文 闖，曹學文，馬玉鵬

（中國石油大學儲運與建筑工程學院，山東青島266555） ①

天然氣氣態(tài)儲存工藝

文 闖，曹學文，馬玉鵬

（中國石油大學儲運與建筑工程學院，山東青島266555）①

天然氣氣態(tài)儲存工藝主要包括壓縮天然氣、儲氣罐、管道、地下儲氣庫、吸附天然氣儲氣和近臨界流體儲氣技術。介紹了天然氣各種氣態(tài)儲存工藝的研究現狀和優(yōu)缺點，分析了存在的問題及發(fā)展趨勢，并對氣態(tài)儲存工藝的研究和應用提出了建議。

天然氣儲存；工藝；現狀；發(fā)展趨勢

隨著能源結構的調整，天然氣在一次能源中的比例越來越大。由于天然氣具有良好的發(fā)展前景，我國已在大力開發(fā)天然氣資源，并把開發(fā)利用天然氣作為能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點之一。我國天然氣儲量比較豐富，但主要分布在西部和中部，而氣源的主要消費群卻集中在東部沿海，因此，需要選擇合適的儲運工藝將天然氣儲存并運到東部地區(qū)，而天然氣的儲存工藝的選擇尤為重要。天然氣氣態(tài)儲存工藝主要包括壓縮天然氣、儲氣罐、管道、地下儲氣庫、吸附天然氣儲氣和近臨界流體儲氣技術。

1 儲氣罐

儲氣罐是地上儲氣的主要設備，通常采用金屬儲氣罐，按壓力可分為高壓和低壓2種儲氣罐［1］。

1.1 低壓儲氣罐

低壓儲氣罐有濕式和干式2種：常用的濕式低壓儲氣罐有直立式和螺旋式2種；常用的干式低壓儲氣罐主要有阿曼阿恩式、威金斯式和可隆型儲氣罐，阿曼阿恩式儲氣罐采用特制的密封油對氣體進行密封，威金斯式儲氣罐使用橡膠柔膜密封氣體。低壓儲氣罐的特點是儲氣量能在一定范圍內變化，工作壓力通常為0.004～0.005MPa，多數化工廠、石化廠用作工藝氣的中間儲存設備。

1.2 高壓儲氣罐

最常見的高壓氣罐是球形罐和圓筒形臥式罐。高壓氣罐的幾何體積固定不變，是靠改變其儲氣壓力來儲存氣體的，又稱定體積罐。

高壓儲氣罐的有效儲氣體積為

式中，V、Vc分別為氣罐的有效儲氣體積和幾何體積，m3；p、pc、p0分別為氣罐的最高工作絕對壓力、最低允許絕對壓力和工程標準壓力，Pa，其中，p0＝101 325Pa。

儲罐體積利用系數φ為

通常，儲氣罐的最高工作壓力p已定，要提高體積利用系數，只有降低儲罐的剩余壓力，即最低允許壓力pc。pc受到管網壓力的限制，其值取決于出口處連接的調壓閥的最低允許進口壓力。為了降低儲罐的最低允許壓力，提高儲罐的利用系數，又不影響對管網供氣，可以在高壓儲氣罐內安裝引射器。當儲氣罐內氣體壓力接近管網壓力時，開動引射器，利用經過儲氣罐的高壓氣體的能量把氣體從壓力較低的罐中抽出來，送入供氣管網。使用引射器時，必須安裝自動開閉和控制裝置，否則管理不當會破壞正常工作。

2 管道儲存

2.1 高壓管束

高壓管束的直徑較小，所以能承受更高的壓力，其儲存壓力可比大直徑圓筒形和球形儲氣罐的壓力要高。由于天然氣在高壓下與理想氣體性質偏差較大，高壓管束可通過高壓下天然氣的壓縮性來實現天然氣的儲存，例如，天然氣在16MPa和15.6℃的條件下體積比理想氣體體積小約22%。高壓管束雖然壓力較高，但由于埋藏在地下，安全性較好；其缺點是儲氣量較小，初期投資費用高。

2.2 長輸管道

長輸管道儲存天然氣主要是利用長輸管道干線末端來實現天然氣的儲存，其儲存過程是在供氣低峰時將富余的天然氣儲存在輸氣干線末端，到用氣高峰時將儲存的天然氣輸出，調節(jié)供氣量，滿足用戶需求。長輸管道末端儲氣與利用城市高壓管網儲氣原理相似。

2.3 高壓輸配管網

高壓輸配管網在供氣低峰時將多余的天然氣儲存在高壓管網中，到用氣高峰時將儲存在高壓輸配管網中的天然氣輸出，實現天然氣的高壓儲。該方式只有在具備高壓輸氣管網時才能使用，適用面比較狹窄。

