日本LNG碼頭與接收站建設(shè)特征研究

　　液化天然氣碼頭(LNGportandjetty)指為液化天然氣船舶提供靠離泊和裝卸作業(yè)的碼頭，液化天然氣接收站(LNGreceivingterminal)指液化天然氣儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)和再氣化外輸?shù)脑O(shè)施。LNG碼頭與接收站緊密相連，二者須協(xié)調(diào)布局，規(guī)模匹配才能最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)能力。

　　近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，我國(guó)天然氣需求量大幅增長(zhǎng)，至2017年已成為僅次于日本的全球第二大LNG進(jìn)口國(guó)。由于我國(guó)LNG碼頭與接收站建設(shè)起步較晚，經(jīng)驗(yàn)不足，碼頭設(shè)計(jì)通過(guò)能力尚未充分發(fā)揮、接收站儲(chǔ)備調(diào)峰能力不足的問(wèn)題凸顯，尤其是2017年冬以來(lái)，部分地區(qū)在用氣高峰月、高峰日出現(xiàn)“氣荒”現(xiàn)象，天然氣供應(yīng)受到極大挑戰(zhàn)，LNG碼頭與接收站建設(shè)運(yùn)營(yíng)面臨新的發(fā)展形勢(shì)和要求。

　　日本自20世紀(jì)60年代開(kāi)始建設(shè)LNG接收站。我國(guó)許多學(xué)者也對(duì)日本LNG碼頭與接收站的建設(shè)展開(kāi)了相關(guān)研究，以總結(jié)其建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。李健胡等從日本LNG接收站的投資主體、法規(guī)與管制、組織建設(shè)等方面進(jìn)行總結(jié)歸納，提出對(duì)中國(guó)LNG接收站的建設(shè)啟示。Lam論述了日本電力公司與天然氣公司合作建設(shè)LNG接收站，并進(jìn)口LNG用于發(fā)電，從而為中國(guó)和香港的天然氣發(fā)電提供借鑒。另外，也有學(xué)者從日本天然氣的利用和儲(chǔ)備情況等方面進(jìn)行研究。

　　本文以日本實(shí)際建設(shè)的LNG碼頭與接收站為對(duì)象，總結(jié)分析LNG碼頭的布置形式、泊位數(shù)量、集疏運(yùn)方式以及LNG接收站的平面布置形式、儲(chǔ)罐數(shù)量及建設(shè)形式等特征，并得到LNG儲(chǔ)罐容量與人口和地區(qū)生產(chǎn)總值的關(guān)系，以及人均罐容、用氣需求特征對(duì)儲(chǔ)備調(diào)峰能力的的影響等規(guī)律。

　　1 研究對(duì)象

　　日本國(guó)土南北狹長(zhǎng)，海岸線曲折，LNG碼頭與接收站在全國(guó)范圍均有分布，其中大規(guī)模的LNG接收基地分布在人口密度大、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的南部沿海區(qū)域，與廣泛分布于全國(guó)的小型衛(wèi)星站互為補(bǔ)充，形成“南多北少、東多西少”的整體格局(圖1)。截至2017年末，日本共建成LNG接收站34座，儲(chǔ)罐189個(gè)，儲(chǔ)存能力達(dá)1866.82萬(wàn)m3，LNG碼頭30座，共有LNG裝卸船泊位38個(gè)，涉及管道、公路、鐵路、水路等多種集疏運(yùn)方式，建設(shè)規(guī)模居世界首位。

　　2LNG碼頭建設(shè)特征

　　2.1平面布置

　　日本LNG碼頭平面布置形式大部分為突堤式，泊位一般分布在堤頭處。如北海道石狩(圖2)、日立(圖3)、八戶、袖浦、長(zhǎng)崎、富津等LNG碼頭均為此種布置形式，節(jié)約自然線，同時(shí)堤頭處便于LNG船舶靠離泊和緊急離開(kāi)碼頭，減少通航時(shí)與其他船舶相互影響。

