鹽穴儲氣庫地面工程設計優化

黨紅星

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 066250

地下儲氣庫是天然氣安全保供的主要設施，也是國家能源安全保障的重要組成部分，中國地下儲氣庫的建設起步于20世紀70年代的氣藏型儲氣庫，2005年中國第一座鹽穴儲氣庫投入建設，標志著中國有了真正意義上的鹽穴儲氣庫[1]。經過近20年發展，中國地下鹽穴儲氣庫已經取得了相當的成績，儲氣庫建設大幅提速，成功破解了一系列難題。然而，隨著越來越多的鹽穴儲氣庫投產后，優質的鹽層越來越少，由于建庫地質條件復雜、地面條件日趨苛刻等因素，導致后續建庫的成本越來越高，單方天然氣儲氣費居高不下，因此有必要對地面工程優化進行思考，以降低建庫成本，提高鹽穴儲氣庫經濟效益。

1 鹽穴儲氣庫地面工程

鹽穴儲氣庫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、儲存和采出的系統體系[2]。鹽穴儲氣庫地面工程系統主要包括：井場、集配站、集注站（含造腔設施）以及集輸管道和雙向輸氣管道等。

為節省投資、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先通過單井管道集中接入集配站，再由集配站通過注采干線接入集注站。鹽穴儲氣庫地面工藝技術主要包括集輸工藝、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、注采管道的設置、管網集輸方式（枝狀管網、輻射狀管網或二者組合的方式）等內容的方案比選和設計；注氣工藝是指雙向輸氣管道來氣后，在集注站通過注氣壓縮機增壓后，通過集輸管道輸送至井口，注入地下鹽腔進行天然氣儲存；采氣工藝是指井口采出天然氣，通過集輸管道輸送至集注站，經過脫水裝置（一般為三甘醇脫水工藝，少數具有壓力能可利用的氣庫可采用低溫脫水工藝）進行脫水，控制天然氣水露點，脫水后的商品天然氣輸送至管網進行調峰[3-5]。

2 儲氣庫地面工程優化思路

2.1 優化注采集輸工藝

鹽穴儲氣庫地面工程采用二級布站工藝時，集配站和集注站之間的注采干線一般有注采管道合一（見圖1）和注采管道分設（見圖2）兩種設置方式。

圖1 注采管道合一流程示意

圖2 注采管道分設流程示意

由于鹽穴儲氣庫采氣量大，注氣量相對較小，采用二級布站時，在集配站進行采氣壓力控制，采氣干線運行壓力一般控制在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，當管道AB為注采管道合一設置時，既要滿足注氣的高壓力要求，又要滿足采氣時大氣量輸送要求，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，應為小口徑、高壁厚管道。

儲氣庫建庫周期長，注氣、采氣、注氣排鹵工況交叉進行，雖然注采管道合一設置減少了一條干線，但是不能實現采氣期的注氣排鹵作業，影響了建庫進度，從而降低了儲氣庫的效益。注采管道分設，雖然可以實現采氣期的注氣排鹵作業，但是管道的投資較高。

儲氣庫的注氣排鹵作業一般氣量較小，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，同時縮短建庫周期，可以通過單獨設置注氣排鹵管道，實現采氣期的注氣排鹵作業。同時，注氣排鹵管道可兼做建庫結束后的采氣管道，分擔一部分采氣量，可以降低采氣管道口徑，降低管道建設投資。

如圖3所示，A2B2為注采合一管道，C1D1為注氣排鹵管道（建庫結束后兼做采氣管道），建庫期利用C1D1進行鹽腔注氣排鹵，利用A2B2進行采氣，可以縮短建庫周期，同時利用適當時機或建庫結束后，C1D1與A2B2共同承擔采氣任務，由于C1D1分擔了部分采氣量，故注采干線A2B2的管徑可以適當減小，節約投資；另外，在相同壓力、管徑、強度設計系數、溫度等條件下，管材的屈服強度越高，管道壁厚越小，設計過程中通過不同鋼級對比優選，適當提高管道鋼級，也可以降低集輸管道管材費[6-7]。

