港華鹽穴儲氣庫地面工藝優化改進措施

港華儲氣有限公司 張林果 王英臣 李敬江 錢 彬

金壇港華鹽穴儲氣庫是國內城鎮燃氣第一個大規模地下鹽穴儲氣項目及商業儲氣項目。由香港中華煤氣和中鹽金壇鹽化有限責任公司(以下簡稱“金壇鹽化”)在金壇鹽盆共同合作建設。地下鹽穴由金壇鹽化承擔建設并租賃給港華儲氣有限公司使用，地面工程(含注采站、井場工藝、高壓管線等)由港華儲氣有限公司投資建設。項目分港華儲氣有限公司(以下簡稱“一期項目”)和港華儲氣(金壇)有限公司(以下簡稱“二期項目”)兩個項目。一期項目共建設10口井，總儲氣量約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。二期項目建設15口井，總儲氣量約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。兩個項目總儲量約12億m3，工作氣量約7億m3，供氣能力1 500萬m3/d。

目前一期項目已于 2018年順利投產，二期項目也已順利開工。作為商業運營定位的儲氣庫，運行模式與傳統的長輸管道配套運行的儲氣庫有明顯的差異性。

一期項目地面工程工藝設計時主要參照中石油、中石化鹽穴儲氣庫，并根據運行需求進行調整改進。二期項目地面工程工藝，在參考一期項目的運行經驗后，持續改進完善，主要采取了鹽穴分組設置、改進放散系統、優化真空相變爐位置等創新措施。本文將針對二期項目的改進措施進行分析和探討。

1 鹽穴儲氣庫地面工程常規工藝流程

鹽穴儲氣庫地面工程工藝系統按區域主要分為注采站和井場。其中：注采站為中間調配站，通過輸氣管道與氣源點相連，通過集輸管線與鹽穴井場相連，承擔著過濾、計量、壓縮、脫水及調配等功能；井場設于每口地下鹽穴處，每口地下鹽穴由一個采氣樹與一個井場系統相連，各個井場系統均通過各自的集輸管道與注采站相連。鹽穴儲氣庫常規工藝主要分為注氣流程和采氣流程，以下以一期項目為例。

1.1 一期項目注氣流程

一期項目注氣流程，如圖1所示。從上游氣源點來的天然氣進入注采站后，首先進入過濾分離器，分離雜質和水分后，經超聲波流量計計量，進入壓縮機系統進行加壓，再經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各個井場，再通過采氣樹進入地下鹽穴。

圖1 一期項目注氣工藝流程

1.2 一期項目采氣流程

一期項目采氣流程，如圖2所示。天然氣從井口采出后一級降壓送入注采站。在注采站先經過濾分離器分離掉其中的游離水和機械雜質后，進入采氣調壓撬二級降壓至8.5 MPa左右，進入三甘醇脫水裝置，脫水合格后經計量，三級降壓至相應氣源點所需要的出站壓力，輸往站外。

圖2 一期項目采氣工藝流程

2 工藝改進措施

在一期項目的基礎上，二期項目在設計階段即進行優化。在保證安全性的前提下，靈活豐富了儲氣庫的運行操作方式，能夠適應復雜多變的生產要求，更好地發揮儲氣庫的作用。同時，委托設計單位利用HAZOP分析工具，對主要工藝流程進行分析評價，從源頭采取管控措施消減風險。以下列舉3個主要改進措施，以供參考。

2.1 鹽穴分組設置

鹽穴分組對比示意，如圖3、圖4所示。

圖3 一期項目鹽穴分組示意

圖4 二期項目鹽穴分組示意

在一期項目中，注氣、采氣裝置連接注采匯管，注采匯管連接通往井場的集輸管線，每條集輸管線對應一口鹽穴，按照注采合一的功能設計。

二期項目設計時，對此處工藝設置進行相應調整優化，將鹽穴分組設置，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。

鹽穴分組設置主要有以下4點優勢：

(1)實現同時進行注采氣操作。鹽穴分組設置，打破了注采氣流程不能同時進行的常規認知，不同組別的鹽穴能夠實現相互獨立的注采氣操作，完全不受其他組別鹽穴影響，從而靈活實現注采分開，滿足同時注采的需求。

