随着天然气在全球能源结构中占比的不断提升，安全、高效的天然气储存与运输技术成为保障能源供应的重要支撑。我国南海天然气水合物第二次试采的成功，进一步凸显了海上小规模天然气生产条件下，对船载储存与运输技术的迫切需求。在此背景下，系统比较不同天然气储存工艺在能耗、设备规模及经济性方面的综合表现，对于推动海上天然气资源的高效利用具有重要意义。
目前，海上天然气储存主要包括水合物法天然气储存（Hydrate-based Natural Gas，HNG）、加压液化天然气储存（Pressurized LiquefiedNatural Gas，PLNG）以及压缩天然气储存（Compressed Natural Gas，CNG）等技术路线。不同储存方式在能量消耗、设备复杂度和投资成本等方面差异显著，但针对南海海域小规模天然气生产场景的系统对比研究仍相对有限。
近日，华南理工大学化学与化工学院樊栓狮、王燕鸿团队，基于 AspenHYSYS 与 Aspen Plus 流程模拟平台，对南海海域年处理规模为 2.8×10⁴ Nm³·d⁻¹ 的船载天然气储存系统进行了系统设计与优化研究。研究构建并对比分析了 HNG、PLNG 和CNG 三种典型海上船载天然气储存工艺，从比能耗（SPC）、火用效率、设备重量以及经济性等多个角度，对不同技术路线的综合性能进行了深入评估。
研究结果表明，在优化工况下，HNG、PLNG和 CNG 三种储存工艺的比能耗分别为 0.2161、0.4809 和 0.2356 kWh·kg⁻¹。水合物法天然气储存工艺（HNG）表现出最低的单位能耗，其比能耗仅为 PLNG 工艺的约 45%，也低于 CNG 工艺。能耗构成分析表明，HNG 工艺的能量消耗主要来自进料气体的加压过程，而制冷系统的能耗占比较低；相比之下，PLNG 工艺由于涉及天然气深度液化和多级换热，制冷与脱水单元能耗占比显著提高，是三种工艺中能耗最高的方案。
图1.PLNG、CNG和HNG三种工艺的能耗对比
在㶲效率方面，CNG工艺由于流程相对简单、设备数量较少，㶲效率最高，达到 66.69%；HNG 工艺㶲效率为 64.01%，略低于 CNG，但显著高于 PLNG 工艺的 36.26%。机理分析认为，HNG 工艺中水合物生成温度相对较高，换热级数较少，从而降低了制冷系统的㶲损失，而 PLNG 工艺复杂的换热和节流过程则导致较大的不可逆损失。
图2.PLNG、CNG与HNG的㶲损失（a）与㶲效率（b）对比
在经济性分析方面，研究对三种工艺的主要设备投资和设备重量进行了系统评估。结果显示，HNG、PLNG 和CNG 储存工艺的设备投资分别为 36.33 万美元、40.50 万美元和 38.48 万美元，其中 HNG 工艺的设备投资最低。同时，HNG 工艺的设备总重量约为 33.4 吨，也低于 PLNG和 CNG 工艺，更适合对空间和载重要求严格的海上船载应用场景。进一步基于天然气价值链的净现值（NPV）分析表明，在南海小规模天然气生产条件下，HNG 工艺具有显著的经济优势，其投资回收期约为 1 年；相比之下，PLNG 和CNG 工艺的回收期分别约为 4 年和 10 年，经济性表现相对较弱。研究结果表明，在短距离运输和小规模生产条件下，水合物法天然气储存更具综合优势。
图3.以28万m3/d的生产率计算的储运船运的NPV净现值
综合分析认为，水合物法天然气储存工艺在比能耗、设备重量、投资成本以及回收周期等方面均表现出明显优势，尤其适用于南海海域小规模、分散式天然气生产与船载储存场景。尽管该工艺在水合物快速生成动力学方面仍有进一步优化空间，但其良好的安全性和自保效应，使其在海上天然气储存与运输领域展现出广阔的应用前景。
相关研究成果以“Design and optimization ofoffshore ship-based natural gas storage technologies in the South China Sea”为题，发表于能源领域国际期刊《Energy Conversion and Management》。
论文通讯作者为华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授，第一作者为硕士研究生王言。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金以及中国科学院广州能源研究所气体水合物重点实验室等项目的支持。
ShuanshiFan, Yan Wang, Yanhong Wang, Xuemei Lang, Shenglong Wang. Design andoptimization of offshore ship-based natural gas storage technologies in theSouth China Sea[J]. Energy Conversion and Management. 2021. 239:114218. DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114218
