摘要：大量的天然氣進(jìn)入城市，天然氣月、季節(jié)需求性不均衡問題隨著天然氣的用量增大日益影響著城市燃?xì)夤竞侠磉M(jìn)行用戶生產(chǎn)調(diào)度。調(diào)度人員應(yīng)該協(xié)調(diào)上游長輸管道和下游用戶，做出相應(yīng)的調(diào)峰措施。

關(guān)鍵詞：管道 用氣不均衡 儲存 調(diào)峰

緒論：隨著“西氣東輸”等管道工程的相繼運(yùn)行，大量的天然氣進(jìn)入城市用戶的使用范圍。鑒于天然氣安全、環(huán)保、價廉等特點，天然氣用戶逐漸增加，工業(yè)用戶也開始大量使用天然氣，但是各類天然氣用戶的用氣情況是不均勻的，尤其是用氣量大的工業(yè)用戶，有著相應(yīng)的生產(chǎn)周期，為了滿足燃?xì)庥脷庳?fù)荷的季節(jié)、月、日的不均勻變化，以及適應(yīng)工業(yè)用氣的高峰和低谷的需要，在天然氣生產(chǎn)調(diào)度中必須考慮管道的儲存和調(diào)峰。

一、天然氣管道系統(tǒng)的分類
    目前，天然氣的供應(yīng)主要向管道輸氣方向發(fā)展，由長輸管道的高壓管道輸配系統(tǒng)和城市管道輸配系統(tǒng)組成。
    “西氣東輸”工程的天然氣管道采用高壓輸氣技術(shù)，提供給下游各城市的天然氣壓力較傳統(tǒng)壓力有很大的提高。而隨著城市天然氣供應(yīng)規(guī)模的擴(kuò)大、用戶的增多，原有城市管網(wǎng)的中、低壓輸配系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日常的調(diào)峰，因此，城市的天然氣輸配系統(tǒng)已經(jīng)向多級壓力級的配氣系統(tǒng)發(fā)展，逐步形成城市外圍一級高壓天然氣輸氣管道、城市二級中、低壓天然氣管道和高壓球罐混合調(diào)峰系統(tǒng)，有利于滿足不同用戶的壓力需求，同時降低城市內(nèi)部輸配管網(wǎng)的運(yùn)行壓力，增加管網(wǎng)氣量調(diào)度能力等。目前國內(nèi)一些大城市輸配系統(tǒng)已經(jīng)嘗試采用多級系統(tǒng)，以保證滿足用戶的不均勻用氣。

二、天然氣用量的不均勻性
    在城市燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中城市用氣量隨著城市民用、工業(yè)等用戶的用氣特點，每月、每日、每時都在變化，高峰、低谷相差懸殊。另外還存在著發(fā)生突發(fā)事件所引起的用氣短缺。為了解決用氣不均衡的矛盾，城市必須建立儲氣設(shè)施。
    1、生產(chǎn)周期的不均勻
    城市天然氣輸配系統(tǒng)中用戶的用氣量，會隨季節(jié)、行業(yè)的周期生產(chǎn)規(guī)模和設(shè)備、人們的日常生活習(xí)慣等因素發(fā)生波動。其中居民用氣具有用氣穩(wěn)定，波動不大，用量較小的特點，易于預(yù)測和調(diào)節(jié)，只要合理配置少量儲氣設(shè)施，城市燃?xì)夤灸軌蜃孕刑幚砣铡r調(diào)峰。而工業(yè)用戶則不同，用氣量較大，在生產(chǎn)旺季的用氣量往往是淡季的幾倍以上，一般生產(chǎn)周期很難預(yù)測。如果僅僅靠城市燃?xì)庀到y(tǒng)解決，這就需要很大的投資，而且閑置率過高。這關(guān)系到月、季度等長期的峰值調(diào)節(jié)，這是管道生產(chǎn)調(diào)度中首要考慮的。
    2、事故的不可預(yù)測
    長輸管道在向城市天然氣輸配系統(tǒng)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、限氣，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。

