地下儲氣井在城鎮天然氣儲配站中的應用

摘 要

摘要：介紹了地下儲氣井的結構及其特點，并與常規等儲量的天然氣高壓球罐在投資、安裝條件及效益等方面進行了比較；地下儲氣井式的儲配站占地面積小、使用期限長、消防系統簡單、
摘要：介紹了地下儲氣井的結構及其特點，并與常規等儲量的天然氣高壓球罐在投資、安裝條件及效益等方面進行了比較；地下儲氣井式的儲配站占地面積小、使用期限長、消防系統簡單、安全性能好，具有廣泛地推廣價值。
關鍵詞：地下儲氣井；天然氣；儲配站；應用
1 引言
    地下儲氣井自國家標準《汽車加油加氣站設計與施工規范》GB50156實施以來，廣泛地應用于CNG加氣站、天然氣調峰、工業儲氣中，全國現有在用儲氣井4000口以上，CNG地下儲氣井儲氣具有占地面積小，運行費用低。操作維護簡便等優點[1]。隨著儲氣裝置與技術的不斷發展，儲配站中主要形成了儲氣瓶、儲氣罐(柜)和儲氣井3種儲氣裝置，井式儲氣裝置是大規模儲存天然氣替代地上儲罐的儲氣方式，從社會價值、經濟效益和消防安全角度綜合分析均有一定優勢，具有廣泛的推廣價值[2]。
    隨著國家質檢總局頌發了“關于加強地下儲氣井安全監察工作的通知(質檢辦特)(2008)637號 管理、監督檢查均有明確的規定，確保了地下儲氣井的安全運行。
2 地下儲氣井的結構及其特點
2.1 地下儲氣井的結構
地下儲氣井由井口裝置、井底封頭與井筒組成，如圖1所示。
 

