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城市燃氣調(diào)峰與儲存問題的分析
摘 要：隨著“西氣東輸”工程的啟動，2003年西部天然氣到達上海，2005年上海將要接收30億立方米的天然氣，大量的天然氣進入城市以后，以及發(fā)電廠、化工工業(yè)等大用戶的使用天然氣，城市燃氣的調(diào)峰問題日益突出。本文在2005年上海接收30億立方米天然氣的基礎(chǔ)上，分析城市燃氣的調(diào)峰。
作為黨中央、國務(wù)院決定二十一世紀西部大開發(fā)戰(zhàn)略決策的重要組成部分的“西氣東輸”工程，就是將經(jīng)濟欠發(fā)達的中西部地區(qū)天然氣資源輸往經(jīng)濟發(fā)達但資源緊缺的東部及沿海地區(qū)。隨著“西氣東輸”工程的啟動，2003年西部天然氣到達上海，2005年上海將要接收30億立方米的天然氣。大量的天然氣進入城市以后，勢必造成天然氣用戶的急劇增加以及發(fā)電廠、化工工業(yè)、汽車等大用戶的使用天然氣，而城市各類燃氣用戶的用氣情況是不均勻的，它隨著月、日、時而變化，為了滿足城市燃氣用氣負荷的月（季節(jié)）、日、時不均勻變化，因此在城市燃氣規(guī)劃中必須考慮調(diào)峰的問題。
城市燃氣計算流量的確定
1-1天然氣需求量
為便于分析城市燃氣的調(diào)峰，本文以2005年上海市天然氣的用氣情況為例進行分析。根據(jù)“上海21世紀初城市燃氣發(fā)展研究總課題報告”，2005年上海各類用戶天然氣的需求量約為30億立方米，各類用戶用氣量如表１所示：
表１ 單位：億立方米/年
年份 一般用戶直供量 化工+CNG 發(fā) 電 煤氣廠 2005 9.1 5.6 12.9 1.7
1-2 城市燃氣的計算流量
城市各類燃氣用戶的用氣情況是不均勻的，它隨著月、日、時而變化的，因此燃氣的年用氣量是不能直接用來確定城市燃氣管網(wǎng)、設(shè)備通過能力和儲氣設(shè)施的容積，燃氣管網(wǎng)、設(shè)備通過能力和儲氣設(shè)施的容積應(yīng)按照計算月的小時最大流量進行計算，城市燃氣各類用戶小時計算流量如表２所示：（本表考慮到燃氣電廠夏季設(shè)備全開，冬季設(shè)備半開，全年平均運行4000小時的特性，故計算流量取夏季、冬季計算流量的最大值），夏季小時計算流量為74.3萬立方米/小時，冬季小時計算流量為72.9萬立方米/小時
表２ 單位：萬立方米/小時
2005年 季節(jié) 年平均日用氣量 月不均勻系數(shù)K1 計算月平均日用氣量 日不均勻系數(shù)K2 計算日平均日用氣量 小時不均勻系數(shù)K3 計算流量 一般用戶 冬季 249 1.27 316.2 1.22 385.8 2.7 43.4 夏季 249 0.91 226.6 0.89 201.7 2.7 22.7 化工 冬季 119 1.05 125.0 1.0 125.0 1.0 5.2 夏季 119 1.05 125.0 1.0 125.0 1.0 5.2 汽車 冬季 33 1 33 1.1 36.3 1.5 2.26875 夏季 33 1 33 1.1 36.3 1.5 2.26875 電廠 冬季 353 0.75 264.75 1 264.75 2 22.0625 夏季 353 1.5 529.5 1 529.5 2 44.125 冬合計 72.94007 夏合計 74.28732
二、城市燃氣的調(diào)峰
2-1 事故調(diào)峰
上游在向下游供氣時，因管道、設(shè)備損壞以及無法抗拒的因素而引起的非正常停氣，都將直接影響下游的供氣可靠性，因此需考慮氣源的事故調(diào)峰。
2005年“西氣東輸”天然氣事故時，東海天然氣可增加供應(yīng)量的20% ；LNG事故處理廠（5號溝）于2005年擴建，氣化能力最大能夠達到500萬立方米/天；石洞口煤氣廠于2005年經(jīng)過改造后可生產(chǎn)代用天然氣作為調(diào)峰氣源，預(yù)計可達120萬立方米/天左右�！拔鳉鈻|輸”天然氣事故調(diào)峰的計算如表3：
表3 單位：萬立方米/天
缺 口 石洞口煤氣廠 東 氣 LNG事故處理廠（5號溝） 評 價 最大可維持天數(shù) 西氣事故 -800 120 40 500 可解決 4天
