天然气储气方式

天然气储气方式浅析
天然气储气方式
一、天然气的气态储存
天然气的气态储存方式分为高压储气柜储存、地下储气库储存、高压管道储存、管束储存和吸附储存等。

l 、高压储气柜储存
天然气高压储气柜又称定容储气柜，即其几何容积固定不变，依靠改变柜内的压力储存燃气。

优质钢材的出现和焊接技术的提高为建设高压储气柜开拓了广阔的前景。

高压储气柜按其形状分为圆筒形和球形两种。

(1) 圆筒形储气柜圆筒形储气柜是两端为碟形、半球形或椭圆形封头的圆筒形容
器，按安装方法的不同，可分为立式和卧式两种。

(2) 球形储气柜球形储气柜一般是在工厂压制成形的球片．试组装后运到现场拼
装、焊接而成，焊缝需退火处理。

2、地下储气库储存
天然气的地下储存通常利用枯竭的油气田、含水多孔地层或盐矿层建造储气库。

(1) 利用枯竭油气田储气为了利用地层储气，必须准确地掌握地层参数，其中包括孔隙度、渗透率、有无水浸现象、构造形状和大小、油气岩层厚度、有关井身和井结构的准确数据及地层和邻近地层隔绝的可靠性等。

以前开采过而现在枯竭的油气层，其参数无疑是已知的，因此已枯竭的油气田是最好和最可靠的地下储气库。

(2)在含水多孔地层中建造地下储气库图I示出了这种储气库的原理，天然
气储库由含水砂层及一个不透气的背斜覆盖层组成，其性能和储气能力依据不同地质条件而有很大差别。

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ffl 1 多孔地层中地下储库的原理
(3)利用盐矿层建造储气库利用盐矿层建造储气库储存天然气始于 1 961年，目前全世界已
建成盐穴储气库近50座，主要分布在美国和欧洲地区。

利用盐矿层建造储气库首先进行排盐，排盐设备流程如图2所示。

将井钻到盐层后，把各种管道安装至井下。

由工作泵将淡水通过内管压到岩盐层. 饱和盐水从内管和溶解套管之间的管腔排出。

当通过几个测点测出的盐水饱和度达到一定值时，排除盐水的工作即可停止。

为了防止储气库顶部被盐水冲溶，要加入一种遮盖液，该液不溶于盐水，而浮于盐水表面。

在不断地扩大遮盖液量和改变溶解套管长度的同时，储气库的高度和直径也不断地扩大，直至达到要求为止。

当储气库建成后第一次注气时，要把内管再次插到储气库底部，从顶部打入燃气，将残留的盐水置换出库。

当长距离输气管道的压力大于储气库的压力时.则必须先使天然气通过预热 器再进入储气库，这样就能防止在压力突然降低时结冻。

如果储气库的压力和管 道压力相等，则必须使天然气经压缩机加压，使其达到需要的压力送入储库，而 储库则靠自身的压力将天然气输出。

输出的天然气在进入调压器前也需经过预热 器。

此外，至少在储气库运行的第一年中.还需要将含有盐水的天然气进行干燥 处理。

盐矿层储气库的工作流程如图3所示。

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图3 盐矿层餡气库工作流程
3、高压管道储存 在高压供气系统中， 将低谷负荷时多余的燃气储存在高压供气管道内， 高峰 负荷11-
处然代出口
时自高压管道内输出，将输气和储存结合在一起，是一种比较理想的储气方法。

但是，它有局限性，只有具备高压输配供气的条件下才能实现。

4、管束储存
管束储存是高压储气的一种形式，是用直径较小（目前一般为1.0〜1.5 m）、长度较长（几十米或几百米）的若干根乃至几十根钢管按一定的间距排列起来，压入燃气进行储存。

管束储存的最大特点是由于管径较小，其储存压力可以比圆筒形和球形高压储气柜的压力更高。

5、吸附储存
天然气的吸附储存（ANG）是在储罐中借助装入固体吸附剂。

以达到在一定的储存压力（3〜4MPa下使吸附天然气达到与压缩天然气相接近的存储容量。

在20 世纪50年代，Spangler 获得了在液化温度附近运用吸附剂存储甲烷的专利，这是有关ANG勺最早想法。

1971年8月，Munso和Robert的一篇题为“用沸石存储天然气”的报告由美国政府机构出版. 该报告提出，用高比表面积材料吸附天然气是车用天然气存储的一个潜在的方法。

