【论文精选】港华盐穴储气库的运营特点及其工艺改进
【论文精选】港华盐穴储气库的运营特点及其工艺改进
GAS-HEAT1978
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作 者： 钱彬，李敬江，应援农，朱健颖
第一作者单位：港华储气有限公司
摘自《煤气与热力》2022年4月刊
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燃气管道
阀门（燃气）
1 概述
港华盐穴储气库是国内城镇燃气第 1 个大规模地下盐穴储气项目，由香港中华煤气和中盐金坛盐化有限责任公司在金坛盐盆共同合作建设。项目分一期项目和二期项目， 2 个项目总储量约 12 × 10 8 m 3 ，工作气量约 7 × 10 8 m 3 ，供气能力为 1 500 × 10 4 m 3 /d 。
港华储气库是市场化运营的储气库，坚持市场主导，不断创新储气库的管理方法和运营模式，在工艺可靠性方面追求更高的标准，通过不断探索与改进工艺设计，提高设备可靠性，确保高效稳定运行。
2 项目运营特点和制约因素
2.1 项目运营特点
①多气源并举，合理降低成本
港华储气库与西气东输、川气东送管道均已实现互联互通，打通了主要的气源及外供通道。一方面，可采购中石油、中石化的气源；另一方面，港华国际能源贸易有限公司是国家管网首批托运商，在淡季可采购国外 LNG 通过“液来气走”的方式为储气库提供相对低价的气源。此外还可通过国家管网引入煤层气、煤制天然气等其他具备价格优势的气源，显著降低气源成本。
②多通道供气，供气范围扩至全国
港华储气库可通过互联互通的西气东输、川气东送两条主干管道及周边城市已互联互通的城市燃气高压管网向外供气，其中与国家管网的合作供气方式采用自储气库上载气量、从国家管网其他输气站下载气量的代输方式，供气范围已不局限于长三角一带，可覆盖全国绝大多数城市。
③业务多元化
2018 年 4 月，国家发改委、能源局印发《关于加快储气设施建设和完善储气调峰辅助服务市场机制的意见》，明确要求了城镇燃气企业要形成不低于其年用气量 5% 的储气能力。城镇燃气企业投资建设储气设施成本高昂，投资回报率低，且大规模储气的资源条件缺乏。港华储气库可与有需求的城镇燃气公司签订库容租赁或代储协议，既可使城镇燃气企业以较低的资金投入满足储气能力指标的要求，也可为城镇燃气企业提供应急及调峰保供服务，实现双赢的有利局面。
2.2 项目运营制约因素
①运行压力区间受限，库容难以充分使用
盐穴周边的盐岩具有蠕变性，盐穴运营期间腔体内的压力需要控制在一定范围内。当盐穴内压力长时间处于或接近腔体设计压力下限时，腔体可能出现顶板下沉、底板上鼓及体积收缩等现象，对盐穴造成不可逆的损害 ［ 1 ］ 。
与其他长输 管道 配套的储气库相比，港华储气库无法自由地补充气源。为保证盐穴的安全运行，不对盐穴造成损害，盐穴运行压力需维持在安全的范围内。一方面，当周边城镇燃气企业气源严重紧张需要调峰供气时，可能出现因盐穴压力的限制而不能足量采气的情况，库容使用达不到理想的效果；另一方面，将导致盐穴储气的周转率降低，运营成本升高。
②城镇燃气管网压力波动频繁，供气难度大
城镇燃气企业用气具有不均匀性，且管网压力波动较大，港华储气库通过互联互通的城镇燃气高压管网同时向周边多个城市供气，必须根据小时波动不断调整供气速率。
3 主要工艺改进措施
港华储气库因其运营特点，必须在常规储气库工艺设计的基础上做出一定的改进，以满足工艺安全的实际需求。例如考虑到城镇燃气企业用气的不均匀性，必须采用可靠的自动化控制系统以达到工艺本质安全。考虑到城镇燃气企业管网运行压力较低，且存在小气量的调峰储气需求，港华储气库增设了小流量天然气压缩机组，为城镇燃气用户提供注气服务。考虑到多气源、多井场供气时的复杂操作需求，港华储气库将盐穴分组设置，显著提升注气灵活性与安全性。考虑到向城镇燃气管网外输时因大压差产生的大温降情况，在采气流程中增加真空相变加热装置，保证供气安全。
