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(shè)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(shè)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(shè)，標志著中國有了真正意義上的鹽穴儲氣庫[1]。經(jīng)過近20年發(fā)展，中國地下鹽穴儲氣庫已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某煽?，儲氣庫建設(shè)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(chǎn)后，優(yōu)質(zhì)的鹽層越來越少，由于建庫地質(zhì)條件復(fù)雜、地面條件日趨苛刻等因素，導(dǎo)致后續(xù)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(yōu)化進行思考，以降低建庫成本，提高鹽穴儲氣庫經(jīng)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(tǒng)體系[2]。鹽穴儲氣庫地面工程系統(tǒng)主要包括：井場、集配站、集注站（含造腔設(shè)施）以及集輸管道和雙向輸氣管道等。

為節(jié)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(shù)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(shè)置、管網(wǎng)集輸方式（枝狀管網(wǎng)、輻射狀管網(wǎng)或二者組合的方式）等內(nèi)容的方案比選和設(shè)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(jīng)過脫水裝置（一般為三甘醇脫水工藝，少數(shù)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(wǎng)進行調(diào)峰[3-5]。

2 儲氣庫地面工程優(yōu)化思路

2.1 優(yōu)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(shè)（見圖2）兩種設(shè)置方式。

圖1 注采管道合一流程示意

圖2 注采管道分設(shè)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(dāng)管道AB為注采管道合一設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)置減少了一條干線，但是不能實現(xiàn)采氣期的注氣排鹵作業(yè)，影響了建庫進度，從而降低了儲氣庫的效益。注采管道分設(shè)，雖然可以實現(xiàn)采氣期的注氣排鹵作業(yè)，但是管道的投資較高。

儲氣庫的注氣排鹵作業(yè)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(shè)置注氣排鹵管道，實現(xiàn)采氣期的注氣排鹵作業(yè)。同時，注氣排鹵管道可兼做建庫結(jié)束后的采氣管道，分擔(dān)一部分采氣量，可以降低采氣管道口徑，降低管道建設(shè)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(jié)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(dāng)時機或建庫結(jié)束后，C1D1與A2B2共同承擔(dān)采氣任務(wù)，由于C1D1分擔(dān)了部分采氣量，故注采干線A2B2的管徑可以適當(dāng)減小，節(jié)約投資；另外，在相同壓力、管徑、強度設(shè)計系數(shù)、溫度等條件下，管材的屈服強度越高，管道壁厚越小，設(shè)計過程中通過不同鋼級對比優(yōu)選，適當(dāng)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(chǎn)后達容設(shè)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(fā)揮快注快采的特點，對于鹽穴儲氣庫越早實現(xiàn)注采氣作業(yè)，經(jīng)濟效益就越好。

鹽穴儲氣庫的地面系統(tǒng)設(shè)計規(guī)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(shè)計規(guī)模一旦確定，地面的集輸管道、采氣處理系統(tǒng)、注氣處理系統(tǒng)的規(guī)模也隨之確定。鹽穴儲氣庫通常會設(shè)置多口鹽腔來達到庫容要求，地面工程設(shè)計通常做法是先確定地面設(shè)計規(guī)模，再平均分配給單座鹽腔，進而確定集輸系統(tǒng)規(guī)模[8]，這樣易導(dǎo)致集輸系統(tǒng)出現(xiàn)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(chǎn)量，即只有儲氣庫庫容達到設(shè)計值后才能實現(xiàn)地面系統(tǒng)的最大注采設(shè)計規(guī)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(chǎn)的方式就會限制儲氣庫發(fā)揮其最大周轉(zhuǎn)次數(shù)，從而降低了儲氣庫的經(jīng)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(chǎn)后達容的設(shè)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(shè)計，集注站設(shè)計規(guī)模按照市場情況確定后，可以預(yù)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(xiàn)地面工程系統(tǒng)最大產(chǎn)量。提前實現(xiàn)儲氣庫1.5次～2次工作氣量的周轉(zhuǎn)，可大大提高儲氣庫的經(jīng)濟效益，一般周轉(zhuǎn)次數(shù)為2次時，儲氣費可降低到周轉(zhuǎn)1次時的52%[9-10]。雖然集輸管道投資較傳統(tǒng)設(shè)計略微提高，但是通過儲氣庫周轉(zhuǎn)帶來的經(jīng)濟效益更為明顯，待10年后庫容達到最大時，根據(jù)市場情況擇機進行集注站的擴建，即可實現(xiàn)地面工程和地下工程互相匹配的經(jīng)濟效益最大化。

