天然气储运技术

第25卷第6期油气储运1综述七c和天然气储运技术张琳∵李长俊陈宁西南石油大学)(西南油气田分公司华阳输气管理处)刘银春苏欣(西安长庆科技工程有限公司)(西南石油大学张琳李长俊等:天然气储运技术,油气储运,2006,25(6)1~4摘要介绍了天然气的5种储运方式及其技术研究现状,对比分析了这几种天然气储运方式的技术经济特点,探讨了天然气储运技术在实际应用中存在的问题,重点叙述了天然气水合物的储运方式,提出了加强NGH储运相关方面基础研究的建议。主题词天然气储运技术研究在我国的能源结构中,天然气约占能源总量的特别是井口压力高、总体储量有限气井的开发敷设2%国外为20%。随着西气东输管道工程的投产,管道经济性很差我国天然气能源结构的比例将进一步提高。天然气2、LNG储运资源大都远离能源消耗区,因而其有效利用率很低。LNG储运方式是利用低温技术将天然气液化鉴于此,天然气的运输就显得尤为重要,而运输方式并以液体形式进行储运的一种技术,一般采用丙烷的选择则决定了其供应与消费的经济性。预冷的混合制冷剂液化。LNG液化站一般建在气源充足的气井处,以扩大LNG产量,便于回收投天然气的储运方式资。LNG采用低温储罐槽车经公路运输,到达目的地后,经LNG槽车自增压系统增压,然后进入LNG储罐。储罐中的LNG再经自增压系统压入气化器目前天然气的储运方式有管道运输液化天然中气化,经调压计量送入城市管网。LNG液化后的气(LNG)输送、压缩天然气(CNG)储运、吸附体积远比气体小,在运输方面具有很大的优势(ANG)储运和天然气水合物(NGH)储运5种。LNG运输是目前天然气远洋输送的主要手段,是提1、管道储运高海洋、荒漠地区天然气开发利用率的有效方法,同管道输送方式适用于稳定气源与稳定用户间的时,LNG输送成本仅为管道输送的1/6~1/7,并可长期供气情况,是一种成熟的已得到广泛应用的技降低因气源不足敷设管道而造成的风险。但是,术。目前约占总量75%的天然气采用管道输送。LNG工厂规模庞大,设备昂贵,净化、液化工艺复我国的输气管道主要分布在四川盆地、东北地区和杂,运行费用较高,日产400m3的LNG工厂一次华北地区,管道总长约20000km。随着天然气消性投资在1×10元人民币以上。世界上大多数费量的增长,天然气管道总长还将快速增加。管道LNG都是采用船运的方式,LNG船结构复杂,技术输送的缺点是投资大成本高每公里约为400百万要求高耗资巨大。另外,由于储存温度低,LNG一美元,西气东输管道工程仅敷设干线管道就投旦发生泄漏将很快形成爆炸云团因此,在生产和储入了460×10元人民币对于大量的边远零散气田,运过程中危险性很高。四川省重点学科建设资助项目(SZD0416)。610500,四川省成都市新都区;电话:(028)67300830。油气储运2006年3、CNG储运5、NGH储运CNG储运是将天然气进行高度压缩至20~25NGH储运技术是近几年国外研究发展的一项MPa,再用高压气瓶组槽车通过公路运输或将天然新技术,由于NGH储量丰富,应用前景广阔,现已气充入一个管束容器(由高级钢管制成)中,将容器成为能源前沿科学的热点课题。一个单位体积的固装在运输船上海运,还可以将管束容器制成铁路NGH固体中可含有100~300倍体积的天然气气运输槽车的形式通过铁路运输,在使用地的减压站体,以水合物形式来储运天然气具有体积小的优点(输配站)将高压天然气经1~2级减压(1.6MPa左同时,NGH的储存压力比CNG和LNG低,增加了右),然后泵入储罐,或进一步调压进入城市管网。系统的安全性和可靠性。另外,NGH储运方式不与气瓶组相比,管束容器虽然略重,但制作工艺较为需要复杂的设备(只需一级冷却装置),工艺流程简简单,相同容积的造价更低,使用安全性及灵活性也化;在水合物状态下储运气体的装置不需要承受压好于高压气瓶组。