地下儲氣井儲配站的設(shè)計與探討

深圳市市政工程咨詢中心 肖平華

地下儲氣井自國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》(GB 50156)實施以來，廣泛地應(yīng)用于CNG加氣站、天然氣調(diào)峰、工業(yè)儲氣中，全國現(xiàn)有在用儲氣井4 000口以上，CNG地下儲氣井儲氣具有占地面積小、運行費用低、操作維護(hù)簡便等優(yōu)點。地下儲氣井大規(guī)模地應(yīng)用到天然氣儲配站的實例并不多，隨著儲氣裝置與技術(shù)的不斷發(fā)展，儲配站中主要形成了儲氣瓶、儲氣罐(柜)和儲氣井三種儲氣裝置，井式儲氣裝置是大規(guī)模儲存天然氣替代地上儲罐的首選方式，從社會價值、經(jīng)濟(jì)效益和消防安全角度綜合分析為最佳儲氣方式，具有廣泛的推廣價值。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市用地越來越緊張，解決能源問題已迫在眉睫，常規(guī)的天然氣儲配站勢必被地下儲氣井式儲配站所替代。

1 地下儲氣井儲配站的設(shè)備選擇

儲配站的功能應(yīng)滿足輸配系統(tǒng)輸氣調(diào)度和調(diào)峰的要求。用于天然氣調(diào)峰主要是解決氣源的均勻供氣和用戶用氣不均衡的問題，當(dāng)用戶處于用氣低谷時，將天然氣壓縮到儲配站內(nèi)儲存；當(dāng)用氣高峰或上游出現(xiàn)故障時，儲存的天然氣經(jīng)減壓后進(jìn)入市政管網(wǎng)，確保用戶用氣安全、穩(wěn)定。地下儲氣井儲配站內(nèi)的主要設(shè)備有：脫硫裝置、天然氣壓縮機(jī)組、天然氣干燥裝置、地下儲氣井、高中壓調(diào)壓裝置及其他安全附屬設(shè)備等。其工藝流程一般為：中壓市政燃?xì)夤芫W(wǎng)→脫硫、脫水裝置→天然氣壓縮機(jī)組→地下儲氣井儲存→高中壓調(diào)壓裝置→中壓市政燃?xì)夤芫W(wǎng)。

1.1 脫硫裝置

CNG儲配站中對壓縮天然氣H2S含量要求不大于15 mg/m3，而城鎮(zhèn)燃?xì)庖?guī)定使用的天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為《天然氣》(GB 17820)中規(guī)定的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定的H2S含量要求不大于20 mg/m3。因而，在使用高含硫天然氣時，應(yīng)設(shè)置脫硫裝置，如四川東部、南部、重慶地區(qū)等地。而北京、四川西北部天然氣的含硫量低，已達(dá)到壓縮天然氣的氣質(zhì)指標(biāo)要求，就可不設(shè)脫硫裝置。常規(guī)的天然氣儲配站不配置脫硫裝置。

針對天然氣的精脫硫，目前均采用技術(shù)成熟、成本低廉的干法脫硫(氧化鐵)。脫硫裝置本身結(jié)構(gòu)簡單，脫硫塔應(yīng)為雙塔，一用一備，可露天布置。

1.2 天然氣壓縮機(jī)

天然氣壓縮機(jī)是CNG儲配站的心臟。采用的主要設(shè)備按產(chǎn)地分為國產(chǎn)和進(jìn)口兩大類，兩者在技術(shù)水平、外觀、使用壽命、價格等方面有較大的差別。常用壓縮機(jī)按結(jié)構(gòu)型式分為L型、V型、W型、Z型、對稱平衡型(D型)。D型壓縮機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運行，縮小了機(jī)器的體積，提高了單機(jī)排量。因此，在CNG儲配站中，通常采用D型橇裝壓縮機(jī)。橇裝壓縮機(jī)包括壓縮機(jī)、防爆電機(jī)、冷卻器裝置、降噪裝置、氣體回收、分離/過濾裝置以及聯(lián)鎖報警停機(jī)裝置等的整體橇裝壓縮氣體設(shè)備。壓縮機(jī)的臺數(shù)按天然氣調(diào)峰量計算，不宜太多，每1～5臺壓縮機(jī)另設(shè)1臺備用。

在進(jìn)行壓縮機(jī)選型時，應(yīng)注意壓縮機(jī)進(jìn)口的壓力波動范圍，不能太寬，否則，壓縮機(jī)達(dá)不到額定出力。CNG儲配站中通常采用進(jìn)口橇裝式壓縮機(jī)，其設(shè)計、制造應(yīng)符合API618或API11P標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，同時應(yīng)符合國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程、規(guī)范等。由于單臺壓縮機(jī)組的電功率較大，一般都采用高壓電機(jī)，壓縮機(jī)組前必須設(shè)有緊急停車按鈕。

