LNG储存技术研究现状

华 创，张 帆，胡洪兵，高利波，张 杰



LNG储存技术研究现状

华 创，张 帆，胡洪兵，高利波，张 杰

（中国石油大学（北京） 油气管道输送安全国家工程实验室/石油工程教育部重点实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249）

LNG作为一种高效清洁的能源，在能源供应中占有越来越大的比例。因为其易燃、易爆性，且必须在低温-162 ℃下保存，所以需要克服许多技术难题。在LNG的工业链中，储存和运输是两个非常重要的环节。LNG的储存不仅要保持这种低温状态，更是要防止分层，翻滚，老化，泄漏等可能引发的事故。所以LNG储存设备及相关技术是LNG工业发展的重要因素。对LNG储存技术的研究现状进行阐述和总结。

LNG；低温；储存技术

液化天然气（liquefied natural gas）是一种清洁、高效的能源，是无色、无味、无毒且无腐蚀性的液体。其体积约为同量气态天然气体积的0.167%，重量仅为同体积水的45%左右。

LNG作为清洁高效能源，受到许多国家的青睐。近年来天然气在能源供应中的比例迅速增加，液化天然气正以每年大约12%的增速高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。

在LNG的工业链中，其储存和运输是两个重要的环节。我们都知道天然气是易燃、易爆气体，LNG是将天然气经过超低温常压液化，临界温度为-162℃。LNG的储存不仅要保持这种低温状态，更是要防止分层、翻滚等可能引发的事故。所以LNG储存设备及相关技术是LNG工业发展的重要因素。

1 LNG储存技术现状

1.1 LNG储罐低温储存技术

LNG的特殊性质要求其必须储存在-162 ℃以下，所以LNG储罐低温储存技术的突破是LNG发展的重中之重。LNG储罐的发展经历了从单容罐到双容罐，再到全容罐和薄膜罐的历程。LNG储罐结构复杂，施工难度大，安装标准高，且由于储存物必须维持超低温，更要保证良好的绝热效果。

因为LNG的储存温度的环境温度可能相差200℃，这么大的温差下，保温材料的选择对保温效果起着非常关键的作用。LNG储罐的保冷绝热材料应该满足导热系数小、吸水率小、抗冻性强、耐火性好、极低温度下不开裂、不易霉烂、机械强度高、经久耐用、价格适宜及施工方便等要求。现在常用于LNG储罐保冷绝热的材料有：内罐为镍的质量分数为9%的镍钢，外罐为预应力钢筋混凝土，内外罐之间用膨胀珍珠岩，弹性玻璃纤维或泡沫玻璃砖等。

樊宏伟[1]针对山东液化天然气工程16万m3的储罐罐底保冷技术做了详细介绍。大型LNG低温储罐一般为全容式预应力混凝土双壁单吊顶储罐。作者介绍的16万m3储罐内罐直径80 m，外罐内径82 m，罐体高度51.943 m，容积16万m3，LNG储存温度为-162 ℃。罐体保冷系统分为罐底保冷、罐壁保冷和罐顶保冷，同时罐底保冷又分为三部分构成，包括罐底环形边缘区保冷、罐底中心区保冷和热角保护保冷。储罐的不同部位应该使用不同的保温材料。经过计算16万m3储罐保温的一个关键区域是储罐底板，整个储罐建成后日蒸发率为0.047%。底部保温层应该使用泡沫玻璃砖，除了其较好的保温性能之外，这种材料具有足够的机械强度，可以承受罐体负荷。

Reginald B Kogbara[2]等研究了混凝土在低温下的特性。9％镍钢被用于LNG储罐的主密封，如果可以用混凝土代替镍钢作为初级密封，储罐的成本会显著降低。文献[2]研究了低温冻结对混凝土的工程性质的影响，以及混凝土的微观结构变化。研究方案是将混凝土立方体在水下固化至少28d，然后从环境温度（20℃）放置到低温（-165 ℃）冷冻。在冷冻过程中放置在混凝土中的传感器发射X射线，计算机通过扫描研究混凝土芯的微观结构变化。通过研究相关的变化，以生产耐低温的可以作为LNG初级密封的混凝土。

