展前景广阔主题词液化天然气运输方式液化天然气占全球天然气消费量的6%,占国际天全球液化天然气贸易现状然气贸易量的26%。预计到2007年,液化天然气在天然气市场的份额将上升到9.5‰液化天然气在运输、储存及调峰方面具有独特目前,印度尼西亚是全球最大的液化天然气出的优越性,近年来,世界液化天然气工业发展迅猛,口国,占世界液化天然气出口总量的26%,日本则液化天然气已成为世界上贸易量增长最快的一次能是世界最大的液化天然气进口国,其液化天然气进源。据BP公司2002年的统计数据,世界液化天然口量超过720×10°m2/a,占世界液化天然气进口气总贸易量已从1964年的8×10t上升到2001年总量的53%。中东和非洲的液化天然气出口份的10.359×108t,年均增长率高达22%。过去额也在不断增长,亚洲则是液化天然气主要进口地10年间,全球液化天然气贸易量增长了80%。区(见表1)随着我国能源战略的调整,东南沿海液2002年全球共销售液化天然气1.24×10°t,全球化天然气项目的不断建设,我国液化天然气工业将液化天然气的市场规模为250×108美元。2002年得到较快的发展23, Tronconi E t Prediction of slug frequency in horizontal two博士论文,2000phase slug flow, ALChEJ, 1990(36)29,刘磊周芳德:油气水三相流中的复杂相态及压力降的研24, Aziz K et al: Intermittent two phase flow in horizontal pipes究,工程热物理学报,2001,22(6)predictive models, Can, J. Chem. Eng, 1978(56)30, Bonizzi M, Issa R I: On the simulation of three- phase slug25, Taitel Y, Barnea D and Brill J P, Stratified three phase flow inflow in nearly horizontal pipes using the multi-fluid modelpipes, Int. J, Multiphase flow, 1995(21)Int. J, Multiphase flow, 2003(26).26,张西民郭烈锦等:水平圆管内油气水三相摩擦阻力的模型与32, Odori U A: Three-phase gas/ liquid/ liquid slug flow,PhD结构关系式,西安交通大学学报,1999,33(1)中国煤化工27,张西民郭烈锦等:水平圆管内油气水三相流摩擦阻力模型与结构关系式,西安交通大学学报,1999,33(3)CNMHG稿日期:20050413)28,章龙江:油气水三相管流流型及水力计算方法研究,石油大学编辑:刘春阳102249,北京市昌平区中国石油大学(北京)石油天然气工程学院油气储运工程系多相流实验室;电话:(010)89733557第25卷第3期徐孝轩等:液化天然气的运输方式及其特点表1进口液化天然气国家和地区的需求量预测需要建设液化天然气加压泵站和冷却站。各进口国家和地区对液化天然气的需求量2进入管道的是饱和液化天然气液体,由于管道时间(104t)沿线温度的影响,液化天然气易受热,其中一部分会日本韩国中国台湾被气化,使管道内形成两相流动,这不仅增大了沿线1995年43002000阻力,而且还会产生气体段塞流动现象,严重影响管2000年道的输送能力和安全运行。因此,对于低温液体输2005年59001800送管道,特别是长距离管道,要防止液体气化,就必2010年640024001200须实现液体单相流动。而防止液化天然气气化的方法需要采用密相输送工艺,即将管道的操作压力控液化天然气产业链是一个资金庞大技术密集制在临界冷凝压力之上,管道内流体温度控制在临的完整链系,包括上游天然气的开采、液化、储存、运界冷凝温度之下,使得管道运行工况位于液相密相输和装卸、液化天然气再气化、销售等环节,产业链区(见图2)。中任何一个环节的断裂都将导致其他主要环节的连锁反应(见图1)。