橇裝式壓縮機(jī)組可根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況采用露天布置或設(shè)置在敞開的廠房內(nèi)。

1.3 天然氣干燥裝置

國家標(biāo)準(zhǔn)《車用壓縮天然氣》(GB 18047)規(guī)定：在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)，在最高操作壓力下，水露點不應(yīng)高于-13 ℃，當(dāng)最低氣溫低于-8 ℃，應(yīng)比最低氣溫低5 ℃。因此，天然氣在進(jìn)入地下儲氣井之前須進(jìn)行深度脫水。這是由于天然氣中含有一定量的水分，在高壓狀態(tài)下，會析出水份，如果與硫化氫結(jié)合，則會對鋼質(zhì)容器造成腐蝕以及產(chǎn)生硫化氫致脆裂紋現(xiàn)象，這是一種氫脆反應(yīng)，對容器的安全危害很大，同時水與氧、二氧化碳結(jié)合，也會產(chǎn)生腐蝕作用。脫水方式按照工藝流程中干燥器布置在壓縮機(jī)組前和壓縮機(jī)組后可分為壓縮機(jī)前脫水(低壓脫水)和壓縮機(jī)后脫水(高壓脫水)。

在CNG儲配站中通常采用低壓脫水，出口水露點≤-60 ℃。采用4A分子篩干燥劑、雙塔閉環(huán)式再生加熱冷卻循環(huán)，無再生氣體泄放，具有自動露點分析和報警等功能的全自動干燥裝置；電氣系統(tǒng)的設(shè)計及制造滿足NFPA70規(guī)范，防爆等級不低于NFPA D+C組Ⅰ級Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

天然氣干燥裝置通常設(shè)置在壓縮機(jī)房內(nèi)。

1.4 地下儲氣井

地下儲氣井的設(shè)計、建造、驗收及檢驗應(yīng)符合《高壓氣地下儲氣井》(SY/T 6535—2002)的要求，同時應(yīng)滿足國家質(zhì)檢總局(質(zhì)檢辦特[2008]637號)文的要求。

地下儲氣井主要技術(shù)指標(biāo)為：套管外徑：177.8～273.10 mm；單井容積：1～10 m3；井深：100～250 m；額定壓力：25 MPa；儲存介質(zhì)：符合國標(biāo)《車用壓縮天然氣》(GB 18047—2000)規(guī)定的天然氣。

CNG儲配站中，高壓氣地下儲氣井的儲氣規(guī)模一般選用管徑為273.1 mm，內(nèi)徑為252.7 mm的套管，套管鋼級應(yīng)為TP80CQJ，材料的實際屈服強(qiáng)度宜選552～758 MPa，抗拉強(qiáng)度宜選689～862 MPa，疲勞循環(huán)次數(shù)應(yīng)不少于2.5萬次。井深按200 m計，則每口井的幾何容積約10 m3，儲氣量約2 700 m3。每口井深可根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況適當(dāng)調(diào)整，但保證井的總幾何容積不變，這樣既方便了施工，也節(jié)省了投資。

1.5 高中壓調(diào)壓裝置

高中壓調(diào)壓裝置的選擇，應(yīng)根據(jù)儲配站的高峰小時流量，進(jìn)、出口壓力等確定，由于進(jìn)出口壓力差很大，一般采用四級調(diào)壓。對調(diào)壓器的要求為通過能力大，調(diào)壓精度高，帶超壓切斷的間接式調(diào)壓器，調(diào)壓器的噪音要求小于75 dB，常采用整體橇裝式調(diào)壓裝置。橇裝式調(diào)壓裝置可充分利用三維空間，使調(diào)壓設(shè)備布置緊湊，減少了占地面積，當(dāng)調(diào)壓負(fù)荷相同時，橇裝式調(diào)壓裝置的占地面積約為現(xiàn)場安裝式調(diào)壓裝置的40%～60%。天然氣經(jīng)節(jié)流降壓后會產(chǎn)生溫降冷卻即節(jié)流效應(yīng)，因此，調(diào)壓裝置應(yīng)根據(jù)天然氣的流量、壓力降等工藝條件，確定設(shè)置加熱裝置。其主要目的一是防止在天然氣調(diào)壓后產(chǎn)生凝析水或可能產(chǎn)生的水化物，在天然氣輸送過程中對設(shè)備造成損傷并阻礙管道的正常運行；二是避免管道外壁大量結(jié)冰。一般采用高溫?zé)崴闊?，設(shè)置伴熱鍋爐房。

