管道天然气调度中的储存和调峰

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管道天然气调度中的储存和调峰：
摘要：大量的天然气进入城市，天然气月、季节需求性不均衡问题随着天然气的用量增大日益影响着城市燃气公司合理进行用户生产调度。调度人员应该协调上游长输管道和下游用户，做出相应的调峰措施。
绪论：随着“西气东输”等管道工程的相继运行，大量的天然气进入城市用户的使用范围。鉴于天然气安全、环保、价廉等特点，天然气用户逐渐增加，工业用户也开始大量使用天然气，但是各类天然气用户的用气情况是不均匀的，尤其是用气量大的工业用户，有着相应的生产周期，为了满足燃气用气负荷的季节、月、日的不均匀变化，以及适应工业用气的高峰和低谷的需要，在天然气生产调度中必须考虑管道的储存和调峰。
一、天然气管道系统的分类
+ B* P% Z8 E6 x目前，天然气的供应主要向管道输气方向发展，由长输管道的高压管道输配系统和城市管道输配系统组成。
“西气东输”工程的天然气管道采用高压输气技术，提供给下游各城市的天然气压力较传统压力有很大的提高。而随着城市天然气供应规模的扩大、用户的增多，原有城市管网的中、低压输配系统已经不能满足日常的调峰，因此，城市的天然气输配系统已经向多级压力级的配气系统发展，逐步形成城市外围一级高压天然气输气管道、城市二级中、低压天然气管道和高压球罐混合调峰系统，有利于满足不同用户的压力需求，同时降低城市内部输配管网的运行压力，增加管网气量调度能力等。目前国内一些大城市输配系统已经尝试采用多级系统，以保证满足用户的不均匀用气。
二、天然气用量的不均匀性
0 b2 j: }* Z8 C: V在城市燃气供应系统中城市用气量随着城市民用、工业等用户的用气特点，每月、每日、每时都在变化，高峰、低谷相差悬殊。另外还存在着发生突发事件所引起的用气短缺。为了解决用气不均衡的矛盾，城市必须建立储气设施。
' G& h, p" T- a' T1、生产周期的不均匀
城市天然气输配系统中用户的用气量，会随季节、行业的周期生产规模和设备、人们的日常生活习惯等因素发生波动。其中居民用气具有用气稳定，波动不大，用量较小的特点，易于预测和调节，只要合理配置少量储气设施，城市燃气公司能够自行处理日、时调峰。而工业用户则不同，用气量较大，在生产旺季的用气量往往是淡季的几倍以上，一般生产周期很难预测。如果仅仅靠城市燃气系统解决，这就需要很大的投资，而且闲置率过高。这关系到月、季度等长期的峰值调节，这是管道生产调度中首要考虑的。
" z( }4 z+ D. G9 z% w! t, `2、事故的不可预测
2 p3 c+ q# C$ ?长输管道在向城市天然气输配系统供气时，因管道、设备损坏以及无法抗拒的因素而引起的非正常停、限气，都将直接影响下游的供气可靠性，因此需考虑气源的事故调峰。
三、天然气的调峰和储存
8 m" a1 O0 E, d9 t1、城市天然气输配系统
( ^1 P8 [0 q& D2 ^" U0 d城市天然气输配系统中时、日调峰一般采用储气设施储存一定量的天然气来解决。储气设施根据储气压力的不同，可分为低压储气和高压储气，高压储气又可分为高压球罐储气、高压管束或高压管道储气和地下储气库储气。对于天然气来讲，由于上游长输管道的供给压力较高，为充分利用其压力，一般采用高压储气，包括管道和储罐存气，也就是通过城市的外围一级管网建设来调峰。
: H- B+ U3 ~; p' I% V4 e1）、高压管道储气
长输管道有一定的储气能力，可以补偿城市用气高峰用气量。
城市天然气输配系统中的用气量是不均匀的，它是随着时间变化的，当城市燃气用气量大于供气量时，管道压力下降，弥补供气量的不足。当城市燃气用气量小于供气量时，管道压力上升，储存多余的天然气量。当地选择管道的起终点压力的波动范围和管道直径，可使其具有一定的储气调峰能力。
  @1 u3 G$ F* O/ l" h2 ]高压管道储气计算公式：
( f% _, L1 E/ z' [1 UV=(Vg×To)/(Po×T)×(Pm1/Z1-Pm2/Z2)
! s: A5 a+ s; ^- O  tPm1=2/3×[P1max+P2max2/(P1max+ P2max)]
Pm2=2/3×[P1min +2/(P1min+ P2min)]
式中：Vg 、T分别为管道的几何体积、管道内气体平均温度；