液相密相区天然气开采用户天然气气化临界点临界冷凝压力(陆上/海上天然气液化天然气气液两相区临界冷凝温度预处理/液化罐车运输储存液七天然气液化天然气液化天然气储存液化天然气装卸管道运输温度液化天然气图2典型的天然气相包线图图1液化天然气产业链原理流程此外,为降低因流动摩擦和过泵剪切引起的液液化天然气运输是液化天然气产业链中重要的化天然气温度升高,长距离液化天然气输送管道除环,是连接上下游之间的纽带。以下着重对管道、建设加压站之外,还需要每隔一定距离设冷却站,并罐车和船舶3种运输液化天然气方式的特点及其存且使加压站和冷却站建在一起,即所谓的冷泵站,以在的技术难点进行了系统分析,旨在为我国液化天使于施工和管理。随着低温材料和设备技术的发展,液化天然气长距离管道输送在技术上是可行的。然气产业的发展提供借鉴。2、管输液化天然气经济分析二、液化天然气的管道输送液化天然气的体积是其气态时体积的1/600,与输气管道比较,输送相同体积的天然气,液化天然气输送管径要小得多,可以节约钢材投资。此外,液管输液化天然气多用于城市调峰装置和油轮装化天然气泵站的费用要低于输气压缩机站的费用,卸设施,由于管道低温输送技术存在一定的困难,目液化天然气泵站能耗要比压气站低若干倍。然而,前尚无采用低温管道长距离输送液化天然气的实液化天然气输送管道要求在密相区运行,温度较低例。为此,必须加快研发并提高液化天然气管道运必须采用性能良好的低温隔热材料,价格昂贵,同输技术的步伐,以适应当前液化天然气工业迅猛发时中国煤化工站。这些因素会使得展的迫切需求。液亻1、液化天然气密相输送工艺CNMHG资费用较高。限看能何m啊,天然气占世界总能液化天然气作为液体产品进行长距离管道输源的比例越来越大,天然气地区性贸易量也正逐年送,其输送技术与原油加热输送工艺类似,管道沿线加大。液化天然气长距离管道的建设问题也越来越油气储运2006年受到重视。显然,输量的增加将有助于降低低温管我国液化天然气管道输送现状道的投资费用和单位输量的运行管理费用,从而使天然气管道建设将是中国管道建设的热点得长距离管道输送液化天然气在经济上成为可能。继西气东输管道之后,中国将启动“俄气南送”工程,3、管输液化天然气技术难点为了解决上海、广州等大型城市用气的季节性不均(1)管材的选择如果要实现管道在低温“密相衡性问题,还将在城市附近建立大型的低温储气库区”工况下运行,管道材质十分关键。管材必须选用此外,为了改善我国东南沿海地区经济增长迅速而性能良好的低温隔热材料,同时还应该考虑到管材缺乏能源的状况,经国家批准,广东珠江三角洲地区的冷脆问题,因此液化天然气管材一般选用9%和将首先引进国外液化天然气资源,作为液化天然气3.5%的镍钢。此外,管道焊接一般釆用惰性气体项目的试点,该管道由一条主干线及两条支线组成保护焊,并需要进行焊缝检测。为了减少输送压降全长327km,主干线由深圳至广东,预计2005年完损失,管道内涂层技术仍需要开展研究工。液化天然气管道的建设将有力地拉动相关产业(2)低温输送工艺在管道输送液化天然气前,的发展,保证城市天然气市场的快速增长。需要将管道温度从环境温度冷却到工作温度,即所目前,国内液化天然气管道输送技术尚处于起谓的管道预冷过程。在预冷过程中,为使管道保冷步阶段,国外也无成熟的实践经验,因此需要加强对层和周围土壤降温,需要蒸发掉一定量的液化天然液化天然气管道输送技术,特别是在管材、低温输送气,且经过相当长的时间才能达到热稳定工况工艺、低温管道施工、自动控制和检测技术及设备方液化天然气管道停输期间,由于周围环境热量面的研究工作。的作用,管内液化天然气温度升高而达到饱和状态,甚至进一步气化而使管内压力急剧升高,因此要在进出站处设置安全阀,与放空罐相连,以将管道压力三、液化天然气的公路运输控制在安全极限内。此外,液化天然气管道的在线检测和自动控制等方面还需要进一步研究。液化天然气公路运输供应链(3)冷能再利用将天然气液化(冷冻到采用液化天然气形式供应天然气的过程称为液162℃)需要大量的能量,该能量通常被称作化天然气供应链。公路液化天然气供应链主要包括液化天然气冷能。目前广东省正在建设第一个天然气液化液化天然气储存和运输液化天然气再300×10‘t/a的液化天然气接收终端,并已经开始建气化等环节。液化天然气再气化的目的是将液化天造6座天然气发电厂,现有的燃油电厂将变为燃气然气重新转化为气态,以便终端用户使用,再气化过电厂。