何立胜[3]对现有的LNG储存技术进行了总结，认为其可分为两种。一种是常压低温储存，这种方法的储存压力大约为10 kPa。许多大规模的存储会首先考虑到这种方式，其优点是投资相对较少，缺点就是工艺比较复杂，因为它主要储存容器是采用常压拱顶低温储罐。另一种是带压子母罐储存，该方式最大的优势就是工艺相对简单，缺点就是由于受到子罐制造容积的限制，只适合中小规模，难以满足大规模的LNG 储存。LNG带压储存的子罐通常设计压力为0.8 MPa，储存压力大约为0.3 MPa。母罐用于保冷和抗风荷载，内外罐之间用保冷绝热材料填充。

王刚[4]研究指出LNG储罐的发展经历了从单容罐到双容罐，再到全容罐和薄膜罐的历程。总体来看这四种罐形各有优缺点，因此在选择罐形的时候要综合考虑技术、安全、经济、占地面积等因素进行合理选择。目前全容罐的应用最多，因为全容罐的设计压力和操作压力相对较高，需要处理的BOG量相应减少，也可以利用自身的压力进行卸料，降低了操作运营费用。单容罐和双容罐的最大优势是建设周期短且投资费用较低。

1.2 LNG储存安全及预警技术

由于LNG和气化后的天然气都有易燃、易爆的性质，所以在储存过程中不仅要保持低温的环境，更是要保证储存的稳定和安全性。先进的预警技术能够准确检测罐内的情况，防止发生分层，翻滚，泄漏等恶劣事故。

王文彦[5]阐述了LNG的分层翻滚的形成机理及预防。分层翻滚是因为LNG长时间后会出现分层，然后下边的温度升高，上边的温度较低，可能出现下边的LNG突然上升，压力降低，处于过热状态，进而出现剧烈的翻滚，如图1所示。预防翻滚主要是防止分层，可以采用以下措施：（1）将不同产地的LNG分开储存；（2）使用混合喷嘴和多孔管，使新充入的LNG和原有的充分混合；（3）控制LNG的含氮量不超过1%；（4）长期储存的LNG采取定期倒罐防止分层。

图1 LNG翻滚图示

Laura A.Pellegrini[6]等研究了LNG储罐周围环境与储罐的传热热流速度，建立可以预测LNG老化程度的模型。液化天然气是微正压下储存，并且管壁高度绝热，但是由于高温差不可避免会散失冷量，汽化会始终存在。罐内气体混合物和液相的密度的变化称为LNG老化或风化。文献[6]通过研究获得一个模型，可以预测随着时间的变化罐内的老化程度。和其他以前开发的模型不同，该模型不需要汽化率的相关知识和数据，它是从热流速率来实现的。并且其预测结果与实验数据类似，可以对储罐情况进行预测，保证LNG的储存安全。

Pooya Arjomandnia[7]等根据现有的LNG发生翻滚的有效数据，建立模型预测可能发生翻滚的时间和临界值。文献[7]主要是监测LNG分层的组合物或LNG分层的密度来进行计算的。通过分析Bates和Morrison的图形数据的稳定性，从发生翻滚的LNG对流相分离出的扩散相临界比率，c大约为3.8左右。然而，与其它报告中的LNG翻转事件相比，模型预测的翻转时间过短，因为传质系数的值较大。该研究的结果是，可以用一个更小的传质系数来提高准确性，并通过监测多组分体系的稳定比率，可以进一步提高传质体制的临界值计算精度。

Juan A.Vilcheza[8]等对液化天然气泄漏的情况下，其燃烧下限（LFL）的浓度之间的差距，和对应的LNG蒸汽云的可见轮廓下限（VIS）的关系进行了研究。LNG的泄漏分散的安全系数（DSF）被定义为LFL和VIS这两个长度之间的比率，并提出了估算DSF的两个表达式。在LNG储存期间，若出现紧急情况，DSF用来表示点火和爆燃的危险性，并且是一个可靠的参数。

