液化石油气(LPG)低温存储技术浅析

液化石油气(LPG)低温存储技术浅析2004-9-29分享到：QQ空间新浪微博开心网人人网一、概述随着我国经济建设的高速增长与人们环保意识的不断增强，对空气污染的治理已提到非常重要的位置。不洁能源的使用，必然使烟尘、汽车尾气等污染源时刻威胁着人们的健康，因而加快治理空气污染，寻求替代的洁净能源就必然成为当务之急了。我国天然气有着巨大的资源。已形成四川、陕甘宁、新疆等三大含气区。近期又探明呼图壁、五彩湾、柴达木等新的气田。此外，南海西部与海南莺歌海盆地等海域已有良好的油气蕴藏量。这些丰富的物质基础给我国寻求替代的洁净能源提供了良好的前景。但我国仍是一个油气资源相对不足的国家，国内自身开采的天然气的年增长量赶不上国内需求量增长的速度，部分缺口将由进口液化天然气来弥补。我国天然气通常采用管道长途运送法，象西气东输(塔里木—上海)、陕西—北京管线等。液化天然气和液化石油气在国际清洁燃料市场中占有重要地位，在当前国际市场供大于求的情况下，抓住机遇，积极有序地进口液化天然气和液化石油气，对推进我国国民经济发展、调整能源结构、改善环境质量、提高生活水平、促进经济与环境以及人与自然的协调发展具有重要意义。本世纪初期将由清洁燃料—液化石油气(LPG)及天然气逐步替代原油及其它成品油产品已经成为大趋势。由于液化石油气的裂解技术较成熟，价格又较压缩天然气低廉，因此，目前国内外采用LPG作为代用燃料的比重仍较天然气为大。LPG最终的替代产品天然气和LNG进入市场还需要时间。我国已初步规划在2010年之前在国内沿海建设7处液化天然气接收终端，目前国内第一个引进LNG接收站的试点工程—深圳秤头角LNG接收站正在建设之中。由于进口LNG项目较大，技术复杂，上、下游商业谈判难度高且建设周期长，项目一般从筹划至投产需六年以上的时间，因而在2007年以前，进口LNG难以大量进入国内市场。至于南海天然气的供应，从目前气田的勘探形势以及从气田的发现到开发和下游利用所需时间来看，2007年以前也是难以进入市场的，因而在近十年中，LPG仍将在国内居统治地位。LPG作为一种清洁、高效、环保的能源产品在中国取得了迅猛的发展，国内的液化石油气需求迅速增加，特别是沿海经济开放地区在相当一段时间内仍处于供不应求的状况，因国内炼厂和油田不可能为沿海地区提供大量的LPG。其原因是一方面炼油厂的液化石油气含有丙烯及丁烯，故有相当一部分炼油厂将其分离后作为化工原料。而且，加上运输条件，内地市场和价格等因素的制约，内地和北方地区的LPG都不可能大量供给沿海地区。故沿海经济开放地区液化石油气来源将继续依靠进口，主要通过中东地区，亚太地区的国家直航进口。而进口液化石油气必需依托船运接卸码头及相应的储气库，因此在沿海经济开放地区建设大型液化石油气低温库，并通过大型全冷冻液化石油气运输船进行进口运作，可以缓解国内市场液化石油气供需矛盾，提高该地区能源贮备，利于市场稳定，创造良好的投资环境，从战略角度看，是十分有利的。由于LPG及LNG供需潜在的巨大市场，近年来，中石油、中石化、中海油、壳牌、BP、美孚乃至于国内众多的民营企业借势突进，动辄耗费数亿、数十亿的战资，投资兴建大型低温液化石油气及LNG储存库。近些年来，我作为一名工程技术人员，有幸多次从事新建大型低温罐区工程的项目管理和技术主持工作。在工作实践中，对国内外一些大型低温液化石油气(LPG)及液化天然气(LNG)接收站的储运技术进行了横向的初步分析研究，并实地考察了国内沿海地区数家较典型的大型低温LPG库区。以下对低温LPG库区的存储技术浅析之：二、LPG储存技术概况目前，世界LPG的储存方法有地上储存和地下储存两种。传统地存储均采用地上钢罐储存方法；地下储存是采用储存在地下岩洞的储存方法。1、地下岩洞的储存方法压缩天然气、液化石油气的地下存储原理基本相同，只是洞库的埋深、再液化装置、防止可用气体外逸的地质对策与措施不同而已。根据地质情况和形成方式，用于LPG储存的地下岩洞分为滤盐岩洞和坑道岩洞两种。