海 航，周小翔，宋斌杰，蔣平安

(南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 260003)

我國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量?jī)H為全國(guó)天然氣消費(fèi)量的3%，國(guó)際平均為12%～15%；我國(guó)LNG接收站罐容占全國(guó)消費(fèi)量的2.25%，日本、韓國(guó)在15%左右[1]。2017年底我國(guó)北方大范圍地區(qū)出現(xiàn)天然氣供應(yīng)緊張局面，充分暴露了我國(guó)儲(chǔ)氣能力不足的短板[2]。2018年4月，國(guó)家發(fā)改委和能源局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快儲(chǔ)氣設(shè)施建設(shè)和完善儲(chǔ)氣調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制的意見(jiàn)》提出“完善油氣儲(chǔ)備體系，提升油氣戰(zhàn)略安全保障供應(yīng)能力。建立完善政府儲(chǔ)備、企業(yè)社會(huì)責(zé)任儲(chǔ)備和企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)庫(kù)存有機(jī)結(jié)合、互為補(bǔ)充的儲(chǔ)備體系”，補(bǔ)足儲(chǔ)氣調(diào)峰短板。2019年6月國(guó)家發(fā)改委、能源局《關(guān)于做好2019年能源迎峰度夏工作的通知》(發(fā)改運(yùn)行1077號(hào))中明確規(guī)定“提前采取增加備用LNG罐箱……來(lái)履行儲(chǔ)氣責(zé)任，補(bǔ)齊儲(chǔ)氣能力不足的短板”。2020年12月，國(guó)內(nèi)LNG價(jià)格第二次破萬(wàn)，各地LNG保供緊張，工業(yè)企業(yè)進(jìn)行限氣限電。LNG罐式集裝箱(以下簡(jiǎn)稱LNG罐箱)作為調(diào)峰儲(chǔ)備的一種新模式應(yīng)運(yùn)而生[3]。

1 LNG罐箱儲(chǔ)備調(diào)峰應(yīng)用

1.1 LNG罐箱優(yōu)勢(shì)

LNG罐箱宜儲(chǔ)、宜運(yùn)、宜海、宜陸，相對(duì)于傳統(tǒng)天然氣管道運(yùn)輸和LNG槽車運(yùn)輸具有不可比擬的靈活性優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在地域靈活性、時(shí)間靈活性和供給量的靈活性方面。地域靈活性使得LNG罐箱可通過(guò)多式聯(lián)運(yùn)供給到管道無(wú)法鋪到的地方；時(shí)間靈活性體現(xiàn)在LNG罐箱可以堆存實(shí)現(xiàn)大量的儲(chǔ)備與調(diào)峰；供給量靈活性使得LNG罐箱的供給可以根據(jù)客戶的需求而實(shí)時(shí)變化。

1.2 LNG罐箱在儲(chǔ)備調(diào)峰上的應(yīng)用

根據(jù)國(guó)家政策，地方政府和城燃公司需履行承擔(dān)當(dāng)?shù)?天或者5%的儲(chǔ)氣責(zé)任。2019年國(guó)家發(fā)改委和能源局已批準(zhǔn)湖北黃石、河北邢臺(tái)、安徽蕪湖和山東濟(jì)寧4個(gè)LNG罐箱試點(diǎn)項(xiàng)目，大大提高了LNG罐箱作為儲(chǔ)備調(diào)峰的應(yīng)用速度，同時(shí)國(guó)內(nèi)LNG罐箱市場(chǎng)保有量也呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)上升。利用LNG罐箱季節(jié)存儲(chǔ)，可以形成至少2個(gè)月的無(wú)損存儲(chǔ)，夏季充裝、冬季使用。以遼寧省為例[3]，2020年底，需14個(gè)LNG罐箱儲(chǔ)存站及1262臺(tái)罐箱才能滿足全省各市的儲(chǔ)氣要求。

1.3 LNG罐箱調(diào)峰儲(chǔ)存過(guò)程中BOG產(chǎn)生量

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主流40 ft(注：1ft=30.48 cm)罐箱為1AA型，采用高真空多層絕熱技術(shù)[4]，罐箱有效容積41 m3，罐箱平均漏熱160 W，單臺(tái)罐箱產(chǎn)生BOG約27 kg/d，罐箱的無(wú)損儲(chǔ)存天數(shù)基本都能達(dá)到70 d以上，冬季調(diào)峰儲(chǔ)存周期平均為60 d。不同存儲(chǔ)天數(shù)對(duì)應(yīng)的罐內(nèi)介質(zhì)的物理變化情況見(jiàn)表1。