圖3 注采管道合一+注氣排鹵管道流程示意

2.2 儲氣庫先達產后達容設計

鹽穴儲氣庫具有建庫周期長的特點，但與油氣藏型儲氣庫不同的是，鹽穴儲氣庫可以發揮快注快采的特點，對于鹽穴儲氣庫越早實現注采氣作業，經濟效益就越好。

鹽穴儲氣庫的地面系統設計規模一般由外部市場、鹽腔注采運行要求、鹽腔的容積等多因素決定，地面工程設計規模一旦確定，地面的集輸管道、采氣處理系統、注氣處理系統的規模也隨之確定。鹽穴儲氣庫通常會設置多口鹽腔來達到庫容要求，地面工程設計通常做法是先確定地面設計規模，再平均分配給單座鹽腔，進而確定集輸系統規模[8]，這樣易導致集輸系統出現卡脖子的情況，只有全部井場參與注采氣時才能達到最大產量，即只有儲氣庫庫容達到設計值后才能實現地面系統的最大注采設計規模，而鹽穴儲氣庫的建庫周期往往長達10年以上，這種先達容后達產的方式就會限制儲氣庫發揮其最大周轉次數，從而降低了儲氣庫的經濟效益。

考慮到鹽穴儲氣庫的單腔注采能力較大，按照先達產后達容的設計思路，單井管道及注采干線按照單井的最大注采能力進行設計，集注站設計規模按照市場情況確定后，可以預留后期的擴建接口，先利用前幾年完成的少部分鹽腔，提前5～6年實現地面工程系統最大產量。提前實現儲氣庫1.5次～2次工作氣量的周轉，可大大提高儲氣庫的經濟效益，一般周轉次數為2次時，儲氣費可降低到周轉1次時的52%[9-10]。雖然集輸管道投資較傳統設計略微提高，但是通過儲氣庫周轉帶來的經濟效益更為明顯，待10年后庫容達到最大時，根據市場情況擇機進行集注站的擴建，即可實現地面工程和地下工程互相匹配的經濟效益最大化。

2.3 儲氣庫設備通用性設計

近年來，鹽穴儲氣庫的建設速度越來越快，技術日趨成熟，但各儲氣庫設計思路差異化仍然存在，尤其是不同設計單位的設計原則和特點各不相同，導致各儲氣庫的集輸工藝、注氣工藝和采氣工藝都有一定差異，甚至同一家建設單位的各儲氣庫的設計風格和建設風格也存在差異化。

采取集中采購，統一招投標比價，由于需求量大，供應商一般會下浮報價，比起各儲氣庫項目獨自采購會明顯節約成本，同時在付款方面具有優勢。比如獨自采購付款周期可能是3個月，那么集中采購付款周期可能會延長至半年甚至一年，這樣就降低了企業的資金占用率，變相提升了效益，而且集中采購由于用量大且需求較穩定，供應商一般都會優先供貨，優先安排組織物資設備培訓交流、售后服務等事項，集中采購會使采購方獲得更高的服務質量。

對于同一家建設單位而言，建議新建儲氣庫盡量與已建或同期在建的儲氣庫保持一定的通用性，例如采氣脫水裝置或注氣壓縮機組都屬于儲氣庫的核心設備，占地面工程投資的比重較大，也是儲氣庫建設中關鍵節點，如果同期設計建設的各儲氣庫在設備設計、選型等方面做到統一化，不僅可以實現設備之間互相備用，而且可以通過集中采購、標準化設計，降低設備全生命周期成本[11]，縮短建庫周期，提高工程質量，方便運行管理，從而最大程度提高鹽穴儲氣庫的經濟效益。

