FCNG的发展现状及其经济性分析.docx

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FCNG的发展现状及其经济性分析

FCNG的发展现状及其经济性分析

0.前言

LNG技术的出现使天然气的大规模运输成为可能，第一批LNG船于十九世纪六十年代初开始建造，随着能源的日益短缺以及需求量的不断增加，LNG船迅速发展。

由于海洋天然气资源的开发正逐步成为各国重要的能源发展战略，上世纪七十年代海洋工程界提出了FLNG的概念。

2011年，壳牌（Shell）公司确定投资建造世界上首个LNG-FPSO——PreludeFLNG，并将在澳大利亚的Prelude气田投入使用。

目前，LNG船是唯一的一种运输海上天然气的商业化工具。

然而，由于液化天然气需要建造专门的液化工厂、配置相应的设备，因此，用LNG船来运输费用是非常昂贵的，只对运输那些体积较大、距离较远的气体来说是经济的。

当前市场需求情况表明，天然气储备有着潜在的市场，但昂贵的天然气液化及运输费用却大大地阻碍了开发的步伐，尤其在储量或需求较少的情况下，大量的天然气得不到开采。

为解决这一问题，人们进行了大量的研究，最终发现，当气体容量为5.664～14.16×106m3、距离海岸在1100～4500km之间时，CNG将比LNG和管道运输都经济。

此外，运载CNG的船舶可以重新改装利用的优势使得这一新概念更加引人注目。

1.FCNG的发展现状

1968年，美国海洋运输协会提出了CNG船方案，CNG的压力值和温度分别为80bar和-60℃，而后在新泽西州进行了CNG运输船的验证试验，结论是与LNG船相比CNG船的经济性太差，并未商业化应用。

1989年，美国海洋气体运输公司（MarineGasTransportLtd）提出了一种新的运输CNG的方法，将存储CNG的高压气瓶水平装设在运输船的甲板上，这种方法运输过程中CNG处于常温状态，节省了冷却设施的投资，同时高压气瓶由耐高压管道制成，整体上降低了CNG运输设备的投资。

但是，由于单船气体装运量的限制，该技术未能得到广泛应用。

随后陆续开发出几种CNG船型，代表性的有Coselle技术、VOTRANS技术、PNG船等，基本克服了CNG船的技术难点。

1.1加拿大Coselle技术

加拿大海洋天然气公司（SeaNGCorporation）的CNG运输船采用Coselle技术，Coselle的主要原理就是用输送管做成一个大而高压的压缩天然气储存系统，该系统由几英里长的小直径管子绕成一个圆盘构成，如图1-1所示。

通过分析发现，典型CNG船中开销最大的部分就是天然气储存系统和辅助安全及控制系统。

也就是说，天然气储存系统的费用是影响CNG海上运输经济效益的最关键因素。

与传统高压罐相比，Coselle产品虽与之有着相同的安全要求，但其费用却只是传统高压罐的很小部分，因此，使用Coselle将是非常经济的。

举例来说，一艘容量为330MMscf（约合9.344×106m3）的用Coselle技术制造的CNG船的费用约为11000万美元，而一个同等容量的CNG“罐船”的费用至少要30000万美元。

图1-1Coselle系统CNG船

1.1.1Coselle系统的原理

Coselle系统是将常温、高压力的天然气储存于小口径钢质管路中，典型的Coselle系统为10英里（约合16km）长的小口径管路盘卷成的一个圆盘结构。

该种Coselle的直径为15～20m，高2.5～4.5m，重约550t。

一个Coselle约可装载3MMscf（约合8.495×104m3）的天然气，装载量的大小与Coselle的尺度、气体温度、压力及组分有关。

1.1.2Coselle技术的发展现状

2006年美国船级社批准了首艘Coselle压缩天然气船的建造，该船由GuidoPerla&Associates（GPA）公司为SeaNG公司提供设计。

船长118米，船上拥有16个Coselle，天然气装载量为50MMscf（约合1.416×106m3），这些Coselle布置在4个相同尺寸的堆架中，堆架位于主甲板上一个完全封闭的货舱内。

