地下儲(chǔ)氣庫天然氣液化法注氣工藝原理探討

周 剛

華北石油管理局有限公司儲(chǔ)氣庫管理處，河北廊坊 065000

近年來，隨著天然氣的普及，季節(jié)供需不平衡等問題日益嚴(yán)重，冬季采暖季用氣量大，用氣緊張，其他季節(jié)氣量過剩，影響氣田合理開采。輸氣管道一旦有意外突發(fā)情況發(fā)生，地下儲(chǔ)氣庫將會(huì)發(fā)揮其保障供氣的強(qiáng)大功能，因此建設(shè)天然氣地下儲(chǔ)氣庫是保障未來天然氣供給、確保國家天然氣戰(zhàn)略安全的必然選擇。但目前地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)受到兩方面制約，一是儲(chǔ)氣庫建設(shè)的投資巨大，二是建成后的儲(chǔ)氣庫運(yùn)行成本高，因而需探索新的地下儲(chǔ)氣庫建庫原理，以期破解儲(chǔ)氣庫建設(shè)和運(yùn)行的高投入問題。

1 地下儲(chǔ)氣庫地面工藝系統(tǒng)的建設(shè)原理及存在問題

1.1 目前儲(chǔ)氣庫地面系統(tǒng)

目前，我國地下儲(chǔ)氣庫的地面系統(tǒng)建設(shè)主要是沿用歐美等國家的傳統(tǒng)建設(shè)模式，一條雙向天然氣輸送管道連接儲(chǔ)氣庫注采站和管道輸氣主干線，注采站內(nèi)的天然氣系統(tǒng)分為注氣系統(tǒng)和采氣系統(tǒng)，在注氣期，注氣系統(tǒng)將雙向輸送管道從輸氣干線接收的天然氣經(jīng)過簡(jiǎn)單的過濾和調(diào)壓，進(jìn)天然氣壓縮機(jī)增壓，通過單井高壓集輸管道輸送到注采井注入地下；在采氣期，注采井采出天然氣后經(jīng)單井集氣管道集輸?shù)郊⒄镜臒N水露點(diǎn)裝置，簡(jiǎn)單凈化處理后，再通過雙向輸送管道外輸?shù)教烊粴庵鞴艿?。注采周期周而?fù)始，達(dá)到儲(chǔ)氣庫運(yùn)行目的[1-2]。

1.2 儲(chǔ)氣庫地面系統(tǒng)存在的問題

儲(chǔ)氣庫注氣系統(tǒng)的核心設(shè)備是注氣壓縮機(jī)，由于需要向深度達(dá)幾千米的地下儲(chǔ)層注氣，注氣壓力一般高達(dá)25～40 MPa，每天的注氣量高達(dá)上百萬立方米，目前國產(chǎn)注氣壓縮機(jī)還在試驗(yàn)階段，尚未推廣應(yīng)用，進(jìn)口注氣壓縮機(jī)是儲(chǔ)氣庫集注站的最大投資，每臺(tái)壓縮機(jī)的投資在千萬元以上[3]。在實(shí)際運(yùn)行中，進(jìn)口壓縮機(jī)配件價(jià)格高，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)存在振動(dòng)大、噪音大、管理強(qiáng)度大、機(jī)油等配套易耗品消耗量大等問題，特別是壓縮機(jī)運(yùn)行消耗電量大，使注氣成本居高不下，嚴(yán)重制約地下儲(chǔ)氣庫的經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)。儲(chǔ)氣庫注氣系統(tǒng)存在的主要問題是壓縮機(jī)的一次性設(shè)備投資費(fèi)用大和運(yùn)行維護(hù)成本高的問題。

由于采氣期每天采出的天然氣量大，加上注入的天然氣為干氣，目前集注站采氣系統(tǒng)普遍采用J-T閥節(jié)流制冷降溫法降低外輸天然氣露點(diǎn)，但目前我國地下儲(chǔ)氣庫基本是利用圈閉較好的老油氣藏建設(shè)的，在儲(chǔ)氣庫采氣時(shí)，采出的天然氣中會(huì)攜帶原氣藏中剩余的原油和混合輕烴，J-T閥節(jié)流制冷工藝存在外輸天然氣烴露點(diǎn)不合格和輕烴回收率低的問題。而采取更加復(fù)雜的降溫處理工藝雖然能夠使天然氣凈化處理時(shí)溫度降得更低，脫水脫烴凝液效果更佳，但投資增加，使得裝置在運(yùn)行性價(jià)比上不經(jīng)濟(jì)。

儲(chǔ)氣庫運(yùn)行分為注氣期、采氣期和平衡期，注氣期一般是從年度的4月初開始到10月中旬，采氣期從年度的11月中旬到次年的3月中旬，注采氣期間的間隔為平衡期，春季平衡期時(shí)間為半個(gè)月左右，秋季的平衡期為一個(gè)月左右。注氣期注氣系統(tǒng)運(yùn)行，采氣裝置閑置；采氣期采氣系統(tǒng)運(yùn)行，注氣裝置閑置。這造成裝置設(shè)施的使用率很低，也是目前儲(chǔ)氣庫地面系統(tǒng)存在的問題之一。

