摘 要

解决月（季度）的、日的或小时的不均衡，可采用不同的储气方法，如气罐储气、地下储气、液态或固态储气、输气管道末段储气等。各种储气设施的主要作用就是在用气量小于供气量时，将多余气体储存起来，以弥补用气量大于供气量时的不足。气罐储气主要用于解决小时用气不平衡。

 

天然气储存

城市的用气量随时间而变化，每月、每日和每时都不相同，而气源供气一般变化不大，尤其是长距离输气管道，这样供气和用气经常发生不平衡。为了保证按用户要求供气，必须解决供气与用气的不平衡问题。

解决月（季度）的、日的或小时的不均衡，可采用不同的储气方法，如气罐储气、地下储气、液态或固态储气、输气管道末段储气等。

各种储气设施的主要作用就是在用气量小于供气量时，将多余气体储存起来，以弥补用气量大于供气量时的不足。气罐储气主要用于解决小时用气不平衡。

 

第一节　气罐储气

一、低压气罐

低压气罐有湿式和干式两种。低压气罐的特点是储罐几何容积能在一定范围内变化。

图6-1为湿式直立罐，它由水槽、钟罩、塔节、水封、顶架、导轨立柱、导轮、增加压力的加重装置及防止造成真空的装置等组成。气罐的进出气管可以分为单管和双管两种。当供应的气体组分经常发生变化时，可使用双管，即进气、出气各一根管子，有利于气体组分的混合与均匀。单节低压湿式气罐容积一般不超过3000m³，大容量的为多节气罐。

另一种低压湿式罐——螺旋罐如图6-2所示。这种罐没有导轨立柱，罐体靠安装在侧板上的导轨与安装在平台上的导轮相对运动，使其缓慢旋转上升或下降。螺旋罐的主要优点是比直立罐节省金属15%～30%，且外形较为美观，因此在我国得到广泛应用。

干式气罐主要由圆柱形外筒、沿外筒上下运动的活塞、底板及顶板组成。气体储存在活塞以下部分，随活塞上下而增减其容积。干式气罐没有水槽，因而存在不易解决的密封问题，也就是如何防止活塞与外筒之间的漏气。根据密封方法不同，干式气罐的形式很多，图6-3是采用得较多的可降型干式气罐。它采用干式密封。由塑胶和棉织品薄膜制成的密封垫圈安装在活塞的外周，借助于连杆和平衡重物的作用紧密地压在侧板内壁上。这种结构能满足气体密封的要求，但为了使活塞能够灵活平稳地沿侧板滑动，还要定期注入润滑脂。

干式气罐没有水封，大大减少了罐的基础荷载，有利于建造大型气罐，又节约金属。但密封问题复杂，提高了对罐体及活塞等部件施工质量的要求。

二、高压气罐

在高压气罐中燃气的储存原理与前述低压气罐有所不同，即其几何容积固定不变，而是靠改变其中燃气的压力来改变其储气量的，因此称定容储罐。由于定容储罐没有活动部分，因此结构比较简单。

高压气罐可以储存气态燃气，也可以储存液态燃气。根据储存的介质不同，储罐设有不同的附件，但所有的燃气储罐均设有进出口管、安全阀、压力表、人孔、梯子和平台等。

当天然气以较高的压力送入城市时，使用低压气罐显然是不合适的，这时一般采用高压气罐。当气源以低压天然气供应城市时，是否要用高压气罐则应进行技术经济比较后确定。

高压气罐按其形状可分为圆筒形罐和球形罐两种。

1．构造

1）圆筒形罐

圆筒形罐如图6-4所示，是由钢板制成的圆筒体和两端封头构成的容器。封头可为半球形或椭圆形。圆筒形罐根据安装的方式可以分为立式和卧式两种，前者占地面积小，但基础要承受圆筒体在风力下形成的风弯矩，基础尺寸较大，后者占地面积大，但基础较为简单。卧式储罐罐体都设有两个钢制鞍式支座，支座中的一个与基础之间要能滑动，以防止罐体热胀冷缩时产生温度应力。

