張萌，任遠(yuǎn)，陳煒，劉四洋，李江飛，張進(jìn)涵（.中國石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京0008；.承德石油高等?？茖W(xué)校熱能工程系，河北 承德 067000）

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車載天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)裝置

張萌1，任遠(yuǎn)1，陳煒1，劉四洋1，李江飛2，張進(jìn)涵2
（1.中國石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京100028；2.承德石油高等?？茖W(xué)校熱能工程系，河北 承德 067000）

摘要：天然氣水合物（NGH）儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是一種安全高效且費(fèi)用較低的儲(chǔ)運(yùn)方法。儲(chǔ)運(yùn)水合物車載裝置的出現(xiàn)，為天然氣運(yùn)輸又增添了一種選擇方式。根據(jù)水合物特點(diǎn)，分析了車載裝置儲(chǔ)運(yùn)天然氣水合物的可行性，介紹了裝置的基本結(jié)構(gòu)。NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)作為一種新式的天然氣傳輸方式，在未來的社會(huì)中一定大有可為。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；儲(chǔ)運(yùn)；車載裝置

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，預(yù)計(jì)未來我國在海上和陸地上需要開發(fā)大量的天然氣氣田才能滿足日益增長的天然氣的需求量。對(duì)于這些氣田［1］的天然氣，因?yàn)榈乩硪蛩囟黾恿死щy。將這些天然氣儲(chǔ)運(yùn)到遍布在各個(gè)地方的儲(chǔ)氣站，傳統(tǒng)的儲(chǔ)運(yùn)方式有管道輸送及LNG方式，這兩者都具有施工困難大、投資成本高、資金短時(shí)間內(nèi)回收難的缺點(diǎn)［2］。比如按年產(chǎn)量10 ×103m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）天然氣，運(yùn)輸距離為1 000 km計(jì)算，NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及LNG儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，HGN儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)LNG技術(shù)便宜大約四分之一。NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠［3］。中國許多油田都有許多的伴生氣，因?yàn)榧夹g(shù)限制，經(jīng)常是把伴生點(diǎn)燃［4］，不僅浪費(fèi)資源，還相當(dāng)?shù)奈廴经h(huán)境。天然氣水合物技術(shù)正好可以解決這一系列的問題。較其它儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)相比較，NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)有著巨大的的優(yōu)點(diǎn)，第一，工藝簡單容易操作，第二，投資費(fèi)用低廉，第三儲(chǔ)運(yùn)簡單并且有特殊的安全性。依靠我國的資源優(yōu)勢(shì)，NGH技術(shù)在我國有著極為深遠(yuǎn)的發(fā)展?jié)摿εc前景［5，6］。

NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的主要原理是用NGH的高效儲(chǔ)氣能力，把做好的 NGH固體運(yùn)送到中轉(zhuǎn)站，中轉(zhuǎn)站經(jīng)過汽化之后，居民和工廠才能使用［7］。將開采出的天然氣水合物或者工業(yè)大規(guī)模制備的水合物在一定的條件下，利用管道、天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)船［8］或者冷藏車的方式進(jìn)行運(yùn)輸。NGH在常溫、常壓下會(huì)發(fā)生分解，因此通常采用低溫常壓法或高壓常溫法儲(chǔ)存NGH。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，NGH可以在-5 ℃、-10℃的環(huán)境下儲(chǔ)存10 d［9］。NGH在不加壓力的-5～-10℃的冷庫中可以穩(wěn)定存放數(shù)天，NGH僅僅在表面上分解，產(chǎn)生的水在表面上形成冰膜。另外天氣水合物的導(dǎo)熱能力非常的低，比一般的隔熱材料還要低［10］，擁有良好的自我儲(chǔ)存能力。NGH在低溫隔熱且不加壓力的儲(chǔ)存罐中可以穩(wěn)定存放。

1　車載天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)裝置

1.1車載天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)裝置的基本原理

天然氣水合物的車載裝置類似于一個(gè)低溫冷藏車，為了儲(chǔ)運(yùn)天然氣水合物，進(jìn)行了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就是一個(gè)專門為儲(chǔ)運(yùn)天然氣水合物的低溫冷藏車。大致原理等同于其它低溫冷藏車。