CNG储运适用于零散用户及车力,采用普通钢材制造即可用燃气的用气,技术难度低,成熟度高,在我国得到(1)NGH的特性了一定程度的应用。但由于其储气压力高达20NGH又称固态甲烷,由天然气与水组成,呈固MPa以上,对储存容器要求高,具有一定的危险性,态,外貌极像冰雪或固体酒精,点火即可燃烧因此而且能量储存密度不大,因此,不具有大规模发展应被称为“可燃冰”或“固体瓦斯”,是一种重要的潜在用的可能性能源。它是一种非化学计量笼形物,为超分子结ANG储运构,具有很强的吸附(浓缩)气体能力。分子量小,成ANG储运方式克服了CNG储存压力过高的分不稳定除了以甲烷气体为主外还含有乙、丙、丁缺点。ANG是在储罐中装入高比表面的天然气专烷多种气体。NGH的结晶格架主要由水分子构用吸附剂,利用其巨大的内表面积和丰富的微孔结成,在不同的低温高压条件下,水分子结晶形成不同构,在一定的储存压力(3~4MPa)下使ANG达到类型多面体的笼形结构。NGH的结构类型有I与CNG相接近的存储容量,使用时再通过降低储Ⅱ和H型。在标准大气压下,1m2饱和NGH可释存压力,使被吸附的天然气释放出来。决定ANG放出约164m3的甲烷气体。方法工业应用的关键是开发一种专用高效吸附剂和(2)NGH储运技术改进储存容器的结构设计。理想的吸附剂应在正常①NGH的制备。NGH的生成需要具备3个情况下吸附和脱附的速率高,当压力下降到常压时,条件,一是气体中存在液态水或过饱和水蒸气;二是残留在壁内的“余气”少,有良好的导热性能使热量具备足够高的压力;三是具备足够低的温度。若气迅速传出储罐外,以减弱这一影响,而且单位体积吸体压力有较大的波动或有晶体存在时,能促进水合附剂的吸附量应尽可能大,吸附剂的使用寿命长,能物的生成。当高于水合物的临界形成温度时,压力够再生使用,价格便宜。近年来,国内外许多学者已无论多大也不会形成水合物。挪威科技大学的对各种不同固体吸附材料(沸石、分子筛、硅胶、炭 Gudmundsson建议在2~6MPa压力和0~20℃温黑、活性炭等)进行过吸附性能的研究和评价。试验度下在搅拌容器中生成,当反应容器中的气水体系证明,吸附存储天然气的有效吸附剂是具有高微孔过冷到理论平衡线以下4~5℃时,就可以形成体积的活性炭。目前,该技术还存在一些问题,一是NGH。水合物生成工艺流程如图1所示。NGH的相同储存容积下的有效储气量比CNG或LNG储生产工艺过程包括将气井、伴生气田及常规油气存容器低得多;二是天然气吸附与释放过程中的热加工过程中生产的天然气作为原料提供给水合物制效应未得到解决;三是如何解决天然气的重组分在造厂,天然气流经一系列连续搅拌反应器,与水发生释放过程中的滞留问题。ANG降低了储存压力,使反应并转化为水合物。由于NGH在开始形成时存用安全方便,储存容器无需隔热,材质选择余地大,在诱导时间,并且在工业应用时还需考虑生成速率质轻,低压,具有一定的发展前景。但由于气体储存和效率的问题。可采取措施以利于NGH生成”,密度不大、吸附剂寿命有限等,其在工业方面的应用即使用脂肪酸盐或其它降低表面张力的化学剂,降范围受到了限制(。低气水界面的表面张力,促进气体的溶解;使水合第25卷第6期张琳等:天然气储运技术物在液液界面形成,而不在气液界面形成,气体溶天然气。但由于运输能力的有效利用率仅为第一种解在非水溶性载体里进行水合反应,降低生成压力工艺方法的一半,因而运送成本明显增加。三是挪并提高生成效率;使用低浓度的醇类和氯化烃类物威阿克尔工程公司研究的NGH的运输工艺。