车载天然气水合物储运装置

张萌，任远，陈炜，刘四洋，李江飞，张进涵（.中国石油集团东南亚管道有限公司，北京0008；.承德石油高等专科学校热能工程系，河北 承德 067000）



车载天然气水合物储运装置

张萌1，任远1，陈炜1，刘四洋1，李江飞2，张进涵2
（1.中国石油集团东南亚管道有限公司，北京100028；2.承德石油高等专科学校热能工程系，河北 承德 067000）

摘要：天然气水合物（NGH）储运技术是一种安全高效且费用较低的储运方法。储运水合物车载装置的出现，为天然气运输又增添了一种选择方式。根据水合物特点，分析了车载装置储运天然气水合物的可行性，介绍了装置的基本结构。NGH储运技术作为一种新式的天然气传输方式，在未来的社会中一定大有可为。

关键词：天然气水合物；储运；车载装置

随着中国经济的高速发展，预计未来我国在海上和陆地上需要开发大量的天然气气田才能满足日益增长的天然气的需求量。对于这些气田［1］的天然气，因为地理因素而增加了困难。将这些天然气储运到遍布在各个地方的储气站，传统的储运方式有管道输送及LNG方式，这两者都具有施工困难大、投资成本高、资金短时间内回收难的缺点［2］。比如按年产量10 ×103m3（标准状态）天然气，运输距离为1 000 km计算，NGH储运技术及LNG储运技术费用进行计算，HGN储运技术LNG技术便宜大约四分之一。NGH储运技术经济实惠［3］。中国许多油田都有许多的伴生气，因为技术限制，经常是把伴生点燃［4］，不仅浪费资源，还相当的污染环境。天然气水合物技术正好可以解决这一系列的问题。较其它储运技术相比较，NGH储运技术有着巨大的的优点，第一，工艺简单容易操作，第二，投资费用低廉，第三储运简单并且有特殊的安全性。依靠我国的资源优势，NGH技术在我国有着极为深远的发展潜力与前景［5，6］。

NGH储运技术的主要原理是用NGH的高效储气能力，把做好的 NGH固体运送到中转站，中转站经过汽化之后，居民和工厂才能使用［7］。将开采出的天然气水合物或者工业大规模制备的水合物在一定的条件下，利用管道、天然气水合物储运船［8］或者冷藏车的方式进行运输。NGH在常温、常压下会发生分解，因此通常采用低温常压法或高压常温法储存NGH。经研究发现，NGH可以在-5 ℃、-10℃的环境下储存10 d［9］。NGH在不加压力的-5～-10℃的冷库中可以稳定存放数天，NGH仅仅在表面上分解，产生的水在表面上形成冰膜。另外天气水合物的导热能力非常的低，比一般的隔热材料还要低［10］，拥有良好的自我储存能力。NGH在低温隔热且不加压力的储存罐中可以稳定存放。

1　车载天然气水合物储运装置

1.1车载天然气水合物储运装置的基本原理

天然气水合物的车载装置类似于一个低温冷藏车，为了储运天然气水合物，进行了特殊的结构设计，就是一个专门为储运天然气水合物的低温冷藏车。大致原理等同于其它低温冷藏车。

运输天然气水合物的过程中首先要保证它的稳定性，通过大量试验，得出常压低温储运水合物，短期常压储存（1 d左右），-10 ℃是比较合适和经济的温度，-15～20 ℃是可以选择的温度［11］。车载装置只需要制冷使温度降到-15 ℃以下，而不需要加压就可以用来储运天然气水合物。这样装置所需要提供的环境条件就十分简单而且明确，那就是低温环境。

因为天然气水合物为固体，比液体和气体都方便卸载，但是天然气水合物不能长时间在常温下储存，这就需要对车载装置提出新的要求。为了方便卸装，减少天然气水合物在常温中的时间，对装置内部进行简单合理的分隔，以各个单元的方式进行储运。这些单元不但能防止水合物和水合物发生粘连，并且缩短了卸载的时间，防止水合物长期暴露于常温中而分解。储运单元的规格需要进行统一的规范，在开采出或者制备完成之后就包装，成为统一的储运单元。有了统一的标准，天然气水合物的生产和储运的整个过程就变得更加有序，这还需要在以后做大量的工作。

1.2车载天然气水合物储运装置的基本结构

天然气水合物的储运条件需要低温冷藏，所以装置需要制冷设备，机械制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成［12］，现在机械制冷设备主要在制冷机方面进行新技术的开发，提升了机械冷藏机器的能力（图1）。

图1　机械制冷系统Fig.1 Mechanical refrigeration system

NGH在不加压力储运时温度不需低于平衡温度，温度只要低于水的冰点即可，并且保持完全的隔热，NGH就能保持稳定存在。所以将NGH存储在双层壁的金属罐里，里面的壁使用耐低温的不锈钢，外面的用平常的碳钢制成即可，两壁之间填充绝热材料，底部的隔热层必一定要有充足的强度和稳定性，用来承重。外筒体是装置中不可或缺的部分。用不锈钢作为外筒体的材料，使用铝箔和超细玻璃纤维纸缠绕在外筒体形成保温隔热层［13］。如此一来即可以承压，又能保温隔热。内、外筒体之间是保温隔热材料制成的夹层，有一定的密封作用。筒体组合的一侧同机械制冷设备相连接，构成整个装置的基本结构。

装置的尾部一端设有封闭门，封闭门是两扇对开的门，是由外筒体、夹层、内筒体三层的材料叠加成的。封闭门的边缘处需要加装橡胶垫来提高密封性能，保证装置的制冷能力。封闭门和筒体之间的焊接需要相当的精确，对工艺提出了较高的要求。封闭门有上中下三个柱形的枷锁装置来密封。

