第七章 天然气的储存方式及末端储气

1 第第七七章章 天然气储存方式及与天然气储存方式及与末段储气末段储气 第一节第一节 天然气天然气的储存的储存 第二节第二节 输气管道末段储气输气管道末段储气 2 第一节、第一节、天然气储存方法天然气储存方法 气罐储气气罐储气 地下储气地下储气 天然气的液化储存天然气的液化储存 液化石油气（液化石油气（LPG）调峰）调峰 长输管道末段储气长输管道末段储气 天然气的溶解储存天然气的溶解储存 天然气水合物（天然气水合物（NGH）的固态储存）的固态储存 天然气吸附储存天然气吸附储存 3 1、气罐储气、气罐储气 低压气罐低压气罐 低压气罐有湿式和干式两种 特点 :储气容积能在一定范围内变化 高压气罐高压气罐 常见的有球形罐和圆筒形卧式罐 高压管束高压管束 4 1 1）低压湿式罐）低压湿式罐 结构结构 水槽内放置钟罩和塔节水槽内放置钟罩和塔节，钟罩和塔节随着燃气的进出而钟罩和塔节随着燃气的进出而 升降升降。并利用水封隔罐内外气体来储存燃气的容器并利用水封隔罐内外气体来储存燃气的容器。 罐的容积随燃气量而变化罐的容积随燃气量而变化 分类分类（钟罩的升降方式钟罩的升降方式） 直立罐：水槽外壁上带有导轨立柱直立罐：水槽外壁上带有导轨立柱 螺旋罐：钟罩自身外壁上带有螺旋状轨道螺旋罐：钟罩自身外壁上带有螺旋状轨道 5 低压湿式直立罐低压湿式直立罐 进出气管可以分为单管及双进出气管可以分为单管及双 管两种管两种。当供应组分经常变当供应组分经常变 化的燃气时化的燃气时，为使输出的燃为使输出的燃 气组分均匀气组分均匀，必须设置双管必须设置双管， 以利于燃气的混合以利于燃气的混合 多节贮气罐的塔节之间均设多节贮气罐的塔节之间均设 有水封有水封 6 低压湿式螺旋罐低压湿式螺旋罐 没有导轨立柱没有导轨立柱，罐体靠安装在侧板罐体靠安装在侧板 上的导轨与安装在平台上的导轮相上的导轨与安装在平台上的导轮相 对滑动产生缓慢旋转而上升或下降对滑动产生缓慢旋转而上升或下降 主要优点主要优点 比直立罐节省金属比直立罐节省金属15153030， 且外形较为美观且外形较为美观 缺点缺点 不能承受强烈的风压不能承受强烈的风压 故在风速太大的地区不宜设置故在风速太大的地区不宜设置 此外其施工允许误差较小，基此外其施工允许误差较小，基 础的允许倾斜或沉陷值也较小础的允许倾斜或沉陷值也较小 导轮与轮轴往往产生剧烈磨损导轮与轮轴往往产生剧烈磨损 7 低压湿式罐存在的主要问题：低压湿式罐存在的主要问题： 在北方采暖地区冬季要采取防冻措施，因此管理在北方采暖地区冬季要采取防冻措施，因此管理 较复杂，维护费用较高。较复杂，维护费用较高。 由于塔节经常浸入、升出水槽水面，因此必须定由于塔节经常浸入、升出水槽水面，因此必须定 期进行涂漆防腐。期进行涂漆防腐。 8 9 2 2）低压干式罐）低压干式罐 主要由外简主要由外简、沿外筒上下运动的活塞沿外筒上下运动的活塞、底板及顶板组底板及顶板组 成成。 燃气储存在活塞以下部分燃气储存在活塞以下部分，随活塞上下移动增减其储随活塞上下移动增减其储 气量气量。 不象湿式罐那样设有水封不象湿式罐那样设有水封，故可大大减少罐的基础荷故可大大减少罐的基础荷 载载，这对于大容积贮气罐的建造是非常有利的这对于大容积贮气罐的建造是非常有利的。 干式贮气罐的最大问题是密封问题干式贮气罐的最大问题是密封问题，也就是如何防止也就是如何防止 在固定的外筒与上下活动的活塞之间产生漏气在固定的外筒与上下活动的活塞之间产生漏气。 根据密封方法不同根据密封方法不同，目前实际采用的有三种罐型目前实际采用的有三种罐型。 10 （1 1）阿曼阿恩型干式罐）阿曼阿恩型干式罐 11 （2）可隆型干式罐）可隆型干式罐 12 (3)威金斯型干式罐威金斯型干式罐 13 干式气罐干式气罐 缺点：没有水槽，因而产生复杂而不易解决的密封问缺点：没有水槽，因而产生复杂而不易解决的密封问 题，即如何防止活塞与外筒之间的漏气。需提高对罐体及题，即如何防止活塞与外筒之间的漏气。