　　2.2泊位數(shù)量

　　LNG碼頭和LNG船舶的危險(xiǎn)性是制約泊位數(shù)量的重要因素。LNG船舶運(yùn)輸大量可燃性氣體，若泊位過(guò)多，港內(nèi)船流密度大，則船舶進(jìn)出港和靠離泊作業(yè)時(shí)發(fā)生碰撞等海事事故的幾率大，存在巨大的安全隱患。因此，日本大部分LNG碼頭泊位數(shù)量較少，為1~2個(gè)。如表1所示。

　　2.3集疏運(yùn)方式

　　管道和公路運(yùn)輸是日本LNG碼頭應(yīng)用最為廣泛的集疏運(yùn)方式。日本國(guó)土多山地和丘陵，管道建設(shè)條件較差。但日本管道技術(shù)成熟，天然氣管道覆蓋范圍廣，主要用于供應(yīng)城市燃?xì)夂桶l(fā)電。在自然條件較差、管道建設(shè)成本過(guò)高或天然氣需求量不大的地區(qū)建有衛(wèi)星站，由管道向衛(wèi)星站供應(yīng)LNG，由槽車(chē)在衛(wèi)星站與用戶間進(jìn)行點(diǎn)供。

　　除管道和公路運(yùn)輸外，日本還推進(jìn)LNG鐵路運(yùn)輸，相關(guān)立法也走在世界前列。2010年，日本就已開(kāi)通8個(gè)路段的LNG鐵路運(yùn)輸線路，包括新瀉到青森、秋田、金澤、富山4個(gè)路段，苫小牧到旭川、釧路、帶廣3個(gè)路段和姬路到富山1個(gè)路段，涉及沿海城市之間、沿海與內(nèi)陸城市之間以及跨區(qū)域之間等多區(qū)域調(diào)運(yùn)(圖4)。LNG鐵路運(yùn)輸主要以罐式集裝箱的形式運(yùn)輸，適用“高壓氣體安全法”等相關(guān)法律，集裝箱罐體由熱塑性瓶支撐，外部采用鋼框架加固20ft(6.1m)、30ft(9.1m)、40ft(12.2m)的集裝箱裝載LNG分別為5.6、10、13.5t。

　　隨著集裝箱運(yùn)輸技術(shù)的成熟和天然氣需求量的大幅提升，罐式集裝箱作為一種新的LNG運(yùn)輸方式，可與其他貨物混裝，通過(guò)火車(chē)或集裝箱船運(yùn)輸，具有裝卸快捷方便、節(jié)約成本、損耗少、周轉(zhuǎn)時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)日本相關(guān)部門(mén)測(cè)算，運(yùn)輸距離大于200~300km時(shí)，運(yùn)輸成本小于公路運(yùn)輸成本。

　　除運(yùn)輸成本優(yōu)勢(shì)外，罐式集裝箱可與其他集裝箱同時(shí)進(jìn)行陸上或水上運(yùn)輸，充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，減少LNG運(yùn)輸船舶和內(nèi)河LNG接收站的建設(shè)成本。相比于槽車(chē)罐，罐式集裝箱裝卸時(shí)間短。一般可在0.5h左右實(shí)現(xiàn)快速卸載，縮短運(yùn)轉(zhuǎn)天數(shù)，減少產(chǎn)品卸載損耗和自然損耗。

　　相比于公路運(yùn)輸，利用罐式集裝箱進(jìn)行軌道運(yùn)輸更加安全穩(wěn)定。此種運(yùn)輸模式可充分利用現(xiàn)有資源打通上下游，改善天然氣依賴LNG接收站通過(guò)公路槽車(chē)運(yùn)輸至用戶的陸上運(yùn)輸模式。

