Хранение и распределение газа

Глава 3.Способы хранения природного газа

3.1 Методы покрытия неравномерностей потребления газа

Для системы снабжения городов и промышленных предприятий характерна неравномерность потребления газа. Объясняется это тем, что  бытовые, коммунальные и промышленные потребители расходуют газ неравномерно по временам года, неделям, суткам. Зимой расход газа всегда больше, чем летом, когда выключается отопительная система. Потребление газа в дневные часы, как правило, всегда значительно больше, чем в ночные часы. Учитывая, что в городскую сеть газ по газопроводу подается в одном и том же количестве, исходя из среднечасового расхода, то в дневное время ощущается недостаток в газе, а в ночное — появляется избыток газа, так как город потребляет газа меньше, чем поступает его в газопровод. Для устранения суточной неравномерности потребления газа вблизи городов сооружают резервуары, в которые вмещают весь избыточный газ в ночные часы, чтобы обратно выдать его в газораспределительную сеть города в дневные часы. С этой целью используют газгольдеры, а также объем последнего участка магистрального газопровода. Благодаря аккумулирующей способности газопровода при накапливании газа в ночные часы в нем повышается давление, достигающее к утру максимально допустимой величины. В дневные часы при повышении расхода газа его давление понижается до нормального.  Особенно велика сезонная неравномерность газопотребления, характеризующаяся тем, что  города имеют большой разрыв между максимальным (зимним) и минимальным (летним) расходом газа за счет значительного его использования для отопления в холодное время года. Для покрытия этой неравномерности требуются крупные хранилища. Так как по экономическим соображениям нецелесообразно сооружать для этой цели газгольдерные парки, на изготовление которых расходуется много стали, и требуются значительные площади застройки, для хранения межсезонного запаса используют преимущественно подземные хранилища. В отдельные периоды эти хранилища могут быть также использованы и для покрытия суточных и месячных неравномерностей потребления. В качестве дополнительных источников покрытия неравномерностей газопотребления иногда используют резервные емкости отдельных крупных потребителей и баз сжиженного газа. Необходимый объем газохранилища рассчитывают по графику суточного потребления газа. Объем газа принимается равным избытку газа в ночное время, что, в свою очередь, соответствует недостатку в дневное время. В хранилище резервируется летний избыток газа, а зимой газ выдают потребителю при ритмичной работе магистрального газопровода со среднегодовым расходом.

3.2. Хранилища природного газа

3.2.1 Газгольдеры

Газгольдерами называются сосуды большого объема, предназначенные для хранения под давлением газов(углеводородных, азота и др.). При помощи газгольдеров производится также смешение и регулирование расхода газа. По принципу работы газгольдеры различают переменного и постоянного объема, а по форме сферические и цилиндрические. Газгольдеры переменного объема рассчитаны на хранение газа при низком давлении до 4-103Па (0,04 кгс/см2), в резервуарах постоянного объема газ хранят при высоком давлении в пределах 4-103 — 305 Па (0,04—30 кгс/см2). Отличительная особенность газгольдеров низкого давления заключается в том, что рабочий объем у них является переменным, а давление газа в процессе наполнения или опорожнения остается неизменным (или меняется очень незначительно). У газгольдеров высокого давления геометрический объем постоянный, а давление при наполнении меняется от первоначального до рабочего, также  они не имеют движущихся частей.  Газгольдеры переменного объема разделяют на сухие и мокрые. Сухие газгольдеры работают по принципу поршня и оборудованы затворами. Мокрые газгольдеры имеют верхнюю подвижную часть и внизу водяной бассейн; изготовляют их объемом 100—30000 м3, одно-, двух- и трехзвенными. Оборудование «мокрого» газгольдера подводящими трубопроводами и предохранительными клапанами, предохраняющими газгольдер от переполнения газом, выполняются по типовым проектам. Газгольдеры высокого давления подразделяются на сферические и горизонтальные цилиндрические. Сферические газгольдеры в виде шаровых резервуаров используются в основном для хранения сжиженных газов (изопентана, бутана, бутилена, пропана и смесей этих газов) и рассчитаны на внутреннее давление, соответствующее величине упругости паров хранимых жидкостей. Сферическая форма резервуаров по сравнению с другими формами, например цилиндрическими, наиболее эффективна по расходу стали и стоимости. Сферические газгольдеры оборудуют предохранительными клапанами, приборами для отбора проб и замера уровня, незамерзающими клапанами, термометрами и приемо-раздаточными устройствами. (см. рис. 2.)

РИС.2. Сферическая форма резервуаров.

Цилиндрические газгольдеры, обычно ограничиваемые по концам полусферами, устанавливают горизонтально или вертикально на опорах. Газгольдеры этого типа, имеющие объем 50—270 м3 (причем диаметру всех газгольдеров одинаковый) различаются лишь длиной, что облегчает их изготовление и транспортировку к месту монтажа в готовом виде. Рабочее давление в  газгольдерах 0,25—2 МПа (2,5—20 кгс/см2). Газгольдеры оснащают комплектом запорной и предохранительной аппаратуры, а также патрубками для удаления конденсата и газа.  (см. рис. 3.)