船上装备有2台全方位Z形推进系统和1个船首导管推进器，船员编制11人。

2007年GPA公司又开发出两种不同尺度的CNG船，一种船长204米，船员编制20人，配备有84个Coselle，总的气体装载能力达到250MMscf（约合7.079×106m3）。

另一种船长141米，船员编制11人，配备有25个Coselle，5个堆架，总的气体装载能力达75MMscf（约合2.124×106m3）。

加拿大SeaNG公司目前已开发出数个CoselleCNG船，从拥有16个Coselle，可运载约50MMscf（约合1.416×106m3）天然气的CNG船到拥有144个Coselle，可运载约450MMscf（约合1.274×107m3）天然气的CNG船。

Coselle系统的安全性已经得到了充分论证。

挪威船级社和美国船级社两家机构针对其安全性做了HAZIDS和HAZOPS分析，分析结论表明，即使在单个Coselle完全失效情况下，泄露的天然气也可以安全的排放到大气中，而不至于对相邻Coselle或船体产生破坏。

其50MMscf（约合1.416×106m3）的船型已于2006年9月获得美国船级社批准建造。

1.1.3Coselle技术的优点

1.使用Coselle技术的船只，在开始运输时可根据气体量的多少选择适量的船只，以后随着气体的不断增多，可根据增加量的多少采取增压或增加船只数量的方法来解决。

2.用Coselle技术的CNG船基本上都是由标准的散货船建成的，大多船厂只要规模适合均可建造，因此，在价格上会形成优势。

3.采用大直径柱状容器承装的运输方式，需要在每根柱状容器上装设装卸接头，Coselle的管盘结构大大减少了装卸接头的数量。

1.1.4Coselle技术CNG船的基本参数

表1-1CoselleCNG船的基本参数

SeaNG–CoselleTM

气体压力（bar）

250

运输温度（℃）

环境温度

容器的材料

改进钢X70

1.2美国VOTRANS技术

位于美国休斯敦的EnerSea公司与多家造船厂，包括韩国现代重工、船东日本川崎汽船、美国船级社结成了开发团体，联合开发压缩天然气运输技术VOTRANS（VolumeOptimizationMarineTransportandStorageSystem，即容量优化海洋运输和存储系统）。

1.2.1VOTRANS技术的原理

VOTRANS系统在-29℃环境下，在10～13MPa状态下储藏CNG。

使用VOTRANS技术的运输船上设有多个绝缘冷冻舱，气体储存在舱内的大直径管道中，如图1-2所示，24个36m长的柱式气罐组成一组，100组可以装载2×107m3的CNG。

VOTRANS组的数量可根据CNG船容量增减。

VOTRANS系统中气体的储存压力只是其他储存技术的一半，这大大减小储存容器的壁厚，从而降低了船体自重。

VOTRANS技术的能量消耗主要存在于3方面：

（1）给气体加压；

（2）给气体降温；（3）运输过程中的能量消耗。

研究发现，压缩机的压缩比和能量消耗以及冷却温度和能量消耗之间都存在着一定的关系，具体关系见图1-3、1-4。

由图可知，能量消耗随压缩比的增大和冷却温度的降低而上升，所以存在最佳压缩比和冷却温度的组合，使CNG运输的经济性达到最佳。

图1-2VOTRANS技术CNG船

图1-3压缩比与能量消耗关系图图1-4冷却温度与能量消耗关系图

VOTRANS系统的装卸过程利用低温液体置换来完成，卸载时将恒温恒压的低温液体泵入储罐内，将气体置换出来；装载是则采用相反的过程，经过加压降温的气体将储罐中的低温液体换出，最终装满储罐。