滤盐岩洞采用滤盐岩洞溶解矿物工艺，即把淡水注入盐层，将盐逐渐溶化直至达到要求，岩洞的形状构造、压力分布以及温度等必须认真控制，防止贮存产品扩散蔓延，保证设备在使用期内的稳定可靠性；坑道岩洞采用在具有坚硬岩石的构造中挖掘的方法，坑道岩洞贮库的设施由从竖坑的坑道入口横向挖掘的地下坑道所组成，对于这类地下坑道岩洞贮库，必须进行地质、水文、地质力学的仔细勘探，鉴定专用岩洞的构造和位置以保证设施的稳定性和贮存产品的液压。一般这种地下岩洞贮库需要有一个水隔层。鉴于建造地下岩洞库的基本要求，并非所有的地质结构都适合于建造地下贮库(岩洞)，对坑道岩洞，较硬的岩石和更适合的构成通常是建造地下岩洞的最合适的条件。地下岩洞也可以在软的岩石和松散构造的地下岩层中建造，但必须对其加强以确保稳定性，因而造价相应增高。具有关文献介绍，对于地下储气结构要求，涉及二个根本问题：即洞库稳定和水封条件的可靠性问题。前者主要取决于洞库围岩的基本性质、结构面(体)特征和组合，地应力、地震的分布、强度与地形等；后者则与正确判断多年最低地下水位和适宜的渗水量有关。我国海岸线长而曲折，基岩岸约占2/3强，主要由适于建库的块状岩体组成，岩质坚实完整，并多形成低山、丘陵地形，具备建造地下坑道岩洞的良好条件。目前，国内外大规模地下储存LPG，一般分常温高压与低温常压两种方式。前者要求洞库埋深大，使一次性投资增加，但洞库围岩的稳定性与水封条件的可靠性比较容易保证。后者由于埋深浅，其洞库围岩稳定程度与水封条件的保证程度必然低于前者，只是开挖量少于前者而已。由于当今的开挖技术比较先进，所以国内外多用常温储库。国内外的实践证明：这种地下储存库具有占地少、节省钢材与水泥、储品损耗小、安全隐蔽和不污染环境、经营管理方便优点。如果说，冷战时代人们迫于战争需要将传统的地上LPG储罐储存工艺转入地下水封储存，那么，21世纪的今天，基于土地资源匮乏与环境保护之需要，采用地下水封储存工艺也将成为很适宜的选择了，地下岩洞贮库已成为近年来大规模储存LPG的发展方向。目前正在建设的广东珠海九丰阿科能源有限公司2×10万立方米的LPG地下储库工程项目就是一个实例。在国外，较大规模的LPG储存多采用地下岩洞储存方法。自从世界上第一个利用一枯竭的油井作为储存油气的地下贮库于1910年投入运行以来，目前世界上已有400多座利用枯竭的油井和蓄水层储存油气的地下贮库和350座左右滤盐岩洞储存设施，这些地下贮库主要分布在美国的大盐池、加拿大和欧洲；此外，在过去的五十年中，已有70多座在坚硬的岩石中建造的地下洞穴储存设施，这些洞穴储存设施主要在美国、斯堪的纳维亚、南朝鲜和欧洲。在法国，地下储存方式已广泛应用，其地下储存方式包括上述所有形式，储存的产品有天然气、原油、各种加工过的液体烃类、LPG和乙烯。在国外，地下储存方式受到国家和当地政府的青睐。我国已在广东汕头建成了第一座2×10万立方米的地下LPG库，BP投资建设的宁波2×25万立方米LPG库也已经投入使用，广东珠海九丰阿科能源有限公司2×10万立方米的LPG地下储库及锦州LPG库正在建造中。目前世界上建造地下岩洞贮库的技术较多，技术成熟、经验丰富的有法国Geostock公司、美国的PB-KBB公司及韩国的鲜京公司等。以上几家公司都有丰富的建造经验，承担过滤盐岩洞贮库、坑道岩洞贮库、废弃坑道贮库和蓄水层贮库等四类地下贮库的工程建设，都有从设计、建造到操作运行的全部经验。2、地上钢罐储存方法目前世界LPG的储存方法实际采用最多的仍然是地上钢罐储存方法，地上储存又分为常压低温储存和常温高压储存。本文重点将对地上钢罐储存方法进行论述。1)常温高压储存LPG的常温高压储存是指LPG的储存状态是在环境温度，储存在相应饱和压力下。如在50℃丙烷的饱和蒸汽压是1.7Mpa(A),正丁烷为0.49Mpa(A),异丁烷为0.68Mpa(A)。由于储存压力较高，储罐的型式一般采用球形储罐。鉴于球罐壁厚和制作方法的限制，对于丙烷球罐容积一般不超过5000m3(最大已达10000m3)。