需提高对罐体及 活塞等部件施工质量的要求。活塞等部件施工质量的要求。 优点优点: 没有水封，大大减少了罐的基础荷载，有利于没有水封，大大减少了罐的基础荷载，有利于 建造大型储气罐，又节约金属。建造大型储气罐，又节约金属。 14 2、地下储气、地下储气 2.1 地下储气库的类型 利用已开采过的油气田储气；(最为理想和经济) 利用含水多孔地层储气； 利用盐岩层建造储气库储气； 利用岩穴储气。 2.2 地下储气库地面工程 地下储气库地面系统主要由注采气管网、注采气站、 压气站及输气管线组成。 15 （1）注采气管网）注采气管网 注采气管网是由井场至注采站间的管线组成，主要包括单 井采气管线、采气汇管、单井注气管线、注气汇管和计量 管线等。 根据储气库所辖注采井的井位和井数的不同，储气库注采 气管网一般采取放射状、枝状或二者相结合的注采气方式。 16 放射状管网集气方式放射状管网集气方式 长输管线 储气库外输干线 采气井 注气井 注采井 注采井 采气井 注气井 注气井 采气井采气井 注采井 注采站 17 枝状管网集气方式枝状管网集气方式 集注站 集注站 注气井 注采站 注采井 采气井采气井 注气井 注气井 采气井 注采井 注采井 注气井 采气井 储气库外输干线 长输管线 18 （2）注采气站及天然气处理流程）注采气站及天然气处理流程 注采气站及天然气处理流程主要完成的工艺作业： 向各井配气； 控制气体的流量和压力； 进行气体净化、脱除固体和液体杂质； 气体计量、温度压力的测量与调节，对自气体中脱出的固体和液 体组分进行计量； 地下储气库的天然气处理系统应该符合的基本要求： 分离水和液态烃，保证用户使用的天然气符合标准； 保证有规律地提取、检验不同气井的天然气。 19 1）注气流程）注气流程 靠注气压缩机增压注气 靠采气干线的管压注气 两种流程的差别在于是否设注气压缩机。 注气压缩机的工况与储气库地层状态密切相关，在注气过 程中，压缩机出口压力随地层压力升高而升高，变化幅度 很大，在流程设计中要充分考虑适应这种变化。为此可采 取两种措施： 设置多级压缩机； 设置高低压天然气引射器。 20 靠注气压缩机增压注气示意图靠注气压缩机增压注气示意图 21 靠采气干线的管压注气示意图靠采气干线的管压注气示意图 22 天然气冷却净化流程图天然气冷却净化流程图 压缩后的天然气必须冷却（高温气体直接注入，会在气井 套管和周围水泥环引起不均衡的应变）、净化。 23 2）采气流程）采气流程 地下储气库的采气流程有两种基本形式： 完全依靠地层的压力将采出的天然气输至输气干线。 靠地层压力和外输气压缩机增压将采出气输至输气干线。 两种流程的差别在于是否设外输气压缩机。在下列两种情况下应设外 输气压缩机： a.输气干线的管压很高，采出气如果单靠地层压力外输则要求过多的 垫气量； b.需要深度回收采出气中的凝液，采用压缩膨胀机制冷。 24 靠地层压力将采出的天然气输至输气干线的流程图靠地层压力将采出的天然气输至输气干线的流程图 25 靠地层压力和外输气压缩机增压将采出气输至输气干线的流程图靠地层压力和外输气压缩机增压将采出气输至输气干线的流程图 26 3）采出气的净化流程）采出气的净化流程 采出气的净化宜采用自然冷却与节流膨胀致冷相结合的冷冻分离法，使 天然气中的水蒸汽和重烃在较低的温度下部分冷凝并分离 冷冻分离法流程图 27 此流程的优点 能使外输气的水露点和烃露点均达到管输要求，而“甘醇吸收法脱水” 只能达到水露点的要求； 在空冷器入口注入水合物抑制剂（甘醇类溶液或甲醇），可以充分利用 自然冷源。