2.3 儲氣庫設(shè)備通用性設(shè)計

近年來，鹽穴儲氣庫的建設(shè)速度越來越快，技術(shù)日趨成熟，但各儲氣庫設(shè)計思路差異化仍然存在，尤其是不同設(shè)計單位的設(shè)計原則和特點各不相同，導(dǎo)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(shè)單位的各儲氣庫的設(shè)計風(fēng)格和建設(shè)風(fēng)格也存在差異化。

采取集中采購，統(tǒng)一招投標比價，由于需求量大，供應(yīng)商一般會下浮報價，比起各儲氣庫項目獨自采購會明顯節(jié)約成本，同時在付款方面具有優(yōu)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(yè)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(wěn)定，供應(yīng)商一般都會優(yōu)先供貨，優(yōu)先安排組織物資設(shè)備培訓(xùn)交流、售后服務(wù)等事項，集中采購會使采購方獲得更高的服務(wù)質(zhì)量。

對于同一家建設(shè)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(shè)備，占地面工程投資的比重較大，也是儲氣庫建設(shè)中關(guān)鍵節(jié)點，如果同期設(shè)計建設(shè)的各儲氣庫在設(shè)備設(shè)計、選型等方面做到統(tǒng)一化，不僅可以實現(xiàn)設(shè)備之間互相備用，而且可以通過集中采購、標準化設(shè)計，降低設(shè)備全生命周期成本[11]，縮短建庫周期，提高工程質(zhì)量，方便運行管理，從而最大程度提高鹽穴儲氣庫的經(jīng)濟效益。

2.4 余壓利用多企聯(lián)動

高壓天然氣壓力能的回收和利用一般應(yīng)用于天然氣液化、天然氣凈化、壓力能發(fā)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(jīng)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]?？紤]到天然氣壓差發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在儲氣庫中進行應(yīng)用，大規(guī)模的壓縮空氣儲能技術(shù)也將逐漸起步，燃氣企業(yè)可以與鄰近的電廠企業(yè)以合作的方式進行能量回收，燃氣企業(yè)的儲氣庫采氣期通過節(jié)流壓差發(fā)電后供給電廠企業(yè)空氣壓縮機進行空氣儲能[14-15]，在注氣期用壓縮機空氣發(fā)電后供給燃氣企業(yè)天然氣壓縮機用電需求，通過內(nèi)部調(diào)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(xiàn)了電廠企業(yè)為電網(wǎng)的調(diào)峰，也實現(xiàn)了燃氣企業(yè)為管網(wǎng)調(diào)峰，進而可以實現(xiàn)多企業(yè)利益最大化。

圖4 壓差利用多企業(yè)聯(lián)動示意

2.5 離心壓縮機應(yīng)用技術(shù)

鹽穴儲氣庫注氣量和注氣壓力變化范圍較大，國內(nèi)已建儲氣庫大多采用往復(fù)式壓縮機，國外大型儲氣庫一般采用離心式壓縮機與往復(fù)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(shè)的發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了規(guī)模較大的儲氣庫，往復(fù)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(fù)式壓縮機數(shù)量受單機排量影響可達到8臺或者更多，導(dǎo)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(fù)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(lián)設(shè)置實現(xiàn)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(lián)，因此可以通過壓縮機兩級缸的串、并聯(lián)和壓縮機組之間的串、并聯(lián)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(lián)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(lián)，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(lián)性能曲線

3 結(jié)論

（1）通過增設(shè)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(jié)束后進行采氣，可以降低注采合一管道的口徑；通過優(yōu)選管道鋼級，可降低集輸系統(tǒng)投資。

（2）利用儲氣庫先達產(chǎn)后達容的設(shè)計思路，在建庫期先達到地面工程最大設(shè)計規(guī)模，提高儲氣庫周轉(zhuǎn)頻次，建庫結(jié)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(jīng)濟效益。

（3）相同建設(shè)單位的鹽穴儲氣庫采取通用性設(shè)計，通過集中采購，降低成本，提高設(shè)備互備可靠性，縮短建庫周期，同時獲得良好售后服務(wù)，方便運行管理，實現(xiàn)建庫經(jīng)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(yè)與供電企業(yè)共同聯(lián)動合作，形成產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)共贏，提高儲氣庫的經(jīng)濟效益。

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