運(yùn)輸天然氣水合物的過程中首先要保證它的穩(wěn)定性，通過大量試驗(yàn)，得出常壓低溫儲(chǔ)運(yùn)水合物，短期常壓儲(chǔ)存（1 d左右），-10 ℃是比較合適和經(jīng)濟(jì)的溫度，-15～20 ℃是可以選擇的溫度［11］。車載裝置只需要制冷使溫度降到-15 ℃以下，而不需要加壓就可以用來儲(chǔ)運(yùn)天然氣水合物。這樣裝置所需要提供的環(huán)境條件就十分簡單而且明確，那就是低溫環(huán)境。

因?yàn)樘烊粴馑衔餅楣腆w，比液體和氣體都方便卸載，但是天然氣水合物不能長時(shí)間在常溫下儲(chǔ)存，這就需要對(duì)車載裝置提出新的要求。為了方便卸裝，減少天然氣水合物在常溫中的時(shí)間，對(duì)裝置內(nèi)部進(jìn)行簡單合理的分隔，以各個(gè)單元的方式進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)。這些單元不但能防止水合物和水合物發(fā)生粘連，并且縮短了卸載的時(shí)間，防止水合物長期暴露于常溫中而分解。儲(chǔ)運(yùn)單元的規(guī)格需要進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范，在開采出或者制備完成之后就包裝，成為統(tǒng)一的儲(chǔ)運(yùn)單元。有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，天然氣水合物的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)的整個(gè)過程就變得更加有序，這還需要在以后做大量的工作。

1.2車載天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)裝置的基本結(jié)構(gòu)

天然氣水合物的儲(chǔ)運(yùn)條件需要低溫冷藏，所以裝置需要制冷設(shè)備，機(jī)械制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成［12］，現(xiàn)在機(jī)械制冷設(shè)備主要在制冷機(jī)方面進(jìn)行新技術(shù)的開發(fā)，提升了機(jī)械冷藏機(jī)器的能力（圖1）。

圖1　機(jī)械制冷系統(tǒng)Fig.1 Mechanical refrigeration system

NGH在不加壓力儲(chǔ)運(yùn)時(shí)溫度不需低于平衡溫度，溫度只要低于水的冰點(diǎn)即可，并且保持完全的隔熱，NGH就能保持穩(wěn)定存在。所以將NGH存儲(chǔ)在雙層壁的金屬罐里，里面的壁使用耐低溫的不銹鋼，外面的用平常的碳鋼制成即可，兩壁之間填充絕熱材料，底部的隔熱層必一定要有充足的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，用來承重。外筒體是裝置中不可或缺的部分。用不銹鋼作為外筒體的材料，使用鋁箔和超細(xì)玻璃纖維紙纏繞在外筒體形成保溫隔熱層［13］。如此一來即可以承壓，又能保溫隔熱。內(nèi)、外筒體之間是保溫隔熱材料制成的夾層，有一定的密封作用。筒體組合的一側(cè)同機(jī)械制冷設(shè)備相連接，構(gòu)成整個(gè)裝置的基本結(jié)構(gòu)。

裝置的尾部一端設(shè)有封閉門，封閉門是兩扇對(duì)開的門，是由外筒體、夾層、內(nèi)筒體三層的材料疊加成的。封閉門的邊緣處需要加裝橡膠墊來提高密封性能，保證裝置的制冷能力。封閉門和筒體之間的焊接需要相當(dāng)?shù)木_，對(duì)工藝提出了較高的要求。封閉門有上中下三個(gè)柱形的枷鎖裝置來密封。

2　天然氣水合物的卸裝

2.1天然氣水合物的包裝

NGH的外觀類似雪或冰渣，是一種疏松的固體。天然氣水合物暴露在大氣中，會(huì)迅速氣化，釋放出大量天然氣，容易引起事故。而在天然氣水合物的儲(chǔ)運(yùn)過程中又不可避免的要和帶起接觸，因此必須對(duì)天然氣水合物進(jìn)行合適的包裝［14］，才能讓水合物穩(wěn)定。

