天然气储运技术.pdf

第25卷第6期 油 气 储 运 综 述 天然气储运技术 3 张 琳 3 3 李 长 俊 西南石油大学 陈 宁 西南油气田分公司华阳输气管理处 刘 银 春 西安长庆科技工程有限公司 苏 欣 西南石油大学 张 琳 李长俊等天然气储运技术,油气储运,2006 ,256 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 2 ,国外为20 。随着西气东输管道工程的投产, 我国天然气能源结构的比例将进一步提高。天然气 资源大都远离能源消耗区,因而其有效利用率很低。 鉴于此,天然气的运输就显得尤为重要,而运输方式 的选择则决定了其供应与消费的经济性。 一、 天然气的储运方式 目前,天然气的储运方式有管道运输、 液化天然 气LNG输送、 压缩天然气CNG储运、 吸附 ANG储运和天然气水合物NGH储运5种。 1、 管道储运 管道输送方式适用于稳定气源与稳定用户间的 长期供气情况,是一种成熟的已得到广泛应用的技 术。目前,约占总量75 的天然气采用管道输送。 我国的输气管道主要分布在四川盆地、 东北地区和 华北地区,管道总长约20 000 km。随着天然气消 费量的增长,天然气管道总长还将快速增加。管道 输送的缺点是投资大、 成本高,每公里约为400百万 美元,西气东输管道工程仅敷设干线管道就投 入了460108元人民币。 对于大量的边远零散气田, 特别是井口压力高、 总体储量有限气井的开发,敷设 管道经济性很差。 2、 LNG储运 LN G储运方式是利用低温技术将天然气液化, 并以液体形式进行储运的一种技术,一般采用丙烷 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 资。LN G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 中气化,经调压计量送入城市管网。LNG液化后的 体积远比气体小,在运输方面具有很大的优势。 LNG运输是目前天然气远洋输送的主要手段,是提 高海洋、 荒漠地区天然气开发利用率的有效方法,同 时,LNG输送成本仅为管道输送的1/ 6～1/ 7 ,并可 降低因气源不足敷设管道而造成的风险。但是, LNG工厂规模庞大,设备昂贵,净化、 液化工艺复 杂,运行费用较高,日产400 m3的LNG工厂一次 性投资在1108元人民币以上。世界上大多数 LNG都是采用船运的方式,LNG船结构复杂,技术 要求高,耗资巨大。另外,由于储存温度低,LN G一 旦发生泄漏将很快形成爆炸云团,因此,在生产和储 运过程中危险性很高〔 1〕。 3 四川省重点学科建设资助项目SZD0416。 3 3610500 ,四川省成都市新都区;电话02867300830。 1 3、 CNG储运 CN G储运是将天然气进行高度压缩至20～25 MPa ,再用高压气瓶组槽车通过公路运输,或将天然 气充入一个管束容器由高级钢管制成中,将容器 固装在运输船上海运,还可以将管束容器制成铁路 运输槽车的形式通过铁路运输,在使用地的减压站 输配站将高压天然气经1～2级减压1. 6 MPa左 右 , 然后泵入储罐,或进一步调压进入城市管网。 与气瓶组相比,管束容器虽然略重,但制作工艺较为 简单,相同容积的造价更低,使用安全性及灵活性也 好于高压气瓶组。CNG储运适用于零散用户及车 用燃气的用气,技术难度低,成熟度高,在我国得到 了一定程度的应用。但由于其储气压力高达20 MPa以上,对储存容器要求高,具有一定的危险性, 而且能量储存密度不大,因此,不具有大规模发展应 用的可能性。 4、 ANG储运 ANG储运方式克服了CNG储存压力过高的 缺点。ANG是在储罐中装入高比表面的天然气专 用吸附剂,利用其巨大的内表面积和丰富的微孔结 构,在一定的储存压力 3 ～4 MPa下使ANG达到 与CNG相接近的存储容量,使用时再通过降低储 存压力,使被吸附的天然气释放出来。