РИС. 3. Горизонтально цилиндрическая  форма резервуаров.

3.2.2. Накопление газа в последнем участке магистрального газопровода

Часть магистрального газопровода, примыкающая к крупному потребителю-городу, называется последним (конечным) участком. Отличительная особенность этого участка заключается в том, что в нем может накапливаться, газ под высоким давление, в периоды минимальных расходов. Газгольдерная способность последнего участка отличает его от других, промежуточных участков магистрального газопровода, в которых расход газа одинаков в начале и в конце участка. В последнем же участке расход газа неизменен только в его начале, а в конце он переменный и равен расходу газа в городе, потребляющем в дневное время больше газа, чем в ночное. В ночные часы после заполнения газгольдерного парка начинается накапливание газа в последнем участке при соответствующем повышении в нем давления. Если в дневное время в процессе расхода в конце участка давление резко снижается, достигая 1—1,5 МПа (10-15 кгс/см2), то в ночное время при отсутствии расхода происходит накапливание газа и давление повышается до расчетного, т. е. достигает давления, развиваемого компрессорной станцией 5-10 МПа (50-100 кгс/см2). Последний участок магистрального газопровода может работать как с присоединенным газгольдерным парком в конце, так и без него. В последнем случае для вмещения необходимого дополнительного объема принимают увеличенные размеры последнего участка и этим самым экономят средства на сооружение газгольдерного парка. Поскольку увеличение диаметра последнего участка магистрального газопровода, в свою очередь, связано с повышенным расходом стали и увеличенной стоимостью строительства, для выбора наиболее экономичного варианта производят технико-экономическое сравнение с учетом данных об общем расходе газа городом и графика суточного потребления.

3.2.3. Подземные хранилища газа

Подземные хранилища природного газа предназначаются главным образом для покрытия сезонных пиков газопотребления. По этой причине хранилища, как правило, сооружают вблизи трассы магистрального газопровода и потребляющих центров, крупных промышленных городов.  Подземные газохранилища по состоянию среды и по методу сооружения подразделяются на хранилища в пористых пластах хранилища в непроницаемых горных выработках (полые резервуары). К пористым относятся хранилища, созданные в истощенных или частично выработанных газовых и газоконденсатных месторождениях, в выработанных нефтяных месторождениях и в ловушках водонасыщенных коллекторов (пластов).  К полым резервуарам относятся хранилища, созданные в полостях горных пород и в отложениях каменной соли.  Хранилища, созданные в истощенных нефтяных и газовых месторождениях, относятся к наиболее распространенным аккумуляторам газа.  Принцип устройства этих хранилищ основан на закачке газа непосредственно в истощенный газоносный или нефтеносный пласт через существующие или дополнительно сооружаемые скважины. В большинстве случаев опыт эксплуатации истощенного или выработанного газового, газоконденсатного или нефтяного месторождения дает необходимый материал, характеризующий геологические и физические параметры пласта-коллектора, включая данные о герметичности кровли, геометрических размерах, объемах возможных закачек газа, а также об изменении давлений и дебитов скважин. Иногда в районах крупных центров газопотребления могут не оказаться выработанные газовые или нефтяные залежи, пригодные для создания подземного хранилища, однако в геологическом разрезе пород этих районов часто имеются водонасыщенные пласты, в ловушках которых можно создать подземные хранилища газа. Хранилища, созданные в водоносных пластах, образуются за счет вытеснения из пористого водоносного пласта жидкости (воды). Перед устройством хранилища ведут исследования и пробные закачки газа для оценки параметров пласта и свойств насыщающих его жидкостей и газа, а также для получения данных о технологическом режиме работы скважин. С этой целью используют существующие скважины или бурят новые. Обычно скважины подземных хранилищ периодически выполняют функции нагнетательных и эксплуатационных скважин. Максимально допустимое давление газа в подземном хранилище зависит от глубины залегания пласта, его массы, структуры и размеров площади газоносности. Для закачки газа в хранилища, как правило, строят компрессорные станции с давлением до 15 МПа (150 кгс/см3). Характерная особенность эксплуатации подземных хранилищ газа — цикличность их работы, которая выражается в смене процессов закачки и отбора газа. В процессе закачки происходит заполнение пласта-коллектора и создание общего объема газохранилища, подразделяемого на активный и буферный объемы газа.  Буферный объем — это минимально необходимое количество неизвлекаемого газа в пластовых условиях, которое обусловливает цикличность эксплуатации хранилища. Активный же объем является оборотным, участвующим в процессе закачки и отбора. (см. рис. 4.)

РИС.4. Закачка и отбор газа в подземное хранилище газа (ПХГ).