采气周期一般在冬春季节，气温较低，冬天空冷器出口温度 可以低于外输管线埋地处的土壤温度； 经过“空冷”的天然气，利用采气压力与外输压力之间的压差节流膨胀 致冷，只需要较小的压差即能达到净化要求的低温； 流程灵活 在空冷器入口喷入雾状的浓度较高的甘醇溶液，起到“吸收脱水”的作 用 28 （3）压气站）压气站 压气站主要设备 压缩机、净化设备和冷却塔 地下储气库压气站的工作特点: 地下储气库一般为注采合一，压缩机需要能够完成各种 组合操作，必要时根据压力等级的不同实现二级或三级 压缩 气体压力、流量以及压缩机都有很大的可变性 （4）输气管线）输气管线 29 （1）注入气无须净化处理 （2）注采气管网差异大 一般注采合一，但注气工艺和采气工艺较大差别 （3）注气时，初期注气量小，压力低；高峰期注气量最大， 压力升高；末期注气量减少，压力达到最高。采气时，初 期采气量小，压力最高；采气量减少，压力达到最低值。 注气压缩机需要适应压力条件的变化。 （4）采出气要进行净化处理 2.3 地下储气库地面系统特点地下储气库地面系统特点 30 第二节第二节 输气管道末段储气输气管道末段储气 输气管末段储气能力的计算输气管末段储气能力的计算 末段储气的最优长度末段储气的最优长度 计算末段长度和管径的方法计算末段长度和管径的方法 31 一、输气管末段储气能力的计算一、输气管末段储气能力的计算 调峰对象调峰对象 解决日不平衡的措施之一解决日不平衡的措施之一 所需储气容积计算所需储气容积计算 如前如前 AC：管线始末端压力均：管线始末端压力均 由最小值上升到最大值由最小值上升到最大值 随耗气负荷不断变化，管随耗气负荷不断变化，管 内燃气流动参数和储气量内燃气流动参数和储气量 不断发生变化，储气和耗不断发生变化，储气和耗 气过程交替出现气过程交替出现 32 一、输气管末段储气能力的计算一、输气管末段储气能力的计算 动态末段储气量计算动态末段储气量计算 静态末段储气量计算静态末段储气量计算 33 1、动态末段储气量计算、动态末段储气量计算 连续性方程： 运动方程： 能量方程： SHBWR真实气体状态方程 通过长输管线不稳定流动的计算，已得到管线沿线各处的 压力、流量、密度等参数。 0 x 0 2 22 dx ds g Dx P x gshgsu x Q 22 22 )exp()1 ()( )()( 22 2 3 6 32 4 0 3 0 2 0 00 T c T d a T d abRT T E T D T C ARTBRTP 34 对于任一微元段： iNiNiii mVV i - 第i微元段密度，kg/m3； i V- 第i微元段瞬时气量，m3； Ni - 第i微元段标准状态下密度，kg/m3； Ni V - 第i微元段标准状态下瞬时气量，m3； i m 第i微元段燃气质量，kg； 将实际状态转换成标准状态： 4 2 i iii Ni i Ni D xVVV ， 整条管道瞬时气量： n Ni VV 1 末段储气量： minmax VVV 35 二、静态末段储气量计算二、静态末段储气量计算 目前工程上经常使用的储气量的计算方法目前工程上经常使用的储气量的计算方法 利用稳定流计算程序计算管道储气量利用稳定流计算程序计算管道储气量 36 、目前工程上经常使用的储气 量的计算方法 （）如果具体确定了管道始端的最高工作压力P1max，可 按照给定的流量用下式算出相应的终端最高工作压力P2max （）算出储存终了时的管道平均压力 22 2max1maxZ ppCl Q 2 2max max1max 1max2max 2 3 pj p pp pp 25 0 ZT C C D 37 （）根据确定了的管道终端最低允许工作压力P2min，算出 管道起点最低工作压力P1min （）算出消耗终了时的管道平均压力 （）求得管道储气量 22 1min2minZ ppCl Q 2 2min min1min 1min2min 2 3 pj p pp pp min00 min 01 1 pj pVZ T V p Z T max00 max 022 pj pVZ T V p Z T 2 maxmin 0 maxmin 0 4 pjpj SZ pp TD VVVl pTZ 38 、利用某稳定流计算程序计算 管道储气量 稳定流数学模型： x ds A mg D TTK A m h A m dx d dx