2）球形罐

球形罐通常是由用钢板分瓣压制的球片拼焊组装而成。罐的瓣片分布类似地球，一般分为极板、南北极带、南北温带、赤道带等。罐的瓣片也有类似足球外形的。这两种球形罐如图6-5所示。

球形罐的支座一般采用赤道正切式支柱、拉杆支撑体系，以便把水平方向的外力传到基础上。设计支座时应考虑到罐体自重、风压、地震力及试压的充水质量。

燃气的进出气管一般安装在罐体的下部，但为了使燃气在罐体内混合良好，有时也将进气管延长至罐顶附近。为了防止罐内冷凝水及尘土进入出气管内，进出气管应高于罐底。

为了排除积存于罐内的冷凝水，在储罐的最下部应安装排水管。在罐的顶部必须设置安全阀。储罐除安装就地指示压力表外，还要安装远传指示控制仪表。此外，根据需要可设置温度计。储罐必须设防雷防静电接地装置。储罐上的人孔应设在操作及维修管理均较方便的位置，一般在罐顶及罐底各设置一个人孔。

容量较大的圆筒形罐与球形罐相比较，圆筒形罐的单位金属耗量大，但是球形罐制造较为复杂，制造安装费用较高，所以一般小容量的储罐多选用圆筒形罐，而大容量的储罐则多选用球形罐。

2．储气量的计算

高压气罐的有效储气容积可按下式计算：

式中　V——储气罐的有效储气容积，m³；

V_c——储气罐的几何容积，m³；

p——储气罐的最高工作绝对压力，kPa；

p_c——储气罐的最低工作绝对压力，kPa；

p₀——储气罐的工程标准压力，p₀=101.325kPa。

储罐的容积利用系数，可用下式表示：

通常储气罐的最高工作压力p已定，欲提高容积利用系数，只有降低储气罐的剩余压力，即最低工作绝对压力p_c，而它是受到供气管网对球罐要求的最低出口压力的限制，其值反映在罐出口处连接的调压阀的最低允许进口压力。为了使储罐的利用系数提高，可以在高压储气罐站内安装引射器，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的罐中抽出来，这样可以提高整个罐站的容积利用系数。但是利用引射器时，要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6-6为高压储气罐站调压设备系统流程图。在入口的地方安装了止回阀，防止干线停气时，储罐内的气体倒流。

三、高压管束

高压管束实质上也是一种高压气罐，管束由直径较小的管子组成，因此能承受更高的压力。高压管束储气是将一组或几组钢管埋于地下，对管内储存的天然气加以高压，利用气体的可压缩性及其在不同压力下的压缩系数的不同进行储气。

 

 

第二节　天然气的地下储存

天然气的地下储存通常有下列几种方式：（1）利用枯竭的油气田储气；（2）利用含水多孔地层储气；（3）利用盐矿层建造储气库储气；（4）利用岩穴储气。其中，利用枯竭的油气田储气最为经济，利用岩穴储气造价较高，其他两种在有适宜地质构造的地方可以采用。

利用地下储气方式可以大量储存天然气、液化石油气和人工燃气，其成本低、储气量大，是解决月（或季度）供气与用气不平衡的最优手段，因而得到广泛的应用。早在1915年，加拿大建成世界上第一个地下储气库。美国第一座地下储气库建于1916年，从1947年起有显著增长，每年约以增长56×10⁸m³储存容积的速度发展。图6-7为地下储气库示意图。

一、利用枯竭的油气田储气

为了利用地层储气，必须准确地掌握地层的下列参数：孔隙度、渗透率、有无水侵现象、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，经过长期开采之后，这些参数无疑是已知的，因此已枯竭的油田和气田是最好和最可靠的地下储气库。

二、利用含水多孔地层储气

利用含水多孔地层储气的储气库的原理如图6-8所示。天然气储气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。

储气岩层的渗透性对于用天然气置换水的速度起决定作用。同时，它对于储气库的最大供气能力也具有一定意义。

如果储气库渗透性很好，天然气扩散时水位呈平面形；如渗透性很低，则天然气扩散时使水位形成一个弧形，如图6-9所示。对于渗透性高的储气库，在排气时水能够很快压回，还可回收一部分用于注气的能量。

