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上，分析城市燃氣的調峰。
作為黨中央、國務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，就是將經濟欠發(fā)達的中西部地區(qū)天然氣資源輸往經濟發(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“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20059.15.612.91.7
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、設備通過能力和儲氣設施的容積，燃氣管網、設備通過能力和儲氣設施的容積應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備全開，冬季設備半開，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2491.27316.21.22385.82.743.4夏季2490.91226.60.89201.72.722.7化工冬季1191.05125.01.0125.01.05.2夏季1191.05125.01.0125.01.05.2汽車冬季331331.136.31.52.26875夏季331331.136.31.52.26875電廠冬季3530.75264.751264.75222.0625夏季3531.5529.51529.5244.125 冬合計72.94007夏合計74.28732
二、城市燃氣的調峰
2-1 事故調峰
上游在向下游供氣時，因管道、設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峰。
2005年“西氣東輸”天然氣事故時，東海天然氣可增加供應量的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年經過改造后可生產代用天然氣作為調峰氣源，預計可達120萬立方米/天左右。“西氣東輸”天然氣事故調峰的計算如表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-80012040500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。屆時需調整市內的供氣系統(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)調峰
2005年，東海天然氣擴大供應以及“西氣東輸”天然氣的到達上海后，天然氣的供應量急劇增加，隨之而來的是大型天然氣調峰電廠的介入，其夏季工作5個月，設備全開；冬季工作7個月，設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0.750.471.080.512.81 夏高峰月0.681.610.513.27116%冬高峰月0.960.80.512.7497%
從表4可看出，通過上游±20%的天然氣供應波動，基本能滿足高峰月天然氣的用氣需求。
2-3 日調峰
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
根據圖1，2005年上海市城市燃氣日高峰用氣量及日調峰的計算如表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249153353167922夏高峰日2895301671139冬高峰日410265167995
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11391020108059609967798558484
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。
論文城市燃氣調峰與儲存問題的分析來自
在春節(jié)天然氣用氣特高峰階段可利用LNG事故廠（５號溝）來參與日調峰。
2-4 小時調峰
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，城市燃氣的小時調峰問題可依靠儲氣設施或上游LNG調節(jié)其小時氣化量來解決。小時調峰的計算如表7所示：
表7 小時調峰計算表 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289530-35230317-52005冬410265-25530317+92
2005年上海市城市燃氣小時調峰所需儲氣量為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，下面將進行詳細分析。
三、城市燃氣的的儲存
城市燃氣小時調峰問題一般均采用儲氣設施來儲存一定量的燃氣來解決。儲氣設施根據儲氣壓力的不同，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，即儲氣結束時管道內平均壓力；
------最低平均壓力，即儲氣開始時管道內平均壓力；
------最高平均壓力，即儲氣結束時管道內平均壓力；
----管道起點最高壓力，即儲氣結束時起點壓力；
----管道終點最高壓力，即儲氣結束時終點壓力；
----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系曲線
圖3 管道長度與儲氣量關系曲線
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經濟比較，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42271362035021000DN1000管道60公里1043962376045027000相對DN700管道增加量 100 10140 6000高壓球罐40座1008443376080032000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。而建設相同儲氣量的儲氣設施，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生產廠，可解決城市燃氣事故調峰、季節(jié)調峰和日調峰。小時調峰可通過增加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，應考慮建設LNG接收站，利用LNG接收站生產可調節(jié)性、高壓球罐和高壓管道儲氣來解決城市燃氣小時調峰。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高壓球罐，以彌補高壓管道儲氣的不穩(wěn)定性。
作為黨中央、國務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，就是將經濟欠發(fā)達的中西部地區(qū)天然氣資源輸往經濟發(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“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20059.15.612.91.7
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、設備通過能力和儲氣設施的容積，燃氣管網、設備通過能力和儲氣設施的容積應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備全開，冬季設備半開，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2491.27316.21.22385.82.743.4夏季2490.91226.60.89201.72.722.7化工冬季1191.05125.01.0125.01.05.2夏季1191.05125.01.0125.01.05.2汽車冬季331331.136.31.52.26875夏季331331.136.31.52.26875電廠冬季3530.75264.751264.75222.0625夏季3531.5529.51529.5244.125 冬合計72.94007夏合計74.28732
二、城市燃氣的調峰
2-1 事故調峰
上游在向下游供氣時，因管道、設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峰。
2005年“西氣東輸”天然氣事故時，東海天然氣可增加供應量的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年經過改造后可生產代用天然氣作為調峰氣源，預計可達120萬立方米/天左右。“西氣東輸”天然氣事故調峰的計算如表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-80012040500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。屆時需調整市內的供氣系統(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)調峰
2005年，東海天然氣擴大供應以及“西氣東輸”天然氣的到達上海后，天然氣的供應量急劇增加，隨之而來的是大型天然氣調峰電廠的介入，其夏季工作5個月，設備全開；冬季工作7個月，設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0.750.471.080.512.81 夏高峰月0.681.610.513.27116%冬高峰月0.960.80.512.7497%
從表4可看出，通過上游±20%的天然氣供應波動，基本能滿足高峰月天然氣的用氣需求。
2-3 日調峰
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
根據圖1，2005年上海市城市燃氣日高峰用氣量及日調峰的計算如表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249153353167922夏高峰日2895301671139冬高峰日410265167995
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11391020108059609967798558484
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。
論文城市燃氣調峰與儲存問題的分析來自
在春節(jié)天然氣用氣特高峰階段可利用LNG事故廠（５號溝）來參與日調峰。
2-4 小時調峰
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，城市燃氣的小時調峰問題可依靠儲氣設施或上游LNG調節(jié)其小時氣化量來解決。小時調峰的計算如表7所示：
表7 小時調峰計算表 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289530-35230317-52005冬410265-25530317+92
2005年上海市城市燃氣小時調峰所需儲氣量為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，下面將進行詳細分析。
三、城市燃氣的的儲存
城市燃氣小時調峰問題一般均采用儲氣設施來儲存一定量的燃氣來解決。儲氣設施根據儲氣壓力的不同，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，即儲氣結束時管道內平均壓力；
------最低平均壓力，即儲氣開始時管道內平均壓力；
------最高平均壓力，即儲氣結束時管道內平均壓力；
----管道起點最高壓力，即儲氣結束時起點壓力；
----管道終點最高壓力，即儲氣結束時終點壓力；
----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系曲線
圖3 管道長度與儲氣量關系曲線
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經濟比較，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42271362035021000DN1000管道60公里1043962376045027000相對DN700管道增加量 100 10140 6000高壓球罐40座1008443376080032000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。而建設相同儲氣量的儲氣設施，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生產廠，可解決城市燃氣事故調峰、季節(jié)調峰和日調峰。小時調峰可通過增加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，應考慮建設LNG接收站，利用LNG接收站生產可調節(jié)性、高壓球罐和高壓管道儲氣來解決城市燃氣小時調峰。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高壓球罐，以彌補高壓管道儲氣的不穩(wěn)定性。
