文 闖，曹學(xué)文，馬玉鵬

（中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266555） ①

天然氣氣態(tài)儲(chǔ)存工藝

文 闖，曹學(xué)文，馬玉鵬

（中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266555）①

天然氣氣態(tài)儲(chǔ)存工藝主要包括壓縮天然氣、儲(chǔ)氣罐、管道、地下儲(chǔ)氣庫(kù)、吸附天然氣儲(chǔ)氣和近臨界流體儲(chǔ)氣技術(shù)。介紹了天然氣各種氣態(tài)儲(chǔ)存工藝的研究現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)，分析了存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)氣態(tài)儲(chǔ)存工藝的研究和應(yīng)用提出了建議。

天然氣儲(chǔ)存；工藝；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，天然氣在一次能源中的比例越來(lái)越大。由于天然氣具有良好的發(fā)展前景，我國(guó)已在大力開(kāi)發(fā)天然氣資源，并把開(kāi)發(fā)利用天然氣作為能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一。我國(guó)天然氣儲(chǔ)量比較豐富，但主要分布在西部和中部，而氣源的主要消費(fèi)群卻集中在東部沿海，因此，需要選擇合適的儲(chǔ)運(yùn)工藝將天然氣儲(chǔ)存并運(yùn)到東部地區(qū)，而天然氣的儲(chǔ)存工藝的選擇尤為重要。天然氣氣態(tài)儲(chǔ)存工藝主要包括壓縮天然氣、儲(chǔ)氣罐、管道、地下儲(chǔ)氣庫(kù)、吸附天然氣儲(chǔ)氣和近臨界流體儲(chǔ)氣技術(shù)。

1 儲(chǔ)氣罐

儲(chǔ)氣罐是地上儲(chǔ)氣的主要設(shè)備，通常采用金屬儲(chǔ)氣罐，按壓力可分為高壓和低壓2種儲(chǔ)氣罐［1］。

1.1 低壓儲(chǔ)氣罐

低壓儲(chǔ)氣罐有濕式和干式2種：常用的濕式低壓儲(chǔ)氣罐有直立式和螺旋式2種；常用的干式低壓儲(chǔ)氣罐主要有阿曼阿恩式、威金斯式和可隆型儲(chǔ)氣罐，阿曼阿恩式儲(chǔ)氣罐采用特制的密封油對(duì)氣體進(jìn)行密封，威金斯式儲(chǔ)氣罐使用橡膠柔膜密封氣體。低壓儲(chǔ)氣罐的特點(diǎn)是儲(chǔ)氣量能在一定范圍內(nèi)變化，工作壓力通常為0.004～0.005MPa，多數(shù)化工廠、石化廠用作工藝氣的中間儲(chǔ)存設(shè)備。

1.2 高壓儲(chǔ)氣罐

最常見(jiàn)的高壓氣罐是球形罐和圓筒形臥式罐。高壓氣罐的幾何體積固定不變，是靠改變其儲(chǔ)氣壓力來(lái)儲(chǔ)存氣體的，又稱(chēng)定體積罐。

高壓儲(chǔ)氣罐的有效儲(chǔ)氣體積為

式中，V、Vc分別為氣罐的有效儲(chǔ)氣體積和幾何體積，m3；p、pc、p0分別為氣罐的最高工作絕對(duì)壓力、最低允許絕對(duì)壓力和工程標(biāo)準(zhǔn)壓力，Pa，其中，p0＝101 325Pa。