决定ANG 方法工业应用的关键是开发一种专用高效吸附剂和 改进储存容器的结构设计。理想的吸附剂应在正常 情况下吸附和脱附的速率高,当压力下降到常压时, 残留在壁内的 “余气” 少,有良好的导热性能,使热量 迅速传出储罐外,以减弱这一影响,而且单位体积吸 附剂的吸附量应尽可能大,吸附剂的使用寿命长,能 够再生使用,价格便宜。近年来,国内外许多学者已 对各种不同固体吸附材料沸石、 分子筛、 硅胶、 炭 黑、 活性炭等进行过吸附性能的研究和评价。试验 证明,吸附存储天然气的有效吸附剂是具有高微孔 体积的活性炭。目前,该技术还存在一些问题,一是 相同储存容积下的有效储气量比CN G或LN G储 存容器低得多;二是天然气吸附与释放过程中的热 效应未得到解决;三是如何解决天然气的重组分在 释放过程中的滞留问题。ANG降低了储存压力,使 用安全方便,储存容器无需隔热,材质选择余地大, 质轻,低压,具有一定的发展前景。但由于气体储存 密度不大、 吸附剂寿命有限等,其在工业方面的应用 范围受到了限制 〔2〕。 5、 NGH储运 NGH储运技术是近几年国外研究发展的一项 新技术,由于NGH储量丰富,应用前景广阔,现已 成为能源前沿科学的热点课题。一个单位体积的 NGH固体中可含有100～300倍体积的天然气气 体,以水合物形式来储运天然气具有体积小的优点。 同时,NGH的储存压力比CN G和LNG低,增加了 系统的安全性和可靠性。另外,NGH储运方式不 需要复杂的设备只需一级冷却装置 , 工艺流程简 化;在水合物状态下储运气体的装置不需要承受压 力,采用普通钢材制造即可。 1 NGH的特性 NGH又称固态甲烷,由天然气与水组成,呈固 态,外貌极像冰雪或固体酒精,点火即可燃烧,因此 被称为 “可燃冰” 或 “固体瓦斯”,是一种重要的潜在 能源 〔3〕。它是一种非化学计量笼形物 ,为超分子结 构,具有很强的吸附浓缩气体能力。分子量小,成 分不稳定,除了以甲烷气体为主外,还含有乙、 丙、 丁 烷多种气体。NGH的结晶格架主要由水分子构 成,在不同的低温高压条件下,水分子结晶形成不同 类型多面体的笼形结构。N GH的结构类型有 Ⅰ、 Ⅱ 和H型。在标准大气压下,1 m3饱和NGH可释 放出约164 m3的甲烷气体。 2 NGH储运技术 ①N GH的制备。N GH的生成需要具备3个 条件,一是气体中存在液态水或过饱和水蒸气;二是 具备足够高的压力;三是具备足够低的温度。若气 体压力有较大的波动或有晶体存在时,能促进水合 物的生成。当高于水合物的临界形成温度时,压力 无论多大也不会形成水合物。挪威科技大学的 Gudmundsson建议在2～6 MPa压力和0～20℃ 温 度下在搅拌容器中生成,当反应容器中的气水体系 过冷到理论平衡线以下4～5℃时,就可以形成 NGH。水合物生成工艺流程如图1所示。NGH的 生产工艺过程 〔4〕包括将气井、 伴生气田及常规油气 加工过程中生产的天然气作为原料提供给水合物制 造厂,天然气流经一系列连续搅拌反应器,与水发生 反应并转化为水合物。由于NGH在开始形成时存 在诱导时间,并且在工业应用时还需考虑生成速率 和效率的问题。可采取措施以利于N GH生成 〔5〕, 即使用脂肪酸盐或其它降低表面张力的化学剂,降 低气2水界面的表面张力,促进气体的溶解;使水合 2油 气 储 运 2006年 物在液2液界面形成,而不在气2液界面形成,气体溶 解在非水溶性载体里进行水合反应,降低生成压力 并提高生成效率;使用低浓度的醇类和氯化烃类物 质,促进笼型结构的形成和气体分子的吸附,从而提 高水合物的生成效率;投入水合物晶种,作为晶体生 长的核心,促进水合物晶体的生长;通过紊流扰动提 高混合效率,在连续过程中形成水合物。 图1 水合物生成工艺流程图 ②NGH的储存。Gudmundsson发现,在温度 为0～20℃ 和压力为2～6 MPa条件下,在搅拌容器 中形成的天然气水合物,可被冷冻和储存在- 5℃、 - 10℃ 和- 18℃ 的冷库中达10天。