1.2.2VOTRANS技术的发展现状

VOTRANS运输船合作开发的具体分工为EnerSea公司负责天然气压缩存储舱和天然气流程系统设计，现代重工则负责船体、动力系统和相关功能系统的设计。

首艘合作开发的船型称为V800型，该船天然气设计装载量为700～800MMscf（约合1.982×107～2.265×107m3），单次航程可达2500英里（约1552km），平均运力为300～500MMscf/天（约合8.495×106～1.416×107m3/天）。

2003年ABS原则认可了V800的船型设计。

V800船型的概念图及设计参数见图1-5。

目前共开发出三种船型：

V800、V600及V1000，并计划实施商业化建造。

图1-5V800船型的概念图及设计参数

在船舶设计上，根据储罐放置方式的不同，有两种可供选择的传统方案，一种是横式储罐船，另一种是竖式储罐船。

其中，横罐的容积要比竖罐大些。

容量大的船舶装载的产品多，而且运送的路途也长，因此其经济效益较高。

目前，正在被考虑的且可行的方案就是将现存的单壳体油轮改造成可运输8.5～34×104m3的压缩天然气船。

由于这种改造方案可以降低成本、减少周期，因此吸引了众多的关注。

1.2.3VOTRANS技术的优点

1.VOTRANS技术的储存压力更低，天然气卸载后残留气量（约为1%）远低于高压储存系统（约为10%），大大提高了船的体积利用率。

2.相对于传统的LNG船运输方式而言，对气体组分的要求更低。

3.先进的仪器和控制保障了系统的高度可靠性，便于管理。

1.2.4VOTRANS技术CNG船的基本参数

表1-2VOTRANSCNG船的基本参数

EnerSea–VOTRANSTM

气体压力（bar）

120

运输温度（℃）

-30

容器的材料

改进钢X80/X70

1.3挪威CETech技术

2004年挪威Teekay航运公司、LeifHoegh公司与挪威最大的油气公司Statoil组成CETech（CompressedEnergyTechnology，压缩能源技术）公司开始长期的项目合作，合作的最终目的是促成压缩天然气运输技术的商业化。

此后，CETech公司又进一步扩展其业务范围至开发混合CNG/石油运输船、ShuttleProducer和CNG穿梭运输船。

1.3.1CETech技术的原理

CETech技术的储气设施是能承受高压的大直径管道，气体被压缩到14~28MPa后储存在这些管道中。

CNG储存系统可在任何条件具备的工厂加工制造，完成后安装到运输船上。

船长200～300米，宽40～60米。

CNG穿梭运输船可有多种用途，可从平台接收处理过的气体，也可在船上对气体进行处理，另外气体也可通过一个APL装载/卸载系统装载到船上。

该系统中，连接海底设备的浮体被引入船体中，并与船自身的接收设备相匹配，船装载完毕后与浮体解除连接，然后可航行至陆地终端或其它海上设施。

而ShuttleProducer本质上是一个CNG储存单元和一个传统的穿梭运输船的组合，CNG货舱系统单独制造，穿梭船的甲板上设有分离/结合系统，可将货舱与船体方便的结合，增加了船体建造的灵活性。

该项目的开发主要是针对挪威研究委员会（NorwegianResearchCouncil）的要求，满足了同步生产石油和伴生气的要求。

该项研究着重开发船舶与管路系统间的接口，特别是管路如何固定在船舶上。

同时，还有多种设计是针对阿芙拉型和苏伊士最大型油船的。

基于阿芙拉型油船的设计将能装载60000～70000m3石油和8000m3气体，而基于苏伊士最大型的设计将装载120000m3石油和30000m3气体。

所有存储设备将安装于甲板上，甲板内存储石油。

尽管布置空间足够，但额外的重量和体积将改变船舶自身的性能，因此船舶必须新建。

CETech公司开发的CNG船及储存单元的示意图如图1-6所示。

图1-6CETech船及储存单元示意图

1.3.2CETech技术的发展现状

该货舱系统的概念设计已获得DNV原则认可，船型设计上的主要技术难点在于：

1）货舱系统；2）钢质管路两端的设计；3）专门的货舱加热系统，卸载气体时货舱中压力的下降会导致温度明显下降，并对货舱系统中的钢材产生影响。

此外，CETech公司还在研制具商业价值的最大CNG船，构思中的最大CNG船可装载105m3气体，每年运量在5～30×108m3，每航程为300～2000海里之间（556～3706km）。

