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城市燃?xì)庹{(diào)峰與儲(chǔ)存問(wèn)題的分析
城市燃?xì)庹{(diào)峰與儲(chǔ)存問(wèn)題的分析 摘 要：隨著“西氣東輸”工程的啟動(dòng)，2003年西部天然氣到達(dá)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(jìn)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?xì)獾恼{(diào)峰問(wèn)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?xì)獾恼{(diào)峰。 作為黨中央、國(guó)務(wù)院決定二十一世紀(jì)西部大開(kāi)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(jì)欠發(fā)達(dá)的中西部地區(qū)天然氣資源輸往經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(dòng)，2003年西部天然氣到達(dá)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(jìn)入城市以后，勢(shì)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(chē)等大用戶的使用天然氣，而城市各類(lèi)燃?xì)庥脩舻挠脷馇闆r是不均勻的，它隨著月、日、時(shí)而變化，為了滿足城市燃?xì)庥脷庳?fù)荷的月（季節(jié)）、日、時(shí)不均勻變化，因此在城市燃?xì)庖?guī)劃中必須考慮調(diào)峰的問(wèn)題。 城市燃?xì)庥?jì)算流量的確定 1-1天然氣需求量 為便于分析城市燃?xì)獾恼{(diào)峰，本文以2005年上海市天然氣的用氣情況為例進(jìn)行分析。根據(jù)“上海21世紀(jì)初城市燃?xì)獍l(fā)展研究總課題報(bào)告”，2005年上海各類(lèi)用戶天然氣的需求量約為30億立方米，各類(lèi)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?xì)獾挠?jì)算流量 城市各類(lèi)燃?xì)庥脩舻挠脷馇闆r是不均勻的，它隨著月、日、時(shí)而變化的，因此燃?xì)獾哪暧脷饬渴遣荒苤苯佑脕?lái)確定城市燃?xì)夤芫W(wǎng)、設(shè)備通過(guò)能力和儲(chǔ)氣設(shè)施的容積，燃?xì)夤芫W(wǎng)、設(shè)備通過(guò)能力和儲(chǔ)氣設(shè)施的容積應(yīng)按照計(jì)算月的小時(shí)最大流量進(jìn)行計(jì)算，城市燃?xì)飧黝?lèi)用戶小時(shí)計(jì)算流量如表２所示：（本表考慮到燃?xì)怆姀S夏季設(shè)備全開(kāi)，冬季設(shè)備半開(kāi)，全年平均運(yùn)行4000小時(shí)的特性，故計(jì)算流量取夏季、冬季計(jì)算流量的最大值），夏季小時(shí)計(jì)算流量為74.3萬(wàn)立方米/小時(shí)，冬季小時(shí)計(jì)算流量為72.9萬(wàn)立方米/小時(shí) 表２ 單位：萬(wàn)立方米/小時(shí) 2005年季節(jié)年平均日用氣量月不均勻系數(shù)K1計(jì)算月平均日用氣量日不均勻系數(shù)K2計(jì)算日平均日用氣量小時(shí)不均勻系數(shù)K3計(jì)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(chē)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(jì)72.94007夏合計(jì)74.28732 二、城市燃?xì)獾恼{(diào)峰 2-1 事故調(diào)峰 上游在向下游供氣時(shí)，因管道、設(shè)備損壞以及無(wú)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(shí)，東海天然氣可增加供應(yīng)量的20% ；LNG事故處理廠（5號(hào)溝）于2005年擴(kuò)建，氣化能力最大能夠達(dá)到500萬(wàn)立方米/天；石洞口煤氣廠于2005年經(jīng)過(guò)改造后可生產(chǎn)代用天然氣作為調(diào)峰氣源，預(yù)計(jì)可達(dá)120萬(wàn)立方米/天左右�！拔鳉鈻|輸”天然氣事故調(diào)峰的計(jì)算如表3： 表3 單位：萬(wàn)立方米/天 缺 口石洞口煤氣廠東 氣LNG事故處理廠（5號(hào)溝）評(píng) 價(jià)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(shí)，利用石洞口煤氣廠，東海天然氣和LNG事故處理廠（5號(hào)溝）的調(diào)峰氣源，可基本解決事故工況時(shí)的供氣平衡，但只能維持4天。