鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程設(shè)計(jì)優(yōu)化

黨紅星

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 066250

地下儲(chǔ)氣庫(kù)是天然氣安全保供的主要設(shè)施，也是國(guó)家能源安全保障的重要組成部分，中國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)起步于20世紀(jì)70年代的氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)，2005年中國(guó)第一座鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)投入建設(shè)，標(biāo)志著中國(guó)有了真正意義上的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)[1]。經(jīng)過(guò)近20年發(fā)展，中國(guó)地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某煽?jī)，儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)大幅提速，成功破解了一系列難題。然而，隨著越來(lái)越多的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)投產(chǎn)后，優(yōu)質(zhì)的鹽層越來(lái)越少，由于建庫(kù)地質(zhì)條件復(fù)雜、地面條件日趨苛刻等因素，導(dǎo)致后續(xù)建庫(kù)的成本越來(lái)越高，單方天然氣儲(chǔ)氣費(fèi)居高不下，因此有必要對(duì)地面工程優(yōu)化進(jìn)行思考，以降低建庫(kù)成本，提高鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益。

1 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是指利用地下已有的鹽層或鹽丘，采用人工的方式在鹽層或鹽丘中水溶形成腔體，用于天然氣回注、儲(chǔ)存和采出的系統(tǒng)體系[2]。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程系統(tǒng)主要包括：井場(chǎng)、集配站、集注站（含造腔設(shè)施）以及集輸管道和雙向輸氣管道等。

為節(jié)省投資、降低管廊帶寬度、降低施工難度，地面工程一般采取部分井場(chǎng)先通過(guò)單井管道集中接入集配站，再由集配站通過(guò)注采干線接入集注站。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地面工藝技術(shù)主要包括集輸工藝、注氣工藝和采氣工藝。其中集輸工藝一般指布站方式、輸送壓力選擇、注采管道的設(shè)置、管網(wǎng)集輸方式（枝狀管網(wǎng)、輻射狀管網(wǎng)或二者組合的方式）等內(nèi)容的方案比選和設(shè)計(jì)；注氣工藝是指雙向輸氣管道來(lái)氣后，在集注站通過(guò)注氣壓縮機(jī)增壓后，通過(guò)集輸管道輸送至井口，注入地下鹽腔進(jìn)行天然氣儲(chǔ)存；采氣工藝是指井口采出天然氣，通過(guò)集輸管道輸送至集注站，經(jīng)過(guò)脫水裝置（一般為三甘醇脫水工藝，少數(shù)具有壓力能可利用的氣庫(kù)可采用低溫脫水工藝）進(jìn)行脫水，控制天然氣水露點(diǎn)，脫水后的商品天然氣輸送至管網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰[3-5]。

2 儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程優(yōu)化思路

2.1 優(yōu)化注采集輸工藝

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程采用二級(jí)布站工藝時(shí)，集配站和集注站之間的注采干線一般有注采管道合一（見(jiàn)圖1）和注采管道分設(shè)（見(jiàn)圖2）兩種設(shè)置方式。

圖1 注采管道合一流程示意

圖2 注采管道分設(shè)流程示意

由于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)采氣量大，注氣量相對(duì)較小，采用二級(jí)布站時(shí)，在集配站進(jìn)行采氣壓力控制，采氣干線運(yùn)行壓力一般控制在9～12 MPa。通常采氣管道工況為大氣量、低壓力，注氣管道工況為低氣量、高壓力。

如圖1所示，當(dāng)管道AB為注采管道合一設(shè)置時(shí)，既要滿足注氣的高壓力要求，又要滿足采氣時(shí)大氣量輸送要求，故管道AB為高壁厚、大口徑管道；如圖2所示，管道A1B1為采氣管道，需滿足采氣大氣量要求，應(yīng)為大口徑、低壁厚管道；管道CD為注氣干線，需滿足注氣高壓要求，應(yīng)為小口徑、高壁厚管道。

儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)周期長(zhǎng)，注氣、采氣、注氣排鹵工況交叉進(jìn)行，雖然注采管道合一設(shè)置減少了一條干線，但是不能實(shí)現(xiàn)采氣期的注氣排鹵作業(yè)，影響了建庫(kù)進(jìn)度，從而降低了儲(chǔ)氣庫(kù)的效益。注采管道分設(shè)，雖然可以實(shí)現(xiàn)采氣期的注氣排鹵作業(yè)，但是管道的投資較高。