1.3.3CETech技术的优点

1.储存系统和运输船分开制造，且可以按照需要进行组装，降低了对生产水平的要求，通过改变运输船装配储存系统的数量船能够更好的适应产量的变化。

2.CETech运输船不仅可以用于海上运输，也可用于内河运输，用途广泛。

3.CETech运输船不仅可以用于运输天然气，也可用于运输石油，可以用于海上油田及其伴生气的开发。

1.3.4CETech技术CNG船的基本参数

表1-3CETechCNG船的基本参数

CETech

气体压力（bar）

250

运输温度（℃）

环境温度

容器的材料

改进钢X80

1.4挪威PNG技术

挪威的KnutsenOAS公司也是压缩天然气技术的积极推动者，他们将其压缩天然气技术改称为压力式天然气（PNG），并以此商标来推广常温压力天然气运输系统和运输船。

1.4.1PNG技术的原理

PNG技术采用直径为1米，长度为36米的管状容器并联连接，天然气储存温度为常温，压力为250bar，温度及压力均高于现代重工所开发的CNG船。

由于是常温运输，因此无需绝缘冷柜，天然气也不会因蒸发而损耗。

采用PNG技术的CNG船如图1-6所示。

图1-6PNG系统的CNG船

1.4.2PNG技术的发展现状

Knutsen的PNG设计方案很灵活，可应用于各种尺度的船，在运输距离为3000海里以下时，PNG系统是具有竞争力的。

三星重工开发的PNG船基于KnutsenOAS航运公司所有的压缩天然气储存技术，该技术已获DNV正式认可。

该船长259.7米，宽54米，深29米，33000DWT，天然气装载容积77190m3，船上设有12个货舱，装载压缩天然气的气瓶共2672个。

为了适应不同的运输需求，各种型号的PNG船都在研究中，小到运载量70-140MMscf（about2-4millioncubicmeters）的中小型船，大到运载量1.05Bscf（about30millioncubicmeters）的大型船。

1.4.3PNG技术的优点

1.运输船上的柱式储气罐直立放置，能够更好的消除船体晃动的影响。

2.PNG技术设计简单，阀门少，泄露风险小，具有较高的安全性和灵活性。

3.PNG船的最大优势在于它可以使用天然气作为燃料，而不像大多数船一样以油品为燃料，这样可以减少氮氧化物、二氧化碳和硫化物的排放量，减少对环境的污染。

1.4.4PNG技术CNG船的基本参数

表1-4PNGCNG船的基本参数

KNUTSEN–PNGTM

气体压力（bar）

250

运输温度（℃）

环境温度

容器的材料

改进钢X80

1.5加拿大GTM技术

加拿大TransCNG公司由TransCanada管路公司和海外船舶控股集团（OSG）合资成立，开发了气体运输模块（GTM）CNG运输系统，该系统采用NCF工业公司的复合材料管路技术。

1.5.1GTM技术的原理

天然气在常压条件下被压缩到高于207bar，然后通过高压装载连接管装载到船上的GTM中。

GTM是指用由高性能复合材料加强的高强度低合金钢管制成的复合增压容器。

这种材料有两个突出的特点，一是高抗腐蚀性，二是高强度。

具有复合增压特点的GTM有着质量轻、压强高、安全性高、可在环境温度下操作的特点，因此，便于卡车、火车以及驳船的运输。

尤其对于海上运输来说，其不仅在性能上优于全钢容器而且其成本也比较低。

GTM比传统运输CNG的全钢容器要轻约35％。

对于同一艘船来说，使用GTM将能运输更多的气体而其容器总量却不会增加甚至还会减少，这是因为GTM的容积比传统的高强度钢制成的容器要大很多，而各方面的要求却要少很多。

