中國(guó)擁有 32,000 公里長(zhǎng)的海岸線和超過(guò)三分之一陸地面積的海域，海洋資源尤其是油氣資源十分豐富。數(shù)據(jù)表明，中國(guó)海上油氣資源約占全國(guó)總量的三分之一， 其中天然氣資源占很大比例。僅南海的西南部，待探明的天然氣總地質(zhì)儲(chǔ)量就有約 16 萬(wàn)億立方米，非常可觀。近三年來(lái)，隨著國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要（2011-2020）》的實(shí)施，中國(guó)新增天然氣儲(chǔ)量約有 2.3萬(wàn)億立方米，連續(xù)發(fā)現(xiàn)了 6 個(gè)千億立方米的氣田，2014 年在距海南島陵水 150 公里處的深水海域發(fā)現(xiàn)了陵水17-2 氣田就是其中之一。
陵水 17-2 氣田位于南海瓊東南盆地深水區(qū)，平均作業(yè)水深 1,500 米，為超深水氣田，日產(chǎn)天然氣 5,650 萬(wàn)立 方 英 尺， 相 當(dāng) 于 9,400 桶 原 油 當(dāng)量，創(chuàng)造了中海油自營(yíng)氣田單井日產(chǎn)量最高記錄，目前正在進(jìn)一步勘探開發(fā)之中。此外，位于珠江口盆地，距香港 320 公里，水深 1,480 米處的荔灣 LW-31 氣田，也于 2014 年投產(chǎn)，年產(chǎn)量 100 億立方米。荔灣氣田天然氣資源量超過(guò) 1,000 億立方米，是中國(guó)目前海上最大的氣田。當(dāng)然，除南海之外，東海、渤海也均有待探明的和已投產(chǎn)開發(fā)的氣田?？傊瑹o(wú)論是已投產(chǎn)開發(fā)的氣田，還是探明待開發(fā)的氣田，都會(huì)涉及一個(gè)天然氣輸出方案及其核心運(yùn)輸裝備的問(wèn)題。為此，一套最適用于海上天然氣運(yùn)輸?shù)难b備方案變得十分重要。
距岸中短距離海上輸氣最佳方案
目前，國(guó)內(nèi)外采用的海上氣田的天然氣輸出方案有幾種。常用是海底管道輸送方案。海底管道方案是將海上氣田的天然氣通過(guò)海底管道先輸送到處理、加壓中心平臺(tái)上， 經(jīng)初步處理、 加壓后，再經(jīng)過(guò)海底管道送至陸上終端；也可以將氣井的天然氣采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)，直接通過(guò)海底管道輸送到陸上終端進(jìn)行處理。這種方案不僅海底管道及中心平臺(tái)工程浩大，投資高，工期長(zhǎng)；而且還不能進(jìn)行早期生產(chǎn)及滾動(dòng)開發(fā)，也不宜用于邊際氣田及深水。通常這種方案多是用于近海、淺水海域的高產(chǎn)量的氣田。
當(dāng)前，國(guó)外正在研發(fā) FLNG 多功能平臺(tái)。在 FLNG 多功能平臺(tái)上，將來(lái)自氣井的天然氣冷凝抽提、氣體提純處理之后，進(jìn)行液化，使其成為液化天然氣（LNG）儲(chǔ)存起來(lái)，再定期卸載用 LNG 運(yùn)輸船運(yùn)至岸上。FLNG 多功能平臺(tái)如圖 1 所示，是在僅有岸上天然氣液化工廠面積的 1/4 的甲板上，安置一座工藝流程十分緊湊的天然氣液化工廠，并設(shè)有始終處在常壓和 -162℃低溫條件下的 LNG 儲(chǔ)罐，并可以卸載到LNG 運(yùn)輸船上運(yùn)走。
FLNG 實(shí) 質(zhì) 上 是 一 座 LNG 的FPSO，它具有與 FPSO 相同的船型及定位方式，由于天然氣液化過(guò)程中，其體積驟縮 600 倍，因而有利于對(duì)天然氣的儲(chǔ)存；與相同規(guī)模的岸上液化天然氣工廠相比，投資可減少約 20%，建設(shè)工期也可減少約 25%；尤其是FLNG 在深水可與水下生產(chǎn)系統(tǒng)組合，在淺?？膳c導(dǎo)管架井口平臺(tái)或自升式鉆采平臺(tái)組合，機(jī)動(dòng)性非常好。由于FLNG 的投資低、移動(dòng)性好、可重復(fù)使用，且具有較大的抗風(fēng)浪能力、大產(chǎn)量的油氣水生產(chǎn)處理能力和 LNG 儲(chǔ)存能力，特別適用于深水氣田。同時(shí) FLNG的強(qiáng)機(jī)動(dòng)性以及良好的移動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性，還可促使邊際油氣田得到高效開發(fā)，并適合用于海上氣田的早期開發(fā)及滾動(dòng)開發(fā)。 成為深海氣田、 邊際氣田、伴生氣田以及離岸非常遠(yuǎn)（4,000 公里以上 LNG 運(yùn)輸船經(jīng)濟(jì)性好）的氣田的首選。