三、天然氣的調(diào)峰和儲存
    1、城市天然氣輸配系統(tǒng)
    城市天然氣輸配系統(tǒng)中時、日調(diào)峰一般采用儲氣設(shè)施儲存一定量的天然氣來解決。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，由于上游長輸管道的供給壓力較高，為充分利用其壓力，一般采用高壓儲氣，包括管道和儲罐存氣，也就是通過城市的外圍一級管網(wǎng)建設(shè)來調(diào)峰。
    1.1、高壓管道儲氣
    長輸管道有一定的儲氣能力，可以補(bǔ)償城市用氣高峰用氣量。
    城市天然氣輸配系統(tǒng)中的用氣量是不均勻的，它是隨著時間變化的，當(dāng)城市燃?xì)庥脷饬看笥诠饬繒r，管道壓力下降，彌補(bǔ)供氣量的不足。當(dāng)城市燃?xì)庥脷饬啃∮诠饬繒r，管道壓力上升，儲存多余的天然氣量。當(dāng)?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：
    V=(Vg×To)/(Po×T)×(Pm1/Z1-Pm2/Z2)
    Pm1=2/3×[P1max+P2max2/(P1max+ P2max)]
    Pm2=2/3×[P1min +2/(P1min+ P2min)]
    式中：Vg 、T分別為管道的幾何體積、管道內(nèi)氣體平均溫度；
    Z1——指氣體在平均壓力Pm1時的壓縮系數(shù)；
    Z2——?dú)怏w在平均壓力Pm2時的壓縮系數(shù)；
    Pm1——最高平均壓力，即儲氣結(jié)束時管道內(nèi)平均壓力；
    Pm2——最低平均壓力，即儲氣開始時管道內(nèi)平均壓力；
    Pm1——最高平均壓力，即儲氣結(jié)束時管道內(nèi)平均壓力；
    P1max——管道起點最高壓力，即儲氣結(jié)束時起點壓力；
    P2max——管道終點最高壓力，即儲氣結(jié)束時終點壓力；
    P1min——管道起點最低壓力，即儲氣開始時起點壓力；
    P2min——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：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。因此，提高管道的運(yùn)行壓力，可以大大提高管道的儲氣能力以及輸氣能力。
    1.2、高壓儲罐儲氣
    城市天然氣輸配系統(tǒng)中的用氣量隨著時間變化的，當(dāng)城市燃?xì)庥脷饬看笥诠饬繒r，通過高壓儲罐來彌補(bǔ)供氣量的不足。當(dāng)城市燃?xì)庥脷饬啃∮诠饬繒r，高壓儲罐儲存多余的天然氣量。恰當(dāng)?shù)卮_定高壓儲罐的進(jìn)出口壓力和幾何容積，可使城市燃?xì)庀到y(tǒng)本身具有一定的儲氣調(diào)峰能力。
    高壓儲罐儲氣計算公式：
    V=Vc(P-Pc)/Po
    參數(shù)說明：V——儲氣罐的有效儲氣容積(m3)；
    Vc——儲氣罐的幾何容積(m3)；
    P——最高工作壓力(MPa)；
    Pc——儲氣罐最低允許壓力(MPa)；
    P0——大氣壓(MPa)。
    2、高壓管道儲氣與高壓球罐儲氣的比較
    由于地上儲罐需要占用城市土地，單位儲量基建費(fèi)用和其他儲氣方式相比又比較高，因此在國外的大城市中，特別是需要儲氣量很大的城市，已逐漸用其他方式，如地下儲氣庫和管道儲氣代替。
    目前，國內(nèi)制造的高壓球罐最大容積為5000立方米，如有進(jìn)口鋼材，可以加工制造1萬立方米球罐。
    天然氣管道運(yùn)行壓力起始壓力2.0Mpa，輸出壓力1.0Mpa，DN1000管道，長度為60公里，緩沖儲存能力在40W方左右；
    高壓球罐幾何容積1000立方米，進(jìn)口壓力1.6Mpa，出口壓力0.8Mpa，儲氣量約為0.8萬立方米。如果在城市輸配管網(wǎng)中使用的話，可以降至0.2Mpa，也就是其調(diào)峰范圍在1.4W方左右。