儲(chǔ)罐體積利用系數(shù)φ為

通常，儲(chǔ)氣罐的最高工作壓力p已定，要提高體積利用系數(shù)，只有降低儲(chǔ)罐的剩余壓力，即最低允許壓力pc。pc受到管網(wǎng)壓力的限制，其值取決于出口處連接的調(diào)壓閥的最低允許進(jìn)口壓力。為了降低儲(chǔ)罐的最低允許壓力，提高儲(chǔ)罐的利用系數(shù)，又不影響對(duì)管網(wǎng)供氣，可以在高壓儲(chǔ)氣罐內(nèi)安裝引射器。當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力接近管網(wǎng)壓力時(shí)，開(kāi)動(dòng)引射器，利用經(jīng)過(guò)儲(chǔ)氣罐的高壓氣體的能量把氣體從壓力較低的罐中抽出來(lái)，送入供氣管網(wǎng)。使用引射器時(shí)，必須安裝自動(dòng)開(kāi)閉和控制裝置，否則管理不當(dāng)會(huì)破壞正常工作。

2 管道儲(chǔ)存

2.1 高壓管束

高壓管束的直徑較小，所以能承受更高的壓力，其儲(chǔ)存壓力可比大直徑圓筒形和球形儲(chǔ)氣罐的壓力要高。由于天然氣在高壓下與理想氣體性質(zhì)偏差較大，高壓管束可通過(guò)高壓下天然氣的壓縮性來(lái)實(shí)現(xiàn)天然氣的儲(chǔ)存，例如，天然氣在16MPa和15.6℃的條件下體積比理想氣體體積小約22%。高壓管束雖然壓力較高，但由于埋藏在地下，安全性較好；其缺點(diǎn)是儲(chǔ)氣量較小，初期投資費(fèi)用高。

2.2 長(zhǎng)輸管道

長(zhǎng)輸管道儲(chǔ)存天然氣主要是利用長(zhǎng)輸管道干線(xiàn)末端來(lái)實(shí)現(xiàn)天然氣的儲(chǔ)存，其儲(chǔ)存過(guò)程是在供氣低峰時(shí)將富余的天然氣儲(chǔ)存在輸氣干線(xiàn)末端，到用氣高峰時(shí)將儲(chǔ)存的天然氣輸出，調(diào)節(jié)供氣量，滿(mǎn)足用戶(hù)需求。長(zhǎng)輸管道末端儲(chǔ)氣與利用城市高壓管網(wǎng)儲(chǔ)氣原理相似。

2.3 高壓輸配管網(wǎng)

高壓輸配管網(wǎng)在供氣低峰時(shí)將多余的天然氣儲(chǔ)存在高壓管網(wǎng)中，到用氣高峰時(shí)將儲(chǔ)存在高壓輸配管網(wǎng)中的天然氣輸出，實(shí)現(xiàn)天然氣的高壓儲(chǔ)。該方式只有在具備高壓輸氣管網(wǎng)時(shí)才能使用，適用面比較狹窄。

高壓輸氣管道的有效儲(chǔ)氣量［2－3］為

3 地下儲(chǔ)氣庫(kù)

地下儲(chǔ)氣庫(kù)具有儲(chǔ)氣容量大、節(jié)省地面儲(chǔ)罐投資、不受氣候影響、維護(hù)管理簡(jiǎn)便、安全可靠、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。為適應(yīng)耗氣量的增加，目前越來(lái)越多的國(guó)家都在建造地下儲(chǔ)氣庫(kù)。地下儲(chǔ)氣庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖1。按地質(zhì)構(gòu)造劃分，地下儲(chǔ)氣庫(kù)分為4種類(lèi)型。

3.1 衰竭油氣田儲(chǔ)氣

衰竭油氣田儲(chǔ)氣利用已開(kāi)發(fā)過(guò)的油氣田進(jìn)行儲(chǔ)氣，儲(chǔ)氣地層的相關(guān)參數(shù)（例如孔隙度、滲透率、構(gòu)造形狀和大小、儲(chǔ)氣層厚度等）都是已知的，而且還有原有油氣井、井場(chǎng)設(shè)備和管線(xiàn)等可以使用，建設(shè)周期較短，可以有效地節(jié)省投資和減少運(yùn)行費(fèi)用。由文獻(xiàn)［4］可知，衰竭油氣田的原始儲(chǔ)量通常可達(dá)10×108～50×108m3，年注氣抽氣循環(huán)為1～2次。