储气岩层的渗透性对于工作气和垫层气的比例也有很大影响。工作气是指在储存周期内储进和重新排出的气体。垫层气是指在储气库内持续保留或作为工作气和水之间的缓冲垫层的气体。岩层的渗透性越小，工作气与垫层气的比例就越小，因而越不利。

含水砂层的地质结构只有在合适的深度才能作为储气库，一般为400～700m。深度超过700m，由于管道太长而不经济，太浅则在连续排气时，储气库不能保证必要的压力。

不透气覆盖层的形式对工作气和垫层气的比例也有很大影响，特别是当储气岩层的渗透性很小时，平面盖层的结构是不适宜的，因为它需要非常多的垫层气。

三、利用盐矿层建造储气库储气

图6-10是利用盐矿层建造储气库的排盐设备流程。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。为了防止储库顶部被盐水冲溶，要加入一种遮盖液，它不溶于盐水，而浮于盐水表面。不断地增加遮盖液量和改变溶解套管长度，使储库的高度和直径不断扩大，直到达到要求为止。储气库建成后，在第一次注气时，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。盐矿层储气库工作流程如图6-11所示。

如果长距离输气管线的压力大于储气库的压力，必要时使天然气通过预热器再进入储气库，以防止在压力突然降低时生成水合物。如果储气库的压力大于或等于管线压力，则必须使天然气经压缩机加压，达到需要的压力后送入储气库，而储气库则靠自身的压力将天然气输出。输出的天然气在进调压器前也需经过预热器。此外，在储气库工作的第一年，还需要将含水的天然气进行干燥处理。

对建造在含水层和盐岩层的地下储气库进行比较，前者的储气容积较大，但采气率较低，因此其单位储气容积的造价低，而单位采气量的造价却较高。

除了以上几种地下储气库外，还有利用自然的或人工的其他岩穴作为储气库的。例如，利用废弃的煤矿坑道作为储气库已有成功的例子。

四、地下储气库的地面设施

地下储气库的地面设施通常有压缩机站、脱水装置、分离器、加热或注醇防冻设施、计量装置和安全设施等。

压缩机站是地下储气库的主要地面设施，天然气经压缩机加压，达到需要的压力送入地下储气库；储气库对外供气时，天然气有时要经过压缩才能进入长输管道。

从地下储气库输出的天然气通常含有饱和水蒸气和少量液相水，因此，与气田的地面设施一样，建有分离器、加热或注醇防冻设施、脱水装置等。脱水装置大都采用三甘醇法。此外，还有必要的计量装置、安全设施等。

 

 

第三节　天然气的其他储存方法

一、天然气的液化储存

甲烷的临界温度为-82.1℃，临界压力为4.49MPa，在常压下达到-162℃即可液化。采用深度冷冻的方法，将天然气冷却至-162℃，在常压、低温下储存，储存容积约为气态的1/600。

由于液化天然气具有可燃性和超低温储存的特性，因此对储存设施（储罐）有很高的要求。液化天然气储罐可分为地面储罐和地下储罐。迄今应用广泛的是地面圆筒形双层壁储罐。地下储罐的投资比较大，仅用在人口较密集的地区，因为它处于地下，储存液体不易溢出，从而可避免恶性事故的发生。

1．地面储罐

地面圆筒形双层壁储罐由内罐、隔热层和外罐构成。

1）内罐

内罐是用薄低温钢板制成的内容器，由锚固钢带穿过底部隔热层进行固定。用作内罐的材料必须具有在低温条件下不脆化的特性，并具有足够的韧性与良好的加工性能。罐内温度不同，对内罐材料的要求也不同，储存液化石油气的常用低碳钢或低合金钢制作；储存液化天然气的常用含9%镍的不锈钢制作。

2）隔热层

低温储液注入罐内后，内罐壁就会冷缩；反之储液完全被排出后，罐内温度将逐步上升，内罐壁随之伸胀。填充在内外罐中间的粉末状隔热材料，由于内罐壁的反复胀缩变得严实。因此在靠近内罐处必须敷设一层伸缩性强的隔热层。此隔热层的厚度应与内罐壁的胀缩相适应，并在内罐壁胀缩时起缓冲作用，保证储罐安全运行。

