地下储气井储配站的设计与探讨

深圳市市政工程咨询中心 肖平华

地下储气井自国家标准《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB 50156)实施以来，广泛地应用于CNG加气站、天然气调峰、工业储气中，全国现有在用储气井4 000口以上，CNG地下储气井储气具有占地面积小、运行费用低、操作维护简便等优点。地下储气井大规模地应用到天然气储配站的实例并不多，随着储气装置与技术的不断发展，储配站中主要形成了储气瓶、储气罐(柜)和储气井三种储气装置，井式储气装置是大规模储存天然气替代地上储罐的首选方式，从社会价值、经济效益和消防安全角度综合分析为最佳储气方式，具有广泛的推广价值。随着社会经济的发展，城市用地越来越紧张，解决能源问题已迫在眉睫，常规的天然气储配站势必被地下储气井式储配站所替代。

1 地下储气井储配站的设备选择

储配站的功能应满足输配系统输气调度和调峰的要求。用于天然气调峰主要是解决气源的均匀供气和用户用气不均衡的问题，当用户处于用气低谷时，将天然气压缩到储配站内储存；当用气高峰或上游出现故障时，储存的天然气经减压后进入市政管网，确保用户用气安全、稳定。地下储气井储配站内的主要设备有：脱硫装置、天然气压缩机组、天然气干燥装置、地下储气井、高中压调压装置及其他安全附属设备等。其工艺流程一般为：中压市政燃气管网→脱硫、脱水装置→天然气压缩机组→地下储气井储存→高中压调压装置→中压市政燃气管网。

1.1 脱硫装置

CNG储配站中对压缩天然气H2S含量要求不大于15 mg/m3，而城镇燃气规定使用的天然气质量标准为《天然气》(GB 17820)中规定的Ⅱ类标准，其规定的H2S含量要求不大于20 mg/m3。因而，在使用高含硫天然气时，应设置脱硫装置，如四川东部、南部、重庆地区等地。而北京、四川西北部天然气的含硫量低，已达到压缩天然气的气质指标要求，就可不设脱硫装置。常规的天然气储配站不配置脱硫装置。

针对天然气的精脱硫，目前均采用技术成熟、成本低廉的干法脱硫(氧化铁)。脱硫装置本身结构简单，脱硫塔应为双塔，一用一备，可露天布置。

1.2 天然气压缩机

天然气压缩机是CNG储配站的心脏。采用的主要设备按产地分为国产和进口两大类，两者在技术水平、外观、使用寿命、价格等方面有较大的差别。常用压缩机按结构型式分为L型、V型、W型、Z型、对称平衡型(D型)。D型压缩机以较高的转速运行，缩小了机器的体积，提高了单机排量。因此，在CNG储配站中，通常采用D型橇装压缩机。橇装压缩机包括压缩机、防爆电机、冷却器装置、降噪装置、气体回收、分离/过滤装置以及联锁报警停机装置等的整体橇装压缩气体设备。压缩机的台数按天然气调峰量计算，不宜太多，每1～5台压缩机另设1台备用。

在进行压缩机选型时，应注意压缩机进口的压力波动范围，不能太宽，否则，压缩机达不到额定出力。CNG储配站中通常采用进口橇装式压缩机，其设计、制造应符合API618或API11P标准的相关要求，同时应符合国家的有关标准、规程、规范等。由于单台压缩机组的电功率较大，一般都采用高压电机，压缩机组前必须设有紧急停车按钮。

橇装式压缩机组可根据当地的实际情况采用露天布置或设置在敞开的厂房内。

1.3 天然气干燥装置

国家标准《车用压缩天然气》(GB 18047)规定：在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，水露点不应高于-13 ℃，当最低气温低于-8 ℃，应比最低气温低5 ℃。因此，天然气在进入地下储气井之前须进行深度脱水。这是由于天然气中含有一定量的水分，在高压状态下，会析出水份，如果与硫化氢结合，则会对钢质容器造成腐蚀以及产生硫化氢致脆裂纹现象，这是一种氢脆反应，对容器的安全危害很大，同时水与氧、二氧化碳结合，也会产生腐蚀作用。脱水方式按照工艺流程中干燥器布置在压缩机组前和压缩机组后可分为压缩机前脱水(低压脱水)和压缩机后脱水(高压脱水)。

在CNG储配站中通常采用低压脱水，出口水露点≤-60 ℃。采用4A分子筛干燥剂、双塔闭环式再生加热冷却循环，无再生气体泄放，具有自动露点分析和报警等功能的全自动干燥装置；电气系统的设计及制造满足NFPA70规范，防爆等级不低于NFPA D+C组Ⅰ级Ⅱ类标准。

天然气干燥装置通常设置在压缩机房内。

1.4 地下储气井

地下储气井的设计、建造、验收及检验应符合《高压气地下储气井》(SY/T 6535—2002)的要求，同时应满足国家质检总局(质检办特[2008]637号)文的要求。

地下储气井主要技术指标为：套管外径：177.8～273.10 mm；单井容积：1～10 m3；井深：100～250 m；额定压力：25 MPa；储存介质：符合国标《车用压缩天然气》(GB 18047—2000)规定的天然气。