圖1 地下儲(chǔ)氣庫(kù)結(jié)構(gòu)

3.2 含水多孔地層儲(chǔ)氣

利用含水多孔地層儲(chǔ)氣是20世紀(jì)50年代儲(chǔ)氣技術(shù)的重大發(fā)展，給缺乏枯竭油氣田地區(qū)發(fā)展地下儲(chǔ)氣帶來(lái)了革命性的機(jī)遇。含水多孔地層儲(chǔ)氣通常選擇有足夠面積和厚度、其上有良好不滲透覆蓋層的砂巖或砂層來(lái)儲(chǔ)氣。由于結(jié)構(gòu)為地下含水構(gòu)造，通常需要將巖石孔隙中的水排出后再進(jìn)行天然氣的儲(chǔ)存。含水多孔地層儲(chǔ)氣工藝建設(shè)周期較長(zhǎng)，初期投資費(fèi)用較高，運(yùn)行具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性；同時(shí)該類(lèi)型的儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)量巨大，天然氣儲(chǔ)量通?？蛇_(dá)到幾十億立方米，年注氣抽氣循環(huán)為1次。法國(guó)克拉克氣田東北部的呂薩尼地下儲(chǔ)氣庫(kù)就是一個(gè)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)。儲(chǔ)氣層由非均質(zhì)的陸相未膠結(jié)砂層組成，地層厚度為45～50m，蓋層為不透氣的泥灰?guī)r，儲(chǔ)氣能力為5×108m3。天然氣儲(chǔ)庫(kù)由含水砂層及1個(gè)不透氣的背斜覆蓋層組成，其性能和儲(chǔ)氣能力依據(jù)不同地質(zhì)條件而有很大差別。儲(chǔ)氣原理如圖2［5］。

圖2 多孔地層地下儲(chǔ)庫(kù)儲(chǔ)氣原理

3.3 鹽穴儲(chǔ)氣

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是世界上重點(diǎn)研究的1種儲(chǔ)氣庫(kù)，主要具有構(gòu)造完整、結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、夾層少、厚度大、非滲透性好、物性好、對(duì)液態(tài)和氣態(tài)的碳?xì)浠衔锒伎梢酝旰玫貎?chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。

利用鹽巖層建造儲(chǔ)氣庫(kù)有2種形式：①利用鹽巖層內(nèi)的天然巖穴儲(chǔ)氣，但很少；②利用人造鹽巖穴儲(chǔ)氣，人造鹽巖穴是通過(guò)巖層注入淡水，將鹽巖溶解后，排除鹽水而形成。天然氣在高壓下注入巖穴儲(chǔ)氣庫(kù)，當(dāng)需要時(shí)打開(kāi)井口即可。鹽穴儲(chǔ)氣可以根據(jù)實(shí)際的需求量進(jìn)行建造，1座鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)可以拆分為若干期建造，可以較為快速地投入使用，年注氣抽氣循環(huán)為4～6次［6－8］。

3.4 巖穴儲(chǔ)氣

除了上面提到的幾種地下儲(chǔ)氣庫(kù)外，還有利用自然的或人工的其他巖穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)的，例如利用廢棄的煤礦坑道作為儲(chǔ)氣庫(kù)，但該類(lèi)型儲(chǔ)氣庫(kù)存在著原有井筒密封困難、氣體泄漏危險(xiǎn)、儲(chǔ)存氣體熱值降低等缺點(diǎn)。利用可控制的核爆炸技術(shù)開(kāi)辟地下儲(chǔ)氣庫(kù)也引起人們的重視，并已開(kāi)展了相關(guān)研究。