他认为,可能是 由于NGH表层水合物分解后形成保护冰层,阻止 了进一步的分解 〔6〕,这一点与加拿大的 Davidson和 Handa在1986得出的结论是一致的。NGH在大 气压下保持冻结时仍然是稳定的,也可在高压和较 高的气温下储存,而不是在零下温度和大气压下储 存。例如,NGH可在高压下制成,然后在压力为2 ～5 MPa的管道中储存和运输,或用小型运货车运 输。当储存压力为大气压,储存温度约为- 15℃ 时, NGH将处于分解成气体和水的温度压力区域。然 而,NGH要溶化还需要很多热能,如果储存在隔热 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 〔7 ,8〕,一是英国气体公司研发的工艺 ,先生产干水 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 后稠度为1∶1的水合物浆泵入双壳运输船上的隔 热密封舱该舱压力为1 MPa ,温度为2～3℃。这 种水合物浆再气化时可以得到约为原体积75倍的 天然气。但由于运输能力的有效利用率仅为第一种 工艺方法的一半,因而运送成本明显增加。三是挪 威阿克尔工程公司研究的NGH的运输工艺。该方 法是将制成的干水合物与已经冷冻到- 10℃ 的原油 充分混合,形成悬浮于原油中的NGH油浆液,然后 在接近于常压的条件下泵入绝热的油轮隔舱或绝热 性能良好、 运距较短的输油管中,输送到接收终端 后,在三相分离器升温,分离出原油、 天然气和水。 据报道,从油浆液中释放出来的天然气约为油浆液 体积的100倍,其经济效果也与英国天然气公司的 工艺方法相近。 这3种生产工艺都具有工艺要求不高和操作简 便的特点,尤其是第三种方法,由于可以通过管道输 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 法运送伴生气或天然气,处于边远地区的分散小型 陆上油气田也可以在对上述方法略作改进的基础上 加以利用,从而提高对分散的天然气资源的有效利 用率。 ④NGH的分解。N GH的分解可以通过改变 水合物平衡条件而使天然气从中释放出来。通常应 具备的条件 〔9〕是 ,对特定温度和组分的气体,压力必 须在水合物形成压力以下;对特定压力和组分的气 体,温度必须提高到水合物形成温度以上;对特定温 度和压力的水合物,加入电解质或醇类物质,改变水 合物的平衡存在条件,从而使气体从水合物中解析 出来。N GH的分解一般采用加热或降压的方法, 在技术上不存在太大的问题。典型的水合物分解工 艺流程如图2所示。 图2 水合物分解工艺流程 3 NGH的应用前景 ① 陆上天然气的长距离输送。将天然气在井口 制成固体水合物,通过汽车、 火车运输到离用户较近 3第25卷第6期 张 琳等天然气储运技术 的地点集中进行气化处理后,输送至用户。 ② 远洋输送。挪威科学家曾做过比较,水合物 技术的经济性要比LNG技术好,可节约成本20 ～30 ,因此,NGH可代替LNG技术作为远洋输 送的主要手段。 ③ 收集石油工业中的伴生气。伴生气在一定条 件下与水作用生成水合物,然后进行运输,或者把水 合物与原油混合在一起以两相冰形式通过管道进行 运输。 ④ 天然气储存。将天然气转变成水合物储存在 特定的海底或陆地上,需要时再分解水合物获得天 然气。因此,水合物可以代替地下储气库作为城市 用气的一种大规模储气调峰手段。 ⑤ 潜在能源。随着传统气体能源的减少,非传 统型气体能源的需求量越来越大,水合物中的天然 气将逐渐成为一种重要而清洁的潜在能源。经勘 测,永久冻土带和深海沉积层中存在大量的天然气 水合物,其中陆地资源量为3. 41016m3,海洋资源 量为7. 61018m3,N GH最大地质储量等于2. 84 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 坚实的理论基础。 