四、管道的調(diào)峰必要性和可行性
    城市天然氣輸配系統(tǒng)與氣源、長輸管線和城市管網(wǎng)供應(yīng)方面的關(guān)系主要表現(xiàn)在城市門站的供氣條件和調(diào)峰等方面。長輸管線采用的高壓管道可以參與城市日、時調(diào)峰，合理分配和調(diào)度可以實行對季度和月用氣量的調(diào)峰。
    1、長輸管線的調(diào)峰能力
    在燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中因為用戶用氣時刻波動，所以需要合理配置儲氣調(diào)峰設(shè)施，以保證不間斷的、穩(wěn)定的向用戶供氣，保證公司和用戶的正常生產(chǎn)運(yùn)營。
    城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中的日、時調(diào)峰如果有一定的儲存設(shè)施可以由城市燃?xì)夤咀孕薪鉀Q，長輸管線不參與解決城市供氣短期調(diào)峰問題。一般日用量不超過10萬Nm3的城市可建立1—2個100m3高壓儲罐就可以解決，但是對于用量上百萬的城市就需要建立較大的儲存設(shè)施。如天津大港油田利用油田的油氣層結(jié)構(gòu)，建設(shè)地下儲氣庫。進(jìn)行天然氣加壓反注采油儲氣，用于解決城市供氣的季節(jié)調(diào)峰。
    目前國內(nèi)實現(xiàn)天然氣供應(yīng)的城市只能通過建設(shè)大量的高壓球罐來解決城市用氣的日、時調(diào)峰。季節(jié)調(diào)節(jié)只能依靠長輸管線和控制大的工業(yè)用戶的生產(chǎn)周期來調(diào)節(jié)。
    季節(jié)調(diào)峰問題，大多數(shù)城市受條件(資金、環(huán)境等)所限無法自行解決，因此在市場經(jīng)濟(jì)的形勢下，應(yīng)依靠長輸管線，合理處理好上下游的供應(yīng)和提取的銜接，充分利用長輸高壓管線的能力，實現(xiàn)上、中、下游資源的合理配置，共同解決城市的供氣壓力和調(diào)峰。
    2、長輸管線參與城市日、時調(diào)峰
    天然氣供應(yīng)需要形成管網(wǎng)，以便合理調(diào)度并形成連續(xù)、穩(wěn)定、安全的供氣保障。天然氣供需預(yù)測表明，2010年前后，我國除開發(fā)利用國內(nèi)天然氣資源外，需進(jìn)口管輸天然氣400億立方米，到2020年進(jìn)口量將大幅增加。為此需建設(shè)輸氣干線，構(gòu)建大量支線供氣管網(wǎng)，根據(jù)全國天然氣輸氣管網(wǎng)的規(guī)劃及建設(shè)計劃，全國的天然氣供應(yīng)最終將形成區(qū)域化和網(wǎng)絡(luò)化，長輸干線不僅可以解決下游城市的季節(jié)性用氣不均衡問題，而且為長輸管線參與城市日、時調(diào)峰提供了可能。
    3、隨著城市燃?xì)夤?yīng)規(guī)模的擴(kuò)大，各類用戶的增多，輸配系統(tǒng)往往需要采用三級系統(tǒng)(高壓、中壓、低壓)及多級系統(tǒng)(超高壓、高壓、中壓、低壓)才能滿足要求。采用三級以上壓力級制有利于滿足不同用戶的壓力需求，降低城市內(nèi)部輸配管網(wǎng)的運(yùn)行壓力，增加管網(wǎng)氣量調(diào)度能力，提高儲氣的經(jīng)濟(jì)性等。來氣壓力一般不低于1.0MPa，對于多級系統(tǒng)，來氣壓力一般不低于2.5MPa，甚至可以高達(dá)5.0MPa以上。目前國外一些大城市輸配系統(tǒng)普遍采用多級系統(tǒng)，超高壓城市外環(huán)管網(wǎng)作為滿足流量輸送和部分儲氣的需要的手段而建設(shè)。而且超高壓外環(huán)的壓力級制和高壓管網(wǎng)的壓力級差一般較大。
    另外，在城市燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中，必須解決供需平衡問題，做為城市上游長輸管線一般解決城市季節(jié)不均衡和部分日用氣不均衡，而城市小時用氣不均衡目前主要通過城市自身解決。建設(shè)一定規(guī)模的儲氣設(shè)施是解決日、時不均衡的主要手段。目前常用的儲氣手段是高壓球罐儲氣和城市高壓外環(huán)儲氣等，主要依據(jù)上游長輸管線輸送壓力來確定方案。
    3.1、高壓球罐對上游輸送壓力的要求
    壓力(P)：1.0MPa<P<1.6MPa
    如壓力低于1.0MPa，將降低球罐的有效利用率，增大儲罐站的投資。
    3.2、城市高壓外環(huán)儲氣對上游輸送壓力的要求
    壓力一般不低于1.6MPa，最好高于3.0MPa。如果來氣壓力高于3.0MPa，采用高壓外環(huán)儲氣比高壓球罐具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。
    所以上游來氣壓力對城市輸配系統(tǒng)的影響很大，城市方面希望上游長輸管線能提高輸送壓力。