(2)實現多氣源靈活注氣操作。一期項目運營中經常面對不同氣源同時來氣，需開啟多口鹽穴注氣的情況。在現有的工藝設計中，當不同鹽穴井口壓力相差較大且同時注氣時，為控制注氣氣量分配，保證單口鹽穴注入量不超過設計值，需通過采氣樹角閥進行控制注入鹽穴的氣量，操作相對困難，且在角閥節流時會造成壓力能的損失。鹽穴分組設置后，即使兩組鹽穴壓力相差較大，也能選擇不同的壓縮機加壓，同時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。壓縮機運行能耗主要受到進口壓力與出口壓力的影響。一般來說，當進口壓力越高且出口壓力越低，壓縮機的能耗越低；反之，當進口壓力接近設計下限，出口壓力接近設計上限時，壓縮機的能耗達到最高。一期項目采用多氣源進氣，壓力各不相同，注氣時統一經過同1根注采匯管，無法分組注氣，難免造成壓縮機運行能耗的損失。采用鹽穴分組設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，充分利用上游壓力，節本降耗。

(4)提升注采安全性。鹽穴在運行期間，注采速率均有嚴格的限制，將鹽穴分組設置后，將幾口鹽穴作為一個整體同注同采，維持相同運行壓力，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收縮和傷害，顯著提高鹽穴的運行壽命和安全性。

2.2 改進放散系統

放散系統對比示意，如圖5、圖6所示。

圖5 一期項目放散系統示意

圖6 二期項目放散系統示意

一期項目中，所有放散管線不論放散壓力，都是進入一個放散總管接至放散塔。此種工藝模式在實際運行中存在風險，當不同壓力等級的天然氣同時放散時，有可能使得高壓放散氣體竄入低壓放散系統中，引發安全事故。也可能在高壓氣體放散時使得低壓放散系統的安全閥出口背壓過高，導致低壓氣體無法及時放散，引發安全事故。

針對此項存在風險，二期項目設計時根據場站天然氣運行的壓力范圍，劃分為低壓0.4～6.3 MPa、中壓6.3～10 MPa和高壓10～18 MPa 3個區間，設置3個獨立的放散系統，不同壓力級制的天然氣分開匯入不同的匯管，同時還有1 MPa及以下的放空氣單獨接到放散塔根部的低壓放空管線，最后集中進入放散塔進行放散。這種調整方式，能夠使得不同壓力天然氣放散時相互獨立，互不影響，不存在高壓躥入低壓系統的風險。

同時，二期項目在注采站進、出站管線及注氣采氣系統設置與全站 ESD觸發命令連鎖的電動放空閥門，當執行全站ESD命令時，電動放空閥門自動打開，及時放空站內天然氣。在發生天然氣嚴重泄漏等緊急情況下，能夠顯著降低事故損失，消除后續風險，提高場站本質安全性。

2.3 優化真空相變爐位置

冬季采氣時，環境氣溫較低，加上采氣時壓降較大，鹽穴壓力最高17 MPa，通過三級降壓后，外輸壓力最低時僅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，天然氣溫度過低會產生諸多不利影響，主要包括：

(1)由于從鹽穴采出的天然氣含飽和水，可能會產生閥門凍結、管道冰堵，既會造成供氣中斷，也嚴重威脅安全運行。

(2)天然氣溫度低于–20 ℃，超過鋼管 Q345D材質的耐寒極限，同時會導致土壤凍漲，破壞周邊環境。

(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 ℃，調壓至 12 MPa后進入注采站，溫度低值約為 18 ℃，已降至水合物生成溫度，再次調壓至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，進脫水裝置的天然氣宜在20～30 ℃。根據中石油運行經驗總結的相關數據，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

針對此項風險，一期項目采氣流程示意如圖7所示。在二級降壓后、脫水裝置前增設真空相變爐，可提升天然氣溫度10～15 K，運行效果明顯，但也存在一定的不足，主要體現在二級降壓時因溫度過低，壓力調節閥中的鼠籠結構精度較高，經常發生凍堵現象。

圖7 一期項目采氣流程示意

二期項目采氣流程示意如圖8所示。在一期項目運行的基礎上優化真空相變爐位置，將加熱爐位置調整在二級降壓前，通過提升調壓前天然氣溫度來避免調壓過程形成水合物，進一步降低設備凍堵風險。

圖8 二期項目采氣流程示意

3 結語

港華鹽穴儲氣庫與中石油和中石化鹽穴儲氣庫有明顯差異。首先，是商業運作的定位，要求注采方式必須靈活多變，才能適應多氣源及下游用戶的不同工況需求；其次，是壓降更大，從鹽穴儲氣到下游城燃公司管網，最大壓降可達15 MPa，就要求必須提高注采工藝的風險管控能力。為此，在總結一期建設和運行的成功經驗上，追求工藝創新，提高安全性能，在二期項目中采取相應改進措施，力爭打造更安全、更靈活、更具經濟效益的商業儲氣庫，向著實現智慧儲氣庫的目標不斷探索前行，為保障民生及國家產供儲銷體系建設作出貢獻。