浅议天然气储气工艺毕业论文.doc
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1、目 录一、绪论11.1引言11.2天然气的储存方式及其优缺点11.3天然气储存方式的应用2二、天然气气态储存22.1气态储存简介22.2气态储存方式22.2.1地上储气罐储气322.2.1.1低压储气罐22.2.1.2高压储气罐22.2.2高压管束32.2.3高压输配管网储气32.2.4地下储气库储气42.2.4.1地下储气库简介42.2.4.2地下储气库类型52.2.4.3地下储气库地面工程82.2.4.4地下储气库地面系统的特点2132.2.5天然气吸附储存(ANG)132.2.5.1ANG储存技术的基本原理与特点7132.2.5.2ANG技术关键问题142.2.5.3吸附剂的研究7142
2、.2.5.4天然气吸附储存的影响因素172.2.5.5ANG前景展望192.2.6压缩天然气储存4192.2.7长输管道末段储气192.2.8近临界流体储存天然气20三、天然气的液态储存203.1液化天然气(LNG)简介12203.1.1LNG特性213.1.2LNG特点213.2LNG潜在的危险性213.3LNG储存方式223.4LNG的工业链243.5LNG在我国发展前景1225四、天然气的固态储存264.1天然气水合物的性质与结构264.1.1水合物的性质264.1.2水合物的结构264.2利用水合物储存天然气274.3水合物储存天然气优点274.4天然气水合物储气调峰274.5NGH的
3、制备、储存与分解工艺17284.5.1NGH的制备284.5.2NGH的储存284.5.3NGH的分解294.6天然气水合物储运技术294.7 NGH的应用前景30五、天然气储气工艺的比较及发展趋势315.1工艺比较315.2发展趋势31参考文献32一、绪论1.1引言天然气是指从地层内开发生产出来的、可燃的烃和非烃混合气体。有气田气和油田伴生气两类,气田气约占世界天然气总量的60%,油田伴生气约占40%。天然气的热值很高,平均达33MJ/m3,不含灰分,容易燃烧完全,不污染环境,价格低廉,运输方便,是理想的工业和民用燃料。由于天然气具有良好的发展前景,我国大力开展利用天然气资源,并把开发利用天
4、然气作为能源发展战略的重点之一。随着西气东输等工程的建设和投入运营,我国对天然气的需求持续增长,未来20年天然气需求增长速度将明显超过煤炭和石油。国家发展和改革委员会提出我国天然气发展策略是:立足国内、利用海外、西气东输、北气南下、海气登陆、就近供应、走国内生产与国外进口相结合的液化天然气(LNG)发展道路。我国天然气储量比较丰富,但其主要分布在西部和中部,而气源的主要消费群却又集中在东部沿海。随着天然气进入越来越多的城市,天然气的消费也逐渐扩大,但在天然气的供应和消费之间始终存在着不平衡。天然气的需用工况是不均匀的,随月、日、时而变化,而一般气源的供应量是均匀的,不可能完全随需用工况而变化。
5、所以,为了缓解城市天然气消费的不均衡性,结合城市的用气规律和上游供气特点,选择合理的储气调峰方式和储气设施是非常必要的。1.2天然气的储存方式及其优缺点天然气的储存方式按其储存状态可分为气态储存、液态储存、固态储存。各种储存状态下又有多种储存方式。表1不同天然气储存方式比较1储气方式天然气状态优点缺点储气罐气态,常温低压或高压建造简单容量小,占地面积大,经济效益低对安全性要求高地下储气库气态,常温高压储气量大,造价和运行费用省要求有合适的地质构造,建设周期长输气管道末端气态,常温中压或高压调节灵活储气量小,调节范围窄输配管网气态,常温中压或高压储气量较大管网计算复杂,压力等级多,调节难度大高压
6、管束气态,常温高压压力较高建设投资大,调节范围窄液化天然气(LNG)液态,低温常压天然气储存量大,负荷调节范围广钢材用量和建设投资较大,能耗高天然气水合物(NGH)固态,低温常压或高压低温储气能力大,设备简单使用时再汽化、脱水工艺复杂吸附储存(ANG)常温,气态低压实现高压下CNG的储气能量密度,造价低,设备性能要求低,操作费用低对吸附剂性能要求高,吸附、脱附过程热效应影响储气量1.3天然气储存方式的应用以上几种储气方式各有优缺点,选择何种方式储气,必须因地制宜综合考虑工艺水平、经济性等多方面的因素,通过多种方案的比选,确定最优储气方案。二、天然气气态储存2.1气态储存简介空间储存气态天然气,
7、技术比较简单,运行费用也较低,但是占用的储存空间较大。2.2气态储存方式气态储存方式可分为以下几种。2.2.1地上储气罐储气3储气罐是地上储气的主要设备,天然气地上储存一般采用金属储气罐,储气罐按压力可分为高压和低压两种。2.2.1.1低压储气罐低压储气罐有湿式和干式两种。低压储气罐的特点是它的储气能力在一定范围内变化,工作压力一般为,多为化工厂、石化厂作工艺气的中间储存。按钟罩升降方式,低压湿式罐又分为在水槽外壁带有导轨立柱的直立罐和钟罩自身外壁上带有螺旋状轨道的螺旋罐。常采用的低压干式罐有阿曼阿恩式干式罐、可隆型干式罐及威金斯干式罐。图9-2 多节直立式湿式气罐1.进气管;2.出气管;3.