Sangeun Roh[9]等通过求解LNG蒸发的质量、动量和能量守恒方程，结合CFD软件和FLUENT数值研究。可以对LNG储罐自然对流状态下，在液-气界面蒸发气体（BOG）气化速率的热平衡的预测。作者还研究了储罐的增压时，BOG的生成情况。最终数值表明，BOG的生成强烈依赖于储罐内垂直方向的温度分布和增压的具体方式。

Dae Woong Ha[10]等研究了一种新的LNG储存信息传感系统。LNG储罐必须采取措施防止泄漏和外部冲击产生破坏。这种安全要求是非常高的，所以作者开发了一套新的安全管理系统，是基于一个低频的无线通信网络上，可以补充现在有线传感器系统的缺陷，是通过LNG储罐的混凝土壁实现的。

M.W.Lukaszewski[11]等通过改善现有的LNG存储模型，以提高LNG储存的安全性和经济化管理。文献[11]通过反演两个方法进行比较。第一个对实时逆向的开发优化方法进行了分析。另一种方法是基于非线性参数估算来规划线性方程，可以突破前一种方法的主要限制。这两种方法都显著改善的LNG的储存模型，提高了预测的可信度，并且对优化LNG储罐的设计和存储管理有重要的指导意义。

Nicola Paltrinieri[12]等研究了LNG的储存安全预警技术。传统的风险识别过程难以包括新技术和新设备的一些情况，不一定能做出准确的预警。该研究通过创新的技术和液化天然气再气化设施，系统地对LNG的储存状态有了较高的认知潜力。该技术的目的是从LNG终端的典型事故中学习，然后系统地给出准确的预警。

1.3 LNG海上运输储存技术研究

LNG运输过程必须维持在低温环境下，由于受到环境状况、技术条件和运营成本的限制，管道运输在我国并没有广泛使用。相比之下海上运输运价低廉，单次运量大，但是海上运输容易发生火灾，冻伤和窒息事故，因此LNG海上运输储存技术的发展也至关重要。

王建军[13]等介绍了LNG三种常见的运输中的储存技术。管道运输一般只在接收站内使用，由于保冷绝热材料不可能不散失冷量，所以LNG接卸站的管道采用循环输送的方式保持低温。LNG公路运输技术要求较低，成本也不算特别高。LNG海上运输运价低廉，单次运量大，但是海上运输时，LNG运输船要严格密封，防止泄漏。操作人员也要熟练谨慎操作，在开关液化舱门一定要穿安全服和防护手套。并且要注意通风，并且监测含氧量，必须达到人体自主呼吸要求以上。

Yeelyong Noh[14]等结合动态过程模拟（DPS）和蒙特卡罗模拟（MCS）来确定LNG运输船上储罐的设计压力的新方法。因为储罐的压力会随时间发生变化，DPS被用来预测压力分布情况。故障的发生具有很强的随机性，用MCS生成离散事件，来创建一个寿命场景。结合长期的DPS压力曲线，可以提供基于风险的评估信息，也能确定基于设计压力的风险验收标准。

Bin Xie[15]等主要研究了浮动式LNG的一些储存技术，包括在液化过程中，LNG储罐晃动的问题和LNG储罐的选择和布局。LNG储罐晃动通过数值模拟和模型试验，可以得到晃动的情况并进行优化处理。最后，作者对LNG船的储存运输风险进行评估，这对海上LNG的安全性是非常重要的。

Michael S[16]介绍了浮动LNG储存技术的发展。当今世界各地的成功运营很多浮动LNG接收终端，这是需要很多技术支撑的。文献[16]提到了海上的船到船LNG转移，液化天然气泄漏和用气安全，水冷却系统逐渐成熟。最关键的就是浮式液化储存技术。海上浮动LNG储存的发展，会节省天然气的开发运输成本，提高LNG的经济性。

2 总结及展望

液化天然气作为新型的绿色燃料，符合我国经济可持续发展和环境保护的要求，近年来发展速度非常快。但是其存储设备投资成本高，存储技术复杂，所以需要针对储存技术进行深入研究。本文介绍了近年来LNG储存的最新技术，包括储罐保冷绝热，建立安全预警模型预测和预防LNG发生分层、翻滚，LNG海上运输储存等技术。LNG储存技术的持续发展，会提高储存的安全性，降低运营成本。结合LNG高效，清洁，环保的优势，在未来LNG一定会有更为广阔的应用前景。

［1］ 樊宏伟.全容式LNG储罐罐底保冷技术概述[J].工程技术,2014(03-62-66):1672-9323.

