港華鹽穴儲氣庫地面工藝優(yōu)化改進(jìn)措施

港華儲氣有限公司 張林果 王英臣 李敬江 錢 彬

金壇港華鹽穴儲氣庫是國內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)獾谝粋€大規(guī)模地下鹽穴儲氣項目及商業(yè)儲氣項目。由香港中華煤氣和中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司(以下簡稱“金壇鹽化”)在金壇鹽盆共同合作建設(shè)。地下鹽穴由金壇鹽化承擔(dān)建設(shè)并租賃給港華儲氣有限公司使用，地面工程(含注采站、井場工藝、高壓管線等)由港華儲氣有限公司投資建設(shè)。項目分港華儲氣有限公司(以下簡稱“一期項目”)和港華儲氣(金壇)有限公司(以下簡稱“二期項目”)兩個項目。一期項目共建設(shè)10口井，總儲氣量約5億m3，其中有效工作氣量約3億m3，最大供氣能力為500萬m3/d。二期項目建設(shè)15口井，總儲氣量約7億m3，其中工作氣量約4億m3，最大供氣能力為1 000萬m3/d。兩個項目總儲量約12億m3，工作氣量約7億m3，供氣能力1 500萬m3/d。

目前一期項目已于 2018年順利投產(chǎn)，二期項目也已順利開工。作為商業(yè)運(yùn)營定位的儲氣庫，運(yùn)行模式與傳統(tǒng)的長輸管道配套運(yùn)行的儲氣庫有明顯的差異性。

一期項目地面工程工藝設(shè)計時主要參照中石油、中石化鹽穴儲氣庫，并根據(jù)運(yùn)行需求進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。二期項目地面工程工藝，在參考一期項目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后，持續(xù)改進(jìn)完善，主要采取了鹽穴分組設(shè)置、改進(jìn)放散系統(tǒng)、優(yōu)化真空相變爐位置等創(chuàng)新措施。本文將針對二期項目的改進(jìn)措施進(jìn)行分析和探討。

1 鹽穴儲氣庫地面工程常規(guī)工藝流程

鹽穴儲氣庫地面工程工藝系統(tǒng)按區(qū)域主要分為注采站和井場。其中：注采站為中間調(diào)配站，通過輸氣管道與氣源點(diǎn)相連，通過集輸管線與鹽穴井場相連，承擔(dān)著過濾、計量、壓縮、脫水及調(diào)配等功能；井場設(shè)于每口地下鹽穴處，每口地下鹽穴由一個采氣樹與一個井場系統(tǒng)相連，各個井場系統(tǒng)均通過各自的集輸管道與注采站相連。鹽穴儲氣庫常規(guī)工藝主要分為注氣流程和采氣流程，以下以一期項目為例。

1.1 一期項目注氣流程

一期項目注氣流程，如圖1所示。從上游氣源點(diǎn)來的天然氣進(jìn)入注采站后，首先進(jìn)入過濾分離器，分離雜質(zhì)和水分后，經(jīng)超聲波流量計計量，進(jìn)入壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行加壓，再經(jīng)過空冷器冷卻后送到匯管分配，分成多路通過集輸管線到達(dá)各個井場，再通過采氣樹進(jìn)入地下鹽穴。

圖1 一期項目注氣工藝流程

1.2 一期項目采氣流程

一期項目采氣流程，如圖2所示。天然氣從井口采出后一級降壓送入注采站。在注采站先經(jīng)過濾分離器分離掉其中的游離水和機(jī)械雜質(zhì)后，進(jìn)入采氣調(diào)壓撬二級降壓至8.5 MPa左右，進(jìn)入三甘醇脫水裝置，脫水合格后經(jīng)計量，三級降壓至相應(yīng)氣源點(diǎn)所需要的出站壓力，輸往站外。

圖2 一期項目采氣工藝流程

2 工藝改進(jìn)措施

在一期項目的基礎(chǔ)上，二期項目在設(shè)計階段即進(jìn)行優(yōu)化。在保證安全性的前提下，靈活豐富了儲氣庫的運(yùn)行操作方式，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的生產(chǎn)要求，更好地發(fā)揮儲氣庫的作用。同時，委托設(shè)計單位利用HAZOP分析工具，對主要工藝流程進(jìn)行分析評價，從源頭采取管控措施消減風(fēng)險。以下列舉3個主要改進(jìn)措施，以供參考。