3.1 使用同行业最高级别的安全仪表系统
港华储气库自控仪表系统由分散型控制系统（ DCS ）和安全仪表系统（ SIS ）组成。 DCS 对站内各仪表检测的工艺参数进行巡回采集、处理、监视、调节控制，并将采集到的工艺系统参数、设备运行状态等数据反馈至上位机，操作人员可在中控室完成绝大多数工艺操作，且外输供气的流量、压力、温度都能够实现全自动化控制。运行人员在接到注采气指令后，通过远程操作与现场操作相结合的方式，能够有效缩短达到注采峰值的操作时间。
储气库设一套独立的 SIS ，同一个位置的运行参数由现场 3 块控制仪表同时读取，并采用 3 选 2 架构对现场读取的 3 个数据进行比对表决后下达指令，能够显著降低自动控制系统误动作的概率。
储气库安全完整性安全等级采取国内同行业最高的 SIL3 级别进行设计，可实现紧急停车、安全联锁、安全保护等功能。 SIS 采用高可靠性的故障安全型可编程控制器（ PLC ），其控制器、通信模块、电源模块等冗余配置，热备运行。能够在中控室和现场不同区域按下紧急停车（ ESD ）按钮实现事故情况下的紧急停车操作。
ESD 系统按全厂停车、注气流程或采气流程停车、单一设备停车的原则分成 3 个级别，在紧急情况下不仅能够立即切断相关工艺装置，同时也能够尽可能地缩小事故影响区域。
3.2 采用本质安全工艺设计
①井场工艺优化
以某盐穴储气库井场采气工艺为例，最高压力 17 MPa 的天然气自采气树采出，通过压力调节阀降压至 8.5 MPa 以下，后经过滤分离器后进入注采站。压力调节阀之后的过滤分离器及连接管道设计压力均取 10 MPa ，配置有安全阀，未配备自动切断阀。当员工误操作或 阀门 误动作等原因导致下游流程切断后，过滤分离器位置便会引发超压放散，如运行人员未能及时赶到现场处理，将导致严重安全隐患。针对此类风险，港华储气库采气树位置增设压力切断阀，同时所有天然气工艺管道、设备均按照 17 MPa 的最高运行压力进行设计，不存在超压风险。
另外，某盐穴储气库井场采用卧式过滤分离器，主要通过滤芯来过滤固体颗粒，运行效果不理想，受到采气时带出的固体杂质冲击，往往一个调峰期后滤芯便已损坏，需打开快开盲板检查维护。
港华储气库在相同位置改用旋风分离器，利用重力沉降来分离杂质。当井场采气时，采气压力需从 17 MPa 降至 12 MPa ，工艺气压力与流量都会发生较大变化，旋风分离器对流速的适应能力更强，对压差变化的敏感度更低，更适合盐穴采气运行工况。经运行检验，旋风分离器实际运行情况良好，除定期检查及排污外无需进行其他维护工作。
②进出站位置均配备紧急切断阀
港华储气库在井场与注采站进出站位置设置气动紧急切断阀，一旦站外集输 管道 发生紧急情况，进出站位置管道压力快速变化，波动超过 20.8 kPa/h ，便能够自动切断进出站流程，保护地下盐穴不受影响。
3.3 灵活选择压缩机组
港华储气库在压缩机组的选择上按照梯度原则进行配置，一期项目 3 台压缩机组，设计排量各不相同，为 30 × 10 4 m 3 /d （以下简称小排量压缩机组）、 60 × 10 4 m 3 /d 、 120 × 10 4 m 3 /d ，二期项目配置 4 台压缩机组，设计排量一致，均为 180 × 10 4 m 3 /d ，总注气能力为 930 × 10 4 m 3 /d 。既能够实现盐穴气量的快速补充，同时小排量压缩机组还适合在特定工况下使用。