液化天然气冷能在电厂中的利用系统见程在专用蒸发器中进行图3。经长输管道输入的液化天然气必须经过再气(1)天然气液化厂(站)根据液化的目的,天然化后才能被用户使用。由于液化天然气有可观的冷气液化厂(站)通常分为基本负荷型和调峰型两种能储备,回收利用这部分冷能可以有效提高能量的基本负荷型液化厂的任务是将天然气以液态形式运利用率。因此,在液化天然气长输管道项目的规划输到消费地,其特点是全年连续运行且产量比较均建设中应进行综合考虑。衡。目前,中原、吉林、长庆、江苏、浦东、深圳等地已天然气建成或在建天然气液化站。这些天然气液化站均包括天然气预处理、液化、储存等几个主要部分。调峰型液化厂的任务是为天然气供气系统提供一种储气调峰方式。对于一些城市,由于民用气冬用多,夏用冷却水燃烧透平中国煤化工液化天然气厂的技术液化天然气燕发冷却水循环泵CNMHG障等,都会造成定期液化天然液化天器和低温回收或不疋妫气T恻,而建攻调峰型液化厂就能气储罐然气泵起到削峰填谷的作用。在经济上,调峰型液化厂比图3液化天然气冷能在电厂中的利用系统地面高压储气罐和地下储气库建设更节省土地、资第25卷第3期徐孝轩等:液化天然气的运输方式及其特点金,而且方便、灵活,不受地质条件限制。据统计,美京等处在建设,处于起步阶段。此外,山东的潍坊国、日本、欧洲已建成投产10Q多座液化天然气调峰青岛、烟台、济南以及江苏、浙江、广东、西安等地也型液化厂。在筹建中,今后几年,我国的液化天然气市场将逐渐(2)液化天然气储存储存液化天然气通常采扩大。用低温常压方式,储存温度在-161℃以下,压力2、液化天然气储存技术般不超过0.03MPa液化天然气储罐属低温常压(1)绝热技术液化天然气在运输过程中一般大型储罐,分为地上金属罐、地上金属/混凝土罐、地采用无损储存,容器由内胆、外壳、绝热层和支承构下罐3类,大型液化天然气储罐的日蒸发率一般在件组成。漏热量是影响其性能的主要因素,因此低0.04%~0.1%之间。储罐内壁与液化天然气直接温储罐绝热结构的设计是非常关键的技术,直接决接触,一般为含镍9%的低合金钢,也可为全铝、不定了容器的性能。锈钢薄膜或预应力混凝土,外壁为碳钢或预应力混储罐多以真空粉末绝热为主,但在液化天然气凝土。液化天然气储罐有单容(封闭)罐、双容(封罐车中已开始使用高真空多层绝热,其绝热空间仅闭)罐以及全容(封闭)罐3种类型,此外,球形储罐有30~35mm,比真空粉末绝热小10倍左右,而且也是液化天然气有效的储存方式。据统计,6座储绝热效果好。低温液体半挂车是目前国产容积最大量为1MPa的1000m3天然气球罐比1座储量相当的液化天然气半挂车,容积为40m2,其日蒸发率低0.5MPa的100m3液化天然气储罐的投资高出于0.3%,已达到国外同类产品水平,是多层绝热技80倍以上。术在国内大型液化天然气罐车上的首次应用(3)液化天然气运输及其费用低温液化天然(2)安全技术在液化天然气储运中,其安全气罐车是公路运输的主要设备。目前,我国已成功性非常重要,应从储罐的布局、蒸气压的控制、储罐研制了液化天然气低温运输设备。液化天然气储罐及管路的惰化与钝化、分层的消除、储罐与罐车的预有立式和卧式两种结构,主要釆用堆积绝热和真空冷等环节上进行控制,并在流程与结构的设计中粉末绝热两种绝热方式,储罐容积分别为30m3、完善100m3、150m3和700m3(组合)不等。目前,液化(3)流程设计因液化天然气是一种易燃易爆天然气罐车有30m3、40m3和45m3等几种规的低温液体,工艺流程中除了设置有充液、排液、压格。国外液化天然气罐车容积约为90m3力液面检测等功能之外,还应当配备紧急截止阀、安液化天然气罐车运输费用一般包括天然气全阀、放空阀、阻火器等设备罐车成本折旧、驾驶员工资、燃料费用等,通常按3、我国液化天然气罐车运输现状照单位里程费用进行估计。美国加州能源委员会报我国天然气资源往往远离能源消费市场,资源告中指出,容积为90m3液化天然气罐车的单程不能得到有效利用。输气管道的投资较大,适用于运输费用为1.50~3.0美元,与具有稳定用户源的有稳定气源和稳定用户间的长期供气。而以液化天长距离罐车输送相比,短途或者零星液化天然然气地面机动运输代替地下远距离管道输送,可以气罐车运费有所增加。