儲(chǔ)氣庫(kù)的注氣排鹵作業(yè)一般氣量較小，4～5口鹽腔注氣排鹵的日注氣量為200×104m3左右，為了降低投資，同時(shí)縮短建庫(kù)周期，可以通過(guò)單獨(dú)設(shè)置注氣排鹵管道，實(shí)現(xiàn)采氣期的注氣排鹵作業(yè)。同時(shí)，注氣排鹵管道可兼做建庫(kù)結(jié)束后的采氣管道，分擔(dān)一部分采氣量，可以降低采氣管道口徑，降低管道建設(shè)投資。

如圖3所示，A2B2為注采合一管道，C1D1為注氣排鹵管道（建庫(kù)結(jié)束后兼做采氣管道），建庫(kù)期利用C1D1進(jìn)行鹽腔注氣排鹵，利用A2B2進(jìn)行采氣，可以縮短建庫(kù)周期，同時(shí)利用適當(dāng)時(shí)機(jī)或建庫(kù)結(jié)束后，C1D1與A2B2共同承擔(dān)采氣任務(wù)，由于C1D1分擔(dān)了部分采氣量，故注采干線A2B2的管徑可以適當(dāng)減小，節(jié)約投資；另外，在相同壓力、管徑、強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)、溫度等條件下，管材的屈服強(qiáng)度越高，管道壁厚越小，設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)不同鋼級(jí)對(duì)比優(yōu)選，適當(dāng)提高管道鋼級(jí)，也可以降低集輸管道管材費(fèi)[6-7]。

圖3 注采管道合一+注氣排鹵管道流程示意

2.2 儲(chǔ)氣庫(kù)先達(dá)產(chǎn)后達(dá)容設(shè)計(jì)

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)具有建庫(kù)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，但與油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)不同的是，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)可以發(fā)揮快注快采的特點(diǎn)，對(duì)于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)越早實(shí)現(xiàn)注采氣作業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益就越好。

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模一般由外部市場(chǎng)、鹽腔注采運(yùn)行要求、鹽腔的容積等多因素決定，地面工程設(shè)計(jì)規(guī)模一旦確定，地面的集輸管道、采氣處理系統(tǒng)、注氣處理系統(tǒng)的規(guī)模也隨之確定。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)通常會(huì)設(shè)置多口鹽腔來(lái)達(dá)到庫(kù)容要求，地面工程設(shè)計(jì)通常做法是先確定地面設(shè)計(jì)規(guī)模，再平均分配給單座鹽腔，進(jìn)而確定集輸系統(tǒng)規(guī)模[8]，這樣易導(dǎo)致集輸系統(tǒng)出現(xiàn)卡脖子的情況，只有全部井場(chǎng)參與注采氣時(shí)才能達(dá)到最大產(chǎn)量，即只有儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容達(dá)到設(shè)計(jì)值后才能實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)的最大注采設(shè)計(jì)規(guī)模，而鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的建庫(kù)周期往往長(zhǎng)達(dá)10年以上，這種先達(dá)容后達(dá)產(chǎn)的方式就會(huì)限制儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)揮其最大周轉(zhuǎn)次數(shù)，從而降低了儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。

考慮到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的單腔注采能力較大，按照先達(dá)產(chǎn)后達(dá)容的設(shè)計(jì)思路，單井管道及注采干線按照單井的最大注采能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，集注站設(shè)計(jì)規(guī)模按照市場(chǎng)情況確定后，可以預(yù)留后期的擴(kuò)建接口，先利用前幾年完成的少部分鹽腔，提前5～6年實(shí)現(xiàn)地面工程系統(tǒng)最大產(chǎn)量。提前實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣庫(kù)1.5次～2次工作氣量的周轉(zhuǎn)，可大大提高儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益，一般周轉(zhuǎn)次數(shù)為2次時(shí)，儲(chǔ)氣費(fèi)可降低到周轉(zhuǎn)1次時(shí)的52%[9-10]。雖然集輸管道投資較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)略微提高，但是通過(guò)儲(chǔ)氣庫(kù)周轉(zhuǎn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益更為明顯，待10年后庫(kù)容達(dá)到最大時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)情況擇機(jī)進(jìn)行集注站的擴(kuò)建，即可實(shí)現(xiàn)地面工程和地下工程互相匹配的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2.3 儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)備通用性設(shè)計(jì)