GTM最基本的设计即由一个末端焊接在一起的单接头或双接头的大直径高强度低合金钢管组成。

典型的钢管尺寸为直径42inches（1067mm），高度在20feet-80feet不等。

长度在20feet-40feet的适合于公路运输使用，而80feet的则适合于船舶运输使用。

使用GTM技术的CNG船的概念图见图1-7。

图1-7GTM系统的CNG船

1.5.2GTM技术的发展现状

GTM技术用于内河驳船已获美国船级社（ABS）审核通过，远洋船的GTM系统也已获得LR的原则认可。

使用GTM的CNG船运输10万立方米的天然气的费用约为1～1.25亿美元，罐的总重量少于35000吨。

而一艘载重量为60000吨的巴拿马型散货船只能容纳12.7万立方米的天然气。

由于减轻了船舶自身的重量，GTM船舶在CNG的海上运输中无疑会有很强的竞争力。

这项技术已经在小型运输船或驳运船上试验，估计不久就会在内河运输中出现可装载2.832×105m3天然气的GTM驳船。

1.5.3GTM技术的优点

GTM技术采用高性能复合材料，提高的容器的容积率，同时减轻了容器本身重量，降低了单位体积天然气的运输成本。

1.5.4GTM技术CNG船的基本参数

表1-5GTMCNG船的基本参数

TransCanada–GTMTM

气体压力（bar）

250

运输温度（℃）

环境温度

容器的材料

复合材料

1.6加拿大FRP技术

TransOceanGas公司是加拿大一家私人公司，其模块化的CNG运输容器采用纤维强化塑料（FRP）压力容器。

这种FRP压力容器广泛用于航空工业、国防工业、海洋油气工业以及公共运输，其安全性和可靠性已经过检验。

1.6.1FRP技术的原理

FRP系统在-40℃，24MPa工况下储存天然气。

CNG的储存系统由多个模块化的框架体焊接而成，便于安装和连接。

每个框架中直立安装多个FRP气瓶，这些气瓶由位于框架顶部和底部的阀组和管道连接成一体。

框架的存在避免了船体晃动对储存系统的影响。

FRP的模块结构见图1-8,TransOceanGas公司开发的FRPCNG船的示意图如图1-9所示。

图1-8FRP模块结构图1-9FRP系统CNG船

1.6.3FRP技术的优点

重量轻（为钢材的1/3）；耐腐蚀；安全性好，不会产生破裂；可靠性高（故障率＜10-5）；耐低温（-80℃）；成本低等。

1.6.4FRP技术CNG船的基本参数

表1-6FRPCNG船的基本参数

TransOceanGas

气体压力（bar）

240

运输温度（℃）

-40℃

容器的材料

复合材料

1.7美国CDTS技术

CDTS是由美国密歇根大学的托马斯•兰姆提出的一种新的FCNG技术，它既可以用于CNG运输船，也可以用于CNCFPSOS上CNG的储存。

1.7.1CDTS技术的原理

CDTS的每个单元由12根圆柱形容器交叉构成一个6面体，具体结构见图1-10。

这种结构比球罐具有更大的容积效率。

对于CDTS的每个单元的尺寸的研究表明，10m的CDTS单元是最优的，它在壁厚、装置重量和其他限制条件范围内达到了最优化。

图1-10CDTS单元示意图

1.7.3CDTS技术的优点

CDTS技术能够大大提高储存设施的体积利用率，因此运输同量的CNG的船体积将更小，从而可以降低推进装置的固定投资和燃料费用。

利用CDTS技术的CNG运输船在经济上的可接受度将会更高。

CDTS的容积效率可达0.33（VOTRANS为0.18，Coselle为0.14），利用CDTS技术的运输船船舶容积效率可达0.14（VOTRANS和Coselle均为0.09），船舶的货物载重系数可达0.133（VOTRANS为0.12，Coselle为0.09）。