2.1 鹽穴分組設(shè)置

鹽穴分組對比示意，如圖3、圖4所示。

圖3 一期項目鹽穴分組示意

圖4 二期項目鹽穴分組示意

在一期項目中，注氣、采氣裝置連接注采匯管，注采匯管連接通往井場的集輸管線，每條集輸管線對應(yīng)一口鹽穴，按照注采合一的功能設(shè)計。

二期項目設(shè)計時，對此處工藝設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整優(yōu)化，將鹽穴分組設(shè)置，每組約連接3～4口鹽穴，共用一段注采匯管，明顯提高了注采氣操作靈活性。

鹽穴分組設(shè)置主要有以下4點(diǎn)優(yōu)勢：

(1)實(shí)現(xiàn)同時進(jìn)行注采氣操作。鹽穴分組設(shè)置，打破了注采氣流程不能同時進(jìn)行的常規(guī)認(rèn)知，不同組別的鹽穴能夠?qū)崿F(xiàn)相互獨(dú)立的注采氣操作，完全不受其他組別鹽穴影響，從而靈活實(shí)現(xiàn)注采分開，滿足同時注采的需求。

(2)實(shí)現(xiàn)多氣源靈活注氣操作。一期項目運(yùn)營中經(jīng)常面對不同氣源同時來氣，需開啟多口鹽穴注氣的情況。在現(xiàn)有的工藝設(shè)計中，當(dāng)不同鹽穴井口壓力相差較大且同時注氣時，為控制注氣氣量分配，保證單口鹽穴注入量不超過設(shè)計值，需通過采氣樹角閥進(jìn)行控制注入鹽穴的氣量，操作相對困難，且在角閥節(jié)流時會造成壓力能的損失。鹽穴分組設(shè)置后，即使兩組鹽穴壓力相差較大，也能選擇不同的壓縮機(jī)加壓，同時注入不同組別的鹽穴，互不影響。

(3)合理利用上游壓能，降低能耗。壓縮機(jī)運(yùn)行能耗主要受到進(jìn)口壓力與出口壓力的影響。一般來說，當(dāng)進(jìn)口壓力越高且出口壓力越低，壓縮機(jī)的能耗越低；反之，當(dāng)進(jìn)口壓力接近設(shè)計下限，出口壓力接近設(shè)計上限時，壓縮機(jī)的能耗達(dá)到最高。一期項目采用多氣源進(jìn)氣，壓力各不相同，注氣時統(tǒng)一經(jīng)過同1根注采匯管，無法分組注氣，難免造成壓縮機(jī)運(yùn)行能耗的損失。采用鹽穴分組設(shè)置能夠自主選擇鹽穴分開加壓注氣，將不同氣源來氣注入不同分組的井場，充分利用上游壓力，節(jié)本降耗。

(4)提升注采安全性。鹽穴在運(yùn)行期間，注采速率均有嚴(yán)格的限制，將鹽穴分組設(shè)置后，將幾口鹽穴作為一個整體同注同采，維持相同運(yùn)行壓力，均衡注采氣量。即使在注采量較大的情況下，也可避免鹽穴不必要的蠕動收縮和傷害，顯著提高鹽穴的運(yùn)行壽命和安全性。

2.2 改進(jìn)放散系統(tǒng)

放散系統(tǒng)對比示意，如圖5、圖6所示。

圖5 一期項目放散系統(tǒng)示意

圖6 二期項目放散系統(tǒng)示意

一期項目中，所有放散管線不論放散壓力，都是進(jìn)入一個放散總管接至放散塔。此種工藝模式在實(shí)際運(yùn)行中存在風(fēng)險，當(dāng)不同壓力等級的天然氣同時放散時，有可能使得高壓放散氣體竄入低壓放散系統(tǒng)中，引發(fā)安全事故。也可能在高壓氣體放散時使得低壓放散系統(tǒng)的安全閥出口背壓過高，導(dǎo)致低壓氣體無法及時放散，引發(fā)安全事故。

針對此項存在風(fēng)險，二期項目設(shè)計時根據(jù)場站天然氣運(yùn)行的壓力范圍，劃分為低壓0.4～6.3 MPa、中壓6.3～10 MPa和高壓10～18 MPa 3個區(qū)間，設(shè)置3個獨(dú)立的放散系統(tǒng)，不同壓力級制的天然氣分開匯入不同的匯管，同時還有1 MPa及以下的放空氣單獨(dú)接到放散塔根部的低壓放空管線，最后集中進(jìn)入放散塔進(jìn)行放散。這種調(diào)整方式，能夠使得不同壓力天然氣放散時相互獨(dú)立，互不影響，不存在高壓躥入低壓系統(tǒng)的風(fēng)險。