表1 40 ft LNG罐箱不同儲(chǔ)存天數(shù)罐內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)后，罐內(nèi)天然氣可以實(shí)現(xiàn)零排放，但LNG會(huì)變成“高溫液”(高溫液是由于LNG溫度過(guò)高。對(duì)于具備直接氣化進(jìn)入管網(wǎng)的儲(chǔ)備站，高溫液可以直接使用)?？紤]目前國(guó)內(nèi)LNG罐箱調(diào)峰堆場(chǎng)還不夠成熟，儲(chǔ)備廠主要用于儲(chǔ)液，一方面完成儲(chǔ)備任務(wù)，另一方面也存在套利空間。儲(chǔ)備后未能有效利用的罐液，當(dāng)?shù)谷爰託庹?、點(diǎn)供站或者氣瓶時(shí)會(huì)引起接收罐壓力快速上升導(dǎo)致BOG排放(一般認(rèn)為L(zhǎng)NG升溫超過(guò)10℃即為高溫液)，高溫液在市場(chǎng)上接收度不高，目前主要處理方式包括排放BOG降溫降壓以市場(chǎng)價(jià)銷售和以低于市場(chǎng)價(jià)200～500元/t直接進(jìn)行銷售。

1.4 LNG罐箱BOG處理

BOG的處理方式主要有：

1.BOG并入管網(wǎng)。由于LNG罐箱儲(chǔ)存站一般建立在城市郊區(qū)的獨(dú)立區(qū)域，除了少數(shù)和LNG調(diào)峰站一起建設(shè)的儲(chǔ)存站具備并入管網(wǎng)的條件外，大多數(shù)LNG罐箱儲(chǔ)存站不具備直接連接管網(wǎng)的條件。LNG罐箱調(diào)峰作為冬季儲(chǔ)備措施，BOG并入管網(wǎng)的地域局限性大。

2.BOG壓縮回收。BOG壓縮回收設(shè)備數(shù)量多，投資大，且危險(xiǎn)系數(shù)高，僅可適用于CNG加氣站。

3.BOG再液化回收。考慮罐箱本身用于儲(chǔ)存，再液化回收是LNG罐箱BOG最有效的處理方式。

綜合LNG罐箱BOG產(chǎn)生量、儲(chǔ)存站場(chǎng)地限制及投資成本，小型撬裝式BOG再液化回收裝置是BOG處理最好方式之一。

2 小型撬裝式BOG液化回收裝置在

LNG罐箱堆場(chǎng)的應(yīng)用

基于小型LNG儲(chǔ)存設(shè)備的應(yīng)用，參照我司前期與上海交大合作研究成果，選用市場(chǎng)已形成標(biāo)準(zhǔn)化的熱聲制冷機(jī)的BOG再液化裝置，裝置的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1，主要構(gòu)成見(jiàn)圖2。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理

圖2 產(chǎn)品主要構(gòu)成

主要設(shè)備包含大功率熱聲制冷機(jī)及其電控系統(tǒng)、制冷機(jī)冷頭及其擴(kuò)展換熱器、液化杜瓦、BOG管路和LNG回流管路。具有體積小、可撬裝、機(jī)動(dòng)運(yùn)輸、開(kāi)停方便等優(yōu)點(diǎn)。以儲(chǔ)罐為例流程示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 BOG再液化裝置流程

大功率熱聲制冷機(jī)參數(shù)如下：電機(jī)(壓縮機(jī))380 V交流，功率10 kW，制冷量為1.0～1.5 kW@120 K，500～600 kW@80 K，重量約210 kg，外形尺寸Φ700 mm×900 mm，防爆等級(jí)為本安型。通過(guò)測(cè)試，裝置具有較好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。氮?dú)庖夯瘻y(cè)試[5-6]，在工作壓力0.3 MPa下，制冷功率隨時(shí)間增加而變大，測(cè)試到的凈制冷功率穩(wěn)定為438 W@80 K。BOG試運(yùn)行測(cè)試表明[7]，BOG日均再液化能力約為85～120 kg/d。開(kāi)發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品目前可以達(dá)到制冷量>1 kW@120 K，輸入功率<10 kW，LNG液化率大于95%。

產(chǎn)品用于LNG罐箱調(diào)峰儲(chǔ)存站見(jiàn)圖4，撬裝再液化裝置安裝于滑動(dòng)可升降平臺(tái)之上，可以調(diào)節(jié)液體回流高度差，以滿足罐箱堆疊的使用需求。罐箱氣液相分別與裝置進(jìn)口和回流口連接，可實(shí)現(xiàn)罐箱逐臺(tái)BOG再液化。