隔热层要求导热系数小，而且具有足够的强度。能满足这些条件的材料有硬质泡沫氨基甲酸乙酯、泡沫玻璃、珍珠岩以及硬质泡沫酚醛树脂等。为了提高隔热材料的隔热性能和经济性，可采用由粉末状、纤维状、板状等隔热材料混合使用的隔热法。隔热层厚度较厚，通常在1m以上。

3）外罐

外罐就是能承受各种负荷的外壳，它必须具有足够的强度。地面储罐的外罐根据所用材料不同，可以分为钢制壁、钢筋混凝土壁和预应力混凝土壁。

（1）钢制壁。

外罐因不与低温液体接触，钢制壁外罐一般用碳钢制造。

液化石油气和液化天然气的地面低温储罐与一般常温储罐不同，必须考虑罐底下的地面因土壤冻结膨胀而鼓起，使储罐有损坏的危险，所以必须采取措施，防止地面土壤冻结。一般可以将地面储罐分为落地式和高架式两种。地面储罐底部防冻措施如图6-12所示。

①落地式储罐的底部用珍珠岩混凝土隔热，在预埋的管道中通入热风或热水，或在基础内部预设电加热器，以防土壤冻结。

②高架式储罐是用立柱支撑罐体底盘，使其与地面分开，保持储罐与地面之间空气畅通，防止液化石油气或液化天然气吸收地面热量，以避免土壤冻结。

（2）钢筋混凝土壁和预应力混凝土壁。

这两种外壁具有如下优点：

①钢筋混凝土和预应力混凝土是很好的低温材料，即使内罐受损，低温储液与预应力混凝土壁接触也不会损坏外壁。

②耐久性好，不受地下水腐蚀，不变脆。

③具有很好的水密性和液密性，并且具有较好的抗震性能。

2．地下储罐

地下储罐除罐顶外，储罐的大部分（最高液面）在地面以下，罐体坐落在开挖的不透水稳定地层之上。地下储罐主要采用钢筋混凝土外罐，为防止周围土壤冻结，在罐底和罐壁处设置加热器。有的在罐壁周围留有1m厚的冻结土，称为冻土壁，以提高土壤的强度和水密性。

天然气液化后的常压低温储存比较安全，负荷调节范围广，适于调节各种情况（月、日、时）的供气与用气之间的不平衡。用气高峰时，将液化天然气再气化，即可供气。

天然气的液化和再气化都要消耗一定的能量，只有储存量较大时，经济上才合算。目前，最大的液化天然气地面储罐和地下储罐的容量已达140000m³。液化天然气储罐的冷损，会造成部分液化天然气的蒸发，冷损造成的储罐蒸发量一般为储罐容量的0.04%～0.2%（每日），小型储罐可高达1%。蒸发的天然气通常经再液化后返回储罐。

二、天然气的固态储存

天然气固态储存就是将天然气，主要是甲烷，在一定温度、压力条件下，转变为固体的水合物，储存于钢制储罐中。

压力越高，温度越低，甲烷越易形成水合物。当甲烷内混有少量重烃时，形成水合物的压力将显著下降。例如，2℃时，甲烷形成水合物的压力为3.04MPa，而掺有1%异丁烷后，压力将降为1.32MPa。

甲烷形成水合物后，体积只有原来的1/160。每1kg的水合物（CH₄·6H₂O）中，含甲烷0.128kg，水0.872kg。即使考虑到水合物不能够完全充满储罐，也可认为甲烷水合物的所占体积仅为气态的百分之一，通常天然气水合物在-40～-45℃，稍高于大气压下储存于罐内。

综上所述，天然气固态储存的优点是非常明显的，设备也不复杂，但由于再气化和脱水等工艺上的原因，使这种方法目前还处于研究阶段，尚未实际应用。

三、长输管道末段储气

利用长输管道末段起点、终点的压力变化，从而改变管道中的存气量，达到储气的目的。用气低峰时，多余气体存入管道中，起点、终点压力提高。用气高峰时，不足的气体由管道中积存的气体弥补，起点、终点压力降低。