高壓輸氣管道的有效儲氣量［2－3］為

3 地下儲氣庫

地下儲氣庫具有儲氣容量大、節(jié)省地面儲罐投資、不受氣候影響、維護管理簡便、安全可靠、不污染環(huán)境等優(yōu)點。為適應耗氣量的增加，目前越來越多的國家都在建造地下儲氣庫。地下儲氣庫結構如圖1。按地質構造劃分，地下儲氣庫分為4種類型。

3.1 衰竭油氣田儲氣

衰竭油氣田儲氣利用已開發(fā)過的油氣田進行儲氣，儲氣地層的相關參數（例如孔隙度、滲透率、構造形狀和大小、儲氣層厚度等）都是已知的，而且還有原有油氣井、井場設備和管線等可以使用，建設周期較短，可以有效地節(jié)省投資和減少運行費用。由文獻［4］可知，衰竭油氣田的原始儲量通?？蛇_10×108～50×108m3，年注氣抽氣循環(huán)為1～2次。

圖1 地下儲氣庫結構

3.2 含水多孔地層儲氣

利用含水多孔地層儲氣是20世紀50年代儲氣技術的重大發(fā)展，給缺乏枯竭油氣田地區(qū)發(fā)展地下儲氣帶來了革命性的機遇。含水多孔地層儲氣通常選擇有足夠面積和厚度、其上有良好不滲透覆蓋層的砂巖或砂層來儲氣。由于結構為地下含水構造，通常需要將巖石孔隙中的水排出后再進行天然氣的儲存。含水多孔地層儲氣工藝建設周期較長，初期投資費用較高，運行具有一定的風險性；同時該類型的儲氣庫儲量巨大，天然氣儲量通常可達到幾十億立方米，年注氣抽氣循環(huán)為1次。法國克拉克氣田東北部的呂薩尼地下儲氣庫就是一個含水層儲氣庫。儲氣層由非均質的陸相未膠結砂層組成，地層厚度為45～50m，蓋層為不透氣的泥灰?guī)r，儲氣能力為5×108m3。天然氣儲庫由含水砂層及1個不透氣的背斜覆蓋層組成，其性能和儲氣能力依據不同地質條件而有很大差別。儲氣原理如圖2［5］。

圖2 多孔地層地下儲庫儲氣原理

3.3 鹽穴儲氣

鹽穴儲氣庫是世界上重點研究的1種儲氣庫，主要具有構造完整、結構堅實、夾層少、厚度大、非滲透性好、物性好、對液態(tài)和氣態(tài)的碳氫化合物都可以完好地儲存等優(yōu)點。

利用鹽巖層建造儲氣庫有2種形式：①利用鹽巖層內的天然巖穴儲氣，但很少；②利用人造鹽巖穴儲氣，人造鹽巖穴是通過巖層注入淡水，將鹽巖溶解后，排除鹽水而形成。天然氣在高壓下注入巖穴儲氣庫，當需要時打開井口即可。鹽穴儲氣可以根據實際的需求量進行建造，1座鹽穴儲氣庫可以拆分為若干期建造，可以較為快速地投入使用，年注氣抽氣循環(huán)為4～6次［6－8］。

3.4 巖穴儲氣

除了上面提到的幾種地下儲氣庫外，還有利用自然的或人工的其他巖穴作為儲氣庫的，例如利用廢棄的煤礦坑道作為儲氣庫，但該類型儲氣庫存在著原有井筒密封困難、氣體泄漏危險、儲存氣體熱值降低等缺點。利用可控制的核爆炸技術開辟地下儲氣庫也引起人們的重視，并已開展了相關研究。

4 吸附儲存工藝

4.1 基本原理

天然氣吸附儲存工藝是指利用吸附劑的微孔結構和內表面積，在常溫、壓力為3.0～6.0MPa條件下實現天然氣的高密度儲存［9－10］。在天然氣吸附儲存過程中，天然氣分子受范德華力影響附著在吸附劑微孔的內表面，因此天然氣吸附儲存屬于物理吸附過程。主要工藝過程為：首先在儲存容器中加入吸附劑，天然氣被吸附在其微孔表面，實現天然氣的儲存；當需要儲罐對外供氣時，氣體從吸附劑表面脫附而向外供氣。

4.2 優(yōu)點

1） 在中壓（3.5～5.0MPa，僅為CNG的1／4～1／5）下即可獲得接近于高壓（20MPa）下壓縮天然氣的儲存密度，儲存效率高。

2） 設備耐壓性能要求較低，安全性好，操作費用低。

3） 儲存容器結構簡單，使用場地靈活。

4.3 影響因素

在天然氣吸附儲存工藝中，起決定性作用的是高儲存密度的吸附劑；另外，吸附和脫附過程中的熱效應、天然氣中的雜質也都關系到吸附儲存工藝的性能和推廣［11－15］。

4.3.1 吸附和脫附過程熱效應

吸附是放熱過程，溫度升高，吸附量將減??；脫附是吸熱過程，溫度降低，脫附殘余量將增加。吸附儲存工藝中的這2種熱效應會減少吸附系統(tǒng)的動態(tài)吸附量，而且活性炭較小的熱傳導速率會造成儲罐中心溫度較低，因而中心部分脫附殘余量也較大。