2　天然气水合物的卸装

2.1天然气水合物的包装

NGH的外观类似雪或冰渣，是一种疏松的固体。天然气水合物暴露在大气中，会迅速气化，释放出大量天然气，容易引起事故。而在天然气水合物的储运过程中又不可避免的要和带起接触，因此必须对天然气水合物进行合适的包装［14］，才能让水合物稳定。

首先将天然气水合物压实，简单形成大小一致的单元，这是为了方便卸装。这样单元在以后需要统一规范化，以方便整个生产过程的进行。网状结构可以防止各个单元粘连，又减轻自重。网状结构除底部外也不需要使用特殊的材料，只要强度足够即可。将进行简单包装的天然气水合物放置于由网状结构组合成的立方体中构成小的基本单元。整个装置需要使用不易生锈的材料（图2）。

图2　储运单元Fig.2 Storage and transportation unit

储运单元形状类似一个提篮，开口的一方加装有两个把手。把手下方是可以活动的，需要移动储运单元时拉起来，不使用把手时放下。把手需要用强度高硬度高的材料，足以承受一定重量的水合物。为了防止把手脱落和难以拉起的问题，把手的活动处要加强焊接并做防锈润滑的处理。把手上加装橡胶套，用手拿起时能增大摩擦力并且减小对手的压力。

2.2车载装置内部结构

储运的过程中并不是卸装小的储运单元，而是一个相当于货架的装置，将包装好的水合物放置在货架上，向车上装载时直接从冷库中通过高平台将货架平移入装置的筒体内。卸载时，直接将货架平移出筒体。这样就大大减少了水合物与大气的接触时间，省时省力。

货架以钢结构为主体并焊接上分隔网的装置把筒体分为若干个较大的矩形单元。这种网状结构不但把整个筒体分开来方便卸装，同时又不会对装置的制冷能力产生太大的影响。较大的单元可以放置多个包装好的较小的基本单元，小的基本单元之间进行简单的连接，方便卸装。如用锁扣和挂钩将多个小的储运单元链接在一起。整个货架需要用不易生锈的材料制造，并作防锈处理。装置长时间储运天然气水合物后，筒体内部和分隔网可能会出现故障或是需要进行清洗，分隔网的整个主体和筒体并没有连接起来。这样的设计，就方便了后期修理和清洗装置。

储运水合物的货架在水合物的生产、储运、分解的整个过程中都可以起到一定的作用。水合物在工业生产完成后，包装并放置在货架上冷藏在冷库中。需要车载运输时，直接移入车载装置中。汽车运送到水合物分解加工点后，将货架移入分解设备中。货架足够承受水合物分解的温度，NGH在上货架直接加热分解出天然气。当分解完成后，将货架移出分解设备，简单处理后投入随后的使用。货架的存在让水合物的整个储运过程事半功倍。

3　车载装置附属装置

汽车运载天然气水合物这样可能会引发事故的固体，首先要保证水合物安全，防止发生事故。当装置内温度过高时，水合物会发生分解。为了保证装置内的温度趋于恒定，在内部加装温度传感器，将温度实时反馈到车载终端，当温度升高时报警，就可以自动或手动控制制冷设备制冷降温，以免水合物受热分解。甚至机械制冷装置不可使用时，也能及时对正在分解的水合物进行处理。装置内部设置压力传感器，当装置内压力过高时，终端报警，及时泄压（图3）。

图3　车载装置内部结构Fig.3 Internal structure of vehicle

储运危险品，安全是重中之重，必须要做足工作。车载装置硬件安全防护设备主要有安全防泄装置，灭火装置，导静电装置，阻火器［15］等。封闭门与筒体连接处的缝隙用橡胶材料密封，阻止筒体内部与外部大气环境的接触。车载装置配备干粉灭火器和阻火器，一旦发生火灾，可以及时阻碍火情的蔓延。罐体尾部用铁链或者橡胶带接大地，用来传导静电，防止发生意外。利用我国自主研发的北斗卫星导航系统的短报文通信功能，可以在紧急情况下通过卫星通信报警，为装置安全又添了一道安全保障。

因为要对储运车进行实时调度监控，所以为装置配备远程监控系统。远程监控系统由定位系统和通讯系统组成，是运输车和监控调度室的双向链接［16］。车载部分主要是多个模块组成的车载终端，利用 GPS和北斗导航技术设计导航定位模块，用4G通信技术设计通信模块。车载终端实时收集传感器和定位系统的数据，简单处理后通过通信模块传输到远程端。这样远程端可以明确车载装置的实时位置和安全状况，并根据相关情况作出科学调度和处置。

4　结束语

NGH储运技术是衔接天然气开发、利用的重要环节，在未来拥有巨大的应用前景。人类对能源的需求量的不断加大，天然气开发和利用技术日趋成熟，我们需要发展NGH储运技术。用陆路运输的方式储运天然气水合物，无论从安全还是从经济可行性角度来说，都是为人类生产和生活带来了极大的效益。车载天然气水合物储运装置的研究仍然在设想的阶段，必须有更多的人才加入到其中，投入更深入的研究，对它不断地完善。我相信在不久的将来，NGH储运技术会使天然气运输业发生革命性的改变。

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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

中图分类号：TE 832

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）01-0179-03

收稿日期：2015-08-07

作者简介：张萌（1988-），女，北京人，助理工程师，2011年毕业于中国石油大学（北京）油气储运专业，研究方向：长输管道。E-mail：zhmm1234@126.com。

通讯作者：李江飞（1988- ），男，讲师，硕士研究生，主要从事油气储运专业的教学和研究。E-mail：cdpcspe@qq.com。