首先將天然氣水合物壓實(shí)，簡單形成大小一致的單元，這是為了方便卸裝。這樣單元在以后需要統(tǒng)一規(guī)范化，以方便整個(gè)生產(chǎn)過程的進(jìn)行。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以防止各個(gè)單元粘連，又減輕自重。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)除底部外也不需要使用特殊的材料，只要強(qiáng)度足夠即可。將進(jìn)行簡單包裝的天然氣水合物放置于由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組合成的立方體中構(gòu)成小的基本單元。整個(gè)裝置需要使用不易生銹的材料（圖2）。

圖2　儲(chǔ)運(yùn)單元Fig.2 Storage and transportation unit

儲(chǔ)運(yùn)單元形狀類似一個(gè)提籃，開口的一方加裝有兩個(gè)把手。把手下方是可以活動(dòng)的，需要移動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)單元時(shí)拉起來，不使用把手時(shí)放下。把手需要用強(qiáng)度高硬度高的材料，足以承受一定重量的水合物。為了防止把手脫落和難以拉起的問題，把手的活動(dòng)處要加強(qiáng)焊接并做防銹潤滑的處理。把手上加裝橡膠套，用手拿起時(shí)能增大摩擦力并且減小對(duì)手的壓力。

2.2車載裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)運(yùn)的過程中并不是卸裝小的儲(chǔ)運(yùn)單元，而是一個(gè)相當(dāng)于貨架的裝置，將包裝好的水合物放置在貨架上，向車上裝載時(shí)直接從冷庫中通過高平臺(tái)將貨架平移入裝置的筒體內(nèi)。卸載時(shí)，直接將貨架平移出筒體。這樣就大大減少了水合物與大氣的接觸時(shí)間，省時(shí)省力。

貨架以鋼結(jié)構(gòu)為主體并焊接上分隔網(wǎng)的裝置把筒體分為若干個(gè)較大的矩形單元。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不但把整個(gè)筒體分開來方便卸裝，同時(shí)又不會(huì)對(duì)裝置的制冷能力產(chǎn)生太大的影響。較大的單元可以放置多個(gè)包裝好的較小的基本單元，小的基本單元之間進(jìn)行簡單的連接，方便卸裝。如用鎖扣和掛鉤將多個(gè)小的儲(chǔ)運(yùn)單元鏈接在一起。整個(gè)貨架需要用不易生銹的材料制造，并作防銹處理。裝置長時(shí)間儲(chǔ)運(yùn)天然氣水合物后，筒體內(nèi)部和分隔網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)故障或是需要進(jìn)行清洗，分隔網(wǎng)的整個(gè)主體和筒體并沒有連接起來。這樣的設(shè)計(jì)，就方便了后期修理和清洗裝置。

儲(chǔ)運(yùn)水合物的貨架在水合物的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、分解的整個(gè)過程中都可以起到一定的作用。水合物在工業(yè)生產(chǎn)完成后，包裝并放置在貨架上冷藏在冷庫中。需要車載運(yùn)輸時(shí)，直接移入車載裝置中。汽車運(yùn)送到水合物分解加工點(diǎn)后，將貨架移入分解設(shè)備中。貨架足夠承受水合物分解的溫度，NGH在上貨架直接加熱分解出天然氣。當(dāng)分解完成后，將貨架移出分解設(shè)備，簡單處理后投入隨后的使用。貨架的存在讓水合物的整個(gè)儲(chǔ)運(yùn)過程事半功倍。

3　車載裝置附屬裝置

汽車運(yùn)載天然氣水合物這樣可能會(huì)引發(fā)事故的固體，首先要保證水合物安全，防止發(fā)生事故。當(dāng)裝置內(nèi)溫度過高時(shí)，水合物會(huì)發(fā)生分解。為了保證裝置內(nèi)的溫度趨于恒定，在內(nèi)部加裝溫度傳感器，將溫度實(shí)時(shí)反饋到車載終端，當(dāng)溫度升高時(shí)報(bào)警，就可以自動(dòng)或手動(dòng)控制制冷設(shè)備制冷降溫，以免水合物受熱分解。甚至機(jī)械制冷裝置不可使用時(shí)，也能及時(shí)對(duì)正在分解的水合物進(jìn)行處理。裝置內(nèi)部設(shè)置壓力傳感器，當(dāng)裝置內(nèi)壓力過高時(shí)，終端報(bào)警，及時(shí)泄壓（圖3）。