2.4 余壓利用多企聯動

高壓天然氣壓力能的回收和利用一般應用于天然氣液化、天然氣凈化、壓力能發電等方面[12]。鹽穴儲氣庫一般采氣期的流量大，且壓差大，如果對這部分能量進行回收可以有效降低天然氣壓縮機的能耗，提高儲氣庫的經濟效益。儲氣庫采氣期主要能耗為脫水裝置用電，用電量較小，故大量的壓差能無法被儲氣庫自己消化利用[13]。考慮到天然氣壓差發電技術已經在儲氣庫中進行應用，大規模的壓縮空氣儲能技術也將逐漸起步，燃氣企業可以與鄰近的電廠企業以合作的方式進行能量回收，燃氣企業的儲氣庫采氣期通過節流壓差發電后供給電廠企業空氣壓縮機進行空氣儲能[14-15]，在注氣期用壓縮機空氣發電后供給燃氣企業天然氣壓縮機用電需求，通過內部調整電價、租賃鹽腔等互相合作的方式，將儲氣庫壓力能進行回收，既實現了電廠企業為電網的調峰，也實現了燃氣企業為管網調峰，進而可以實現多企業利益最大化。

圖4 壓差利用多企業聯動示意

2.5 離心壓縮機應用技術

鹽穴儲氣庫注氣量和注氣壓力變化范圍較大，國內已建儲氣庫大多采用往復式壓縮機，國外大型儲氣庫一般采用離心式壓縮機與往復式壓縮機組合使用或單獨使用離心式壓縮機[16]。

隨著儲氣庫建設的發展，國內出現了規模較大的儲氣庫，往復式壓縮機一般在出口排壓較高工況下使用，單機排量最大在200×104m3左右，對于工作氣量20×108m3的儲氣庫，往復式壓縮機數量受單機排量影響可達到8臺或者更多，導致占地和投資急劇增加，而離心式壓縮機的排量較大，若采用離心式壓縮機代替往復式壓縮機，可大大降低占地和工程投資。

對于儲氣庫壓力變化范圍較大的工況，可通過離心式壓縮機串聯設置實現排氣壓力大范圍變化。注氣初期，地層壓力較低，壓縮機一般大流量、低壓比運行；注氣中后期，壓縮機一般低流量、高壓比運行，離心式壓縮機兩級缸可串、并聯，因此可以通過壓縮機兩級缸的串、并聯和壓縮機組之間的串、并聯組合來滿足注氣工況需求[17]。例如某儲氣庫的注氣量為800×104m3，注氣壓力8～23.5 MPa，壓縮機入口壓力5.5 MPa，采用離心式壓縮機串聯的形式進行注氣。8～12 MPa運行范圍可單獨投運低壓缸，性能曲線見圖5；12～23.5 MPa運行范圍可采用兩級缸串聯，性能曲線見圖6。

圖5 離心式壓縮機低壓缸性能曲線

圖6 離心式壓縮機串聯性能曲線

3 結論

（1）通過增設注氣排鹵管道，并利用注氣排鹵管道在合適的時機或建庫結束后進行采氣，可以降低注采合一管道的口徑；通過優選管道鋼級，可降低集輸系統投資。

（2）利用儲氣庫先達產后達容的設計思路，在建庫期先達到地面工程最大設計規模，提高儲氣庫周轉頻次，建庫結束后再達到最大庫容，擇機進行擴建，可明顯提高鹽穴儲氣庫的經濟效益。

（3）相同建設單位的鹽穴儲氣庫采取通用性設計，通過集中采購，降低成本，提高設備互備可靠性，縮短建庫周期，同時獲得良好售后服務，方便運行管理，實現建庫經濟效益最大化。

（4）對儲氣庫采氣期壓差進行回收利用，通過燃氣企業與供電企業共同聯動合作，形成產業鏈，實現共贏，提高儲氣庫的經濟效益。

（5）采用離心式壓縮機可以大幅減少設備占地和投資，隨著技術發展，離心式壓縮機可以更好地適應儲氣庫的注氣要求，同時通過離心式壓縮機串并聯，能更好地適應注氣壓力大范圍變化的要求。