五、總結(jié)
    1、西氣東輸?shù)裙艿拦こ淌墙趪窠?jīng)濟(jì)發(fā)展的重點工程，在天然氣的計劃和提取中應(yīng)作好上下游銜接，在一定的壓力波動下，可以作為一個大型的儲氣設(shè)施，滿足下游各城市的調(diào)峰需要。
    2、長輸管道供給量一般可以滿足需求量，但是城市燃?xì)庀到y(tǒng)應(yīng)該有一定的儲氣設(shè)施建設(shè)，以彌補(bǔ)可預(yù)計的天然氣供應(yīng)和需求量之間產(chǎn)生的調(diào)峰波動、以及在長輸管道搶維修的時候滿足短期內(nèi)做為一個氣源供氣。
    3、用戶用氣量是不均衡的，長輸管道應(yīng)滿足城市的調(diào)峰需求。根據(jù)長輸管道的供氣能力和壓力波動，參考用戶的調(diào)峰氣量，參與城市管網(wǎng)的日、時調(diào)峰，減少城市調(diào)峰設(shè)施的建設(shè)，合理調(diào)度，最優(yōu)化利用資源。
    4、為解決城市日、時調(diào)峰設(shè)施的建設(shè)時，上游管道輸送壓力宜為：對于一般中等城市，不宜低于1.6Mpa；對于采用多級系統(tǒng)的大城市或特大城市，不宜低于3.0Mpa；對于供應(yīng)電廠用戶的城市，不宜低于3.0MPa。
    在城市燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中，天然氣的供應(yīng)量是不斷變化的，尤其是工業(yè)上的鍋爐、電廠發(fā)電、直燃空調(diào)大量使用天然氣時，將出現(xiàn)月不均勻、日不均勻性的用氣規(guī)律。這種不均勻性肯定會引起天然的使用需求量的大幅度變化，產(chǎn)生用氣的需求高峰期和用氣低谷期，為了保證不間斷地向用戶供氣，必須考慮供氣和用氣之間的平衡，這其中就必定需要處理好調(diào)峰的問題，不能單獨(dú)依靠城市自身的儲氣系統(tǒng)，必須協(xié)調(diào)好與長輸管道系統(tǒng)。利用其管道壓力高，儲氣量大的特點，合理預(yù)測，適當(dāng)安排，合理進(jìn)行用戶生產(chǎn)調(diào)度。從全局上把握，進(jìn)行統(tǒng)籌和分配。使需求和生產(chǎn)能和諧統(tǒng)一。
    5、建立相應(yīng)的調(diào)度系統(tǒng)
    由于天然氣需求及生產(chǎn)還存在著地域差異，因此，建立合適的資源調(diào)度系統(tǒng)對于平衡全局的天然氣供需差異也將有益。西氣東輸工程的名字本身就說明了能源調(diào)度的一個概念。而各大天然氣輸送工程間的聯(lián)絡(luò)線工程建設(shè)，已促使我國天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)化向前邁進(jìn)了一大步。