一种采用高压低温在废弃矿井大巷储存LNG的方法

本发明涉及废弃矿井改造，特别涉及一种采用高压低温在废弃矿井大巷储存lng的方法。

背景技术：

1、作为全球最大的发展中国家，我国国内天然气消费量长期保持高速增长的态势。近年来，虽然我国天然气产量持续增长，但与消耗量的差距仍进一步加大，对外依存度持续高位运行。预计在2030年，我国的天然气对外依赖度将超过50％。

2、随着我国煤矿去产能的深化，到2020年，我国废弃矿井数量将达到1.2万个；到2030年，这一数字将变为1.5万个。如何将废弃矿井地下空间开发为天然气储气库将是解决天然气地下储备和废弃矿井资源化利用的一种重要举措。

3、目前国际上lng主要以地面储气罐的方式进行储存。相较于储气罐储存，lng地下储存的优势更加突出，地下空间更大，可储存大量的lng，同时该储存方法不仅可以节省地面空间，而且还可以免受战争以及地面生产经营活动的干扰，除此之外，lng废弃矿井储气库充分利用了地下废弃的空间资源和大巷的良好支护条件，建库成本更经济，东部地区如冀中能源、开滦煤矿和徐州矿区等更加靠近天然气消费区和港口，因此该地建造地下储气库方便海运lng的运输和消费。

4、但是现有lng地下储存技术仍面临许多问题。由于储气库储存压力较小，为保证储存的天然气处于液态，储气库需维持极低的温度，从而加剧了热损失，增加了维持低温环境所需成本，同时超低温也对建库材料和设备提出严苛的要求。此外一个标准大气压下的lng废弃矿井大巷储气库由于受到较大的地层压力，围岩在地层压力作用下会发生明显的收敛变形，严重影响了储气库的安全稳定性。因此，现有的lng废弃矿井储气库技术还无法达到低成本且长期稳定地储存lng的要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供了一种采用高压低温在废弃矿井大巷储存lng的方法，即在保证天然气处于液态的条件下，通过调整废弃矿井大巷储气库的储存温度和压力，从而达到提高储气库安全稳定性以及降低其运行成本的目的。

2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

3、一种采用高压低温在废弃矿井大巷储存lng的方法，所述方法的过程是：

4、以废气矿井的大巷作为lng储气库，lng储气库通过井底车场以及地下竖井同地面相通，所述地下竖井分为主井以及副井，注入管依次通过主井、井底车场延伸至储气库内部；排采管依次通过副井、井底车场延伸至储气库内部；

5、在排采管地面部分分出排采管支管，在注入管地面部分分出注入管支管，排采管支管和注入管支管分别通过电动阀门连接天然气液化装置的进出口；所述注入管用于注入液化后的lng，所述排采管用于将天然气采出；

6、在矿井周围钻孔排采矿井围岩中的地下水，同时疏干大巷内部的水分，对大巷进行加固密封处理，将lng注入储气库中，lng迅速蒸发并向周围环境吸收热量，将大巷周围的岩石冷却至设定温度，停止抽采地下水，待地下水回渗至围岩层后，由于lng的制冷效果，使得围岩层周围形成致密的冰环，停止注入lng，完成储气库的构建；

7、实际lng储存过程：设定储存温度范围和储存压力范围，lng通过注入管由lng气源被输送到储气库内，并向周围环境吸收热量，lng温度升高，部分lng迅速蒸发，同时天然气的压力随着其温度升高而增大，导致了储气库内部压力持续增大，当检测到储气库内的温度和压力超过所设定的储存温度范围和储存压力范围时，开启排采管支管上的电动阀门，储气库内的天然气依次通过排采管和排采管支管被输送至地面上的天然气液化装置，经液化后的天然气沿着注入管支管汇入至注入管内部，最终再次流入储气库内部，以此来保证储气库内部温压维持在规定范围下；同时实时监测储气库内的液位变化，当达到储气库的液位临界点后，停止向储气库内部注入lng；

8、所述储存压力范围为3.5～4.0mpa、储存温度范围为-90～-100℃；储气库内部压力处于高压状态，对围岩的收敛变形加以限制，实现lng的地下安全稳定储存。

9、所述注入管以及排采管在井底车场内部均采用最短路径布置。

10、本发明还保护一种利用废弃矿井大巷储存lng的系统，包括排水子系统、储库子系统、注采子系统以及测控子系统；

11、所述排水子系统用以抽取矿井周围的地下水，在矿井周围均匀布置若干数量的羽状抽水钻孔，且羽状抽水钻孔的底部深入井底以下；

12、所述储库子系统用以储存lng，包括从内向外依次设置的钢衬、保温层、衬砌以及围岩层，所述内层的钢衬所围成的区域为储气库；

13、所述注采子系统用于将lng注入或采出储气库，包括注入管、排采管、注入泵，抽采泵以及阀门组，所述排采管末端连接冷能发电装置、起始端延伸至储气库上部，用以将储气库内封装的天然气排出所述储气库；所述注入管起始端与lng气源相连通，末端延伸至所述储气库上部，其在所述储气库内部设置为多孔喷注管，用以将lng注入所述储气库中；所述注入泵、抽采泵分别安装于所述注入管、排采管地面部分，用以为lng在管道内运输提供动力；所应用管路均采用多层保温结构；