2 地下儲(chǔ)氣庫L NG注氣系統(tǒng)建設(shè)原理

為解決上述問題，本文探討一種儲(chǔ)氣庫注采站取消注氣壓縮機(jī)的建站方案，解決儲(chǔ)氣庫發(fā)展的瓶頸問題[4-5]。

2.1 儲(chǔ)氣庫LNG注氣系統(tǒng)的建設(shè)思路

將管網(wǎng)的天然氣引入集注站后直接進(jìn)入分子篩脫水裝置脫水，脫水后的天然氣進(jìn)入新建的LNG工廠液化成LNG液體，然后將LNG液體和進(jìn)站的天然氣換熱，使進(jìn)站的天然氣在深冷之前先預(yù)冷，同時(shí)，液化天然氣在與進(jìn)站天然氣換熱過程中獲得熱量（必要時(shí)可以通過加裝空氣換熱器從環(huán)境溫度中獲得熱量）升溫升壓，壓力升高到注氣壓力時(shí)外輸?shù)阶⒉删鈁6-7]。

2.2 儲(chǔ)氣庫LNG注氣系統(tǒng)工作原理

儲(chǔ)氣庫LNG注氣系統(tǒng)工作原理見圖1。注氣系統(tǒng)分為兩個(gè)過程，實(shí)線表示天然氣進(jìn)站等壓降溫過程，虛線表示天然氣出站氣化升溫升壓過程。

圖1 儲(chǔ)氣庫LNG注氣系統(tǒng)工作原理

（1）儲(chǔ)氣庫注氣系統(tǒng)LNG液化的等壓降溫過程。從輸氣干線輸送過來的常溫天然氣經(jīng)分子篩脫水后進(jìn)換熱器與出站的低溫天然氣換熱降溫，經(jīng)過分離器脫出凝液進(jìn)入淺冷系統(tǒng)，淺冷系統(tǒng)可以采取丙烷制冷或氨制冷，降溫后的天然氣進(jìn)換熱器與外輸?shù)蜏靥烊粴庠僖淮螕Q熱，進(jìn)入分離器脫出凝液，最后進(jìn)深冷系統(tǒng)降溫至-180℃，液化天然氣進(jìn)入高壓儲(chǔ)罐，設(shè)置的兩具高壓儲(chǔ)罐中的一具同時(shí)接收兩臺(tái)預(yù)冷分離器產(chǎn)出的輕烴凝液。這個(gè)過程是等壓降溫過程，系統(tǒng)壓力和進(jìn)站的壓力基本持平，只是實(shí)現(xiàn)逐級(jí)降溫的過程[8-9]。

（2） 儲(chǔ)氣庫注氣系統(tǒng)LNG氣化升溫升壓過程。兩具高壓LNG儲(chǔ)罐安裝在相對(duì)位置較高的二層平臺(tái)上，一具隨時(shí)接收系統(tǒng)產(chǎn)生的LNG凝液，另外一具是已經(jīng)接收滿LNG的儲(chǔ)罐，先通過補(bǔ)壓閥將該儲(chǔ)罐壓力提高到和高壓注氣系統(tǒng)壓力相同，再利用底部的限流閥門，將LNG凝液均勻地回流到一層平臺(tái)上的注氣系統(tǒng)中，即圖1中虛線的部分，LNG凝液在換熱器中吸收比其自身溫度高的進(jìn)站天然氣的熱量而逐漸氣化。此時(shí)的儲(chǔ)罐和正在運(yùn)行的第一過程壓力系統(tǒng)是完全獨(dú)立的，當(dāng)注采站注氣外輸系統(tǒng)壓力達(dá)到外輸壓力后，自動(dòng)打開外輸注氣天然氣閥門，給注氣井注氣，如果外輸天然氣升溫過程壓力不夠，可以采取增加空氣氣化裝置等設(shè)備，從空氣中補(bǔ)充氣化能量。

從上述天然氣處理過程可以看出，LNG注氣系統(tǒng)取消了注氣壓縮機(jī)，注氣增壓的過程是靠LNG升溫氣化膨脹升壓的過程來增壓的。從原理上來講，此升壓過程是完全可控的，因?yàn)橹灰^天然氣的沸點(diǎn)，天然氣必然氣化，氣化造成600倍以上的體積膨脹，在管道的有限空間內(nèi)，只要對(duì)膨脹區(qū)的容積和氣量加以控制，天然氣就能升高到需要的高壓；同時(shí)，低溫天然氣的升溫升壓過程可用氣體熱力學(xué)方程計(jì)算。整個(gè)注氣過程注氣系統(tǒng)只需兩臺(tái)主要的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，一是淺冷系統(tǒng)的丙烷循環(huán)壓縮機(jī)，二是深冷系統(tǒng)的氮循環(huán)壓縮機(jī)，這兩臺(tái)壓縮機(jī)由于運(yùn)行的只是循環(huán)的制冷液，電機(jī)功率相比注氣壓縮機(jī)要小很多，且進(jìn)站天然氣獲得的降溫冷量大部分是由出站LNG氣化提供的，在天然氣真正進(jìn)入深冷系統(tǒng)前已經(jīng)降溫到了-70℃左右，進(jìn)出站天然氣的熱量平衡過程使整個(gè)深冷注氣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，系統(tǒng)僅需要再提供天然氣進(jìn)一步深冷的能量和熱交換過程中冷量的損失。天然氣常溫進(jìn)站，常溫或略低一點(diǎn)溫度出站，天然氣的降溫和升溫過程熱量相互補(bǔ)充，完全避免了常規(guī)注氣中注氣壓縮機(jī)高壓運(yùn)行的問題，上述系統(tǒng)中的等壓降溫液化過程和升溫增壓氣化過程是相互獨(dú)立的壓力系統(tǒng)。天然氣主流程中沒有動(dòng)力設(shè)備，規(guī)避了設(shè)備運(yùn)行帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