该方质,促进笼型结构的形成和气体分子的吸附,从而提法是将制成的干水合物与已经冷冻到一10℃的原油高水合物的生成效率;投入水合物晶种,作为晶体生充分混合,形成悬浮于原油中的NGH油浆液,然后长的核心,促进水合物晶体的生长;通过紊流扰动提在接近于常压的条件下泵入绝热的油轮隔舱或绝热高混合效率,在连续过程中形成水合物。性能良好、运距较短的输油管中,输送到接收终端水化物储罐后,在三相分离器升温,分离出原油、天然气和水制冰反应器冷冻据报道,从油浆液中释放出来的天然气约为油浆液船卸载体积的100倍,其经济效果也与英国天然气公司的水罐工艺方法相近。分高器这3种生产工艺都具有工艺要求不高和操作简天然气便的特点,尤其是第三种方法,由于可以通过管道输液体送,因此更值得关注。结合我国天然气生产的具体情况,位于近海的分散小型油气田可以使用上述方图1水合物生成工艺流程图法运送伴生气或天然气,处于边远地区的分散小型②NGH的储存。 Gudmundsson发现,在温度陆上油气田也可以在对上述方法略作改进的基础上为0~20℃和压力为2~6MPa条件下,在搅拌容器加以利用,从而提高对分散的天然气资源的有效利中形成的天然气水合物,可被冷冻和储存在-5℃、用率。10℃和-18℃的冷库中达10天。他认为,可能是④NGH的分解。NGH的分解可以通过改变由于NGH表层水合物分解后形成保护冰层阻止水合物平衡条件而使天然气从中释放出来。通常应了进一步的分解,这一点与加拿大的 Davidson和具备的条件)是,对特定温度和组分的气体,压力必Handa在1986得出的结论是一致的。NGH在大须在水合物形成压力以下;对特定压力和组分的气气压下保持冻结时仍然是稳定的,也可在高压和较体,温度必须提高到水合物形成温度以上;对特定温高的气温下储存,而不是在零下温度和大气压下储度和压力的水合物,加入电解质或醇类物质,改变水存。例如,NGH可在高压下制成,然后在压力为2合物的平衡存在条件,从而使气体从水合物中解析~5MPa的管道中储存和运输,或用小型运货车运出来。NGH的分解一般采用加热或降压的方法输。当储存压力为大气压,储存温度约为-15℃时,在技术上不存在太大的问题。典型的水合物分解工NGH将处于分解成气体和水的温度压力区域。然艺流程如图2所示。而,NGH要溶化还需要很多热能,如果储存在隔热船卸载好的罐中,它将不容易分解成气体、水或冰,这种水合物将保持在亚稳态直到外部加热③NGH的运输。目前,NGH有3种运输方式是英国气体公司研发的工艺,先生产干水水合物储罐合物,然后装到与LNG运输船相似的轮船上,到达目的地后,在船上进行再气化,分离出来的游离水留在船上用作返航时的压舱水。制作干水合物需要进行3次脱水,生产成本较高,同时,干水合物的装船作业也存在一定的技术难度。二是将经过两次脱水图2水合物分解工艺流程后稠度为1:1的水合物浆泵入双壳运输船上的隔(3)NGH的应用前景热密封舱(该舱压力为1MPa,温度为2~3℃)。这①陆上天然气的长距离输送。将天然气在井口种水合物浆再气化时可以得到约为原体积75倍的制成固体水合物通过汽车、火车运输到离用户较近42006年的地点集中进行气化处理后,输送至用户。性和可靠性比较高,但天然气液化临界压力高、临界②远洋输送。挪威科学家曾做过比较,水合物温度低、液化成本高、技术难度大,建设初期成本巨技术的经济性要比LNG技术好,可节约成本20%大,输配站受安全因素制约,不能在人口稠密地区~30%,因此,NGH可代替LNG技术作为远洋输设立送的主要手段(3)CNG技术成熟度高,具有灵活性强、投资少③收集石油工业中的伴生气。伴生气在一定条等特点,特别适合于用气量不大、用户距气源及输气件下与水作用生成水合物,然后进行运输,或者把水干线较远的情况。缺点是运行费用较大,不适合远合物与原油混合在一起以两相冰形式通过管道进行距离输送,存在较大的安全隐患。