高中壓調(diào)壓裝置主要功能為：對天然氣過濾功能；對天然氣的加熱、調(diào)壓功能；超壓切斷及放散功能；燃?xì)庑孤﹫缶δ?；壓力、溫度、泄漏量、切斷閥位置開關(guān)信號及調(diào)壓器閥位實時數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳功能等。

高中壓裝置可根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況采用露天布置或設(shè)置在敞開的廠房內(nèi)。

2 儲配站的總平面布置

CNG儲配站選址原則：符合城鎮(zhèn)總體規(guī)劃和土地利用規(guī)劃的要求；與周圍建筑物的防火間距符合《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2006)及《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)的有關(guān)規(guī)定；應(yīng)具備適宜的地形、工程地質(zhì)條件，不應(yīng)設(shè)置在受洪水、內(nèi)澇威脅的地帶；交通方便，供水、供電、供熱、通信條件好；盡量少占農(nóng)田，節(jié)約用地并注意與城市景觀相協(xié)調(diào)。

CNG儲配站通常由調(diào)壓計量間、天然氣壓縮機(jī)房、伴熱鍋爐房、變配電室、空氣壓縮機(jī)房、消防水泵房、控制室、門衛(wèi)室、辦公樓及地下儲氣井群、集中放散管等組成。

CNG儲配站總平面應(yīng)分區(qū)布置，即分為生產(chǎn)區(qū)和輔助區(qū)。生產(chǎn)區(qū)主要有調(diào)壓計量間、天然氣壓縮機(jī)房、伴熱鍋爐房、變配電室、空氣壓縮機(jī)房、地下儲氣井群、集中放散管等。壓縮天然氣儲配站宜設(shè)2個對外出入口，出入口設(shè)置應(yīng)符合便于通行和緊急事故時人員疏散的要求。

地下儲氣井群、集中放散管應(yīng)設(shè)置在站內(nèi)全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)，其他設(shè)施及建構(gòu)筑物應(yīng)按工藝流程合理布置，盡可能使工藝管道短、通暢，流動阻力小等，其間距應(yīng)滿足現(xiàn)行國家《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》等的要求。

地下儲氣井應(yīng)分組布置，每口井的縱、橫向間距可為2 m，井身傾斜度不得大于0.20；組與組間的間距為5 m左右。一般分為3～4組布置，每組可根據(jù)運行的需要可分成更多的小組。儲氣井分組布置主要是考慮工程施工及正常運行管理的需要等。

3 需注意的問題

地下儲氣井儲存的天然氣應(yīng)符合《車用壓縮天然氣》(GB 18047)的要求。場站進(jìn)、出總管須設(shè)置緊急切斷閥和絕緣法蘭。

地下儲氣井應(yīng)分組布置，每組應(yīng)分別設(shè)置安全閥、壓力表及超壓報警器及緊急放散管等。

地下儲氣井與站內(nèi)建、構(gòu)筑物的間距目前僅能參考《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》(GB 50156)中的規(guī)定執(zhí)行。

放散管設(shè)置的高度問題，在《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》(GB 50156)與《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(GB 50028)中的要求不一致，建議按二者中要求最嚴(yán)格的條款執(zhí)行。

天然氣壓縮機(jī)組、高中壓調(diào)壓裝置、氣動閥門、儀表等均需壓縮氣體來控制，由于用氣量較大，建議應(yīng)設(shè)置空氣壓縮機(jī)站來生產(chǎn)干燥的壓縮空氣，以滿足用氣量的需要，不宜采用氮氣，這樣可節(jié)省大量的運行費用。

4 應(yīng)用實例

天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)天然氣儲配站位于天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，占地面積為40 670.35 m2，綠地率為28.8%，儲氣規(guī)模為20萬m3，預(yù)留20萬m3的規(guī)模，它除具有儲氣調(diào)峰功能外，還具有裝卸壓縮天然氣功能(裝卸規(guī)模為2 500 m3/h)和天然氣汽車加氣功能。主要由調(diào)壓計量裝置、脫硫脫水裝置、天然氣壓縮機(jī)、地下儲氣井群、減壓計量裝置及加氣機(jī)(柱)組成。

其主要設(shè)備性能參數(shù)如下：72口容積為9.3 m3的地下儲氣井；四臺D型進(jìn)氣壓力為0.3～0.4 MPa，額定排量為：2 600 m3/h，排氣壓力為25 MPa；三臺全自動加熱脫水雙塔干燥器，進(jìn)氣壓力0.3 MPa，流量為4 245 m3/h，四級調(diào)壓的高中壓橇裝式調(diào)壓裝置：流量為24 000 m3/h，進(jìn)口壓力工作為25 MPa，出氣壓力為0.12 MPa。

該儲配站于 2006年竣工投產(chǎn)，經(jīng)過近三年來的實際運行，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。該儲配站運行可靠、穩(wěn)定、安全。