14、所述测控子系统包括雷达液位计、温度传感器、压力传感器、控制中心和温压调控单元，所述雷达液位计设置于所述储气库顶部，用以监测储气库内封装lng的液位变化；所述温度传感器以及压力传感器设置在所述储气库的内部，用以监测所述储气库内部的温度、压力变化情况；

15、所述温压调控单元包括排采管支管、注入管支管、天然气液化装置以及电动阀门，所述排采管支管由所述排采管地面部分分出，并与所述天然气液化装置相连，用以将天然气蒸汽传输至所述天然气液化装置内部；所述电动阀门安装于所述排采管支管以及注入管支管上，用以控制管道的开闭；所述天然气液化装置一方面与所述排采管支管相连，另一方面与所述注入管支管相连，用以将所述排采管支管输送的天然气液化后经过所述注入管支管输送至所述储气库；

16、所述控制中心用于数据监控显示和控制，与所述电动阀门、雷达液位计、温度传感器、压力传感器、注入泵、抽采泵和阀门组电性连接，设定储存温度范围和储存压力范围，由于lng从围岩吸热并液化，当控制中心监测到储气库内的温度和压力超过设定的储存温度范围和储存压力范围时，所述温压调控单元抽取汽化后的天然气到地面后经天然气液化装置液化回灌，用以降低储气库内部温度和压力，维持储气库内部温度压力在设定的储存温度范围和储存压力范围，所述储存压力范围为3.5～4.0mpa、储存温度范围为-90～-100℃。

17、所述阀门组包括阀组件基座以及设置于阀组件基座上的安全阀、流量控制阀门组，所述流量控制阀门组包括依次串连的流量调节阀以及流量关断阀。

18、所述钢衬内部用以封装lng；所述保温层分别和所述钢衬以及所述衬砌相粘结，用以对所述钢衬内部封存的lng进行保温隔热；所述衬砌分布在围岩层以及所述保温层之间，用以提高所述储库子系统的支撑强度；所述围岩层为位于所述衬砌外部的岩土层，与所述衬砌共同抵抗地层应力；

19、所述保温层为刚度大且抗压性能好的多孔介质隔热材料，包括挤塑聚苯板等材料，保温层厚度依照储气库内温度和围岩的温差所确定，具体地，保温层3厚度依照钢衬2内所封存的lng允许日蒸发量计算确定；所述衬砌材料选用高强度抗冻融混凝土材料，所述衬砌厚度根据围岩应力、围岩强度质量、温度梯度、当地地震烈度、以及所述衬砌材料的强度来确定，以缓解围岩层的开裂，同时保证储库子系统变形维持在允许范围之内；所述钢衬材料选取304级及以上不锈钢板。

20、所述系统还设有lng冷能发电装置，lng冷能发电装置通过天然气输运管路连接天然气配给站，所述冷能发电装置用于将排采管运输lng所释放的冷能转化为电能，所产生的电能用于供应消费和季节调峰。

21、本发明所应用的输运管路均采用多层保温结构，以减小lng在运输过程中的冷能损失。

22、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

23、(1)本发明方法中储气库内部处于高压状态，对围岩的收敛变形加以限制，提高了储气库安全稳定性，同时也缓解了围岩的开裂现象。本发明储气库内部温度远高于地面lng混凝土储罐的-164℃，降低了保温层两侧的温差，减小了储气库内部的热力损失。

24、导热量计算公式为：

25、q/t＝λa(δt/d)

26、q/t——表示单位时间内通过单位面积的热量

27、λ——表示导热系数

28、a——表示传热系数

29、δt——表示温度差

30、d——表示传热距离

31、由导热量计算公式可知，在保持导热系数、传热系数、传热距离数值一定情况下，温度差与单位时间内通过单位面积的热量成正比例关系。相较于现有技术，本发明所应用的储气库内部温度更高，储气库内部温度与环境温度温差更小，故导热量以及维持储气库内部温度所消耗的能量更小。

32、(2)本发明lng储气库相较于现有技术储存温度更高，对保温层以及衬砌的材料要求较低，同时所使用的装备的耐低温能力降低，从而降低了建库成本。

33、(3)本发明储气库直接利用废弃矿井的大巷作为储气库，无需再对储气库进行开挖工作，不仅极大地降低了建库成本，而且还对地下废弃空间资源进行再利用，经济效益更为显著。

34、(4)本发明设置温压调控单元，由于液态能源注入储气库会吸热气化，这样会使得储气库压力增大，而该温压调控单元将蒸汽排出并液化回灌，以此保持储气库内部压力处于稳定范围，有利于储库子系统更好的检测和储存。

35、(5)本发明在注入管末端采用了多孔喷注的形式，低温液态能源在注入储气库时，由于注入不均匀，极易出现翻滚或分层现象，极大影响储气库安全，多孔喷注的方式有效的减少了该种现象发生。

36、(6)本发明方法为以废气矿井大巷来储存lng，该方法同时要求天然气必须处于液体状态储存；保证天然气储存的密度不能过小，不影响储量。本技术选用温度-90～-100度，压力3.5～4mpa，当储存压力过大，导致储存lng的温度也会增大，当温度到达一定值，即使再增加压力，天然气也无法液化；当储存压力过小时，一方面会降低高压参与抵抗地层应力的有益效果，另一方面压力越小密度就越小，从而影响储量的大小。故本技术选取该范围作为储存条件。