近年來(lái)，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)速度越來(lái)越快，技術(shù)日趨成熟，但各儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)思路差異化仍然存在，尤其是不同設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)原則和特點(diǎn)各不相同，導(dǎo)致各儲(chǔ)氣庫(kù)的集輸工藝、注氣工藝和采氣工藝都有一定差異，甚至同一家建設(shè)單位的各儲(chǔ)氣庫(kù)的設(shè)計(jì)風(fēng)格和建設(shè)風(fēng)格也存在差異化。

采取集中采購(gòu)，統(tǒng)一招投標(biāo)比價(jià)，由于需求量大，供應(yīng)商一般會(huì)下浮報(bào)價(jià)，比起各儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目獨(dú)自采購(gòu)會(huì)明顯節(jié)約成本，同時(shí)在付款方面具有優(yōu)勢(shì)。比如獨(dú)自采購(gòu)付款周期可能是3個(gè)月，那么集中采購(gòu)付款周期可能會(huì)延長(zhǎng)至半年甚至一年，這樣就降低了企業(yè)的資金占用率，變相提升了效益，而且集中采購(gòu)由于用量大且需求較穩(wěn)定，供應(yīng)商一般都會(huì)優(yōu)先供貨，優(yōu)先安排組織物資設(shè)備培訓(xùn)交流、售后服務(wù)等事項(xiàng)，集中采購(gòu)會(huì)使采購(gòu)方獲得更高的服務(wù)質(zhì)量。

對(duì)于同一家建設(shè)單位而言，建議新建儲(chǔ)氣庫(kù)盡量與已建或同期在建的儲(chǔ)氣庫(kù)保持一定的通用性，例如采氣脫水裝置或注氣壓縮機(jī)組都屬于儲(chǔ)氣庫(kù)的核心設(shè)備，占地面工程投資的比重較大，也是儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如果同期設(shè)計(jì)建設(shè)的各儲(chǔ)氣庫(kù)在設(shè)備設(shè)計(jì)、選型等方面做到統(tǒng)一化，不僅可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間互相備用，而且可以通過(guò)集中采購(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，降低設(shè)備全生命周期成本[11]，縮短建庫(kù)周期，提高工程質(zhì)量，方便運(yùn)行管理，從而最大程度提高鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 余壓利用多企聯(lián)動(dòng)

高壓天然氣壓力能的回收和利用一般應(yīng)用于天然氣液化、天然氣凈化、壓力能發(fā)電等方面[12]。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)一般采氣期的流量大，且壓差大，如果對(duì)這部分能量進(jìn)行回收可以有效降低天然氣壓縮機(jī)的能耗，提高儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。儲(chǔ)氣庫(kù)采氣期主要能耗為脫水裝置用電，用電量較小，故大量的壓差能無(wú)法被儲(chǔ)氣庫(kù)自己消化利用[13]。考慮到天然氣壓差發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在儲(chǔ)氣庫(kù)中進(jìn)行應(yīng)用，大規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)也將逐漸起步，燃?xì)馄髽I(yè)可以與鄰近的電廠企業(yè)以合作的方式進(jìn)行能量回收，燃?xì)馄髽I(yè)的儲(chǔ)氣庫(kù)采氣期通過(guò)節(jié)流壓差發(fā)電后供給電廠企業(yè)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行空氣儲(chǔ)能[14-15]，在注氣期用壓縮機(jī)空氣發(fā)電后供給燃?xì)馄髽I(yè)天然氣壓縮機(jī)用電需求，通過(guò)內(nèi)部調(diào)整電價(jià)、租賃鹽腔等互相合作的方式，將儲(chǔ)氣庫(kù)壓力能進(jìn)行回收，既實(shí)現(xiàn)了電廠企業(yè)為電網(wǎng)的調(diào)峰，也實(shí)現(xiàn)了燃?xì)馄髽I(yè)為管網(wǎng)調(diào)峰，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)多企業(yè)利益最大化。

