摘 要

解決月（季度）的、日的或小時的不均衡，可采用不同的儲氣方法，如氣罐儲氣、地下儲氣、液態(tài)或固態(tài)儲氣、輸氣管道末段儲氣等。各種儲氣設(shè)施的主要作用就是在用氣量小于供氣量時，將多余氣體儲存起來，以彌補用氣量大于供氣量時的不足。氣罐儲氣主要用于解決小時用氣不平衡。

 

天然氣儲存

城市的用氣量隨時間而變化，每月、每日和每時都不相同，而氣源供氣一般變化不大，尤其是長距離輸氣管道，這樣供氣和用氣經(jīng)常發(fā)生不平衡。為了保證按用戶要求供氣，必須解決供氣與用氣的不平衡問題。

解決月（季度）的、日的或小時的不均衡，可采用不同的儲氣方法，如氣罐儲氣、地下儲氣、液態(tài)或固態(tài)儲氣、輸氣管道末段儲氣等。

各種儲氣設(shè)施的主要作用就是在用氣量小于供氣量時，將多余氣體儲存起來，以彌補用氣量大于供氣量時的不足。氣罐儲氣主要用于解決小時用氣不平衡。

 

第一節(jié)　氣罐儲氣

一、低壓氣罐

低壓氣罐有濕式和干式兩種。低壓氣罐的特點是儲罐幾何容積能在一定范圍內(nèi)變化。

圖6-1為濕式直立罐，它由水槽、鐘罩、塔節(jié)、水封、頂架、導(dǎo)軌立柱、導(dǎo)輪、增加壓力的加重裝置及防止造成真空的裝置等組成。氣罐的進出氣管可以分為單管和雙管兩種。當(dāng)供應(yīng)的氣體組分經(jīng)常發(fā)生變化時，可使用雙管，即進氣、出氣各一根管子，有利于氣體組分的混合與均勻。單節(jié)低壓濕式氣罐容積一般不超過3000m³，大容量的為多節(jié)氣罐。

另一種低壓濕式罐——螺旋罐如圖6-2所示。這種罐沒有導(dǎo)軌立柱，罐體靠安裝在側(cè)板上的導(dǎo)軌與安裝在平臺上的導(dǎo)輪相對運動，使其緩慢旋轉(zhuǎn)上升或下降。螺旋罐的主要優(yōu)點是比直立罐節(jié)省金屬15%～30%，且外形較為美觀，因此在我國得到廣泛應(yīng)用。

干式氣罐主要由圓柱形外筒、沿外筒上下運動的活塞、底板及頂板組成。氣體儲存在活塞以下部分，隨活塞上下而增減其容積。干式氣罐沒有水槽，因而存在不易解決的密封問題，也就是如何防止活塞與外筒之間的漏氣。根據(jù)密封方法不同，干式氣罐的形式很多，圖6-3是采用得較多的可降型干式氣罐。它采用干式密封。由塑膠和棉織品薄膜制成的密封墊圈安裝在活塞的外周，借助于連桿和平衡重物的作用緊密地壓在側(cè)板內(nèi)壁上。這種結(jié)構(gòu)能滿足氣體密封的要求，但為了使活塞能夠靈活平穩(wěn)地沿側(cè)板滑動，還要定期注入潤滑脂。

干式氣罐沒有水封，大大減少了罐的基礎(chǔ)荷載，有利于建造大型氣罐，又節(jié)約金屬。但密封問題復(fù)雜，提高了對罐體及活塞等部件施工質(zhì)量的要求。

二、高壓氣罐

在高壓氣罐中燃氣的儲存原理與前述低壓氣罐有所不同，即其幾何容積固定不變，而是靠改變其中燃氣的壓力來改變其儲氣量的，因此稱定容儲罐。由于定容儲罐沒有活動部分，因此結(jié)構(gòu)比較簡單。

高壓氣罐可以儲存氣態(tài)燃氣，也可以儲存液態(tài)燃氣。根據(jù)儲存的介質(zhì)不同，儲罐設(shè)有不同的附件，但所有的燃氣儲罐均設(shè)有進出口管、安全閥、壓力表、人孔、梯子和平臺等。

當(dāng)天然氣以較高的壓力送入城市時，使用低壓氣罐顯然是不合適的，這時一般采用高壓氣罐。當(dāng)氣源以低壓天然氣供應(yīng)城市時，是否要用高壓氣罐則應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。