按照这一运费进行估算,节省管道风险性建设投资,有效利用远海、荒漠地区罐车运送90m3液化天然气322km的运费为的天然气资源。按目前液化天然气产量,用40m32.50美元/km(有效容积为36m3)的半挂罐车运输需70辆左右(4)液化天然气供气站供气站是液化天然气(按每车每天一次计)。2002年,中原油田液化天然应用点的供应站,非常适合于用气量大,又缺乏天然气产量增加到2500m3/d,需要增加同类型罐车气源的地区。例如,山东淄博因陶瓷工业等要消耗70辆左右大量的燃料,建设了液化天然气供应站,第一期有化王然缸应田开发时间较晚,从整100m3储罐14台,第二期要扩大。上海浦东的东海个国中国煤化工济性来看,还与国际液化天然气调峰站的液化天然气储量为2×10m3。上存CNMHG各种类型储存容器另外,山东潍坊还要建800m3的供气站。目前国内及其配套仪器仪表的研发,加强对液化天然气应用的液化天然气供气站只有山东淄博、上海、深圳、北终端的开发研究。10·油气储运运输和接收终端(再气化)3个环节,由于这3个环四液化天然气的海上运输节密切相连,相互影响,相互协同建设,同步投产,所以将其称为液化天然气海上运输链。1、液化天然气海上运输的发展1)液化天然气运输船随着液化天然气市20世纪50年代初随着天然气液化技术的发场需求的进一步扩大,液化天然气船舶运输能力展,欧美开始研究液化天然气的海上运输技术迅速扩大。根据 LNG Shipping Solutions)的统1959年,用杂货船改装的“甲烷先锋号”从美国路易计,世界上正在运营的液化天然气运输船共有151斯安那州的查尔斯湖向英国 Canvey岛运送了艘,其中15艘船的运输能力低于5×104m3,16艘5000m3的液化天然气,这是世界上的第一次液化船的运输能力在5×10~12×10m3之间,120艘天然气海上运输。到2000年,世界上共有25条液船的运输能力超过12×10m3。此外,在建的液化天化天然气运输航线,其中输量超过300×10t/a的然气运输船共有55艘,除其中46艘船的运输能力航线有13条,其总输量达到8000X10t/a,占世界超过138×10m3外,有些正建船的运输能力已超液化天然气运量的82%以上(。过了25×10m3,但这一运输能力已经与现有的液随着液化天然气海上运输技术的不断成熟,世化天然气终端不相匹配了。新建船只将使世界液界液化天然气的贸易量占世界天然气贸易量的比例化天然气的运输能力增加4%,液化天然气输量从呈逐年上升的趋势,1970年为6.5%,1980年为2003年10月的1740×10′m2增加到2006年的15.9%,1990年为23.4%,1998年为25.3%2510×10m2。2002年世界液化天然气贸易增长率为0.1%,达到目前,世界上共有8家造船厂建造液化天然气1369×105m3,占国际天然气总贸易量的26%占全运输船,其中3家在日本,3家在韩国,两家在欧洲。球天然气消费总量的5.7%。印度、中国和波兰正在计划提高液化天然气运输船2、液化天然气海上运输特点的造船能力。(1)高风险液化天然气的运输成本占液化天现今,薄膜型船舶正在成为液化天然气船舶发然气价格的10%~30%,原油的运输成本只占展的主要方向。10%。原因之一是液化天然气罐船需要低温绝热材(2)世界液化天然气接收终端液化天然气接料,建造费用昂贵。目前,运输能力为13.8×104m3收终端接收用船从基本负荷型天然气液化工厂运来的液化天然气运输船造价为1.5×108~1.6×105美的液化天然气,将其储存和再气化后分配给用户。元,比同样输送当量的油船造价高出4~5倍。另接收终端的再气化能力很大,储罐容量也很大。主外,由于此类船舶的用途单一,经营上又缺乏灵活要由专用码头、卸货装置、液化天然气输送管道、液性,使液化天然气船舶的投资风险比其他种类船舶化天然气储罐、再气化装置及送气设备、气体计量和更大,一般在进行投资之前都要求掌握长期运输合压力控制站、蒸发气体回收装置、控制及安全保护系同(一般在20年以上)。统、维修保养系统等组成2)运输稳定世界液化天然气运输大多为定对于液化天然气进口国,需要建设液化天然气向造船,包船运输,航线和港口比较固定,并要求较接收站,进行接收、储存和再气化液化天然气,再为准确的班期,非计划性停泊较少,运费收入比较稳通过管网将计量后的液化天然气输至用户。