圖4 BOG再液化裝置在LNG罐箱上的應(yīng)用

3 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析

前期多名學(xué)者研究對(duì)比過(guò)BOG再液化的經(jīng)濟(jì)性[8-9]，對(duì)于LNG罐箱調(diào)峰應(yīng)用，產(chǎn)生的BOG并不會(huì)直接排放，罐內(nèi)LNG儲(chǔ)存后溫度壓力上升，一是可以作為高溫液降價(jià)銷售，二是可以排空BOG降溫降壓后市場(chǎng)價(jià)銷售，三是可以使用此再液化裝置降溫降壓后市場(chǎng)價(jià)銷售。以存儲(chǔ)60 d調(diào)峰罐箱為例，LNG市場(chǎng)價(jià)格4000元/t計(jì)算(忽略市場(chǎng)價(jià)變化)，三種處理方式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 BOG處理方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

綜上，對(duì)于存儲(chǔ)60 d的罐箱，使用再液化裝置至少可節(jié)約2000元/罐，撬裝再液化裝置的市場(chǎng)價(jià)格在20～25萬(wàn)人民幣，對(duì)于一個(gè)存儲(chǔ)量100臺(tái)罐箱的儲(chǔ)存站，不考慮液價(jià)上升的前提下，單臺(tái)液化裝置的投資回報(bào)期不超過(guò)1 a。

2019年10～12月，某公司共存儲(chǔ)20個(gè)LNG罐箱，罐箱初始充裝17 500 kg/臺(tái)，存儲(chǔ)40 d后，罐內(nèi)平均升溫15℃，其中3臺(tái)進(jìn)行排壓降溫，共排掉近800 kg/臺(tái)，損失3200元/臺(tái)，剩余17臺(tái)按高溫液降價(jià)200元/t，以低于市場(chǎng)價(jià)每罐3500元銷售。

4 結(jié)果和討論

1.本例經(jīng)濟(jì)性分析未考慮罐箱一年內(nèi)多次調(diào)峰儲(chǔ)備帶來(lái)的收益，主要原因是LNG罐箱調(diào)峰儲(chǔ)備是保障能源供給的政策性措施，體現(xiàn)在能源安全方面。在LNG價(jià)格沒(méi)有大幅上漲情況下，考慮罐箱設(shè)備投資，儲(chǔ)備站建設(shè)投資及運(yùn)營(yíng)等因素，LNG罐箱儲(chǔ)備調(diào)峰目前還不能形成盈利能力，但對(duì)于維護(hù)民生能源需求，穩(wěn)定市場(chǎng)價(jià)格具有重要作用。罐箱BOG再液化回收是減少其作為儲(chǔ)備調(diào)峰使用的成本措施之一。

2.對(duì)于與大型調(diào)峰站一起建設(shè)的LNG罐箱儲(chǔ)存站，罐箱的BOG可直接進(jìn)入管網(wǎng)則無(wú)需進(jìn)行再液化。對(duì)于單獨(dú)建設(shè)的罐箱儲(chǔ)存站，罐箱堆存間隙在1.5 m左右，可以滿足小型撬裝再液化裝置對(duì)每臺(tái)罐箱進(jìn)行再液化的操作空間。

3.除了對(duì)LNG罐箱調(diào)峰儲(chǔ)備站，對(duì)于LNG罐箱長(zhǎng)周期海運(yùn)、長(zhǎng)周期的多式聯(lián)運(yùn)工況，同樣可以使用再液化裝置進(jìn)行BOG的回收。

4.單臺(tái)LNG罐箱BOG量比較少，可以使用液位計(jì)氣液相管作為罐箱的再液化氣液相管路，這樣罐箱無(wú)需進(jìn)行改造便可使用撬裝再液化裝置。改造使用門(mén)檻低。

5 結(jié) 語(yǔ)

分析了小型(≤200 kg/d)撬裝式BOG再液化回收裝置應(yīng)用于LNG罐箱調(diào)峰儲(chǔ)備站的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.LNG罐箱長(zhǎng)周期調(diào)峰儲(chǔ)備后罐內(nèi)BOG進(jìn)行再液化是有效的處理方式之一，使用小型撬裝式再液化裝置，對(duì)于儲(chǔ)存60 d的單罐LNG，BOG回收成本可降低2000元/罐；對(duì)于規(guī)模在100臺(tái)的儲(chǔ)備站，裝置的整體投資回報(bào)率在1 a以內(nèi)。

2.撬裝式BOG再液化裝置尺寸小，適用性廣，在罐箱堆場(chǎng)間隙即可使用，同時(shí)可通過(guò)移動(dòng)式可升降平臺(tái)對(duì)疊放罐箱進(jìn)行液化，不占用儲(chǔ)備站額外面積。

3.使用小型撬裝式再液化裝置無(wú)需對(duì)LNG罐箱進(jìn)行改造，在現(xiàn)有罐箱的液位計(jì)氣液相管上分出管線接入裝置接口使用，使用便利，可充分使用儲(chǔ)備站內(nèi)部資源，不另增加運(yùn)營(yíng)成本。