8、水槽;4.塔节;5.钟罩;6.导向装置(导轨立柱);7.导轮;8.水封图9-3 螺旋罐示意图1.进气管;2.水槽;3.塔节;4.钟罩;5.导轨;6.平台;7.顶板;8.顶架2.2.1.2高压储气罐2最常见的高压气罐就是球形罐和圆筒形卧式罐。高压气罐的几何体积固定不变,是靠改变其储气压力来储存气体的,故又称定体积罐。高压储气罐的有效储气体积可按以下公式计算: 式中,为气罐的有效储气体积,;为气罐的几何体积,;为气罐的最高工作绝对压力,;为气罐的最低允许绝对压力,;为工程标准压力,。储罐的体积利用系数,可用下式表示: 通常储气罐的最高工作压力已定,欲提高体积利用系数,只有降低储罐的剩余压力,即最低
9、允许压力,而它受到管网压力的限制,其值取决于出口处连接的调压阀的最低允许进口压力。为了降低罐的最低允许压力,提高储罐的利用系数,而又不影响对管网供气,可以在高压储气罐内安装引射器。当储气罐内气体压力接近管网压力时,就开动引射器,利用经过储气罐站的高压气体的能量把气体从压力较低是罐中抽出来,送入供气管网。使用引射器时,必须安装自动开闭和控制装置,否则管理不当会破坏正常工作。图9-5所示为高压储气罐站的调压设备系统流程图。在入口的地方安装了逆止阀,防止干线停气时储气罐内的气体倒流。图9-5 储气罐站调压设备系统流程1.阀门;2.逆止阀;3.安全阀;4.调压阀;5.引射器;6.安全水封;7流量孔板2
10、.2.2高压管束高压管束实质也是一种高压储气罐,不过因其直径较小,所以能承受更高的压力,其储存压力可比大直径圆筒形和球形储气罐的压力要高。高压管束储气是将一组或几组钢管埋于地下,利用气体的可压缩性及其高压下同理想气体的偏差进行储气。天然气在和的条件下比理想气体的体积小左右,使储气量大为增加。管束储气运行压力较高,埋在地下较安全,但储气量不大,占地面积较大,压缩机站和减压装置的建设投资和操作费用高。管束储气主要用作城市配气系统昼夜调峰。英、美等国每个储气管束的容量约为,工作压力为。美国有家公司经营的储气管束总长约,前苏联也有几千的储气管束。我国深圳在天然气利用规划中,计划采用高压管线和城市门站不
11、加管束联合储气的方式进行储气调峰。其中,高压管线规划,门站管束,储气能力达到,可满足城市日调峰用气量的需求。2.2.3高压输配管网储气在高压供气系统中,将低谷负荷时多余的燃气储存在高压供气管道内,当高峰负荷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。但这种方式也有局限性,只有在具备高压输配供气的条件下才能实现。高压输气管道的有效储气量计算如下4: 式中: 城市高压管网储气接近用户,能及时响应用气的波动。同时,城市燃气管网系统的管径及设备均以月最大小时流量为设计计算依据,因此管网输气能力富余量很大,利于解决小时调峰问题。采用高压管网储气的单位储气投资和耗钢量比建地上金属
12、储罐低,而且操作、管理和维护都相对简单。利用城市高压管网调峰有利于接收不同气源的天然气,平衡输气系统工况1。2.2.4地下储气库储气2.2.4.1地下储气库简介建地下储气库是目前世界上最有效、适用范围最广的调峰措施。为了使地下储气库能及时对用气量的变化做出反应,用于调峰的地下储气库通常建在用气负荷中心附近。特别是当供气不足是由于受管道输气能力限制时,地下储气库必须建在输气管线末端附近才能正常发挥作用。地下储气库储存是指在供气淡季将集输管线中多余的天然气注入到地下储存起来,在用气高峰时再将其采出,以补充管线供气的不足,满足用户需求。建设储气库可有效解决供气区与用户之间因年峰谷差、季节峰谷差、维修
