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城市燃气调峰与储存问题的分析
摘 要：随着“西气东输”工程的启动，2003年西部天然气到达上海，2005年上海将要接收30亿立方米的天然气，大量的天然气进入城市以后，以及发电厂、化工工业等大用户的使用天然气，城市燃气的调峰问题日益突出。本文在2005年上海接收30亿立方米天然气的基础上，分析城市燃气的调峰。
作为党中央、国务院决定二十一世纪西部大开发战略决策的重要组成部分的“西气东输”工程，就是将经济欠发达的中西部地区天然气资源输往经济发达但资源紧缺的东部及沿海地区。随着“西气东输”工程的启动，2003年西部天然气到达上海，2005年上海将要接收30亿立方米的天然气。大量的天然气进入城市以后，势必造成天然气用户的急剧增加以及发电厂、化工工业、汽车等大用户的使用天然气，而城市各类燃气用户的用气情况是不均匀的，它随着月、日、时而变化，为了满足城市燃气用气负荷的月（季节）、日、时不均匀变化，因此在城市燃气规划中必须考虑调峰的问题。
城市燃气计算流量的确定
1-1天然气需求量
为便于分析城市燃气的调峰，本文以2005年上海市天然气的用气情况为例进行分析。根据“上海21世纪初城市燃气发展研究总课题报告”，2005年上海各类用户天然气的需求量约为30亿立方米，各类用户用气量如表１所示：
表１ 单位：亿立方米/年
年份 一般用户直供量 化工+CNG 发 电 煤气厂 2005 9.1 5.6 12.9 1.7
1-2 城市燃气的计算流量
城市各类燃气用户的用气情况是不均匀的，它随着月、日、时而变化的，因此燃气的年用气量是不能直接用来确定城市燃气管网、设备通过能力和储气设施的容积，燃气管网、设备通过能力和储气设施的容积应按照计算月的小时最大流量进行计算，城市燃气各类用户小时计算流量如表２所示：（本表考虑到燃气电厂夏季设备全开，冬季设备半开，全年平均运行4000小时的特性，故计算流量取夏季、冬季计算流量的最大值），夏季小时计算流量为74.3万立方米/小时，冬季小时计算流量为72.9万立方米/小时
表２ 单位：万立方米/小时
2005年 季节 年平均日用气量 月不均匀系数K1 计算月平均日用气量 日不均匀系数K2 计算日平均日用气量 小时不均匀系数K3 计算流量 一般用户 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 汽车 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 电厂 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 冬合计 72.94007 夏合计 74.28732
二、城市燃气的调峰
2-1 事故调峰
上游在向下游供气时，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。
2005年“西气东输”天然气事故时，东海天然气可增加供应量的20% ；LNG事故处理厂（5号沟）于2005年扩建，气化能力最大能够达到500万立方米/天；石洞口煤气厂于2005年经过改造后可生产代用天然气作为调峰气源，预计可达120万立方米/天左右。“西气东输”天然气事故调峰的计算如表3：
表3 单位：万立方米/天
缺 口 石洞口煤气厂 东 气 LNG事故处理厂（5号沟） 评 价 最大可维持天数 西气事故 -800 120 40 500 可解决 4天
从表3可看出，2005年“西气东输”天然气事故时，利用石洞口煤气厂，东海天然气和LNG事故处理厂（5号沟）的调峰气源，可基本解决事故工况时的供气平衡，但只能维持4天。届时需调整市内的供气系统，减少发电厂等大用户的供气量，以渡过事故处理期。
2-2 季节调峰
2005年，东海天然气扩大供应以及“西气东输”天然气的到达上海后，天然气的供应量急剧增加，随之而来的是大型天然气调峰电厂的介入，其夏季工作5个月，设备全开；冬季工作7个月，设备半开的工作特性使得城市天然气季节供气量相差很大。表4给出了各类用户在冬高峰月和夏高峰月时的用气情况。
表4 单位：亿立方米/月
一般用户直供量 化工+CNG汽车 发电 煤气厂 需求量合计 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%
从表4可看出，通过上游±20%的天然气供应波动，基本能满足高峰月天然气的用气需求。
2-3 日调峰
由于化工、发电的日用气量是均匀一致的，只是随着季节的不同而有所变化，而一般用户的日用气量是每天不同的，2005年上述三类用户的日用气量如图1所示：
图1 2005年上海市天然气日用气量
根据图1，2005年上海市城市燃气日高峰用气量及日调峰的计算如表5、表6所示：
表５ 单位：万立方米/天
一般用户直供量 化工+CNG汽车 发电 煤气厂 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 高峰日供气量计算表 单位：万立方米/天
最大日需求量 最小日需求量 上游日供气量 最大日用气时石洞口煤气厂增加供气量 最小日用气时增加去煤气厂改制量 2005夏2005冬 1139 1020 1080 59 60 996 779 855 84 84
从表６可看出，2005年夏（5~9月）上游日供气量1080万立方米/日，加上石洞口煤气厂59万立方米/日的机动气源，满足该季节高峰日用气。它与最小日用气量相差60万立方米/日，该部分天然气可进入煤气厂进行改制。