高壓氣罐按其形狀可分為圓筒形罐和球形罐兩種。

1．構(gòu)造

1）圓筒形罐

圓筒形罐如圖6-4所示，是由鋼板制成的圓筒體和兩端封頭構(gòu)成的容器。封頭可為半球形或橢圓形。圓筒形罐根據(jù)安裝的方式可以分為立式和臥式兩種，前者占地面積小，但基礎(chǔ)要承受圓筒體在風(fēng)力下形成的風(fēng)彎矩，基礎(chǔ)尺寸較大，后者占地面積大，但基礎(chǔ)較為簡單。臥式儲罐罐體都設(shè)有兩個鋼制鞍式支座，支座中的一個與基礎(chǔ)之間要能滑動，以防止罐體熱脹冷縮時產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

2）球形罐

球形罐通常是由用鋼板分瓣壓制的球片拼焊組裝而成。罐的瓣片分布類似地球，一般分為極板、南北極帶、南北溫帶、赤道帶等。罐的瓣片也有類似足球外形的。這兩種球形罐如圖6-5所示。

球形罐的支座一般采用赤道正切式支柱、拉桿支撐體系，以便把水平方向的外力傳到基礎(chǔ)上。設(shè)計支座時應(yīng)考慮到罐體自重、風(fēng)壓、地震力及試壓的充水質(zhì)量。

燃氣的進出氣管一般安裝在罐體的下部，但為了使燃氣在罐體內(nèi)混合良好，有時也將進氣管延長至罐頂附近。為了防止罐內(nèi)冷凝水及塵土進入出氣管內(nèi)，進出氣管應(yīng)高于罐底。

為了排除積存于罐內(nèi)的冷凝水，在儲罐的最下部應(yīng)安裝排水管。在罐的頂部必須設(shè)置安全閥。儲罐除安裝就地指示壓力表外，還要安裝遠傳指示控制儀表。此外，根據(jù)需要可設(shè)置溫度計。儲罐必須設(shè)防雷防靜電接地裝置。儲罐上的人孔應(yīng)設(shè)在操作及維修管理均較方便的位置，一般在罐頂及罐底各設(shè)置一個人孔。

容量較大的圓筒形罐與球形罐相比較，圓筒形罐的單位金屬耗量大，但是球形罐制造較為復(fù)雜，制造安裝費用較高，所以一般小容量的儲罐多選用圓筒形罐，而大容量的儲罐則多選用球形罐。

2．儲氣量的計算

高壓氣罐的有效儲氣容積可按下式計算：

式中　V——儲氣罐的有效儲氣容積，m³；

V_c——儲氣罐的幾何容積，m³；

p——儲氣罐的最高工作絕對壓力，kPa；

p_c——儲氣罐的最低工作絕對壓力，kPa；

p₀——儲氣罐的工程標準壓力，p₀=101.325kPa。

儲罐的容積利用系數(shù)，可用下式表示：

通常儲氣罐的最高工作壓力p已定，欲提高容積利用系數(shù)，只有降低儲氣罐的剩余壓力，即最低工作絕對壓力p_c，而它是受到供氣管網(wǎng)對球罐要求的最低出口壓力的限制，其值反映在罐出口處連接的調(diào)壓閥的最低允許進口壓力。為了使儲罐的利用系數(shù)提高，可以在高壓儲氣罐站內(nèi)安裝引射器，當(dāng)儲氣罐內(nèi)氣體壓力接近管網(wǎng)壓力時，就開動引射器，利用經(jīng)過儲氣罐站的高壓氣體的能量把氣體從壓力較低的罐中抽出來，這樣可以提高整個罐站的容積利用系數(shù)。但是利用引射器時，要安裝自動開閉和控制裝置，否則管理不當(dāng)，會破壞正常工作。

圖6-6為高壓儲氣罐站調(diào)壓設(shè)備系統(tǒng)流程圖。在入口的地方安裝了止回閥，防止干線停氣時，儲罐內(nèi)的氣體倒流。

三、高壓管束

高壓管束實質(zhì)上也是一種高壓氣罐，管束由直徑較小的管子組成，因此能承受更高的壓力。高壓管束儲氣是將一組或幾組鋼管埋于地下，對管內(nèi)儲存的天然氣加以高壓，利用氣體的可壓縮性及其在不同壓力下的壓縮系數(shù)的不同進行儲氣。