從表3可看出，2005年“西氣東輸”天然氣事故時，利用石洞口煤氣廠，東海天然氣和LNG事故處理廠（5號溝）的調(diào)峰氣源，可基本解決事故工況時的供氣平衡，但只能維持4天。屆時需調(diào)整市內(nèi)的供氣系統(tǒng)，減少發(fā)電廠等大用戶的供氣量，以渡過事故處理期。
2-2 季節(jié)調(diào)峰
2005年，東海天然氣擴大供應(yīng)以及“西氣東輸”天然氣的到達上海后，天然氣的供應(yīng)量急劇增加，隨之而來的是大型天然氣調(diào)峰電廠的介入，其夏季工作5個月，設(shè)備全開；冬季工作7個月，設(shè)備半開的工作特性使得城市天然氣季節(jié)供氣量相差很大。表4給出了各類用戶在冬高峰月和夏高峰月時的用氣情況。
表4 單位：億立方米/月
一般用戶直供量 化工+CNG汽車 發(fā)電 煤氣廠 需求量合計 高峰月/平均月×100% 2005 平均月 0.75 0.47 1.08 0.51 2.81 夏高峰月 0.68 1.61 0.51 3.27 116% 冬高峰月 0.96 0.8 0.51 2.74 97%
從表4可看出，通過上游±20%的天然氣供應(yīng)波動，基本能滿足高峰月天然氣的用氣需求。
2-3 日調(diào)峰
由于化工、發(fā)電的日用氣量是均勻一致的，只是隨著季節(jié)的不同而有所變化，而一般用戶的日用氣量是每天不同的，2005年上述三類用戶的日用氣量如圖1所示：
圖1 2005年上海市天然氣日用氣量
根據(jù)圖1，2005年上海市城市燃氣日高峰用氣量及日調(diào)峰的計算如表5、表6所示：
表５ 單位：萬立方米/天
一般用戶直供量 化工+CNG汽車 發(fā)電 煤氣廠 需求量 2005 平均日 249 153 353 167 922 夏高峰日 289 530 167 1139 冬高峰日 410 265 167 995
表６ 高峰日供氣量計算表 單位：萬立方米/天
最大日需求量 最小日需求量 上游日供氣量 最大日用氣時石洞口煤氣廠增加供氣量 最小日用氣時增加去煤氣廠改制量 2005夏2005冬 1139 1020 1080 59 60 996 779 855 84 84
從表６可看出，2005年夏（5~9月）上游日供氣量1080萬立方米/日，加上石洞口煤氣廠59萬立方米/日的機動氣源，滿足該季節(jié)高峰日用氣。它與最小日用氣量相差60萬立方米/日，該部分天然氣可進入煤氣廠進行改制。
2005年冬（1～4月和10～12月）上游日供氣量855萬立方米/日，加上石洞口煤氣廠84萬立方米/日的機動氣源，可滿足該季節(jié)高峰日用氣。它與最小日用氣量相差84萬立方米/日，該部分天然氣可進入煤氣廠進行改制。
在春節(jié)天然氣用氣特高峰階段可利用LNG事故廠（５號溝）來參與日調(diào)峰。
2-4 小時調(diào)峰
城市各類燃氣用戶的小時用氣工況均不相同，同一類用戶小時用氣工況差別也很大，因此存在著很大的小時不均勻性。一般地說，城市燃氣的小時調(diào)峰問題可依靠儲氣設(shè)施或上游LNG調(diào)節(jié)其小時氣化量來解決。小時調(diào)峰的計算如表7所示：
表7 小時調(diào)峰計算表 單位：萬立方米
一般用戶日高峰需求量 電廠日高峰需求量 所需儲氣量 高壓球罐儲氣 管道儲氣 合計 2005夏 289 530 -352 30 317 -5 2005冬 410 265 -255 30 317 +92
2005年上海市城市燃氣小時調(diào)峰所需儲氣量為352萬立方米，可通過浦東北蔡現(xiàn)有的高壓儲罐和規(guī)劃的高壓管道儲氣來滿足小時調(diào)峰的需求。管道儲氣量與高壓管道的長度、運行壓力、管道直徑等因素有關(guān)，下面將進行詳細分析。
三、城市燃氣的的儲存
城市燃氣小時調(diào)峰問題一般均采用儲氣設(shè)施來儲存一定量的燃氣來解決。儲氣設(shè)施根據(jù)儲氣壓力的不同，可分為低壓儲氣和高壓儲氣，高壓儲氣又可分為高壓球罐儲氣、高壓管束或高壓管道儲氣和地下儲氣庫儲氣。對于天然氣來講，由于壓力較高，為充分利用其壓能，一般采用高壓儲氣，下面對高壓管道儲氣和高壓球罐儲氣進行分析。
3-1 高壓管道儲氣