13、更新管道、意外事故等造成的供气不平衡问题。地下储气库具有储气容量大、节省地面储罐投资、不受气候影响、维护管理简便、安全可靠、注得进、采得出、存得住及短期高产、高低压往复变化、能长期使用、不影响城镇美化规划、不污染环境等优点。为适应耗气量的增加,目前越来越多的国家正在建造地下储气库。在世界天然气储存设施总容量中,地下储气库的容量在以上。储存的天然气主要用于满足用气的季节波动和日波动对供气的要求,保证用气高峰期的用气量,同时也可以作为供气系统发生事故时的应急储备以及国家的战略储备。图9-6 地下储气库示意图1.从储气层中取气的气井;2.供气管线;3.输气管线;4.压气站;5.注水泵;6.水源;7.
14、向储气层注气的注气井;8.收集泄漏气的气井;9.注水井;10.灰岩;11.砂岩;12.灰岩;13.、14.黏土层;15.多孔砂岩;16.黏土层2.2.4.2地下储气库类型按地质构造划分,地下储气库有以下几种类型。2.2.4.2.1衰竭油气田储气利用开采过的衰竭油气田储气最为理想和经济,具有建库周期短、投资和运行费用低的特点。地质对象是已开发过的油气田,其地层的有关参数:孔隙度、渗透率、构造形状和大小、储气层厚度等都是已知的,而且还有原有油气井、井场设备和管线等可以利用,节省很多投资。其原始储量一般为,年注气抽气循环为12次1。2.2.4.2.2含水多孔地层储气利用含水多孔地层储气是20世纪50
15、年代储气技术的重大发展,它给缺乏枯竭油气田的地区提供了发展地下储气的可能性。目前,世界上建造在大工业城市附近的地下储气库基本上都为含水层储气库。通常选择有足够面积和厚度、其上有良好不渗透覆盖层的砂岩或砂层来储气。地质对象是地下含水构造,通过排出岩石孔隙中的水后储存天然气。它的投资和操作费用较高,建库周期长,风险较大。此类型储气库可以储存几十亿立方米的天然气,年注气抽气循环为1次。法国克拉克气田东北部的吕萨尼地下储气库就是一个含水层储气库。储气层由非均质的陆相未胶结砂层组成,地层厚度为,盖层为不透气的泥灰岩,储气能力为。它的储气原理如图1所示5,天然气储库由含水砂层及一个不透气的背斜覆盖层组成,
16、其性能和储气能力依据不同地质条件而有很大差别。图1 多孔地层中地下储库的原理2.2.4.2.3盐岩层储气盐穴储气具有构造完整、夹层少、厚度大、物性好、结构坚实、非渗透性好,对液态和气态的碳氢化合物都可以完好的储存的特点,是目前重点研究的一类储气库。利用盐岩层建造储气库有两种:一种是利用盐岩层内的天然岩穴储气,但很少;另一种是利用人造盐岩穴,人造盐岩穴是通过岩层注入淡水,将盐岩溶解后,排除盐水而形成。天然气在高压下注入岩穴储气库,当需要时打开井口即可。虽然投资和操作费用高,总的相对容量较小,但具有许多其它类型储气库不可比拟的优点。例如,可以按照调峰或储备的实际需求量进行建造;按不同时期用气需求量
17、的增加,一座盐穴储气库可分为几期扩建;操作机动性强,生产效率高,能快速完成抽气注气循环,一年中注气抽气循环可达4 6次6。为保证西气东输管道沿线和下游长江三角洲地区用户的正常供气,现在长江三角洲地区选择了江苏省金坛市的金坛盐矿和安徽省定远市的定远盐矿建设盐穴地下储气库。这两个盐矿地理位置优越,地质条件得天独厚,盐矿储量规模大,含盐品位高,地面淡水资源丰富,盐矿开采已形成一定规模。设计总的调峰量为,有效储气量为,建成后日注气量为,日采气量为,完全可以满足长江三角洲地区季节调峰的要求,于2008年前建成投入使用,2020年达到建设规模。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5。将
18、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盐岩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溶,要加入一种遮盖液,该液不溶入盐水,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。图2 排盐设备流程1.内管;2.溶解套管;3.遮盖液输送管;4.套管;5.盐层;6.储穴;7.遮盖液垫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