ds g DA m dx AmPd dx dm )(4 2 2 / 0 0 22 2 2 222 39 步骤： (1)算出管道起点压力为P1max时沿线各点参数值Pimax (2)利用(1)所得各点参数值算出储存终了时管道沿线 各微元段平均压力Pimmax (3)算出管道终点压力为P2min时沿线各点参数值Pimin (4)利用(3)所得各点参数值算出消耗终了时管道沿线 各微元段的平均压力Pimmin max2max1 2 max2 max1max 3 2 ii i iim PP P PP min2min1 2 min2 min1min 3 2 ii i iim PP P PP 40 步骤： (5)求得各微元段管道储气量 (6)求得管道储气量 2 min 1 max 0 0 i im i im i i ri Z P Z P TP TV V 4 2 i ii D xV n ri VV 1 41 二、二、 末段储气的最优长度末段储气的最优长度 2 2max max1max 1max2max 2 3 pj p pp pp 2 maxmin 0 maxmin 0 4 pjpj SZ pp TD VVVl pTZ 2 2min min1min 1min2min 2 3 pj p pp pp 22 1min2minZ ppCl Q 22 2max1maxZ ppCl Q 25 0 ZT C C D 2 3222222 0 1max1max1max1max 0 6 SZZZ TD VpppCQ lCQ lpCQ l p TZ 3222222 2min2min2min2min 2 1 ZZZ pCQ lpCQ lppCQ l QC 42 二、二、 末段储气的最优长度末段储气的最优长度 (9-12) 保证末段最大储气能力时最优末段长度可由下述条件得出 即 2 3222222 0 1max1max1max1max 0 6 SZZZ TD VpppCQ lCQ lpCQ l p TZ 3222222 2min2min2min2min 2 1 ZZZ pCQ lpCQ lppCQ l QC d 0 d S Z V l 11 2222 22 1max2min 33 ()()0 22 ZZ pCQ lpCQ l (9-13) (9-14) 43 所以： 因为： 所以：末段的最大储气能力 25 0 ZT C C D (9-15) 222522 1max2min01max2min , 22 () 22 Z b ppC Dpp l CQZTQ 33221.5 1max2min1max2min 7 max 2 2 () 2 S pppp VA D Q 2 00 22 0 6 CT A p T Z 11 2222 22 1max2min 33 ()()0 22 ZZ pCQ lpCQ l 2 3222222 0 1max1max1max1max 0 6 SZZZ TD VpppCQ lCQ lpCQ l p TZ 3222222 2min2min2min2min 2 1 ZZZ pCQ lpCQ lppCQ l QC 44 在最优末段长度的条件下： 同理亦得 可见：在最优末段长度的条件下，末段终点的最高压力等于起点的最 低压力。 22 222222 1max2min 2max1max1max1max2min 2 1 () 22 Z pp ppCQ lpCQpp CQ 22 1min1max2min 1 () 2 ppp (9-18) 22 21min1max2min 1 () 2 max pppp 22 1max2min , 2 2 Z b pp l CQ 45 如果设末段的最大长度为 则末段的最优长度为最大长度的二分之一。 22 1max2min , 2 2 Z b pp l CQ 22 1max2min max 2 Z pp l CQ 输气管末段储气能 222 12 ppClQ 46 小结 在末段的起点最大压力，终点的最低压力和干线 流量一定的条件下，末段的最优长度最大储气能力 主要决定于末段的管径D。