Z1——指气体在平均压力Pm1时的压缩系数；
3 X/ d! V7 A3 h2 f* i* t9 EZ2——气体在平均压力Pm2时的压缩系数；
Pm1——最高平均压力，即储气结束时管道内平均压力；
Pm2——最低平均压力，即储气开始时管道内平均压力；
# U, j; s% @' F- x7 i! DPm1——最高平均压力，即储气结束时管道内平均压力；
) m9 d7 m! m) UP1max——管道起点最高压力，即储气结束时起点压力；
P2max——管道终点最高压力，即储气结束时终点压力；
P1min——管道起点最低压力，即储气开始时起点压力；
: d+ A" _' r# S, N1 ~P2min——管道终点最低压力，即储气开始时终点压力；
+ F) j, F' s" p2 ]; S$ z根据上述管道储气能力的计算公式，分别分析管道直径、管道长度、起点压力、终点压力对高压管道储气的影响：随着管道输气量的增加，储气量逐渐减小。这是因为输气量增加，阻力损失增大，储气压差减小，因此管道储气量逐渐减小。起点压力越高，口径越大，储气量就越大。因此，提高管道的运行压力，可以大大提高管道的储气能力以及输气能力。
2）、高压储罐储气
城市天然气输配系统中的用气量随着时间变化的，当城市燃气用气量大于供气量时，通过高压储罐来弥补供气量的不足。当城市燃气用气量小于供气量时，高压储罐储存多余的天然气量。恰当地确定高压储罐的进出口压力和几何容积，可使城市燃气系统本身具有一定的储气调峰能力。
7 q& t' ]  o8 l1 C高压储罐储气计算公式：
  }7 t: B: @. b0 ]1 YV=Vc(P-Pc)/Po
5 d3 t3 X1 {( j8 A# n6 S- r参数说明：V——储气罐的有效储气容积(m3)；
Vc——储气罐的几何容积(m3)；
P——最高工作压力(MPa)；
9 T8 D3 n6 o) ^Pc——储气罐最低允许压力(MPa)；
P0——大气压(MPa)。
9 }6 t  U7 Y6 c5 v7 v2、高压管道储气与高压球罐储气的比较
由于地上储罐需要占用城市土地，单位储量基建费用和其他储气方式相比又比较高，因此在国外的大城市中，特别是需要储气量很大的城市，已逐渐用其他方式，如地下储气库和管道储气代替。
目前，国内制造的高压球罐最大容积为5000立方米，如有进口钢材，可以加工制造1万立方米球罐。
天然气管道运行压力起始压力2.0Mpa，输出压力1.0Mpa，DN1000管道，长度为60公里，缓冲储存能力在40W方左右；
高压球罐几何容积1000立方米，进口压力1.6Mpa，出口压力0.8Mpa，储气量约为0.8万立方米。如果在城市输配管网中使用的话，可以降至0.2Mpa，也就是其调峰范围在1.4W方左右。
四、管道的调峰必要性和可行性
' }3 \8 a0 f0 ^( X; b; b: R5 l+ f城市天然气输配系统与气源、长输管线和城市管网供应方面的关系主要表现在城市门站的供气条件和调峰等方面。长输管线采用的高压管道可以参与城市日、时调峰，合理分配和调度可以实行对季度和月用气量的调峰。
  ?# o: g+ j) b8 b- S6 I1 S, {/ C1、长输管线的调峰能力
  ^: p* _% M8 Y& }* p在燃气输配系统中因为用户用气时刻波动，所以需要合理配置储气调峰设施，以保证不间断的、稳定的向用户供气，保证公司和用户的正常生产运营。
城市燃气输配系统中的日、时调峰如果有一定的储存设施可以由城市燃气公司自行解决，长输管线不参与解决城市供气短期调峰问题。一般日用量不超过10万Nm3的城市可建立1—2个100m3高压储罐就可以解决，但是对于用量上百万的城市就需要建立较大的储存设施。如天津大港油田利用油田的油气层结构，建设地下储气库。进行天然气加压反注采油储气，用于解决城市供气的季节调峰。
目前国内实现天然气供应的城市只能通过建设大量的高压球罐来解决城市用气的日、时调峰。季节调节只能依靠长输管线和控制大的工业用户的生产周期来调节。
季节调峰问题，大多数城市受条件(资金、环境等)所限无法自行解决，因此在市场经济的形势下，应依靠长输管线，合理处理好上下游的供应和提取的衔接，充分利用长输高压管线的能力，实现上、中、下游资源的合理配置，共同解决城市的供气压力和调峰。
2、长输管线参与城市日、时调峰