Газ закачивают в весенне-летний период, когда потребность в нем значительно ниже, чем зимой. Зимой хранилища работают на отбор. Эксплуатация газохранилищ производится с учетом гидрогеологических условий пласта-коллектора, запасов газа в хранилище и неравномерности газопотребления системы газопроводов. В состав сооружений хранилища входит два компрессорных цеха с 20 машинами — газомоторными компрессорами марки 10ГК, блок очистки газа от механических примесей и масла, газораспределительный пункт (ГРП) и эксплуатационные скважины. Закачка газа в хранилище осуществляется из магистрального газопровода по газопроводу — отводу с давлением 2,5—3,6 МПа (25—36 кгс/см2). Газ направляется на прием компрессоров для компримирования в две ступени после того, как он предварительно пройдет очистку от взвешенных твердых частиц и капельной влаги в вертикальных масляных пылеуловителях. После компрессоров газ поступает на установку по очистке газа от компрессорного масла, и пройдя через ступени очистки (в циклонных сепараторах для горючего и охлажденного газа, в угольных абсорберах и керамических фильтрах), направляется по газосборному коллектору на газораспределительный пункт, где осуществляется распределение его потока по скважинам и замер количества газа, закачиваемого через каждую эксплуатационную скважину. Отбор газа осуществляется через эти же скважины. Газ по индивидуальным шлейфам подается на ГРП, где замеряется и после осушки направляется в магистральный газопровод. Осушка газа осуществляется при помощи диэтиленгликоля, который распрыскивается автоматически, а после использования улавливается в сепараторах и подается на регенерацию. Блок осушки газа состоит из котельной, контакторов, выпарной колонны, холодильников, испарителей и насосной.  К хранилищам газа в полостях горных пород относятся такие, которые создаются в горных выработках   в искусственно созданных шахтах, тоннелях и специально выработанных кавернах, а также в естественных пустотах горных пород — пещерах. Хранилища в имеющихся искусственных выработках не требуют затрат на создание каверн, но практически используются редко из-за сложности герметизации объема и небольшой распространенности таких выработок. Специальные горные выработки для хранения газа делают в легко разрабатываемых, но малопроницаемых породах, например в плотных глинах, известняках, каменной соли, гипсе, мергеле и других отложениях. Разработку ведут в зависимости от характера, свойства породы и ее глубины залегания — механическим путем, методом взрыва или путем размыва. Наиболее широкое применение получили хранилища в отложениях каменной соли, осуществляемые методом размыва. Объем таких хранилищ-полостей достигает 200 тыс. м3.

3.2.4. Технико-экономические показатели хранилищ и области их применения

Эффективность сооружения и эксплуатации различных хранилищ природного газа зависит от ряда факторов, в том числе от назначения, месторасположения, объема хранения, системы газораспределения, типа хранилища, строительных и геологических условий. Об эффективности хранилищ судят по стоимости хранения газа и капиталовложениям, приходящимся на единицу объема хранилища, а также по расходу стали на сооружение требуемой емкости. Подземное хранение газа в истощенных и выработанных газовых и нефтяных месторождениях, а также в ловушках водонапорных пластов в целом является наиболее эффективным способом, обеспечивающим минимальные расходы на хранение при относительно небольших капиталовложениях в их строительство.  Технико-экономические показатели подземных хранилищ газа зависят от глубины залегания пластов, возрастая по мере увеличения глубины. Так, при глубине хранилища в 250—500 м себестоимость хранения 1000 м3 газа обходится в пределах 2,2—2,0 руб./год при удельных капиталовложениях в пределах 17—16 руб. в строительство каждой 1000 м3 хранилища. При глубине хранилища 1000 и 2000 м соответственно себестоимость хранения 1000 м3 газа составляет 2,6 и 3,5 руб. при удельных капиталовложениях в каждую 1000 м3 хранилища в размере соответственно 20 и 28 руб., что во много раз меньше затрат при строительстве стальных газгольдерных парков. Расход стали на подземные хранилища сведен до минимума. Если, например, на мокрые газгольдеры объемом 10 000 м3 расходуется 34 кг/мА стали, то в подземных хранилищах сталь в небольших количествах расходуется, лишь на оборудование скважин. Расход стали в газгольдерах высокого давления возрастает в несколько раз, а стоимость хранения 1000 м3 газа в них находится в пределах 100—900 руб., что во много раз больше стоимости хранения газа в газгольдерах низкого давления и в подземных хранилищах.  Исходя из соображений экономичности, во всех случаях для компенсации сезонных неравномерностей газопотребления, когда требуется хранить большие количества природного газа, сооружают подземные хранилища; для компенсации месячных, а иногда и суточных колебаний сооружают газгольдеры низкого давления (преимущественно мокрые); газгольдеры высокого давления применяют в основном при небольших объемах хранения и, главным образом, в газораспределительных сетях для покрытия суточной неравномерности в потреблении газа в городах.