港華儲(chǔ)氣有限公司 張林果 王英臣 李敬江 錢 彬

金壇港華鹽穴儲(chǔ)氣庫是國內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)獾谝粋€(gè)大規(guī)模地下鹽穴儲(chǔ)氣項(xiàng)目及商業(yè)儲(chǔ)氣項(xiàng)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(chǔ)氣有限公司使用，地面工程(含注采站、井場(chǎng)工藝、高壓管線等)由港華儲(chǔ)氣有限公司投資建設(shè)。項(xiàng)目分港華儲(chǔ)氣有限公司(以下簡稱“一期項(xiàng)目”)和港華儲(chǔ)氣(金壇)有限公司(以下簡稱“二期項(xiàng)目”)兩個(gè)項(xiàng)目。一期項(xiàng)目共建設(shè)10口井，總儲(chǔ)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(xiàng)目建設(shè)15口井，總儲(chǔ)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(gè)項(xiàng)目總儲(chǔ)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(xiàng)目已于 2018年順利投產(chǎn)，二期項(xiàng)目也已順利開工。作為商業(yè)運(yùn)營定位的儲(chǔ)氣庫，運(yùn)行模式與傳統(tǒng)的長輸管道配套運(yùn)行的儲(chǔ)氣庫有明顯的差異性。

一期項(xiàng)目地面工程工藝設(shè)計(jì)時(shí)主要參照中石油、中石化鹽穴儲(chǔ)氣庫，并根據(jù)運(yùn)行需求進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。二期項(xiàng)目地面工程工藝，在參考一期項(xiàng)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(duì)二期項(xiàng)目的改進(jìn)措施進(jìn)行分析和探討。

1 鹽穴儲(chǔ)氣庫地面工程常規(guī)工藝流程

鹽穴儲(chǔ)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(chǎng)。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(chǎng)相連，承擔(dān)著過濾、計(jì)量、壓縮、脫水及調(diào)配等功能；井場(chǎng)設(shè)于每口地下鹽穴處，每口地下鹽穴由一個(gè)采氣樹與一個(gè)井場(chǎng)系統(tǒng)相連，各個(gè)井場(chǎng)系統(tǒng)均通過各自的集輸管道與注采站相連。鹽穴儲(chǔ)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(xiàng)目為例。

1.1 一期項(xiàng)目注氣流程

一期項(xiàng)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(jì)計(jì)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(gè)井場(chǎng)，再通過采氣樹進(jìn)入地下鹽穴。

圖1 一期項(xiàng)目注氣工藝流程

1.2 一期項(xiàng)目采氣流程

一期項(xiàng)目采氣流程，如圖2所示。天然氣從井口采出后一級(jí)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(jí)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(jì)量，三級(jí)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(xiàng)目采氣工藝流程

2 工藝改進(jìn)措施

在一期項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，二期項(xiàng)目在設(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǔ)氣庫的作用。同時(shí)，委托設(shè)計(jì)單位利用HAZOP分析工具，對(duì)主要工藝流程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，從源頭采取管控措施消減風(fēng)險(xiǎn)。以下列舉3個(gè)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(duì)比示意，如圖3、圖4所示。

圖3 一期項(xiàng)目鹽穴分組示意

圖4 二期項(xiàng)目鹽穴分組示意

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

二期項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)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(shì)：

(1)實(shí)現(xiàn)同時(shí)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(shí)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(shí)注采的需求。

(2)實(shí)現(xiàn)多氣源靈活注氣操作。一期項(xiàng)目運(yùn)營中經(jīng)常面對(duì)不同氣源同時(shí)來氣，需開啟多口鹽穴注氣的情況。在現(xiàn)有的工藝設(shè)計(jì)中，當(dāng)不同鹽穴井口壓力相差較大且同時(shí)注氣時(shí)，為控制注氣氣量分配，保證單口鹽穴注入量不超過設(shè)計(jì)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(duì)困難，且在角閥節(jié)流時(shí)會(huì)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(shí)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(jì)下限，出口壓力接近設(shè)計(jì)上限時(shí)，壓縮機(jī)的能耗達(dá)到最高。一期項(xiàng)目采用多氣源進(jìn)氣，壓力各不相同，注氣時(shí)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(chǎng)，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(gè)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(dòng)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(duì)比示意，如圖5、圖6所示。

圖5 一期項(xiàng)目放散系統(tǒng)示意

圖6 二期項(xiàng)目放散系統(tǒng)示意

一期項(xiàng)目中，所有放散管線不論放散壓力，都是進(jìn)入一個(gè)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(xiǎn)，當(dāng)不同壓力等級(jí)的天然氣同時(shí)放散時(shí)，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(shí)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(shí)放散，引發(fā)安全事故。

針對(duì)此項(xiàng)存在風(fēng)險(xiǎn)，二期項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)場(chǎng)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(gè)區(qū)間，設(shè)置3個(gè)獨(dú)立的放散系統(tǒng)，不同壓力級(jí)制的天然氣分開匯入不同的匯管，同時(shí)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(shí)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(xiǎn)。

同時(shí)，二期項(xiàng)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(dòng)放空閥門，當(dāng)執(zhí)行全站ESD命令時(shí)，電動(dòng)放空閥門自動(dòng)打開，及時(shí)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(xiǎn)，提高場(chǎng)站本質(zhì)安全性。

2.3 優(yōu)化真空相變爐位置

冬季采氣時(shí)，環(huán)境氣溫較低，加上采氣時(shí)壓降較大，鹽穴壓力最高17 MPa，通過三級(jí)降壓后，外輸壓力最低時(shí)僅2 MPa左右。基于天然氣自身物理特性，天然氣壓力每下降1 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(huì)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(huì)產(chǎn)生閥門凍結(jié)、管道冰堵，既會(huì)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(shí)會(huì)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(shí)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(duì)此項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，一期項(xiàng)目采氣流程示意如圖7所示。在二級(jí)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(jí)降壓時(shí)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(xiàng)目采氣流程示意

二期項(xiàng)目采氣流程示意如圖8所示。在一期項(xiàng)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(jí)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(xiǎn)。

圖8 二期項(xiàng)目采氣流程示意

3 結(jié)語

港華鹽穴儲(chǔ)氣庫與中石油和中石化鹽穴儲(chǔ)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(chǔ)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(xiǎn)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(xiàng)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(chǔ)氣庫，向著實(shí)現(xiàn)智慧儲(chǔ)氣庫的目標(biāo)不斷探索前行，為保障民生及國家產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系建設(shè)作出貢獻(xiàn)。