例如，每口盐穴投产前均需开展注气排卤工作，即通过注气汇管将高压天然气注入盐穴，将卤水逐步排出盐穴，当卤水基本排出后，采用不压井作业（在油气田开采行业中广泛应用，即采用特殊设备、工具及工艺技术，不对气井施压就能正常起出井内管柱的作业）起出排卤管柱，形成正常运营的盐穴状态。以港华储气库某盐穴注气排卤过程计算表为例，见表 1 。因排卤初期盐穴内天然气空间还较小，必须控制日注气量约 12 × 10 4 m 3 /d ，否则一旦卤水排出不及时，可能导致压缩机出口管道迅速升压，产生安全隐患。同时在正常排卤期，按正常的排卤速率推算，日注气量要求维持在 30 × 10 4 m 3 /d 左右。故一般采用小排量压缩机组进行盐穴注气排卤，有利于控制注气排卤速度，安全性更高。小压缩机组的注气能耗也相对较低，能有效降低注气成本。
表 1 某盐穴注气排卤过程计算表
另外，盐穴储气库压缩机组的进气设计压力范围一般为 4~8 MPa ，港华储气库小排量压缩机组的进气设计压力设置在 2~8 MPa 。主要考虑到当出现周边城镇燃气用户用气量骤降、用气计划调整等突发情况时，高压管网富裕的气量可以通过最低进口压力 2 MPa 的小排量压缩机组进行注气储存。
3.4 盐穴分组设置
为达到更加灵活操作的目的，港华储气库在盐穴分配上进行了优化改进，见图 1 。
图 1 盐穴设置优化
将盐穴分组设置，每组约连接 3~4 口盐穴，共用一段注采汇管，能够明显提高注采气操作灵活性，有以下优势：
①实现注采气操作同时进行。不同组的盐穴能够实现相互独立的注采气操作，完全不受其他组盐穴影响，灵活实现注采分开，满足同时注采的需求。
②实现多气源灵活注气操作。储气库项目运营中经常面对不同气源同时来气，需开启多口盐穴注气的情况。盐穴分组设置后，即使两组盐穴压力相差较大，也能够选择不同的压缩机加压，同时注入不同组的盐穴，互不影响。
③合理利用上游压能，降低能耗。压缩机运行能耗主要受到进口压力与出口压力的影响，一般来说，当进口压力越高且出口压力越低，压缩机的能耗越低，反之当进口压力接近设计下限，出口压力接近设计上限时，压缩机的能耗达到最高。采用盐穴分组设置能够自主选择盐穴分开加压注气，将不同气源来气注入不同分组的盐穴，充分利用上游压力， 节能降耗。
④提升注采安全性。盐穴在运行期间，注采速率均有严格的限制，将盐穴分组设置后，将几口盐穴作为一个整体同注同采，维持相同运行压力，均衡注采气量。即使在注采量较大的情况下，也可避免盐穴不必要的蠕动收缩和伤害，显著提高盐穴的运行寿命和安全性。
3.5 引进真空相变技术
冬季采气时，环境气温较低，采气时压降较大，目前港华储气库盐穴井口压力最高 15 MPa ，通过 3 级降压后，外输压力最低时仅约 2 MPa 。压降过大会造成温度快速降低，而天然气温度过低会产生诸多不利影响，如造成下游生成水合物、接近钢管的工作温度下限、影响三甘醇脱水装置的脱水效果等。
根据相关数据，不同压力下水合物生成温度见表 2 。天然气的组成见表 3 ，携带的水蒸气为饱和状态。大气压取 101.325 kPa 。以港华储气库某盐穴采气数据为例，采气初期井口压力 15 MPa ，井口温度平均为 32 ℃，在井场调压至 12 MPa 后进入注采站，此时温度低值约为 18 ℃，已满足水合物生成条件。
表 2 不同压力下水合物生成温度
表 3 天然气的组成
针对此项风险，港华储气库在采气流程中增设真空相变加热炉，采用间接式加热方式，通过载热体水或蒸汽加热炉体内盘管中天然气，水或蒸汽通过循环的相变方式进行传热，显著提升天然气温度，保证安全供气。经运行检验，约可提升天然气温度 15~20 ℃，有效解决了低温的安全隐患，保障冬季供气安全。
参考文献：
［ 1 ］杨海军，郭凯，李建君 . 盐穴储气库单腔长期注采运行分析及注采压力区间优化——以金坛盐穴储气库西 2 井腔体为例［ J ］ . 油气储运， 2015 （ 9 ）： 945-950.
（本文责任编辑：李欣雨）
1、 应用丛式井技术建设盐穴储气库的优势
2、 盐穴储气库技术的发展和应用
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