　　3 LNG接收站建設(shè)特征

　　3.1 平面布置形式

　　日本LNG接收站布置形式更加多樣化。不同接收站的儲(chǔ)罐至碼頭前沿距離差別較大，儲(chǔ)罐、槽車(chē)裝車(chē)撬等設(shè)施的布置形式多根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件特點(diǎn)和功能確定。如長(zhǎng)崎L(zhǎng)NG接收站平面布置主要由接收站用途確定，長(zhǎng)崎L(zhǎng)NG接收站位于九州西海岸長(zhǎng)崎半島西北、長(zhǎng)崎灣內(nèi)的突堤外側(cè)，主要用于發(fā)電和城市用氣，突堤端部西南側(cè)建有1個(gè)LNG泊位，泊位后方緊鄰發(fā)電廠。通過(guò)管道連接至儲(chǔ)罐和槽車(chē)裝車(chē)撬，長(zhǎng)崎站為衛(wèi)星站，儲(chǔ)備需求較小，接卸LNG船舶后大部分裝車(chē)或氣化后進(jìn)入管道，因此其儲(chǔ)罐規(guī)模較小。共建有1個(gè)3.5萬(wàn)m3的LNG儲(chǔ)罐，槽車(chē)裝車(chē)撬4個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)位16個(gè)，通過(guò)管道和槽車(chē)為長(zhǎng)崎縣12萬(wàn)人口提供城市燃?xì)?圖5)。

　　3.2LNG儲(chǔ)罐規(guī)模

　　LNG儲(chǔ)罐規(guī)?？煞从辰邮照镜膬?chǔ)備調(diào)峰能力:LNG接收站的總罐容越大。該接收站在用氣低谷時(shí)期可儲(chǔ)存的LNG量越大，在用氣高峰時(shí)期輸出氣量也越大。供應(yīng)城市燃?xì)?、發(fā)電的接收站，要求儲(chǔ)罐規(guī)模較大。工業(yè)和化工用氣的接收站對(duì)天然氣儲(chǔ)備需求較小，儲(chǔ)罐規(guī)模也較小，日本各接收站儲(chǔ)罐規(guī)模相差較大。其中，儲(chǔ)罐規(guī)模為64萬(wàn)m3及以上的大型LNG接收站9個(gè)，占全國(guó)的26%。袖浦LNG接收站為日本罐容最大、儲(chǔ)罐數(shù)量最多的LNG接收站，建有儲(chǔ)罐35個(gè)，罐容266萬(wàn)m3，主要用于發(fā)電和城市燃?xì)?。?chǔ)罐規(guī)模為16萬(wàn)m3以下的接收站3個(gè)，分別為長(zhǎng)崎、鹿島、市新港LNG接收站。日本LNG儲(chǔ)罐規(guī)模占比見(jiàn)圖6。

　　為評(píng)估日本LNG接收站建設(shè)規(guī)模的影響因素，以2017年末日本八大地方的LNG儲(chǔ)罐總罐容為建設(shè)規(guī)模指標(biāo)(表2)。調(diào)研人口數(shù)量、面積、地區(qū)生產(chǎn)總值并計(jì)算人口密度、人均生產(chǎn)總值等相關(guān)指標(biāo)，并進(jìn)行單因素分析。

　　結(jié)果表明人口、人口密度、地區(qū)生產(chǎn)總值、人均生產(chǎn)總值均與罐容在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.988、0.946、0.988、0.847。選取相關(guān)系數(shù)最高的人口和地區(qū)生產(chǎn)總值為自變量，總罐容為因變量，分別進(jìn)行一元線性擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖7，判定系數(shù)R2分別為0.9761、0.9752，擬合效果較好。因此，日本LNG接收站的建設(shè)規(guī)?；九c人口數(shù)量、地區(qū)生產(chǎn)總值呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.1896、0.0413。2017年日本人均擁有儲(chǔ)罐罐容0.093m3∕人，總罐容與全國(guó)GDP之比為3.42m3∕億日元。各地人均罐容、罐容與地區(qū)生產(chǎn)總值之比見(jiàn)圖8、9。

　　3.3 LNG儲(chǔ)罐建設(shè)形式

　　日本LNG儲(chǔ)罐建設(shè)形勢(shì)多樣，包括地上式、半地下式和地下式3種，其中半地下式和地下式LNG儲(chǔ)罐應(yīng)用廣泛。半地下式和地下式儲(chǔ)罐，建造工藝比地上式LNG儲(chǔ)罐更為復(fù)雜，一般需要采取隔熱措施減少冬季冰凍影響，投資較大。其優(yōu)點(diǎn)是地下結(jié)構(gòu)在周?chē)讓拥募s束下震害程度相對(duì)較輕。隨著LNG儲(chǔ)罐大型化發(fā)展，地上式儲(chǔ)罐容易給人造成恐慌心理，地下式和半地下式更容易被人接受。