4存在的问题 N GH技术目前还处在试验研究阶段,大规模 工业化应用还需要解决一系列的问题,其中主要包 括研究高效快速的NGH合成工艺;进一步优化 NGH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 的突破等,同时也是NGH储运工艺研究的主要方 面,而如何进一步确定NGH具体形成条件、 优化其 储气量与能耗的关系以提高NGH储运技术的经济 性也正是这项技术推广应用的关键。 二、 结 论 1管道输送技术成熟,但受气源、 距离及投资 等条件的限制,远洋输送不易实现,而且输送压力 高,运行、 维护费用较高。 2LNG输送方式在大规模、 长距离、 跨海船运 方面应用广泛,其储存密度大、 压力低、 系统的安全 性和可靠性比较高,但天然气液化临界压力高、 临界 温度低、 液化成本高、 技术难度大,建设初期成本巨 大,输配站受安全因素制约,不能在人口稠密地区 设立。 3 CNG技术成熟度高,具有灵活性强、 投资少 等特点,特别适合于用气量不大、 用户距气源及输气 干线较远的情况。缺点是运行费用较大,不适合远 距离输送,存在较大的安全隐患。 4 ANG储运压力较低,但是吸附剂寿命短,吸 附和吸附周期长,扩大吸附剂筛选范围的技术难度 较大。 5 NGH储存密度高,投资运行费用低,安全 性高,具有较大的应用市场和发展潜力,但储运技术 目前还处于研发阶段。按国外研究部门的估计,未 来5年之后可达到商业化应用的程度。天然气水合 物储运技术的发展与应用必将带动相关工业的发 展,产生巨大的经济效益和社会效益。我国应加强 NGH储运相关方面的基础研究,为NGH技术在我 国储运工业中的应用作好技术准备。 参考文献 1 , 徐正康 吴洪松液化天然气在燃气工业中的应用,煤气与燃 力,19985。 2 , 廖志敏 蒋 洪吸附天然气技术及其应用,油气储运,2005 , 244。 3 , Sloan E DClathrate Hydrate of Natural Gases ,Marcel Dekker Inc. , New York , 1998. 4 , Gudmundsson J S , Parlaktuna M , Khokhar A A Storing Natu2 ral Gas as Frozen Hydrate , SPE Production Facilities , 1994 , 91 . 5 , Dale Berner The Marine Transport of Natural Gas in Hydrate , Proceedings of the Second International Offshore and Po2 lar Engineering Conference , San Francisco , USA , 19926 . 6 , Gudmundsson J S , Parlaktuna M Storage of Natural Gas Hy2 drate at Refrigerated Conditions , AICHE Spring Natural Meet2 ing , New Orleans , 1992. 7 , Gudmundsson F H Transport of Natural Gas as Frozen Hy2 drate , Proceedings of the Fifth International Offshore and Polar Engineering Conference , The Hague , The Netherlands , 1995 6 . 8 , 楚 云天然气固态转化运输技术,石油商报,200225。 9 , 李 强 王焕新天然气水合物 一种巨大的潜在能源,能源研 究与利用,19963。 收稿日期20052062 30 编辑刘春阳 4油 气 储 运 2006年