 

 

第二節(jié)　天然氣的地下儲存

天然氣的地下儲存通常有下列幾種方式：（1）利用枯竭的油氣田儲氣；（2）利用含水多孔地層儲氣；（3）利用鹽礦層建造儲氣庫儲氣；（4）利用巖穴儲氣。其中，利用枯竭的油氣田儲氣最為經(jīng)濟，利用巖穴儲氣造價較高，其他兩種在有適宜地質(zhì)構(gòu)造的地方可以采用。

利用地下儲氣方式可以大量儲存天然氣、液化石油氣和人工燃氣，其成本低、儲氣量大，是解決月（或季度）供氣與用氣不平衡的最優(yōu)手段，因而得到廣泛的應(yīng)用。早在1915年，加拿大建成世界上第一個地下儲氣庫。美國第一座地下儲氣庫建于1916年，從1947年起有顯著增長，每年約以增長56×10⁸m³儲存容積的速度發(fā)展。圖6-7為地下儲氣庫示意圖。

一、利用枯竭的油氣田儲氣

為了利用地層儲氣，必須準確地掌握地層的下列參數(shù)：孔隙度、滲透率、有無水侵現(xiàn)象、構(gòu)造形狀和大小、油氣巖層厚度、有關(guān)井身和井結(jié)構(gòu)的準確數(shù)據(jù)及地層和鄰近地層隔絕的可靠性等。以前開采過而現(xiàn)在枯竭的油氣層，經(jīng)過長期開采之后，這些參數(shù)無疑是已知的，因此已枯竭的油田和氣田是最好和最可靠的地下儲氣庫。

二、利用含水多孔地層儲氣

利用含水多孔地層儲氣的儲氣庫的原理如圖6-8所示。天然氣儲氣庫由含水砂層及一個不透氣的背斜覆蓋層組成，其性能和儲氣能力依據(jù)不同地質(zhì)條件而有很大差別。

儲氣巖層的滲透性對于用天然氣置換水的速度起決定作用。同時，它對于儲氣庫的最大供氣能力也具有一定意義。

如果儲氣庫滲透性很好，天然氣擴散時水位呈平面形；如滲透性很低，則天然氣擴散時使水位形成一個弧形，如圖6-9所示。對于滲透性高的儲氣庫，在排氣時水能夠很快壓回，還可回收一部分用于注氣的能量。

儲氣巖層的滲透性對于工作氣和墊層氣的比例也有很大影響。工作氣是指在儲存周期內(nèi)儲進和重新排出的氣體。墊層氣是指在儲氣庫內(nèi)持續(xù)保留或作為工作氣和水之間的緩沖墊層的氣體。巖層的滲透性越小，工作氣與墊層氣的比例就越小，因而越不利。

含水砂層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)只有在合適的深度才能作為儲氣庫，一般為400～700m。深度超過700m，由于管道太長而不經(jīng)濟，太淺則在連續(xù)排氣時，儲氣庫不能保證必要的壓力。

不透氣覆蓋層的形式對工作氣和墊層氣的比例也有很大影響，特別是當(dāng)儲氣巖層的滲透性很小時，平面蓋層的結(jié)構(gòu)是不適宜的，因為它需要非常多的墊層氣。

三、利用鹽礦層建造儲氣庫儲氣

圖6-10是利用鹽礦層建造儲氣庫的排鹽設(shè)備流程。將井鉆到鹽層后，把各種管道安裝至井下。由工作泵將淡水通過內(nèi)管壓到巖鹽層。飽和鹽水從內(nèi)管和溶解套管之間的管腔排出。當(dāng)通過幾個測點測出的鹽水飽和度達到一定值時，排除鹽水的工作即可停止。為了防止儲庫頂部被鹽水沖溶，要加入一種遮蓋液，它不溶于鹽水，而浮于鹽水表面。不斷地增加遮蓋液量和改變?nèi)芙馓坠荛L度，使儲庫的高度和直徑不斷擴大，直到達到要求為止。儲氣庫建成后，在第一次注氣時，要把內(nèi)管再次插到儲氣庫底部，從頂部打入燃氣，將殘留的鹽水置換出庫。鹽礦層儲氣庫工作流程如圖6-11所示。