近幾年，國(guó)外正研發(fā)一種新方案和新裝備，如圖 2 所示。該方案是將天然氣壓縮到十幾到二十幾兆帕壓力，在常溫或低溫（如 -29℃）下儲(chǔ)存在船上的容器內(nèi)，直接通過(guò)運(yùn)輸船將天然氣運(yùn)走，故將其稱為 FCNG 方案。CNG 船的運(yùn)量雖僅為同樣的 LNG 運(yùn)輸船的 1/3，但因 FCNG 方案不需要海上的天然氣液化裝備，以及 LNG 運(yùn)至陸上終端后的氣化設(shè)施，在運(yùn)輸過(guò)程中也不需要保持 LNG 超低溫，故其對(duì)離岸中短距離和低儲(chǔ)量氣田的開發(fā)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外評(píng)估表明：當(dāng)氣體容量為 5.664~14.16×10 6 m 3 、距離海岸 1,100~4,500km 時(shí)，用 CNG 船比LNG船和管道運(yùn)輸更節(jié)省成本。 例如，相同輸量而且同為 1,500km 輸送距離時(shí)，CNG 船的總體運(yùn)輸費(fèi)用 ( 考慮投資、成本和操作費(fèi)用 ) 僅為 LNG 船運(yùn)輸?shù)?40%~50%；并且運(yùn)載 CNG 的船還可以重新改裝使用，利用率很高；CNG 船與 FLNG 一樣，也可適用于低儲(chǔ)量海上氣田以及海上邊際氣田，采用 CNG 運(yùn)輸船直接運(yùn)氣方案是距岸中短距離的海上氣田天然氣輸出的最佳方案。
CNG 專用儲(chǔ)存容器
CNG 的儲(chǔ)存容器是影響 CNG 船及運(yùn)輸 CNG 的經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)高壓氣罐運(yùn)送 CNG 的費(fèi)用太高，一艘容量為 9.344×10 6 m 3 的船，儲(chǔ)氣容器若采用加拿大新產(chǎn)品 Coselle 容器，則總運(yùn)輸費(fèi)用約為 11,000 萬(wàn)美元，而若用傳統(tǒng)高壓氣罐作為容器，至少要 30,000 萬(wàn)美元。CNG 專用容器基本上采用一般高壓容器用的鋼材，近年出現(xiàn)了兩種新材料。一種是復(fù)合材料，這種高性能復(fù)合材料抗腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高，因而容器質(zhì)量輕、承壓高、安全性高，且可在常溫下操作。在同等容積和壁厚的條件下，它比全鋼容器要輕約 35％，經(jīng)濟(jì)效益高。使用復(fù)合材料專用容器運(yùn)輸 10 萬(wàn) m 3 的 CNG 費(fèi)用約為 1~1.25 億美元，且容器的總重量少于 35,000 噸，而一艘載重量 60,000噸的巴拿馬型散貨船，使用全鋼容器，卻只能容納 12.7 萬(wàn) m 3 CNG。另一種新材料是纖維強(qiáng)化塑料，這種纖維強(qiáng)化塑料的 CNG 專用容器，目前已由加拿大 Trans Ocean Gas 公司研發(fā)成功，它可在 -40℃及 24MPa 工況下儲(chǔ)氣。船的儲(chǔ)氣系統(tǒng)由多個(gè)模塊化的框架焊接而成，便于安裝連接，且可避免船體晃動(dòng)的影響。每個(gè)模塊是一個(gè)框架，框架中直立安裝多個(gè)專用氣瓶，氣瓶由位于框架頂部和底部的閥組和管道連接成一體，如圖 3 所示。
CNG 專用容器的主要型式