4.3.2 天然氣成分

天然氣主要含有CH4、N2、H2S、CO2、H2O、C2H6、C3H8等重烴組分，重烴及極性化合物等會積累在吸附劑上，造成吸附劑中毒，降低吸附儲存能力。其中，H2S的影響最大，會產生不可逆吸附，容易析出單質硫而堵塞吸附劑孔道；CO2、C2H6、C3H8等雖然會產生可逆優(yōu)先吸附，但可以通過氮氣吹掃或加熱等方式使吸附劑再生，從而恢復吸附劑的性能。

4.3.3 儲存壓力

增加儲存壓力可以有效地增大吸附劑對天然氣的吸附量。當壓力＜3.0MPa時，天然氣吸附量隨著壓力的增大而迅速增加；當壓力達到4.0MPa時，吸附劑的天然氣吸附量基本飽和。因此，合適的儲存壓力為3.0～4.0MPa，通常選擇3.5MPa。

4.3.4 吸附劑填充密度

提高吸附劑的堆積密度可以有效地提高天然氣的存儲密度。試驗結果表明［16］：甲烷的吸附量隨填充密度的增加呈先增加后減小的趨勢，過高的填充密度反而導致甲烷儲量的大幅下降，這是因為過高的填充密度使甲烷擴散阻力過大，不利于儲存。因此，填充密度存在一個最佳值，使天然氣的吸附量達到最大。

5 其他儲存工藝

5.1 壓縮天然氣儲存

CNG儲存技術比較成熟，現已經實現工業(yè)化，廣泛應用于天然氣汽車［17－20］。存在的不足是：儲氣量小，續(xù)駛里程短；氣體燃料的能量密度低，啟動性能和動力性能較差；需要高壓壓縮（20～25MPa），這就需要用昂貴的多級壓縮機；要求使用的高壓貯存容器為無縫容器，壁厚體重，制造工藝復雜；在此高壓下使用存在一定的危險性。因此，CNG儲存技術只是1種暫時的而非高效的儲氣手段。

5.2 近臨界流體儲存

近臨界流體儲存天然氣是一項新的天然氣儲存技術［21］，該技術的基本原理是利用近臨界流體特有的高溶解力、低粘度、易擴散的性質，實現對天然氣和臨界流體之間的有效傳質，進而將天然氣溶解其中。目前對天然氣的臨界流體儲存主要集中在2個方面：①尋找高吸附能力的溶劑；②探索降低吸附壓力和溫度條件限制的途徑。其中，對臨界參數的測量是否準確尤其重要，要使這項技術得到推廣，必須對近臨界流體的特征和相變參數進行準確的描述。

6 氣態(tài)儲存方式比較

天然氣各種氣態(tài)儲氣方式的分析對比如表1［4］，可以看出，地下儲存優(yōu)于地上儲存，因其安全、可靠、充分利用地下空間，而且成本更低。吸附儲存工藝具有比壓縮天然氣儲存工藝更高的儲氣密度，發(fā)展前景較好，但是需開發(fā)具有高性能的吸附劑和解決吸、脫附過程中的熱效應問題。近臨界流體儲存工藝優(yōu)勢明顯，但該方法目前還處于研究階段，尚未工業(yè)化應用。

表1 天然氣氣態(tài)儲存方式比較

7 結論

1） 儲氣罐儲存、管道管束和壓縮天然氣儲存技術較為成熟，當前的重點是加強安全性評價研究，確保安全。

2） 從天然氣戰(zhàn)略儲備看，國家應該大力發(fā)展地下儲氣庫，統(tǒng)籌考慮天然氣調峰和戰(zhàn)略、商業(yè)儲備。

3） 吸附儲存工藝儲存效率較高，安全性好，目前仍需對吸附劑的吸附性能和吸附過程中的熱效應進行深入的研究。

4） 近臨界流體儲存工藝要進行廣泛的工業(yè)應用，還需在儲氣溶劑選擇、儲氣壓力、溫度的影響等方面進行探索研究。

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Gaseous Storage Methodology of Natural Gas

WEN Chuang，CAO Xue－wen，MA Yu－peng
（College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

The current gaseous storage technologies for natural gas mainly include compressed natural gas，gas holder，pipeline storage，underground gas storage，adsorbed natural gas，near critical fluid.In this paper，the research status，problems and directions of the above mentioned gaseous storage and transportation technologies for natural gas were discussed，respectively.Both advantages and disadvantages of the various storage methodologies were pointed out.

natural gas storage；methodology；status quo；developing strategy

1001－3482（2012）01－0005－05

TE97

A

2011－07－30

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2007AA09Z301）

文 闖（1985－），男，江蘇沭陽人，博士研究生，主要從事多相管流及油氣田集輸技術研究，E－mail：wenchuang2008＠163.com。