2005年冬（1～4月和10～12月）上游日供气量855万立方米/日，加上石洞口煤气厂84万立方米/日的机动气源，可满足该季节高峰日用气。它与最小日用气量相差84万立方米/日，该部分天然气可进入煤气厂进行改制。
在春节天然气用气特高峰阶段可利用LNG事故厂（５号沟）来参与日调峰。
2-4 小时调峰
城市各类燃气用户的小时用气工况均不相同，同一类用户小时用气工况差别也很大，因此存在着很大的小时不均匀性。一般地说，城市燃气的小时调峰问题可依靠储气设施或上游LNG调节其小时气化量来解决。小时调峰的计算如表7所示：
表7 小时调峰计算表 单位：万立方米
一般用户日高峰需求量 电厂日高峰需求量 所需储气量 高压球罐储气 管道储气 合计 2005夏 289 530 -352 30 317 -5 2005冬 410 265 -255 30 317 +92
2005年上海市城市燃气小时调峰所需储气量为352万立方米，可通过浦东北蔡现有的高压储罐和规划的高压管道储气来满足小时调峰的需求。管道储气量与高压管道的长度、运行压力、管道直径等因素有关，下面将进行详细分析。
三、城市燃气的的储存
城市燃气小时调峰问题一般均采用储气设施来储存一定量的燃气来解决。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，由于压力较高，为充分利用其压能，一般采用高压储气，下面对高压管道储气和高压球罐储气进行分析。
3-1 高压管道储气
城市燃气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平均供气量时，管道压力下降，以弥补供气量的不足。当城市燃气用气量小于平均供气量时，管道压力上升，以储存多余的燃气量。恰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。
高压管道储气计算公式：
式中：、-------分别为管道的几何体积、管道内气体平均温度；
-------气体在平均压力时的压缩系数；
-------气体在平均压力时的压缩系数；
------最高平均压力，即储气结束时管道内平均压力；
------最低平均压力，即储气开始时管道内平均压力；
------最高平均压力，即储气结束时管道内平均压力；
----管道起点最高压力，即储气结束时起点压力；
----管道终点最高压力，即储气结束时终点压力；
----管道起点最低压力，即储气开始时起点压力；
----管道终点最低压力，即储气开始时终点压力；
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，如图２～图
图2 管道长度与储气量关系曲线
图3 管道长度与储气量关系曲线
随着管道口径的增加，储气量大辐度增加。这是因为随着管道口径增加，增大，阻力损失减小，增大，增大，减小，减小，储气压差增大，因此管道储气量急剧增加；随着管道长度的增加，储气量随之增加，到达某一最大值后又逐渐减小。这是因为随着管道长度增加，增大，但阻力损失增大，储气压差减小，因此储气量先增加后逐渐减小。
图4 输气量与储气量关系曲线
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。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。从图４所示，起点压力由4.0Mpa提高到6.0Mpa，储气量增加一倍，输气能力增加50％左右。
3-2高压管道储气与高压球罐储气的比较
为便于对高压球罐储气和管道储气进行技术经济比较，作以下规定：
天然气管道运行压力6.0Mpa，输气能力为74.3万立方米/小时，长度为60公里；
高压球罐几何容积3500立方米，进口压力1.6Mpa，出口压力0.8Mpa，储气量约为2.5万立方米。
相同储气量，利用高压球罐储气和管道储气的钢材耗量和投资如下表：
名称 数量（公里或座） 总储气量（万立方米） 单位钢材耗量（吨） 钢材耗量（吨） 单 价（万元） 总 价（万元） DN700管道 60公里 4 227 13620 350 21000 DN1000管道 60公里 104 396 23760 450 27000 相对DN700管道增加量 100 10140 6000 高压球罐 40座 100 844 33760 800 32000
从上表可以看出，为保证74.3万立方米/小时的输气量，最小管径为DN700，当管径由DN700增加到DN1000时，其储气能力增加100万立方米，钢材耗量增加10140吨，投资增加6000万元。而建设相同储气量的储气设施，其钢材耗量33760吨，是管道储气３倍；投资约为32000万元，相对管道储气的6000万元，增加４倍多。
另外，利用高压管道储气可以节约大量的土地资源，高压、大口径的管道还为将来燃气的发展留有余地。
四、本文结论
2005年上海大规模引入“西气东输”天然气，通过扩建５号沟LNG事故处理厂的储存量与气化量，石洞口煤气厂改造成SNG生产厂，可解决城市燃气事故调峰、季节调峰和日调峰。小时调峰可通过增加6.0Mpa高压管道的直径和现存高压球罐解决。远期为满足各类用户用气量的增加和燃气气源的稳定性，应考虑建设LNG接收站，利用LNG接收站生产可调节性、高压球罐和高压管道储气来解决城市燃气小时调峰。
通过对高压管道储气和高压球罐储气比较，无论钢材耗量，还是投资费用，管道储气都优于高压球罐储气。远期可考虑适当建设高压球罐，以弥补高压管道储气的不稳定性。
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