同時，二期項目在注采站進(jìn)、出站管線及注氣采氣系統(tǒng)設(shè)置與全站 ESD觸發(fā)命令連鎖的電動放空閥門，當(dāng)執(zhí)行全站ESD命令時，電動放空閥門自動打開，及時放空站內(nèi)天然氣。在發(fā)生天然氣嚴(yán)重泄漏等緊急情況下，能夠顯著降低事故損失，消除后續(xù)風(fēng)險，提高場站本質(zhì)安全性。

2.3 優(yōu)化真空相變爐位置

冬季采氣時，環(huán)境氣溫較低，加上采氣時壓降較大，鹽穴壓力最高17 MPa，通過三級降壓后，外輸壓力最低時僅2 MPa左右?；谔烊粴庾陨砦锢硖匦裕烊粴鈮毫γ肯陆? MPa，天然氣溫度降低4～5 K，巨大的壓降造成溫度的快速降低，天然氣溫度過低會產(chǎn)生諸多不利影響，主要包括：

(1)由于從鹽穴采出的天然氣含飽和水，可能會產(chǎn)生閥門凍結(jié)、管道冰堵，既會造成供氣中斷，也嚴(yán)重威脅安全運(yùn)行。

(2)天然氣溫度低于–20 ℃，超過鋼管 Q345D材質(zhì)的耐寒極限，同時會導(dǎo)致土壤凍漲，破壞周邊環(huán)境。

(3)天然氣溫度過低影響三甘醇脫水裝置的脫水效果，降低三甘醇使用壽命。

井口采氣溫度平均為 32 ℃，調(diào)壓至 12 MPa后進(jìn)入注采站，溫度低值約為 18 ℃，已降至水合物生成溫度，再次調(diào)壓至8.5 MPa后，天然氣溫度已明顯低于水合物生成溫度，同時考慮到三甘醇脫水裝置的吸收效率及三甘醇損耗的影響，進(jìn)脫水裝置的天然氣宜在20～30 ℃。根據(jù)中石油運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)，不同壓力下水合物生成溫度見表1。

表1 不同壓力下水合物生成溫度表

針對此項風(fēng)險，一期項目采氣流程示意如圖7所示。在二級降壓后、脫水裝置前增設(shè)真空相變爐，可提升天然氣溫度10～15 K，運(yùn)行效果明顯，但也存在一定的不足，主要體現(xiàn)在二級降壓時因溫度過低，壓力調(diào)節(jié)閥中的鼠籠結(jié)構(gòu)精度較高，經(jīng)常發(fā)生凍堵現(xiàn)象。

圖7 一期項目采氣流程示意

二期項目采氣流程示意如圖8所示。在一期項目運(yùn)行的基礎(chǔ)上優(yōu)化真空相變爐位置，將加熱爐位置調(diào)整在二級降壓前，通過提升調(diào)壓前天然氣溫度來避免調(diào)壓過程形成水合物，進(jìn)一步降低設(shè)備凍堵風(fēng)險。

圖8 二期項目采氣流程示意

3 結(jié)語

港華鹽穴儲氣庫與中石油和中石化鹽穴儲氣庫有明顯差異。首先，是商業(yè)運(yùn)作的定位，要求注采方式必須靈活多變，才能適應(yīng)多氣源及下游用戶的不同工況需求；其次，是壓降更大，從鹽穴儲氣到下游城燃公司管網(wǎng)，最大壓降可達(dá)15 MPa，就要求必須提高注采工藝的風(fēng)險管控能力。為此，在總結(jié)一期建設(shè)和運(yùn)行的成功經(jīng)驗(yàn)上，追求工藝創(chuàng)新，提高安全性能，在二期項目中采取相應(yīng)改進(jìn)措施，力爭打造更安全、更靈活、更具經(jīng)濟(jì)效益的商業(yè)儲氣庫，向著實(shí)現(xiàn)智慧儲氣庫的目標(biāo)不斷探索前行，為保障民生及國家產(chǎn)供儲銷體系建設(shè)作出貢獻(xiàn)。