如果長距離輸氣管線的壓力大于儲氣庫的壓力，必要時使天然氣通過預(yù)熱器再進入儲氣庫，以防止在壓力突然降低時生成水合物。如果儲氣庫的壓力大于或等于管線壓力，則必須使天然氣經(jīng)壓縮機加壓，達到需要的壓力后送入儲氣庫，而儲氣庫則靠自身的壓力將天然氣輸出。輸出的天然氣在進調(diào)壓器前也需經(jīng)過預(yù)熱器。此外，在儲氣庫工作的第一年，還需要將含水的天然氣進行干燥處理。

對建造在含水層和鹽巖層的地下儲氣庫進行比較，前者的儲氣容積較大，但采氣率較低，因此其單位儲氣容積的造價低，而單位采氣量的造價卻較高。

除了以上幾種地下儲氣庫外，還有利用自然的或人工的其他巖穴作為儲氣庫的。例如，利用廢棄的煤礦坑道作為儲氣庫已有成功的例子。

四、地下儲氣庫的地面設(shè)施

地下儲氣庫的地面設(shè)施通常有壓縮機站、脫水裝置、分離器、加熱或注醇防凍設(shè)施、計量裝置和安全設(shè)施等。

壓縮機站是地下儲氣庫的主要地面設(shè)施，天然氣經(jīng)壓縮機加壓，達到需要的壓力送入地下儲氣庫；儲氣庫對外供氣時，天然氣有時要經(jīng)過壓縮才能進入長輸管道。

從地下儲氣庫輸出的天然氣通常含有飽和水蒸氣和少量液相水，因此，與氣田的地面設(shè)施一樣，建有分離器、加熱或注醇防凍設(shè)施、脫水裝置等。脫水裝置大都采用三甘醇法。此外，還有必要的計量裝置、安全設(shè)施等。

 

 

第三節(jié)　天然氣的其他儲存方法

一、天然氣的液化儲存

甲烷的臨界溫度為-82.1℃，臨界壓力為4.49MPa，在常壓下達到-162℃即可液化。采用深度冷凍的方法，將天然氣冷卻至-162℃，在常壓、低溫下儲存，儲存容積約為氣態(tài)的1/600。

由于液化天然氣具有可燃性和超低溫儲存的特性，因此對儲存設(shè)施（儲罐）有很高的要求。液化天然氣儲罐可分為地面儲罐和地下儲罐。迄今應(yīng)用廣泛的是地面圓筒形雙層壁儲罐。地下儲罐的投資比較大，僅用在人口較密集的地區(qū)，因為它處于地下，儲存液體不易溢出，從而可避免惡性事故的發(fā)生。

1．地面儲罐

地面圓筒形雙層壁儲罐由內(nèi)罐、隔熱層和外罐構(gòu)成。

1）內(nèi)罐

內(nèi)罐是用薄低溫鋼板制成的內(nèi)容器，由錨固鋼帶穿過底部隔熱層進行固定。用作內(nèi)罐的材料必須具有在低溫條件下不脆化的特性，并具有足夠的韌性與良好的加工性能。罐內(nèi)溫度不同，對內(nèi)罐材料的要求也不同，儲存液化石油氣的常用低碳鋼或低合金鋼制作；儲存液化天然氣的常用含9%鎳的不銹鋼制作。

2）隔熱層

低溫儲液注入罐內(nèi)后，內(nèi)罐壁就會冷縮；反之儲液完全被排出后，罐內(nèi)溫度將逐步上升，內(nèi)罐壁隨之伸脹。填充在內(nèi)外罐中間的粉末狀隔熱材料，由于內(nèi)罐壁的反復(fù)脹縮變得嚴實。因此在靠近內(nèi)罐處必須敷設(shè)一層伸縮性強的隔熱層。此隔熱層的厚度應(yīng)與內(nèi)罐壁的脹縮相適應(yīng)，并在內(nèi)罐壁脹縮時起緩沖作用，保證儲罐安全運行。

隔熱層要求導(dǎo)熱系數(shù)小，而且具有足夠的強度。能滿足這些條件的材料有硬質(zhì)泡沫氨基甲酸乙酯、泡沫玻璃、珍珠巖以及硬質(zhì)泡沫酚醛樹脂等。為了提高隔熱材料的隔熱性能和經(jīng)濟性，可采用由粉末狀、纖維狀、板狀等隔熱材料混合使用的隔熱法。隔熱層厚度較厚，通常在1m以上。