城市燃氣的用氣量是不均勻的，它是隨著時間變化的，當城市燃氣用氣量大于平均供氣量時，管道壓力下降，以彌補供氣量的不足。當城市燃氣用氣量小于平均供氣量時，管道壓力上升，以儲存多余的燃氣量。恰當?shù)剡x擇管道的起終點壓力的波動范圍和管道直徑，可使其具有一定的儲氣調(diào)峰能力。
高壓管道儲氣計算公式：
式中：、-------分別為管道的幾何體積、管道內(nèi)氣體平均溫度；
-------氣體在平均壓力時的壓縮系數(shù)；
-------氣體在平均壓力時的壓縮系數(shù)；
------最高平均壓力，即儲氣結(jié)束時管道內(nèi)平均壓力；
------最低平均壓力，即儲氣開始時管道內(nèi)平均壓力；
------最高平均壓力，即儲氣結(jié)束時管道內(nèi)平均壓力；
----管道起點最高壓力，即儲氣結(jié)束時起點壓力；
----管道終點最高壓力，即儲氣結(jié)束時終點壓力；
----管道起點最低壓力，即儲氣開始時起點壓力；
----管道終點最低壓力，即儲氣開始時終點壓力；
根據(jù)上述管道儲氣能力的計算公式，分別分析管道直徑、管道長度、起點壓力、終點壓力對高壓管道儲氣的影響，如圖２～圖
圖2 管道長度與儲氣量關(guān)系曲線
圖3 管道長度與儲氣量關(guān)系曲線
隨著管道口徑的增加，儲氣量大輻度增加。這是因為隨著管道口徑增加，增大，阻力損失減小，增大，增大，減小，減小，儲氣壓差增大，因此管道儲氣量急劇增加；隨著管道長度的增加，儲氣量隨之增加，到達某一最大值后又逐漸減小。這是因為隨著管道長度增加，增大，但阻力損失增大，儲氣壓差減小，因此儲氣量先增加后逐漸減小。
圖4 輸氣量與儲氣量關(guān)系曲線
隨著管道輸氣量的增加，儲氣量逐漸減小。這是因為輸氣量增加，阻力損失增大，儲氣壓差減小，因此管道儲氣量逐漸減小。起點壓力越高，口徑越大，儲氣量就越大。提高管道的運行壓力，可以大大提高管道的儲氣能力以及輸氣能力。從圖４所示，起點壓力由4.0Mpa提高到6.0Mpa，儲氣量增加一倍，輸氣能力增加50％左右。
3-2高壓管道儲氣與高壓球罐儲氣的比較
為便于對高壓球罐儲氣和管道儲氣進行技術(shù)經(jīng)濟比較，作以下規(guī)定：
天然氣管道運行壓力6.0Mpa，輸氣能力為74.3萬立方米/小時，長度為60公里；
高壓球罐幾何容積3500立方米，進口壓力1.6Mpa，出口壓力0.8Mpa，儲氣量約為2.5萬立方米。
相同儲氣量，利用高壓球罐儲氣和管道儲氣的鋼材耗量和投資如下表：
名稱 數(shù)量（公里或座） 總儲氣量（萬立方米） 單位鋼材耗量（噸） 鋼材耗量（噸） 單 價（萬元） 總 價（萬元） DN700管道 60公里 4 227 13620 350 21000 DN1000管道 60公里 104 396 23760 450 27000 相對DN700管道增加量 100 10140 6000 高壓球罐 40座 100 844 33760 800 32000
從上表可以看出，為保證74.3萬立方米/小時的輸氣量，最小管徑為DN700，當管徑由DN700增加到DN1000時，其儲氣能力增加100萬立方米，鋼材耗量增加10140噸，投資增加6000萬元。而建設(shè)相同儲氣量的儲氣設(shè)施，其鋼材耗量33760噸，是管道儲氣３倍；投資約為32000萬元，相對管道儲氣的6000萬元，增加４倍多。
另外，利用高壓管道儲氣可以節(jié)約大量的土地資源，高壓、大口徑的管道還為將來燃氣的發(fā)展留有余地。
四、本文結(jié)論
2005年上海大規(guī)模引入“西氣東輸”天然氣，通過擴建５號溝LNG事故處理廠的儲存量與氣化量，石洞口煤氣廠改造成SNG生產(chǎn)廠，可解決城市燃氣事故調(diào)峰、季節(jié)調(diào)峰和日調(diào)峰。小時調(diào)峰可通過增加6.0Mpa高壓管道的直徑和現(xiàn)存高壓球罐解決。遠期為滿足各類用戶用氣量的增加和燃氣氣源的穩(wěn)定性，應(yīng)考慮建設(shè)LNG接收站，利用LNG接收站生產(chǎn)可調(diào)節(jié)性、高壓球罐和高壓管道儲氣來解決城市燃氣小時調(diào)峰。
通過對高壓管道儲氣和高壓球罐儲氣比較，無論鋼材耗量，還是投資費用，管道儲氣都優(yōu)于高壓球罐儲氣。遠期可考慮適當建設(shè)高壓球罐，以彌補高壓管道儲氣的不穩(wěn)定性。
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