4 吸附儲(chǔ)存工藝

4.1 基本原理

天然氣吸附儲(chǔ)存工藝是指利用吸附劑的微孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)表面積，在常溫、壓力為3.0～6.0MPa條件下實(shí)現(xiàn)天然氣的高密度儲(chǔ)存［9－10］。在天然氣吸附儲(chǔ)存過(guò)程中，天然氣分子受范德華力影響附著在吸附劑微孔的內(nèi)表面，因此天然氣吸附儲(chǔ)存屬于物理吸附過(guò)程。主要工藝過(guò)程為：首先在儲(chǔ)存容器中加入吸附劑，天然氣被吸附在其微孔表面，實(shí)現(xiàn)天然氣的儲(chǔ)存；當(dāng)需要儲(chǔ)罐對(duì)外供氣時(shí)，氣體從吸附劑表面脫附而向外供氣。

4.2 優(yōu)點(diǎn)

1） 在中壓（3.5～5.0MPa，僅為CNG的1／4～1／5）下即可獲得接近于高壓（20MPa）下壓縮天然氣的儲(chǔ)存密度，儲(chǔ)存效率高。

2） 設(shè)備耐壓性能要求較低，安全性好，操作費(fèi)用低。

3） 儲(chǔ)存容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用場(chǎng)地靈活。

4.3 影響因素

在天然氣吸附儲(chǔ)存工藝中，起決定性作用的是高儲(chǔ)存密度的吸附劑；另外，吸附和脫附過(guò)程中的熱效應(yīng)、天然氣中的雜質(zhì)也都關(guān)系到吸附儲(chǔ)存工藝的性能和推廣［11－15］。

4.3.1 吸附和脫附過(guò)程熱效應(yīng)

吸附是放熱過(guò)程，溫度升高，吸附量將減小；脫附是吸熱過(guò)程，溫度降低，脫附殘余量將增加。吸附儲(chǔ)存工藝中的這2種熱效應(yīng)會(huì)減少吸附系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)吸附量，而且活性炭較小的熱傳導(dǎo)速率會(huì)造成儲(chǔ)罐中心溫度較低，因而中心部分脫附殘余量也較大。

4.3.2 天然氣成分

天然氣主要含有CH4、N2、H2S、CO2、H2O、C2H6、C3H8等重?zé)N組分，重?zé)N及極性化合物等會(huì)積累在吸附劑上，造成吸附劑中毒，降低吸附儲(chǔ)存能力。其中，H2S的影響最大，會(huì)產(chǎn)生不可逆吸附，容易析出單質(zhì)硫而堵塞吸附劑孔道；CO2、C2H6、C3H8等雖然會(huì)產(chǎn)生可逆優(yōu)先吸附，但可以通過(guò)氮?dú)獯祾呋蚣訜岬确绞绞刮絼┰偕?，從而恢?fù)吸附劑的性能。

4.3.3 儲(chǔ)存壓力

增加儲(chǔ)存壓力可以有效地增大吸附劑對(duì)天然氣的吸附量。當(dāng)壓力＜3.0MPa時(shí)，天然氣吸附量隨著壓力的增大而迅速增加；當(dāng)壓力達(dá)到4.0MPa時(shí)，吸附劑的天然氣吸附量基本飽和。因此，合適的儲(chǔ)存壓力為3.0～4.0MPa，通常選擇3.5MPa。

4.3.4 吸附劑填充密度

提高吸附劑的堆積密度可以有效地提高天然氣的存儲(chǔ)密度。試驗(yàn)結(jié)果表明［16］：甲烷的吸附量隨填充密度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，過(guò)高的填充密度反而導(dǎo)致甲烷儲(chǔ)量的大幅下降，這是因?yàn)檫^(guò)高的填充密度使甲烷擴(kuò)散阻力過(guò)大，不利于儲(chǔ)存。因此，填充密度存在一個(gè)最佳值，使天然氣的吸附量達(dá)到最大。