臥式圓盤型。臥式圓盤型是加拿大研發(fā)的 Coselle，每個(gè)圓盤直徑為15~20m，高 2.5~4.5m，重約 550t，圖 2 美國(guó)研發(fā)的全球首艘 V800 型 CNG 船圖 3 一個(gè)模塊的框架及其中的纖維強(qiáng)化塑料的 CNG 專用容器圖 4 臥式園盤型 CNG 專用容器及其裝載用船16km 長(zhǎng)， 可 裝 載 約 8.495×10 4 m 3 ，見圖 4 所示。臥式圓盤型 CNG 專用容器的優(yōu)點(diǎn)包括：運(yùn)量多變，Coselle 數(shù)量不同時(shí)，運(yùn)量差異較大，通過(guò)改變船只數(shù)量即可改變運(yùn)量，還可采用改變氣體壓力來(lái)改變單船運(yùn)量；建造方便，用 Coselle 儲(chǔ)氣容器的 CNG 運(yùn)輸船，基本上都是由標(biāo)準(zhǔn)的散貨船改建而成，普通造船廠即可建造，成本可大大降低；裝卸簡(jiǎn)便，大直徑管盤大大減少了裝卸接頭的數(shù)量，從而使船的裝卸非常簡(jiǎn)便。
立式長(zhǎng)柱型。立式長(zhǎng)柱型是美國(guó)研發(fā)出的 VOTRANS 產(chǎn)品。該專用容器是在 -29℃低溫及 10~13MPa 壓力下儲(chǔ)藏 CNG ，它是由 24 個(gè) 36m 長(zhǎng)的長(zhǎng)柱型氣罐組成一組，100 組可以裝載 2×10 7 m 3 ，見圖 5 和圖 6 所示。采用立式長(zhǎng)柱型的運(yùn)輸船裝卸過(guò)程是利用低溫液體置換原理來(lái)完成。卸載時(shí)將恒溫恒壓的低溫液體，泵入儲(chǔ)罐內(nèi)，從而將氣體置換出來(lái)；裝載時(shí)則采用相反的過(guò)程，經(jīng)過(guò)加壓降溫的氣體將儲(chǔ)罐中的低溫液體換出，最終裝滿儲(chǔ)罐。單次航程可達(dá) 1,552km。裝設(shè)立式長(zhǎng)柱型 CNG 容器的運(yùn)輸船優(yōu)點(diǎn)包括：低溫儲(chǔ)存容器壁厚減小，低溫儲(chǔ)存其儲(chǔ)存壓力只是常溫儲(chǔ)存的一半，減小了容器壁厚，降低了船體自重；低壓儲(chǔ)存氣體殘量減少，儲(chǔ)氣壓力低時(shí)，天然氣卸載后的殘留氣量將大大減少（約為 1%），遠(yuǎn)低于高壓儲(chǔ)存（約為 10%），提高了船的體積利用率；便于改造縮短建造周期，用現(xiàn)有的單殼體油輪，即可將其改造為可運(yùn)輸 8.5~34×10 4 m 3 的CNG 運(yùn)輸船，從而縮短建造周期，降低成本。
六面體柱型。六面體柱型是美國(guó)密歇根大學(xué)研發(fā)出的產(chǎn)品 CDTS。CDTS每個(gè)單元由 12 根圓柱形容器交叉構(gòu)成一個(gè) 6 面體，如圖 7 所示。研究表明CDTS 的單元邊長(zhǎng)為 10m 時(shí)，它在壁厚、裝置重量等方面達(dá)到了最優(yōu)化，單元最佳邊長(zhǎng)尺寸為 10m。
六面體柱型 CNG 儲(chǔ)存容器及 CNG運(yùn)輸船優(yōu)點(diǎn)包括：容器體積利用率高，運(yùn)輸同量的 CNG 的船，體積將更小，可降低推進(jìn)裝置的固定投資和燃料費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)上占優(yōu)勢(shì)；容器的容積效率高，其容積效率可高達(dá) 0.32（前述的立式長(zhǎng)柱型儲(chǔ)氣容器 VOTRANS 為 0.18，臥式圓盤型儲(chǔ)氣容器 Coselle 為 0.14），減小了容器的表面積，減緩了 CNG 的換熱，避免因溫度升高而導(dǎo)致的超壓；船舶的容積效率高，裝載六面體柱型CNG 儲(chǔ)氣容器的運(yùn)輸船的容積效率可達(dá)0.14，而前述的使用立式長(zhǎng)柱型儲(chǔ)氣容器 VOTRANS 及使用臥式圓盤型儲(chǔ)氣容器 Coselle 的運(yùn)輸船的容積效率均為0.09，裝載六面體柱型 CNG 儲(chǔ)存容器，提高了船舶的容積效率，從而減小了船或海洋平臺(tái)的長(zhǎng)度等尺寸；船舶的載重系數(shù)高，由于裝載六面體柱型 CNG 容器的運(yùn)輸船，減少了連接儲(chǔ)氣容器的管道數(shù)量，提高了船的載重系數(shù)，使其貨物載重系數(shù)達(dá)到 0.133，比 VOTRANS（0.12）和 Coselle（0.09）均高，降低了運(yùn)輸船的噸位。（未完待續(xù)）
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