3 儲(chǔ)氣庫L NG站采氣系統(tǒng)采氣原理

在常規(guī)儲(chǔ)氣庫注采站中，注氣系統(tǒng)和采氣系統(tǒng)是分別設(shè)置的，存在著一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行而另一個(gè)系統(tǒng)閑置的問題。本方案中LNG注氣系統(tǒng)可以直接作為采氣裝置運(yùn)行，只需不運(yùn)行系統(tǒng)的深冷裝置即可。天然氣采氣過程：天然氣從單井采出后進(jìn)入集注站，先進(jìn)入生產(chǎn)分離器除去液體，然后進(jìn)入分子篩脫水后進(jìn)入換熱器降溫，再進(jìn)入低溫分離器降溫后進(jìn)入淺冷系統(tǒng)，從淺冷系統(tǒng)出來經(jīng)分離器除液后進(jìn)入換熱器升溫外輸，流程見圖2。淺冷系統(tǒng)對(duì)天然氣的處理大大降低了天然氣的露點(diǎn)溫度，可以獲得額外的混合輕烴收入，同時(shí)避免了外輸管道積液凍堵問題[10]。

圖2 采氣流程原理

4 結(jié)論

本文論述的LNG注氣原理是國際上首創(chuàng)的注氣方法，將LNG液化和注氣原理結(jié)合，催生出新的儲(chǔ)氣庫注氣采氣原理，詳細(xì)的工藝設(shè)備選取和工藝流程設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體的儲(chǔ)氣庫類型來設(shè)定。相比傳統(tǒng)的儲(chǔ)氣庫注采工藝原理，本注采系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）取消注氣壓縮機(jī)，一是節(jié)約了進(jìn)口壓縮機(jī)的投資、耗能、配件、維修等費(fèi)用；二是省去了壓縮機(jī)的機(jī)房建設(shè)及其配套的降噪系統(tǒng)建設(shè)；三是由于用電減少，也減少了相應(yīng)的變電站建設(shè)投資費(fèi)用，可相應(yīng)減少集注站的用地面積。因而大大降低了儲(chǔ)氣庫投資及運(yùn)行成本。

（2）由于集注站采氣裝置利用了注氣裝置的一部分，注采裝置合二為一，提高了設(shè)備及工藝系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

（3）原采氣裝置靠J-T閥節(jié)流制冷，節(jié)流降壓過程使外輸壓力損失，下游天然氣的運(yùn)行壓力受到制約，且制冷溫度只有-10℃左右，外輸天然氣輕烴露點(diǎn)得不到保證。本裝置利用注氣系統(tǒng)的淺冷裝置對(duì)采出天然氣再處理，能夠保證外輸天然氣露點(diǎn)下降到-15℃左右；同時(shí)不損失外輸天然氣壓力，還能收獲額外的混合輕烴。因而特別適用于利用老油氣藏建設(shè)的儲(chǔ)氣庫。

（4）由于LNG天然氣注采站的工作過程是將天然氣液化，使得儲(chǔ)氣庫注采站具備了LNG母站的功能，只要增加LNG儲(chǔ)罐，就可以形成小型地面LNG儲(chǔ)氣庫，該站可隨時(shí)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)NG外輸母站，滿足外輸管道破裂后的緊急用氣問題。

（5）目前冬季用氣高峰時(shí)需海上進(jìn)口國外的LNG，LNG船停在碼頭，卸載的LNG靠槽車?yán)\(yùn)進(jìn)入內(nèi)地補(bǔ)充天然氣管網(wǎng)，由于用氣量的需求并不均勻，有時(shí)LNG船舶長(zhǎng)期停在港口待卸，產(chǎn)生停泊成本。本裝置投運(yùn)后，可以先將船上的LNG拉運(yùn)到儲(chǔ)氣庫氣化儲(chǔ)入地下儲(chǔ)氣庫，節(jié)約地面建設(shè)LNG儲(chǔ)存設(shè)施的費(fèi)用。

本方法先期可在小型儲(chǔ)氣庫建站中試驗(yàn)運(yùn)行，以驗(yàn)證這種全新理念的儲(chǔ)氣庫注采站建站方法的可行性和實(shí)用性。