CNG储配站中，高压气地下储气井的储气规模一般选用管径为273.1 mm，内径为252.7 mm的套管，套管钢级应为TP80CQJ，材料的实际屈服强度宜选552～758 MPa，抗拉强度宜选689～862 MPa，疲劳循环次数应不少于2.5万次。井深按200 m计，则每口井的几何容积约10 m3，储气量约2 700 m3。每口井深可根据当地地质情况适当调整，但保证井的总几何容积不变，这样既方便了施工，也节省了投资。

1.5 高中压调压装置

高中压调压装置的选择，应根据储配站的高峰小时流量，进、出口压力等确定，由于进出口压力差很大，一般采用四级调压。对调压器的要求为通过能力大，调压精度高，带超压切断的间接式调压器，调压器的噪音要求小于75 dB，常采用整体橇装式调压装置。橇装式调压装置可充分利用三维空间，使调压设备布置紧凑，减少了占地面积，当调压负荷相同时，橇装式调压装置的占地面积约为现场安装式调压装置的40%～60%。天然气经节流降压后会产生温降冷却即节流效应，因此，调压装置应根据天然气的流量、压力降等工艺条件，确定设置加热装置。其主要目的一是防止在天然气调压后产生凝析水或可能产生的水化物，在天然气输送过程中对设备造成损伤并阻碍管道的正常运行；二是避免管道外壁大量结冰。一般采用高温热水伴热，设置伴热锅炉房。

高中压调压装置主要功能为：对天然气过滤功能；对天然气的加热、调压功能；超压切断及放散功能；燃气泄漏报警功能；压力、温度、泄漏量、切断阀位置开关信号及调压器阀位实时数据的远传功能等。

高中压装置可根据当地的实际情况采用露天布置或设置在敞开的厂房内。

2 储配站的总平面布置

CNG储配站选址原则：符合城镇总体规划和土地利用规划的要求；与周围建筑物的防火间距符合《建筑设计防火规范》(GB 50016—2006)及《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)的有关规定；应具备适宜的地形、工程地质条件，不应设置在受洪水、内涝威胁的地带；交通方便，供水、供电、供热、通信条件好；尽量少占农田，节约用地并注意与城市景观相协调。

CNG储配站通常由调压计量间、天然气压缩机房、伴热锅炉房、变配电室、空气压缩机房、消防水泵房、控制室、门卫室、办公楼及地下储气井群、集中放散管等组成。

CNG储配站总平面应分区布置，即分为生产区和辅助区。生产区主要有调压计量间、天然气压缩机房、伴热锅炉房、变配电室、空气压缩机房、地下储气井群、集中放散管等。压缩天然气储配站宜设2个对外出入口，出入口设置应符合便于通行和紧急事故时人员疏散的要求。

地下储气井群、集中放散管应设置在站内全年最小频率风向的上风侧，其他设施及建构筑物应按工艺流程合理布置，尽可能使工艺管道短、通畅，流动阻力小等，其间距应满足现行国家《建筑设计防火规范》、《城镇燃气设计规范》等的要求。

地下储气井应分组布置，每口井的纵、横向间距可为2 m，井身倾斜度不得大于0.20；组与组间的间距为5 m左右。一般分为3～4组布置，每组可根据运行的需要可分成更多的小组。储气井分组布置主要是考虑工程施工及正常运行管理的需要等。

3 需注意的问题

地下储气井储存的天然气应符合《车用压缩天然气》(GB 18047)的要求。场站进、出总管须设置紧急切断阀和绝缘法兰。

地下储气井应分组布置，每组应分别设置安全阀、压力表及超压报警器及紧急放散管等。

地下储气井与站内建、构筑物的间距目前仅能参考《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB 50156)中的规定执行。

放散管设置的高度问题，在《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB 50156)与《城镇燃气设计规范》(GB 50028)中的要求不一致，建议按二者中要求最严格的条款执行。

天然气压缩机组、高中压调压装置、气动阀门、仪表等均需压缩气体来控制，由于用气量较大，建议应设置空气压缩机站来生产干燥的压缩空气，以满足用气量的需要，不宜采用氮气，这样可节省大量的运行费用。

4 应用实例

天津经济技术开发区天然气储配站位于天津经济技术开发区，占地面积为40 670.35 m2，绿地率为28.8%，储气规模为20万m3，预留20万m3的规模，它除具有储气调峰功能外，还具有装卸压缩天然气功能(装卸规模为2 500 m3/h)和天然气汽车加气功能。主要由调压计量装置、脱硫脱水装置、天然气压缩机、地下储气井群、减压计量装置及加气机(柱)组成。

其主要设备性能参数如下：72口容积为9.3 m3的地下储气井；四台D型进气压力为0.3～0.4 MPa，额定排量为：2 600 m3/h，排气压力为25 MPa；三台全自动加热脱水双塔干燥器，进气压力0.3 MPa，流量为4 245 m3/h，四级调压的高中压橇装式调压装置：流量为24 000 m3/h，进口压力工作为25 MPa，出气压力为0.12 MPa。

该储配站于 2006年竣工投产，经过近三年来的实际运行，各项指标均达到设计要求。该储配站运行可靠、稳定、安全。