　　3.4 天然氣儲(chǔ)備調(diào)峰能力分析

　　天然氣儲(chǔ)備調(diào)峰能力與用氣需求特征密切相關(guān)。日本天然氣的主要用途為商業(yè)用氣，占天然氣消費(fèi)量的50%以上，居民用氣占比較小，用氣趨勢(shì)與我國(guó)北方地區(qū)類(lèi)似，但峰谷差變化相對(duì)較小，2017年日本天然氣消費(fèi)量見(jiàn)圖10，各消費(fèi)類(lèi)型占比見(jiàn)圖11。

　　我國(guó)各地區(qū)天然氣消費(fèi)需求差異較大，天然氣用途主要可分為城市燃?xì)?、發(fā)電、化工和工業(yè)用氣4部分，分區(qū)域、分季節(jié)不平衡特點(diǎn)突出。其中，南方地區(qū)年用氣量無(wú)較大峰谷差，全年需求趨于平穩(wěn)。與日本天然氣消費(fèi)特征相近，長(zhǎng)三角地區(qū)主要用于冬季居民采暖和夏季發(fā)電制冷，全年用氣量出現(xiàn)冬夏兩個(gè)小波峰。

　　北方地區(qū)冬季供暖需求量大，天然氣主要用于冬季采暖，冬夏季峰谷差大，不平衡性最為明顯，以環(huán)渤海地區(qū)最為明顯，在國(guó)家出臺(tái)“推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔采暖”政策之后，京津冀大面積“煤改氣”，天然氣需求量大幅增長(zhǎng)，強(qiáng)勢(shì)取代液化石油氣，城市燃?xì)庠谔烊粴鈶?yīng)用中占比不斷提高，其中2017年冬季，北京、天津等典型的北方城市用氣高峰一般為進(jìn)入取暖期之后的冬季，年高月高日用氣量(1.98億m3)是年均用氣量(1.12億m3)的1.78倍，是低月日均用氣量(0.71億m3)的2.78倍，峰谷差近4倍。天然氣需求量的大幅增長(zhǎng)和季節(jié)性峰谷差的加大，對(duì)區(qū)域天然氣供應(yīng)、儲(chǔ)備和調(diào)峰能力提出了更高的要求。

　　4 結(jié)論

　　1)日本LNG碼頭與接收站呈現(xiàn)“南多北少、東多西少”的總體布局特點(diǎn)，主要由人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度決定，具有不均衡性。其中南側(cè)沿海LNG碼頭與接收站密集，主要供應(yīng)東京都市圈，其人口和GDP均占到全國(guó)的一半以上，用氣需求巨大。

　　2)為節(jié)省自然岸線、方便船舶靠離泊和進(jìn)出港，日本LNG碼頭布置形式一般為突堤式?？紤]到LNG船舶的危險(xiǎn)性，為減小海事事故發(fā)生的幾率，其泊位數(shù)量較少，為1~2個(gè)。主要集疏運(yùn)方式為管道和公路運(yùn)輸，此外，日本已開(kāi)通了8個(gè)路段的鐵路運(yùn)輸線路。

　　3)日本LNG接收站平面布置形式多樣，多根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件特點(diǎn)和功能確定，儲(chǔ)罐規(guī)模分別與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值呈線性正相關(guān)關(guān)系。2017年日本人均罐容0.093m3∕人，總罐容與全國(guó)GDP之比為3.42m3∕億日元，儲(chǔ)罐形式包括地上式、半地下式和地下式3種。

　　4)日本天然氣消費(fèi)特征與我國(guó)北方地區(qū)類(lèi)似，但峰谷差相對(duì)較小，其儲(chǔ)備調(diào)峰能力可為我國(guó)LNG接收站建設(shè)提供參考。（文/母寶穎 房卓 王文淵 郭子堅(jiān)，大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，轉(zhuǎn)載自《水運(yùn)工程》）