运输(4)ANG储运压力较低,但是吸附剂寿命短,吸④天然气储存。将天然气转变成水合物储存在附和吸附周期长,扩大吸附剂筛选范围的技术难度特定的海底或陆地上,需要时再分解水合物获得天较大。然气。因此,水合物可以代替地下储气库作为城市(5)NGH储存密度高,投资运行费用低,安全用气的一种大规模储气调峰手段。性高,具有较大的应用市场和发展潜力,但储运技术⑤潜在能源。随着传统气体能源的减少,非传目前还处于研发阶段。按国外研究部门的估计,未统型气体能源的需求量越来越大,水合物中的天然来5年之后可达到商业化应用的程度。天然气水合气将逐渐成为一种重要而清洁的潜在能源。经勘物储运技术的发展与应用必将带动相关工业的发测,永久冻土带和深海沉积层中存在大量的天然气展,产生巨大的经济效益和社会效益。我国应加强水合物,其中陆地资源量为34×106m2,海洋资源NGH储运相关方面的基础研究,为NGH技术在我量为7.6×101m3,NGH最大地质储量等于2.84国储运工业中的应用作好技术准备倍常规可燃矿物,因此水合物是潜在的巨大能源。NGH储运技术的开发必将促进水合物生成、分解动力学基础研究的发展,为水合物的勘探开发奠定吴洪松:液化天然气在燃气工业中的应用,煤气与燃98(5)。坚实的理论基础。2,廖志敏蒋洪:吸附天然气技术及其应用,油气储运,2005,(4)存在的问题24(4NGH技术目前还处在试验研究阶段,大规模3, Sloan E D: Clathrate Hydrate of Natural Gases, Marcel dekker工业化应用还需要解决一系列的问题,其中主要包Inc., New York, 1998括:研究高效快速的NGH合成工艺;进一步优化4, Gudmundsson JS, Parlaktuna M, Khokhar AA; Storing Natural Gas as Frozen Hydrate, SPE Production & Facilities,1994NGH形成和储备的温度、压力条件;经济实用的NGH矿用合成设备的研制;现有NGH再气化工艺5, Dale berner; The Marine Transport of Natural Gas in Hydrate的突破等,同时也是NGH储运工艺研究的主要方form, Proceedings of the Second International Offshore and Po面,而如何进一步确定NGH具体形成条件、优化其lar Engineering Conference, San Francisco, USA, 1992(6)储气量与能耗的关系以提高NGH储运技术的经济drate at Refrigerated Conditions, AICHE Spring Natural Meet性也正是这项技术推广应用的关键。7, Gudmundsson F H: Transport of Natural Gas as Frozen Hy-二、结论drate, Proceedings of the Fifth International Offshore and PolarEngineering Conference, The Hague, The Netherlands, 1995(1)管道输送技术成熟,但受气源、距离及投资楚云大然气固态转化运输技术,石油报202(23等条件的限制,远洋输送不易实现,而且输送压力9,李强王焕新:天然气水合物一一种巨大的潜在能源能源研究与利高,运行、维护费用较高。(2)LNG输送方式在大规模、长距离、跨海船运(收稿日期:200506-3方面应用广泛,其储存密度大压力低、系统的安全编辑:刘春阳