［2］ Reginald B.Kogbara,Srinath R.Iyengar,Zachary C.Grasley. Relating damage evolution of concrete cooled to cryogenic temperatures to permeability[J].Cryogenics,2014, 64 :21–28.

［3］ 何立胜.液化天然气储存及应用技术研究[J].中国石油和化工标准与质量, 2014(09):1673-4076.

［4］ 王刚.液化天然气储存及应用技术探究[J].中国石油和化工标准与质量,2013(03):1673-4076.

［5］ 王文彦.LNG储存中的安全问题[J].油气储存,2013(12):1301 -1303.

［6］ Laura A.Pellegrini,Stefania Moioli,Fabio Brignoli.LNG Technology:The Weathering in Above-Ground Storage Tanks[J].Industrial Engineering Chemistry Research,2014,53:3931−3937.

［7］ Pooya Arjomandnia,Moses O.Tade, Vishnu Pareek.Analysis of Available Data from Liquefied Natural Gas Rollover Incidents to Determine Critical Stability Ratios[J]. American Institute of Chemical Engineers,2013.

［8］ Juan A.Vilcheza,Diana Villafaneb,Joaquim Casal.A dispersion safety factor for LNG vapor clouds[J].Journal of Hazardous Materials, 2013, 246–247:181–188.

［9］ Sangeun Roh,Gihun Son,Gildal Song. Numerical study of transient natural convection in a pressurized LNG storage tank[J]. Applied Thermal Engineering 2013,52:209-220.

［10］ Dae Woong Ha,Yun Mook Lim,Hyo Seon Park.Safety Management of LNG Storage Tank’s Concrete Wall Using Wireless Sensor System [J].International Society of Offshore and Polar Engineers,2013.

［11］ M.W.Lukaszewski, W.B.J. Zimmermana, M.T. Tennantb. Application of Inverse methods based algorithms to LNG storage management[J]. chemical engineering research and design ,2013,91:457–463.

［12］ Nicola Paltrinieria,Alessandro Tugnolib,Valerio Cozzani.Hazard identification for innovative LNG regasification technologies[J]. Reliability Engineering and System Safety,2014,S0951-8320 0031: 3-5.

［13］ 王建军，王晓明，侯晓藤. LNG的储存和运输[J]. 中国石油和化工标准与质量2013，1673-4076:11.

［14］ Yeelyong Noh,Kwangpil Chang,Yutaek Seo,Daejun Chang. Risk- based determination of design pressure of LNG fuel storage tanks based on dynamic process simulation combined with Monte Carlo method. Reliability Engineering and System Safety2014,129:76–82.

［15］ Bin Xie,Xiao Liu,Xichong Yu.The Floating Liquefied Natural Gas Production, Storage and Offloading Technology Research[J]. Offshore Technology Conference-Asia ,2014,25006.

［16］ Michael S.Choi.Floating LNG Chain-Finally a Reality[J].Society of Petroleum Engineers,2014 October:27-29.

Research Status of LNG Storage Technology

HUA Chuang，ZHANG Fan，HU Hong-bing，GAO Li-bo，ZHANG Jie

（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety/MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering/Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249，China）

LNG as an efficient and clean energy, plays an increasingly large proportion of the energy supply, Because it is flammable and explosive, and must be stored at low temperature of -162 ℃,it is necessary to overcome many technical problems. In the industrial chain of LNG, storage and transport are two very important links.LNG storage is not only to maintain the low temperature condition, but also to prevent delamination, rolling, aging, leakage and other possible incidents. So LNG storage equipment and related technology are important factors in the development of the LNG industry. In this article, research status of LNG storage technologies was summarized.

LNG; low temperature; storage technology

TE 624

A

1671-0460（2016）06-1267-04

2016-01-22

华创（1992-），男，陕西省咸阳市人，在读硕士研究生，2014年毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，研究方向：从事石油天然气储运方面研究。E-mail：hua.beater@qq.com。