5 其他儲(chǔ)存工藝

5.1 壓縮天然氣儲(chǔ)存

CNG儲(chǔ)存技術(shù)比較成熟，現(xiàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，廣泛應(yīng)用于天然氣汽車(chē)［17－20］。存在的不足是：儲(chǔ)氣量小，續(xù)駛里程短；氣體燃料的能量密度低，啟動(dòng)性能和動(dòng)力性能較差；需要高壓壓縮（20～25MPa），這就需要用昂貴的多級(jí)壓縮機(jī)；要求使用的高壓貯存容器為無(wú)縫容器，壁厚體重，制造工藝復(fù)雜；在此高壓下使用存在一定的危險(xiǎn)性。因此，CNG儲(chǔ)存技術(shù)只是1種暫時(shí)的而非高效的儲(chǔ)氣手段。

5.2 近臨界流體儲(chǔ)存

近臨界流體儲(chǔ)存天然氣是一項(xiàng)新的天然氣儲(chǔ)存技術(shù)［21］，該技術(shù)的基本原理是利用近臨界流體特有的高溶解力、低粘度、易擴(kuò)散的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣和臨界流體之間的有效傳質(zhì)，進(jìn)而將天然氣溶解其中。目前對(duì)天然氣的臨界流體儲(chǔ)存主要集中在2個(gè)方面：①尋找高吸附能力的溶劑；②探索降低吸附壓力和溫度條件限制的途徑。其中，對(duì)臨界參數(shù)的測(cè)量是否準(zhǔn)確尤其重要，要使這項(xiàng)技術(shù)得到推廣，必須對(duì)近臨界流體的特征和相變參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。

6 氣態(tài)儲(chǔ)存方式比較

天然氣各種氣態(tài)儲(chǔ)氣方式的分析對(duì)比如表1［4］，可以看出，地下儲(chǔ)存優(yōu)于地上儲(chǔ)存，因其安全、可靠、充分利用地下空間，而且成本更低。吸附儲(chǔ)存工藝具有比壓縮天然氣儲(chǔ)存工藝更高的儲(chǔ)氣密度，發(fā)展前景較好，但是需開(kāi)發(fā)具有高性能的吸附劑和解決吸、脫附過(guò)程中的熱效應(yīng)問(wèn)題。近臨界流體儲(chǔ)存工藝優(yōu)勢(shì)明顯，但該方法目前還處于研究階段，尚未工業(yè)化應(yīng)用。

表1 天然氣氣態(tài)儲(chǔ)存方式比較

7 結(jié)論

1） 儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存、管道管束和壓縮天然氣儲(chǔ)存技術(shù)較為成熟，當(dāng)前的重點(diǎn)是加強(qiáng)安全性評(píng)價(jià)研究，確保安全。

2） 從天然氣戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備看，國(guó)家應(yīng)該大力發(fā)展地下儲(chǔ)氣庫(kù)，統(tǒng)籌考慮天然氣調(diào)峰和戰(zhàn)略、商業(yè)儲(chǔ)備。

3） 吸附儲(chǔ)存工藝儲(chǔ)存效率較高，安全性好，目前仍需對(duì)吸附劑的吸附性能和吸附過(guò)程中的熱效應(yīng)進(jìn)行深入的研究。

4） 近臨界流體儲(chǔ)存工藝要進(jìn)行廣泛的工業(yè)應(yīng)用，還需在儲(chǔ)氣溶劑選擇、儲(chǔ)氣壓力、溫度的影響等方面進(jìn)行探索研究。

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Gaseous Storage Methodology of Natural Gas

WEN Chuang，CAO Xue－wen，MA Yu－peng
（College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

The current gaseous storage technologies for natural gas mainly include compressed natural gas，gas holder，pipeline storage，underground gas storage，adsorbed natural gas，near critical fluid.In this paper，the research status，problems and directions of the above mentioned gaseous storage and transportation technologies for natural gas were discussed，respectively.Both advantages and disadvantages of the various storage methodologies were pointed out.

natural gas storage；methodology；status quo；developing strategy

1001－3482（2012）01－0005－05

TE97

A

2011－07－30

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2007AA09Z301）

文 闖（1985－），男，江蘇沭陽(yáng)人，博士研究生，主要從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)研究，E－mail：wenchuang2008＠163.com。