19、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冻结。如果储气库的压力和管道压力相等,则必须使天然气经过压缩机加压,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5。图3 盐矿层储气库的工作流程1.压缩机;2.预热器;3.调压器;4.干燥器;5.储气井2.2.4.2.4岩穴储气除了上面提到的几种地下储气库外,还有利用自然的或人工的其他岩穴作为储气库的。例如6,利用废弃的煤矿坑道作为储气库,但此种储气库也存在严重缺陷:原有井筒难以
20、密封,存在气体向地面泄漏的危险,抽出储存气体的质量会发生变化,热值有所降低。利用有控制的核爆炸技术开辟地下储气库也引起人们的重视,并已开展了研究。2.2.4.3地下储气库地面工程2储气库地面工程作为储气库的一部分,其建设受到方方面面的影响,不仅受长输管道运行压力和管输量的影响,而且受储气库运行压力(最高与最低注采压力)、注采气周期、最大注采量、采出气的温度和组分等诸多因素的影响,每一个因素的变化都将带来建设规模和建设方案的改变。可以说下游天然气市场调峰的需求和建库的地质条件将确定储气库最终规模和建设方案,同时也将影响未来储气库的运行成本。储气库的建设投资最终将转化到气价上,作好地层筛选,优化地
21、下、地上工程建设方案,降低投资,将降低天然气调峰成本,增强天然气的市场竞争力。储气库地面集输系统是储气库组成的重要部分。储气库建成后更多地要靠经济合理的布局、优化的运行参数提高储气库的使用率,降低运营成本。因此根据不同的地下构造,配套建设经济合理的地面集输设施,地上、地下整体优化,降低储气库综合运营成本也是十分必要的。地面工程投资在储气库中占较大比例,因此有必要对地面注气系统进行优化研究,以减少地面工程的投资。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。(1)注采气管网。注采气管网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
22、线等。当储气库注气时,自注采气站增压后的天然气经注采气管网分输至各井口,经计量后注入地下储气库;当储气库采气时,天然气经井口紧急切断阀,经计量后通过集输管网输送至注采站。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、枝状或二者结合的注采气方式。集输系统最常用的布置方式为枝状结构,井连接到管线,管线又连接到更大的管线,井口设有计量仪。在某些情况下,井通过专门的管线直接与注采站相连,这些井的计量仪可以设在靠近或直接设在注采站的每条管线上。注采气系统与一般气田的集输系统相同,只是管线要粗一些,体积大一些,这样才能和储气库的大井眼井相匹配。(2)注采气站及天然气处理流程。注采
23、气站及天然气处理流程主要完成的工艺作业是: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;试井。地下储气库的天然气处理系统应该符合的基本要求是:分离水合液态烃,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。注气流程。地下储气库的注气流程有以下两种基本形式:a.靠注气压缩机增压注气(图4).图4 靠注气压缩机增压注气示意图b.靠采气干线的管压注气(图5)。图5 靠采气干线的管压注气示意图两种流程的差别在于是否设注气压缩机。这需要结合整个注采气系统全面考虑,只有当储气库采气干线连接处
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