1985年Engel和Turko获得了车用ANG?储系统及充气装置设计方面的3个美国专利，这种新的储气方式的研究引起了广泛关注。

决定ANG方法工业应用的关键是开发一种专用高效吸附剂。

近年来，国内外许多学者已对各种不同固体吸附材料（如沸石、分子筛、硅胶、炭黑、活性炭等）进行过吸附性能的研究和评价。

试验证明，吸附存储天然气的有效吸附剂是具有高微孔体积的活性炭。

二、天然气的液态储存（LNG）
天然气的液态储存目前一般采用低温常压储存的方法，即将天然气冷冻到其沸点温度（一162C）以下.在其饱和蒸汽压接近于常压的情况下进行储存。

其储存方式主要有冻土地穴储存、地上金属储罐储存、预应力钢筋混凝土储罐储存等几种。

1 、冻土地穴储存
将液态天然气储存于周围都是冰冻土壤的地穴中（见图4）。

冻土地穴的建造
方法是先插入一定数量的冷冻管，冻结土壤，然后挖去内部的沙土，深度达到不渗透的地层，形成地穴储罐，该罐的顶部结构为金属材料制造，并附有绝热层。

整个地穴储罐只有顶部结构有可能损坏或受火灾影响，从安全考虑，这种冻土地
穴储罐是很有吸引力的。

图4冻地穴储存示意图
2、地上金属储罐储存
地上金属储罐使用最广泛的是双壁金属储罐。

内壁用耐低温的不锈钢（9 %镍
钢或铝合金钢）制成，外壁由一般碳钢制成，以保护充填在内、外壁之问的绝热材料（见图5）。

图5 地上取层壁金属储罐
这类储罐的底部绝热材料必须具有足够的强度和稳定性，以承受内壁和液化 天然气的自重，一般采用绝热混凝土。

内、外壁之间的绝热材料一般用珍珠岩、 玻璃棉等，或充装微压的惰性气体（如干氮气等）。

3、预应力钢筋混凝土储罐储存
这种储罐的顶部、侧壁和底部均用混凝土制成，施加预应力的目的是防止产 生裂缝。

这种储罐可建于地上或埋于地下。

其绝热力法有混凝土外部绝热和内部 绝热两种。

三、天然气的固态储存（水合物储存）
天然气水合物又称固态甲烷，由天然气与水组成，呈固态，外貌板像冰雪或 固体酒精，点火即可燃烧•因此被称为“可燃冰”、“气冰”、“固体瓦斯”。

天然气水合物的储存方法是，将天然气在一定压力和温度下转变成固体结晶 水合物.并储存于钢制的储罐中。

甲烷能否形成水合物同其储存温度及压力有关， 压力越高，温度越低，越易形成水合物。

天然气储气方式现状和展望
、液化天然气储气技术
孜邮结构 n r n n
不锈制内酸
/箔热混凝丄 /胶鋼桶
/矚钢外壁
吊杆
培热层
虽然液化天然气在储存、运输与使用等方面都有显著的优势，但是，目前液化天然气仅占全球天然气消费量的6％。

要提高液化天然气在天然气消费中的比重，就必须解决液化天然气发展中存在的难题，即由于组分差异和温度差异造成的液化天然气分层而产生的涡旋，涡旋会引起液化天然气内部能量势的改变，从而导致液化天然气储存失稳，是重大安全隐患。

我国的液化天然气开发已取得了长足的进步，特别是以顾安忠教授为代表的上海交通大学的研究人员，在低温流体力学、制冷理论与技术、天然气液化设备与工艺等方面取得了丰硕的成果。

在今后一段时期，运用热力学、传热学和流体力学来研究天然气储存的稳定性仍将是液化天然气应用基础研究的重要方面。

除此以外，以下几方面也将成为液化天然气研究的热点。

(1)天然气和制冷剂的热物性及迁移特性研究。

(2)天然气液化流程和设备模拟研究。

(3)天然气液化流程的系统模拟和优化研究。

(4)小型天然气液化装置的开发与优化。

(5)液化天然气冷量利用技术。

(6)提高液化天然气设备效率技术。

2、地下储气库技术
中国科学研究院渗流所赵志成n x对盐岩储气库水溶建腔过程中的流体输运和溶腔形态变化规律进行了研究，建立了流体输运和溶腔数学模型，并给出了相应的差分求解方法，应用物理模拟的实例对数学模型和数值模拟模型进行了验证，提出了“自顶向下”的水溶建腔优化设计方法。