3）外罐

外罐就是能承受各種負荷的外殼，它必須具有足夠的強度。地面儲罐的外罐根據(jù)所用材料不同，可以分為鋼制壁、鋼筋混凝土壁和預(yù)應(yīng)力混凝土壁。

（1）鋼制壁。

外罐因不與低溫液體接觸，鋼制壁外罐一般用碳鋼制造。

液化石油氣和液化天然氣的地面低溫儲罐與一般常溫儲罐不同，必須考慮罐底下的地面因土壤凍結(jié)膨脹而鼓起，使儲罐有損壞的危險，所以必須采取措施，防止地面土壤凍結(jié)。一般可以將地面儲罐分為落地式和高架式兩種。地面儲罐底部防凍措施如圖6-12所示。

①落地式儲罐的底部用珍珠巖混凝土隔熱，在預(yù)埋的管道中通入熱風(fēng)或熱水，或在基礎(chǔ)內(nèi)部預(yù)設(shè)電加熱器，以防土壤凍結(jié)。

②高架式儲罐是用立柱支撐罐體底盤，使其與地面分開，保持儲罐與地面之間空氣暢通，防止液化石油氣或液化天然氣吸收地面熱量，以避免土壤凍結(jié)。

（2）鋼筋混凝土壁和預(yù)應(yīng)力混凝土壁。

這兩種外壁具有如下優(yōu)點：

①鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土是很好的低溫材料，即使內(nèi)罐受損，低溫儲液與預(yù)應(yīng)力混凝土壁接觸也不會損壞外壁。

②耐久性好，不受地下水腐蝕，不變脆。

③具有很好的水密性和液密性，并且具有較好的抗震性能。

2．地下儲罐

地下儲罐除罐頂外，儲罐的大部分（最高液面）在地面以下，罐體坐落在開挖的不透水穩(wěn)定地層之上。地下儲罐主要采用鋼筋混凝土外罐，為防止周圍土壤凍結(jié)，在罐底和罐壁處設(shè)置加熱器。有的在罐壁周圍留有1m厚的凍結(jié)土，稱為凍土壁，以提高土壤的強度和水密性。

天然氣液化后的常壓低溫儲存比較安全，負荷調(diào)節(jié)范圍廣，適于調(diào)節(jié)各種情況（月、日、時）的供氣與用氣之間的不平衡。用氣高峰時，將液化天然氣再氣化，即可供氣。

天然氣的液化和再氣化都要消耗一定的能量，只有儲存量較大時，經(jīng)濟上才合算。目前，最大的液化天然氣地面儲罐和地下儲罐的容量已達140000m³。液化天然氣儲罐的冷損，會造成部分液化天然氣的蒸發(fā)，冷損造成的儲罐蒸發(fā)量一般為儲罐容量的0.04%～0.2%（每日），小型儲罐可高達1%。蒸發(fā)的天然氣通常經(jīng)再液化后返回儲罐。

二、天然氣的固態(tài)儲存

天然氣固態(tài)儲存就是將天然氣，主要是甲烷，在一定溫度、壓力條件下，轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的水合物，儲存于鋼制儲罐中。

壓力越高，溫度越低，甲烷越易形成水合物。當(dāng)甲烷內(nèi)混有少量重?zé)N時，形成水合物的壓力將顯著下降。例如，2℃時，甲烷形成水合物的壓力為3.04MPa，而摻有1%異丁烷后，壓力將降為1.32MPa。

甲烷形成水合物后，體積只有原來的1/160。每1kg的水合物（CH₄·6H₂O）中，含甲烷0.128kg，水0.872kg。即使考慮到水合物不能夠完全充滿儲罐，也可認為甲烷水合物的所占體積僅為氣態(tài)的百分之一，通常天然氣水合物在-40～-45℃，稍高于大氣壓下儲存于罐內(nèi)。

綜上所述，天然氣固態(tài)儲存的優(yōu)點是非常明顯的，設(shè)備也不復(fù)雜，但由于再氣化和脫水等工藝上的原因，使這種方法目前還處于研究階段，尚未實際應(yīng)用。

三、長輸管道末段儲氣

利用長輸管道末段起點、終點的壓力變化，從而改變管道中的存氣量，達到儲氣的目的。用氣低峰時，多余氣體存入管道中，起點、終點壓力提高。用氣高峰時，不足的氣體由管道中積存的氣體彌補，起點、終點壓力降低。