目前定,一旦进入市场运费收入比较稳定,来自外界的竞世界上已经建成和包括在建的液化天然气接收争相对较小站有40多个,液化天然气接收站的技术已相当(3)竞争有序由于世界液化天然气运输的即成熟(见表2)。期市场没有出现,因此其运费主要取决于气源地的Ha中国煤化工终端天然气价格、运输距离以及船舶的营运成本等方面达,但缺乏能源。为般不会出现市场竞争无序的情况。mm子盾,政府已决定在3、液化天然气海上运输链东南沿海地区适量引进液化天然气,在广州和福建液化天然气海上运输链包括液化厂(站)海上分别建设液化天然气设施(见表3)。第25卷第3期徐孝轩等:液化天然气的运输方式及其特点11表2液化天然气接收终端统计结果气化能力储备能力五结束语国家接收终端(m3/d)日本62900012946000随着国际石油价格的不断攀升,我国出现了成韩国品油供应紧张的局面,这对我国能源战略的调整和中国台湾690000改革提出了挑战。液化天然气作为一种清洁能源,法国有着广泛的市场前景。日本是世界上液化天然气进西班牙口大国,其过去几十年经济的飞速发展主要得益于460000意大利液化天然气工业采取了“稳油兴气”的战略方案,即在保证石油稳定供应的同时,加速液化天然气工业比利时261000(发电、化工)。它的发展经验可以为我国液化天然土耳其16000255000气工业发展提供借鉴。在我国的能源结构中,天然希腊12000130000气的比重平均仅有2.6%左右,远远低于世界的平美国440000均水平波多黎各2300160000随着我国东南沿海液化天然气项目建设的展开,必将对改善我国的能源消费结构、促进经济发展表3中国液化天然气基础设施的前最规划起到积极作用。国家应从不同方面(包括需求与供建设规模储存能力码头装卸量应、燃气定价和税收政策等)进行政策改革,同时需项目(10t/a)(104t/a)(10t/a)要在中央政府设置一个能源管理机构以协调各方利益。珠江三角洲一期300珠江三角洲二期闽东南一期000张祁吕连浮:世界液化天然气的发展及对我国的启示,国际长江三角洲一期石油经济,2004(12)2,任继善:液化天然气(LNG)前景广阔,中国石化,2003(4)广东液化天然气接收终端及相关配套项目建设3,梁光川郑云萍等:液化天然气(LNG)长距离管道输送技术分两期进行。一期工程设置两座13.5×10m3的天然气与石油,2003,21(2)储罐,二期再增加一座约10×10′m3的储罐。接收4,王育明:液化天然气的储存和气化工艺及其冷能利用,石油规划站配备高压开架式海水气化器,并设高压浸没燃烧设计,2004,15(3)式气化器作调峰和备用。一期液化天然气气化能徐烈李兆慈等,我国液化天然气(LNG)的陆地储存与运力为1200m2/h;二期液化天然气气化能力为输,天然气工业,2002,22(3)6, Californian Energy Commission: Californian LNG transporta2000m3/h。同时,中国海洋石油总公司将与其合tion fuel supply and demand assessment, Consultant report,作伙伴在福建湄洲湾共同兴建中国第二个液化天然气接收终端。两个液化天然气终端项目的启动,有,李兆慈徐烈等:液化天然气槽车贮槽绝热结构设计,天然气助于发展我国的天然气市场和清洁燃料的可靠工业,2004,24(2)。8,张勇:液化天然气(LNG)的海上运输,水运工程,2004。供应。9, David Roe: LNG Trade A Review of Markets, Projects and中国台湾地区从1990年开始从印度尼西亚进Issues in the Changing World of LNG, SMI Publishing Co.口天然气,2000年中国台湾自印度尼西亚和马来西London, 2001亚进口的液化天然气为59×108m3。中国台湾的10,业发展综述,2000,20(3)液化天然气接收终端位于 Yungan,气化能力为中国煤化工冬端,石油与天然气化工,2800×10′m3/d,共有6座储罐,其中3座储罐的CNMHG单罐容量为10×10m3/d,另3座储罐的单罐容量(收稿日期:200503-23)为13×104m23/d编辑:刘春阳