总之，国内外关于地下储气库的研究正朝着数值化、自动化的方向发展，研究覆盖了地质、钻井、开发、储运、化工、环保、测控仪表等诸多学科领域，已经取得了显著成果。

由于天然气需求量的时变性，以及地下储气库建设的复杂性，所以地下储气库的研究还有许多问题需要解决。

根据目前的研究状况，可以预见，在今后一段时期内，以下几个方面将成为地下储气库研究的重点。

(1)地下储气库地层伤害潜在因素评价与分析。

储层保护技术在油气田开发中已经得到广泛的应用，但是，专门针对地下储气库地层的伤害与保护研究还相当缺乏。

根据地下储气库工作压力高、注采频繁、多相流动的特点，应重点对地层应力敏感性(应力敏
感性、速度敏感性) 、相圈闭损害分析和地层微粒运移规律进行研究，为地下储气库的地层保护提供理论依据。

(2)水平井建井技术的推广。

定向井技术已经广泛应用于油气勘探开发的钻井中。

特别是水平井，不仅能够解决特殊地质构造条件下的建井问题，而且能显著提高流体渗流面积，增加储气库的储存效率。

(3)地层多相渗流与岩石力学的研究。

国外对天然气地下储存时的地层多相渗流进行专门研究，然而国内在这方面只有少量的研究。

天然气在储存过程中的多相渗流行为与开采过程中渗流行为存在差异，对天然气储存能力有直接影响。

地层岩石的应力分布和力学稳定性对储气库的储存能力也有显著影响。

有必要对地下多相渗流与岩石力学行为做深入研究，为准确确定天然气储存能力提供依据。

(4)监测系统的优化配置。

地下储气库的检测包括地下腔室形态检测、密闭行检测、运行压力检测以及环保和安全检测。

这些检测技术应该能够实时准确地实现信息传输与应急处理。

网络化、数字化和自动化是地下储气库检测系统未来发展的方向。

3、吸附天然气储存技术为了使吸附天然气能够真正走向市场，下列问题值得关注。

(1)考虑含杂质的实际天然气(CQ。

、HO和硫化物以及高碳碳氢化合物)对吸附剂吸附性能的影响。

(2)在充放气过程中存在吸附热效应的影响，以及在低压条件下，天然气的有效释放和利用效率。

(3)天然气吸附储存相关设备，特别是吸附天然气汽车的研究与开发。

4、近临界流体储存技术
利用近临界流体储存天然气，是近年来兴起的一项新的天然气储存技术。

该技术的基本原理是，利用近临界流体特有的高溶解力、低粘度、易扩散的性质，实现对天然气和临界流体之间的有效传质，进而将天然气溶解其中。

目前对天然气的临界流体储存主要集中在两个方面，一是寻找高吸附能力的溶剂；二是探索降低吸附压力和温度条件限制的途径。

俄克拉荷马大学天然气利用技术研究所开发的一种被称为“超级气体”燃料，采用近临界流体储存技术，将天然气与丙烷和丁烷混合，在室温条件下形成压力为13. 79 MPa表压)的液体燃料，该燃料具有等量汽油70％的能量。

由北京理工大学王利生等人提出的以凝析油戊烷为溶剂储存天然气技术，其储存条件为室温，压力约为15 MPa，50 L 容器中所释放的可燃性气体量约为21 kg。

虽然近临界流体储存天然气原理简单，操作方便，但是仍然未能实现工业化，在技术方面，关键问题在于如何找到和优化储气压力、温度，选择何种溶剂以及溶剂的用量。

其中，对临界参数的测量是否准确尤其重要，要使这项技术得到推广，必须对近临界流体的特征和相变参数进行准确的描述。

二、建议
(1)液化天然气储存技术的关键问题是由“涡旋”现象导致的非稳定性。

运用热力学、传热学和流体力学来研究天然气储存的稳定性仍将是液化天然气研究的重要内容。

(2)应加强对地下储气库地层伤害评价与保护、水平井建井技术、地层多相渗流和岩石力学性质的研究。

(3)开展天然气水合物工业化生产工艺流程优化设计的研究与推广。

(4)高性能吸附剂的开发和吸脱附过程热效应分析，是天然气吸附存储必须解决的两项技术难题。

(5)天然气近临界流体储存要实现工业化，必须解决储气压力、温度和储气溶剂优选等问题。