! \. Y4 k+ P5 U; w* F2 c+ m" H3 ~天然气供应需要形成管网，以便合理调度并形成连续、稳定、安全的供气保障。天然气供需预测表明，2010年前后，我国除开发利用国内天然气资源外，需进口管输天然气400亿立方米，到2020年进口量将大幅增加。为此需建设输气干线，构建大量支线供气管网，根据全国天然气输气管网的规划及建设计划，全国的天然气供应最终将形成区域化和网络化，长输干线不仅可以解决下游城市的季节性用气不均衡问题，而且为长输管线参与城市日、时调峰提供了可能。
4 [: d  Q2 q% C8 F. v$ x  ?3、随着城市燃气供应规模的扩大，各类用户的增多，输配系统往往需要采用三级系统(高压、中压、低压)及多级系统(超高压、高压、中压、低压)才能满足要求。采用三级以上压力级制有利于满足不同用户的压力需求，降低城市内部输配管网的运行压力，增加管网气量调度能力，提高储气的经济性等。来气压力一般不低于1.0MPa，对于多级系统，来气压力一般不低于2.5MPa，甚至可以高达5.0MPa以上。目前国外一些大城市输配系统普遍采用多级系统，超高压城市外环管网作为满足流量输送和部分储气的需要的手段而建设。而且超高压外环的压力级制和高压管网的压力级差一般较大。
3 w+ C3 W  `" J. {% z1 ]另外，在城市燃气供应系统中，必须解决供需平衡问题，做为城市上游长输管线一般解决城市季节不均衡和部分日用气不均衡，而城市小时用气不均衡目前主要通过城市自身解决。建设一定规模的储气设施是解决日、时不均衡的主要手段。目前常用的储气手段是高压球罐储气和城市高压外环储气等，主要依据上游长输管线输送压力来确定方案。
（1）、高压球罐对上游输送压力的要求
+ L$ T; @0 Q3 i( }" q, S压力(P)：1.0MPa
如压力低于1.0MPa，将降低球罐的有效利用率，增大储罐站的投资。
9 S3 y6 G8 }: `  ^4 L! f（2）、城市高压外环储气对上游输送压力的要求
压力一般不低于1.6MPa，最好高于3.0MPa。如果来气压力高于3.0MPa，采用高压外环储气比高压球罐具有明显的经济性。
( ^" D0 m7 b# A* @6 D0 Z所以上游来气压力对城市输配系统的影响很大，城市方面希望上游长输管线能提高输送压力。
) G0 D8 m4 ^, T/ C, |' N: c五、总结
" D* l" E9 w. s; k, J- P: r4 V; u% \1、西气东输等管道工程是近期国民经济发展的重点工程，在天然气的计划和提取中应作好上下游衔接，在一定的压力波动下，可以作为一个大型的储气设施，满足下游各城市的调峰需要。
2、长输管道供给量一般可以满足需求量，但是城市燃气系统应该有一定的储气设施建设，以弥补可预计的天然气供应和需求量之间产生的调峰波动、以及在长输管道抢维修的时候满足短期内做为一个气源供气。
, y" y3 w* Z, ?+ N6 J& H" d, A3、用户用气量是不均衡的，长输管道应满足城市的调峰需求。根据长输管道的供气能力和压力波动，参考用户的调峰气量，参与城市管网的日、时调峰，减少城市调峰设施的建设，合理调度，最优化利用资源。
4、为解决城市日、时调峰设施的建设时，上游管道输送压力宜为：对于一般中等城市，不宜低于1.6Mpa；对于采用多级系统的大城市或特大城市，不宜低于3.0Mpa；对于供应电厂用户的城市，不宜低于3.0MPa。
在城市燃气供应系统中，天然气的供应量是不断变化的，尤其是工业上的锅炉、电厂发电、直燃空调大量使用天然气时，将出现月不均匀、日不均匀性的用气规律。这种不均匀性肯定会引起天然的使用需求量的大幅度变化，产生用气的需求高峰期和用气低谷期，为了保证不间断地向用户供气，必须考虑供气和用气之间的平衡，这其中就必定需要处理好调峰的问题，不能单独依靠城市自身的储气系统，必须协调好与长输管道系统。利用其管道压力高，储气量大的特点，合理预测，适当安排，合理进行用户生产调度。从全局上把握，进行统筹和分配。使需求和生产能和谐统一。
% w7 t; N9 E& f$ X5、建立相应的调度系统
由于天然气需求及生产还存在着地域差异，因此，建立合适的资源调度系统对于平衡全局的天然气供需差异也将有益。西气东输工程的名字本身就说明了能源调度的一个概念。而各大天然气输送工程间的联络线工程建设，已促使我国天然气管网系统化向前迈进了一大步。
2 W' N- a% n& b6 F, V' \文章关键词： 管道；天然气；用气不均衡； 储存；调峰