即在该条件下，某一管径D 就对应某一最优末段长度和最大的储气能力。 1max p 2min p Q ,Z b l maxS V ,Z b l maxS V 222522 1max2min01max2min , 22 () 22 Z b ppC Dpp l CQZTQ 33221.5 1max2min1max2min 7 max 2 2 () 2 S pppp VA D Q 2 00 22 0 6 CT A p T Z 47 三、三、 计算末段长度和管径的方法计算末段长度和管径的方法 实际工作中，计算末段长度和管径的计算方法： 第一种方法是预先选定末段长度和管径，校核储气能力，如果 储气能力不满足储气量的要求，则另行选择，直至所选的长度 与管径满足要求为止。（前述公式即可） 第二种方法是在预定末段长度和管径的条件下，根据所需的储 气量校核起、终压力是否在允许值的范围之内。（前述公式不 方便） 应用第二种方法校核时 ，流量公式 (9-19) 22 12 Q Clpp 222 12 ppClQ 48 平均压力 (9-20) 式(9-19)除以式(9-20)得 以代替 ，将压力比代入，则 (9-21) 222 21122 1 1212 22 33 pj ppp pp pp pppp 22 1122 22 1212 3 2 pj p pp pp Q Cl pppp 2 2 3 1 ( ) 2 (1)1 pj Z p Q Cl Z l l 12 /pp 22 12 Q Clpp (9-19) 49 与关系曲线 与曲线( ) ( ) 2 2 3 1 ( ) 2 (1)1 pj Z p Q Cl 说明：在一定流量条件下，平均压力与压力比之间存在一定关系 50 (9-22) (9-23) min1 2 ( ) 3 pjZ pQ Cl max2 2 () 3 pjZ pQ Cl 2 2 3 1 ( ) 2 (1)1 pj Z p Q Cl 51 储气能力可改写为 (9-24) 说明储气能力与流量之间存在一定关系，是确定末段长度和管径 的第二种方法的基础公式。 0 21 ()( ) 6 ZZ S T lClD VQ PTZ 52 第二种方法计算步骤如下： (1) 预定末段长度和管径； (2) 计算储气开始时的起点压力和平均压力； (3) 求储气开始时末段内的存气量； (4) 求储气终了时的末段存气量，它为与要求储气量之 和 Z lD 1min p minpj p min V max V min V maxminS VVV 22 1min2minZ ppCl Q 2 2min min1min 1min2min 2 3 pj p pp pp min00 min 01 1 pj pVZ T V p Z T 53 (5) 求储气终了时末段的平均压力； (6) 求值，并查得压力比值； (7) 计算终点和起点的最大压力和 (9-25) (9-26) (8) 校核是否在最后一个压气站的最高出口压力和管子强度 的允许值之内。若不符合要求，则重新选定和计算之。 maxpj p ( ) 2max p 1max p 2max 2 1 Z Cl pQ 1max2max pp 1max p Z lD 2 2 3 1 ( ) 2 (1)1 pj Z p Q Cl max00 max 022 pj pVZ T V p Z T 54 【例题9-1】某管道依靠地层压力输气，中间没有压缩机站， 管径为6307 mm，全长150 km，起点最高工作压力2.5 MPa，终点最高压力1.4 MPa，终点最低压力0.7 MPa，试 求该管道内最多能储气多少？ 解： maxmin 0 0 pjpj S Z pp T VV pT 55 【例题9-2】某设计任务规定向某城市每昼夜输送天然气 5106m3，要求最大储气量为2106m3，为日输气量的 40%，原设计方案采用了大量储气罐，其压缩机站布置和 计算成果见图