圖3　車載裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of vehicle

儲(chǔ)運(yùn)危險(xiǎn)品，安全是重中之重，必須要做足工作。車載裝置硬件安全防護(hù)設(shè)備主要有安全防泄裝置，滅火裝置，導(dǎo)靜電裝置，阻火器［15］等。封閉門與筒體連接處的縫隙用橡膠材料密封，阻止筒體內(nèi)部與外部大氣環(huán)境的接觸。車載裝置配備干粉滅火器和阻火器，一旦發(fā)生火災(zāi)，可以及時(shí)阻礙火情的蔓延。罐體尾部用鐵鏈或者橡膠帶接大地，用來傳導(dǎo)靜電，防止發(fā)生意外。利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能，可以在緊急情況下通過衛(wèi)星通信報(bào)警，為裝置安全又添了一道安全保障。

因?yàn)橐獙?duì)儲(chǔ)運(yùn)車進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度監(jiān)控，所以為裝置配備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由定位系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)組成，是運(yùn)輸車和監(jiān)控調(diào)度室的雙向鏈接［16］。車載部分主要是多個(gè)模塊組成的車載終端，利用 GPS和北斗導(dǎo)航技術(shù)設(shè)計(jì)導(dǎo)航定位模塊，用4G通信技術(shù)設(shè)計(jì)通信模塊。車載終端實(shí)時(shí)收集傳感器和定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，簡單處理后通過通信模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程端。這樣遠(yuǎn)程端可以明確車載裝置的實(shí)時(shí)位置和安全狀況，并根據(jù)相關(guān)情況作出科學(xué)調(diào)度和處置。

4　結(jié)束語

NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是銜接天然氣開發(fā)、利用的重要環(huán)節(jié)，在未來擁有巨大的應(yīng)用前景。人類對(duì)能源的需求量的不斷加大，天然氣開發(fā)和利用技術(shù)日趨成熟，我們需要發(fā)展NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。用陸路運(yùn)輸?shù)姆绞絻?chǔ)運(yùn)天然氣水合物，無論從安全還是從經(jīng)濟(jì)可行性角度來說，都是為人類生產(chǎn)和生活帶來了極大的效益。車載天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)裝置的研究仍然在設(shè)想的階段，必須有更多的人才加入到其中，投入更深入的研究，對(duì)它不斷地完善。我相信在不久的將來，NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)會(huì)使天然氣運(yùn)輸業(yè)發(fā)生革命性的改變。

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Vehicle Natural Gas Hydrate Storage and Transportation Device

ZHANG Meng1，REN Yuan1，CHEN Wei1，LIU Si-yang1，LI Jiang-fei2，ZHANG Jin-han2
（1.CNPC South-east Asia Pipeline Company Limited，Beijing100028，China；
2.Department of Thermal Engineering，Chengde Petroleum College，Hebei Chengde 067000，China）

Abstract：NGH storage and transportation technology is safe，efficient and low-cost.The vehicle device of storage and transportation has added a new choice for the natural gas transportation.Based on the characteristics of the hydrate，the feasibility of NGH vehicle device was analyzed，and the basic structure of the device was introduced.As a new natural gas storage and transportation method，the NGH storage and transportation technology will have bright prospect in the future.

Key words：NGH；Storage and transportation；Vehicle device

中圖分類號(hào)：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）01-0179-03

收稿日期：2015-08-07

作者簡介：張萌（1988-），女，北京人，助理工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，研究方向：長輸管道。E-mail：zhmm1234@126.com。

通訊作者：李江飛（1988- ），男，講師，碩士研究生，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)的教學(xué)和研究。E-mail：cdpcspe@qq.com。