对于大型储存基地来说，势必造成储罐较多，安全间距要求占地较大。2)低温常压储存LPG的低温常压储存是指LPG的储存状态是常压，温度是常压下的饱和温度。如在常压下丙烷的饱和温度是-42℃,正丁烷的饱和温度是-0.6℃，异丁烷的饱和温度是-12℃.由于是常压储存，储罐的型式一般为拱顶罐，罐的容积一般没有太大的限制。但若容积过大，则在经济上与岩洞储存方式(地下储存)相比则不具有优势，所以一般罐的容积不超过10万立方米。由于是低温储存，一方面要求有很好的保冷措施，另一方面对储罐的钢材有较高的要求，目前国际上常采用双壁金属罐用于储存丙烷，内壁使用低温钢。另外，即使有良好保冷措施，在储存过程中，储罐和管线也会吸收环境热量而产生蒸发的气体，故应设置一套冷冻系统。国际上对于地上低温钢储罐的设计技术已十分成熟，对罐顶支撑钢结构的设计计算、金属罐体的强度计算、乃至对作用在内外罐体和管口的受力情况进行应力分析计算(如分析钢结构及管道荷载、风载，卸船管线输入罐流体时产生的交变应力和热应力等)均采用专业的计算软件。下图所示为采用有限元法计算软件对作用在罐体和管口的受力情况分析模型。3)地上储罐两种储存技术方案的比较和选择常温高压储存和低温储存的比较表比较项目低温常压储存常温高压储存1、罐型低温常压储存球罐2、单台容积100,000m310,000m33、储运成本采用大型低温常压冷冻船，可直接由生产国提供。单位物料运费便宜。一般采用常温高压运输船，容量较小。单位物料运输费较常压低温为高。若采用大型低温常压冷冻船，需要设置大型的丙烷加热装置，卸船单位物料费高4、储罐造价相同储量下，低相同储量下，高5、操作费用相同储量下，高相同储量下，低6、占地面积相同储量下，小相同储量下，大7、安全程度高低通过对常温高压储存和低温常压储存两种储存比较，对于大型地上LPG储存库区宜选择低温常压储存方式为佳。三、LPG地表钢罐常压低温储存技术透析1、丙烷和丁烷的物理性质首先我们来了解LPG的物理性质。丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)均为火灾或爆炸危险物料，火灾危险性类别为甲类，储运加工过程中对此应高度重视。设计需要充分考虑防泄漏，防爆，防静电、防火等安全设施。根据其物质，易于液化存储。其物理性质如下：1)丙烷Propane(化学式为C3H8)50℃17.1bar，-42℃1bar，汽化潜热为103.21kcal/kg分子量44.09熔点-187.1℃沸点-42.1℃闪点气体燃点/组别466℃/T1爆炸极限2.1~9.5V%丙烷无色气体，存在于天然气和石油中，广泛用作燃料2)、正丁烷Butane(化学式为C4H10)50℃4.9bar，-0.6℃1bar汽化潜热为91.94kcal/kg分子量58.12熔点-135℃沸点-0.6℃闪点气体燃点/组别405℃/T2爆炸极限1.9~8.5V%3)、异丁烷isobutane50℃6.8bar，-12℃1bar分子量58.12熔点-145℃沸点-12℃闪点气体燃点/组别460℃/T1爆炸极限1.8~8.4V%丁烷两种气态碳氢化合物的同分异构体中的一种，从石油中合成制得，用作家庭燃料、冷却剂和喷雾推进剂，也可用作合成橡胶的制造。2、低温LPG储罐型式的比较和选择根据液化石油气的物理性质，对存储常压低温丙烷储罐的型式和储罐各部分的结构近年来有了很大的发展，罐壁从最早的单壁罐发展到后来的双壁罐，还有的结合围堰发展成三壁罐；罐顶型式一般采用外拱顶内吊顶型式。低温储罐的罐体结构型式有很多种，但目前世界上常用的LPG低温储罐基本罐型分为两种类型，一种为双壁罐，另一种为单壁罐。双壁罐为双层结构，中间填充绝热材料，所以保冷性能较好，保冷层不需要维护和检修，但成本稍高，且施工难度较大。单壁罐为单层结构，外加绝热层，成本较低，施工容易。以目前的设计和制造水平，两种罐型的安全性和保冷性都能达到要求，但双壁罐的综合性能更优。特别是于大型L