    井口裝置材料的實際抗拉強度不應大于880MPa。實際屈服強度比不超過0.90；疲勞循環次數應不少于2.5×104次；與井筒的連接上扣扭矩應符合SY/T5412的規定；與井筒連接處應密封，必須無滲漏。
    井底封頭材料的實際抗拉強度不應大于880MPa，實際屈服強度比不超過0.90；疲勞循環次數應不少于2.5×104次；與井筒的連接上扣扭矩應符合SY/T5412的規定；井底封頭與井筒連接處應密封，必須無滲漏。
    井筒應符合API Spec 5CT的要求，套管鋼級應為TP80CQJ，材料的實際屈服強度宜選552MPa～758MPa，實際抗拉強度宜選689MPa～862MPa，疲勞循環次數應不少于2.5×104次。
2.2 地下儲氣井的特點
    地下儲氣井主要技術指標為：套管外徑：177.8mm～273.10mm；單井容積：1m3～10m3；井深：100m～250m；額定壓力：25MPa；儲存介質：符合國標《車用壓縮天然氣》(GBl8047—2000)規定的天然氣翻。
    地下儲氣井結構簡單又深埋于地層深處，若產生泄漏和爆炸，由于其儲氣單元(井)被分散埋于地下，則較小的爆炸沖擊能量迅速被地層所吸收，儲存介質通過地層迅速予以釋放，地面在沖擊波作用下僅會有輕微振動，從根源上解決了事故發生后帶來的隱患，是規模儲存技術的重大創新。
    天然氣儲配站的地上儲罐，根據國家現行規范《城鎮燃氣設計規范》GB50028—2006的要求，地上儲罐應設置固定式消防冷卻水系統(水噴淋或水噴霧等型式)或固定式水炮和移動式消防冷卻水系統，以保證事故狀態下對著火罐和鄰近罐進行冷卻保護，消防冷卻用水量大。地下儲氣井深埋地下，具有“冬暖夏涼”的常溫特性，井與井之間互為獨立儲氣，儲氣單元多而單口井儲氣量相對小，而且可以相互倒罐，即使發生泄漏或爆裂，也不會對地面和相鄰儲氣單元(井)造成威脅，井口安全閥組可及時切斷事故井與其它井的連接管線，截斷氣源，事故井口易封堵，處置措施簡便，可有效防止事態的擴大。
    采用傳統的儲氣罐方式的儲配站，由于其儲罐均為地上式，體積龐大，占地面積大，會給周邊企業或居民造成心理上的巨大壓力；而采用地下儲氣井方式儲氣的儲配站，每口井占地面積≤1m2。不僅占地面積小，而且站區可以建成“園林式”廠區，極大地改善了周邊的環境。
    從運行情況分析，由于地上儲氣罐焊接點多，受大氣溫度、環境、腐蝕性介質等因素的影響較大，每年的維護檢測費很高。使用壽命短。而地下儲氣井是根據國際API標準錐形螺紋連接，全井無一焊點，深埋地層中，井管外壁與地層之間環空通過專利固井技術，全部采用水泥漿固井，使容器與地層形成一個整體，有效提高了儲氣裝置的強度與鋼性，同時這道“混凝土墻”使井管外壁與地層中的腐蝕性介質完全隔開，有效保護井管不受腐蝕，地面僅露出進、排氣口及排污裝置，每年的維護檢測費用幾乎為零。使用期限可達25年。
3 地下儲氣井在城鎮天然氣儲配中的應用
3.1 地下儲氣井在城鎮加氣站中的應用
    地下儲氣井已被廣泛地應用于城鎮加氣站中[4]，加氣站一般設置在城區，全國已有逾300座CNG加氣站應用此方式建造。例如：重慶市天城加氣站位于重慶市萬州區，加氣站等級為三級，最大儲氣容積為16m3，按高、中、低壓分組，每個儲氣井水容積為2.5m3，共設6口井(高壓組1口，中壓組2口，低壓組3口)，實際儲氣容積15m3，總儲氣量3750m3，井口高出地面300mm，井深為100m，其技術參數如下：公稱容積：2.5m3，設計壓力：32MPa，工作壓力：25MPa，設計井深100m。中國石油重慶銷售公司黃花園加油加氣站工程，該站設計供氣規模為日供壓縮天然氣1.5萬m3的二級加氣站，站內設有6口水容積為1m3的天然氣地下儲氣井(高壓組1口，中壓組2口，低壓組3口)。實際儲氣容積6m3，總儲氣量1500m3，井口高出地面300mm，井深為100m，其技術參數：公稱容積：1.0m3，設計壓力：32MPa，工作壓力：25MPa，設計井深100m。
3.2 地下儲氣井在城鎮天然氣儲配中的應用
    天津經濟技術開發區天然氣儲配站位于天津經濟技術開發區，采用地下儲氣井儲氣技術，占地面積為40670.35m2，儲氣規模為20萬m3，預留20萬m3的規模，它除具有儲氣調峰功能外，還具有裝卸壓縮天然氣功能(裝卸規模為2500m3/h)和天然氣汽車加氣功能。于2006年底建成投產。主要由調壓計量裝置、脫硫脫水裝置、天然氣壓縮機、地下儲氣井群、減壓計量裝置及加氣機(柱)組成。
    其工藝流程如下：市政天然氣→脫硫脫水→壓縮機壓縮→優先順序控制盤→地下儲氣井儲存→減壓調壓裝置→市政管網
    儲配站內設有72口水容積為9.3m3的地下儲氣井，儲氣井外徑為ф244.5×11.99，深度約為250m，其材質符合國際API標準的高抗硫鋼管，套管鋼級為TP80CQJ。其技術指標符合《高壓氣地下儲氣井》(SY/T6535—2002)的有關規定。
    地下儲氣井分4組布置，每組18口。儲氣井的橫向間距為2m，縱向間距為3m。地下儲氣井組間距為5m，與站內、外其它建、構筑物的間距符合現行國家規范要求。
    從天津經濟技術開發區天然氣儲配站的實際運行情況來看，該儲配站運行可靠、穩定、安全。
4 技術經濟比較
    以天然氣調峰量為25萬m3的天然氣儲配站來進行投資、安裝條件及效率比較，地下儲氣井式儲配站設有90口9.3m3的地下儲氣井，工作壓力為25MPa；常規儲氣罐式儲配站設有6臺3500m3高壓球罐，設計壓力為1.5MPa，最高工作壓力為1.4MPa。
4.1 投資比較見表1
表1
地下儲氣井
高壓球罐
90口儲氣井
3875萬元
6臺3500m3球罐
3336萬元
直接占地
1190m2
直接占地
1692m2
地下儲氣井區用地
2900m2
儲罐區用地
25646m2
4.2 儲氣井與高壓球罐結構及安裝條件的比較見表2
表2
地下儲氣井
高壓球罐
地面只露出井口以連接進、出氣口以及排污口，節約了占地面積
地上露天水平安裝，占地面積大
無需預制基礎
地面需先預制基礎，現場焊接制作
僅配置一般消防設施
配置全套消防系統
4.3 效益比較見表3
表3
地下儲氣井
高壓球罐
使用年限25年以上
使用年限8年～15年
運營費用幾乎為零
運營費用每年8萬元～15萬元
隱患少，事故損失小
事故損失大，爆炸沖擊波強度大
運行穩定，不受外力環境影響，基本免維護
運行穩定，維護搶修難度大
    儲配站內高壓球罐全套消防系統按300萬元計，則采用地下儲氣井的投資比采用高壓球罐的投資約高出7%左右，再考慮高壓球罐每年的運營費用，則總費用相差無幾。
    在同等規模的天然氣儲配站中，采用地下儲氣井方式的儲配站的占地面積與高壓球罐相比，占地面積縮小近十倍。在城鎮建設用地和土地資源十分緊缺的情況下，選擇地下儲氣井式儲氣技術具有更大的現實意義。
    采用地下儲氣井式的儲配站儲氣壓力高、占地面積小、使用期限長、消防系統簡單、安全性能好。其缺點是工藝較復雜，對操作人員的素質要求高。但從社會價值、經濟效益和消防安全角度綜合分析，具有廣泛推廣價值，是規模儲存技術的重大創新。
參考文獻
1 劉清友，何霞，孟少輝.CNG地下儲氣井安全性分析[J].天然氣工業，2005，25(1)：138-140.
2 申立新.井式儲氣技術在天然氣規模儲配中的安全評價及應用[J].消防科學與技術，2004，23(2)：170-172.
3 SY/T6535—2002，高壓氣地下儲氣井[S].
4 羅東曉.地下儲氣井在天然氣加氣站的應用[J].煤氣與熱力，2007，27(7)：24-26
 
(本文作者：肖平華 深圳市市政工程咨詢中心 518035)