圖4 壓差利用多企業(yè)聯(lián)動(dòng)示意

2.5 離心壓縮機(jī)應(yīng)用技術(shù)

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)注氣量和注氣壓力變化范圍較大，國(guó)內(nèi)已建儲(chǔ)氣庫(kù)大多采用往復(fù)式壓縮機(jī)，國(guó)外大型儲(chǔ)氣庫(kù)一般采用離心式壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)組合使用或單獨(dú)使用離心式壓縮機(jī)[16]。

隨著儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了規(guī)模較大的儲(chǔ)氣庫(kù)，往復(fù)式壓縮機(jī)一般在出口排壓較高工況下使用，單機(jī)排量最大在200×104m3左右，對(duì)于工作氣量20×108m3的儲(chǔ)氣庫(kù)，往復(fù)式壓縮機(jī)數(shù)量受單機(jī)排量影響可達(dá)到8臺(tái)或者更多，導(dǎo)致占地和投資急劇增加，而離心式壓縮機(jī)的排量較大，若采用離心式壓縮機(jī)代替往復(fù)式壓縮機(jī)，可大大降低占地和工程投資。

對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)壓力變化范圍較大的工況，可通過(guò)離心式壓縮機(jī)串聯(lián)設(shè)置實(shí)現(xiàn)排氣壓力大范圍變化。注氣初期，地層壓力較低，壓縮機(jī)一般大流量、低壓比運(yùn)行；注氣中后期，壓縮機(jī)一般低流量、高壓比運(yùn)行，離心式壓縮機(jī)兩級(jí)缸可串、并聯(lián)，因此可以通過(guò)壓縮機(jī)兩級(jí)缸的串、并聯(lián)和壓縮機(jī)組之間的串、并聯(lián)組合來(lái)滿足注氣工況需求[17]。例如某儲(chǔ)氣庫(kù)的注氣量為800×104m3，注氣壓力8～23.5 MPa，壓縮機(jī)入口壓力5.5 MPa，采用離心式壓縮機(jī)串聯(lián)的形式進(jìn)行注氣。8～12 MPa運(yùn)行范圍可單獨(dú)投運(yùn)低壓缸，性能曲線見(jiàn)圖5；12～23.5 MPa運(yùn)行范圍可采用兩級(jí)缸串聯(lián)，性能曲線見(jiàn)圖6。

圖5 離心式壓縮機(jī)低壓缸性能曲線

圖6 離心式壓縮機(jī)串聯(lián)性能曲線

3 結(jié)論

（1）通過(guò)增設(shè)注氣排鹵管道，并利用注氣排鹵管道在合適的時(shí)機(jī)或建庫(kù)結(jié)束后進(jìn)行采氣，可以降低注采合一管道的口徑；通過(guò)優(yōu)選管道鋼級(jí)，可降低集輸系統(tǒng)投資。

（2）利用儲(chǔ)氣庫(kù)先達(dá)產(chǎn)后達(dá)容的設(shè)計(jì)思路，在建庫(kù)期先達(dá)到地面工程最大設(shè)計(jì)規(guī)模，提高儲(chǔ)氣庫(kù)周轉(zhuǎn)頻次，建庫(kù)結(jié)束后再達(dá)到最大庫(kù)容，擇機(jī)進(jìn)行擴(kuò)建，可明顯提高鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）相同建設(shè)單位的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)采取通用性設(shè)計(jì)，通過(guò)集中采購(gòu)，降低成本，提高設(shè)備互備可靠性，縮短建庫(kù)周期，同時(shí)獲得良好售后服務(wù)，方便運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)建庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

（4）對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)采氣期壓差進(jìn)行回收利用，通過(guò)燃?xì)馄髽I(yè)與供電企業(yè)共同聯(lián)動(dòng)合作，形成產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)共贏，提高儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。

（5）采用離心式壓縮機(jī)可以大幅減少設(shè)備占地和投資，隨著技術(shù)發(fā)展，離心式壓縮機(jī)可以更好地適應(yīng)儲(chǔ)氣庫(kù)的注氣要求，同時(shí)通過(guò)離心式壓縮機(jī)串并聯(lián)，能更好地適應(yīng)注氣壓力大范圍變化的要求。