CDTS技术的另一大优势是，它很大程度上减小了储存设备的表面积，从而降低了CNG与外部环境的换热，避免了因温度升高导致的超压。

总之，与其他技术相比CDTS具有以下优点：

1.大大减小船或海洋平台的长度。

2.降低船的吨位。

3.减小储存设备的表面积，从而减缓CNG的换热。

4.减少CNG运输船的动力装置费用。

5.降低运输的燃料费。

6.减少连接储存设施的管道的数量。

研究表明，与其他技术相比，CDTS技术在固定投资和运营费用两方面都占据优势。

表1-7和图1-11分别为CDTS和VOTRANS以及Coselle两种技术在参数和船型方面的比较数据。

表1-7技术参数对比表

【答案】A

endif图1-11800MMscf船型对比图

CDTS技术与上述提到的六种技术相比最大的优势在于，它不仅可以用于CNG船，也可用FPSOS。

图1-12为设计存储量为10.5MMscm/200000Bbl的FOCNGPSO。

表1-8列出了包括设计存储量10.5MMscm/200000Bbl在内的三种不同存储量的FOCNGPSO的相关数据。

settalkoff

C.末记录的后面D.首记录的前面图1-12存储量为10.5MMscm/200000Bbl的FOCNGPSO示意图

L电视机表1-8不同存储量FOCNGPSO相关数据

7.输入n的值，求1+1/2!

+1/3!

+1/4!

+….+1/n!

（阶乘n!

=1*2*3*4....*（n-1）*n）

1.7.4CDTS技术CNG船的基本参数

A.是同一个数据库中的两个表B.不同数据库中的两个表表1-9CDTSCNG船的基本参数

packCDTS

C.主索引和候选索引D.主索引、候选索引和惟一索引气体压力（bar）

125

运输温度（℃）

-30℃

容器的材料

2.CNG和LNG的经济性对比

13.在VFP环境下，用LISTSTRUCTURE命令显示表中每个记录的长度（总计）为60，用户实际可用字段的总宽度为________。

2.1固定投资

1.LNG

LNG的产业链包括以下5部分：

（1）天然气采出；

（2）天然气液化；（3）液化天然气运输；（4）气化；（5）分输。

LNG的整个产业链中液化工厂的投资最多，根据生产能力的不同约为$750million-$1.25billion,几乎占到整个投资50%。

天然气的气化也需要单独的工厂，其设备投资约为$500-550million。

液化天然气储罐和运输船也是投资的一大部分，以新建一艘运输船为例，其投资将达到$0.41-1.5/mmBtu（1mmBtu约合10.54J），该投资是指运输距离在500-5000miles范围内的投资。

所以整套LNG产业链的投资将达到$1.5-$2.5billion。

图2-1表示的是整个LNG产业链中各部分投资所占的比例。

图2-1LNG产业链中投资比例分布图

2.CNG

CNG的固定投资远远低于LNG，CNG运输方式适于开采边际气体资源和供应消费量较小的市场。

建有装载设施（包括压缩机、管道等）的CNG工厂的投资约为$30-$40million。

运输船的投资以VORTRANS船为例约为$230million。

表2-1中列出了运输距离（1000-5000miles）与所需船只数的关系。

表2-1运输距离与所需船只关系表

以Coselle船为例，图2-2表示出了船的装载量和固定投资之间的关系。

CNG的卸载设施，包括分离器、涤气器和加热器，投资约为$16-$20million。

所以CNG产业链的总投资为$1-