屆時(shí)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(guò)事故處理期。 2-2 季節(jié)調(diào)峰 2005年，東海天然氣擴(kuò)大供應(yīng)以及“西氣東輸”天然氣的到達(dá)上海后，天然氣的供應(yīng)量急劇增加，隨之而來(lái)的是大型天然氣調(diào)峰電廠的介入，其夏季工作5個(gè)月，設(shè)備全開(kāi)；冬季工作7個(gè)月，設(shè)備半開(kāi)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(lèi)用戶在冬高峰月和夏高峰月時(shí)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(chē)發(fā)電煤氣廠需求量合計(jì)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(guò)上游±20%的天然氣供應(yīng)波動(dòng)，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(lèi)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?xì)馊崭叻逵脷饬考叭照{(diào)峰的計(jì)算如表5、表6所示： 表５ 單位：萬(wàn)立方米/天 一般用戶直供量化工+CNG汽車(chē)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(jì)算表 單位：萬(wàn)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(shí)石洞口煤氣廠增加供氣量最小日用氣時(shí)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(wàn)立方米/日，加上石洞口煤氣廠59萬(wàn)立方米/日的機(jī)動(dòng)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(wàn)立方米/日，該部分天然氣可進(jìn)入煤氣廠進(jìn)行改制。 2005年冬（1～4月和10～12月）上游日供氣量855萬(wàn)立方米/日，加上石洞口煤氣廠84萬(wàn)立方米/日的機(jī)動(dòng)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(wàn)立方米/日，該部分天然氣可進(jìn)入煤氣廠進(jìn)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(hào)溝）來(lái)參與日調(diào)峰。 2-4 小時(shí)調(diào)峰 城市各類(lèi)燃?xì)庥脩舻男r(shí)用氣工況均不相同，同一類(lèi)用戶小時(shí)用氣工況差別也很大，因此存在著很大的小時(shí)不均勻性。一般地說(shuō)，城市燃?xì)獾男r(shí)調(diào)峰問(wèn)題可依靠?jī)?chǔ)氣設(shè)施或上游LNG調(diào)節(jié)其小時(shí)氣化量來(lái)解決。小時(shí)調(diào)峰的計(jì)算如表7所示： 表7 小時(shí)調(diào)峰計(jì)算表 單位：萬(wàn)立方米 一般用戶日高峰需求量電廠日高峰需求量所需儲(chǔ)氣量高壓球罐儲(chǔ)氣管道儲(chǔ)氣合計(jì)2005夏289530-35230317-52005冬410265-25530317+92 2005年上海市城市燃?xì)庑r(shí)調(diào)峰所需儲(chǔ)氣量為352萬(wàn)立方米，可通過(guò)浦東北蔡現(xiàn)有的高壓儲(chǔ)罐和規(guī)劃的高壓管道儲(chǔ)氣來(lái)滿足小時(shí)調(diào)峰的需求。管道儲(chǔ)氣量與高壓管道的長(zhǎng)度、運(yùn)行壓力、管道直徑等因素有關(guān)，下面將進(jìn)行詳細(xì)分析。 三、城市燃?xì)獾牡膬?chǔ)存 城市燃?xì)庑r(shí)調(diào)峰問(wèn)題一般均采用儲(chǔ)氣設(shè)施來(lái)儲(chǔ)存一定量的燃?xì)鈦?lái)解決。儲(chǔ)氣設(shè)施根據(jù)儲(chǔ)氣壓力的不同，可分為低壓儲(chǔ)氣和高壓儲(chǔ)氣，高壓儲(chǔ)氣又可分為高壓球罐儲(chǔ)氣、高壓管束或高壓管道儲(chǔ)氣和地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣。對(duì)于天然氣來(lái)講，由于壓力較高，為充分利用其壓能，一般采用高壓儲(chǔ)氣，下面對(duì)高壓管道儲(chǔ)氣和高壓球罐儲(chǔ)氣進(jìn)行分析。 3-1 高壓管道儲(chǔ)氣 城市燃?xì)獾挠脷饬渴遣痪鶆虻�，它是隨著時(shí)間變化的，當(dāng)城市燃?xì)庥脷饬看笥谄骄饬繒r(shí)，管道壓力下降，以彌補(bǔ)供氣量的不足。當(dāng)城市燃?xì)庥脷饬啃∮谄骄饬繒r(shí)，管道壓力上升，以儲(chǔ)存多余的燃?xì)饬�。恰�?dāng)?shù)剡x擇管道的起終點(diǎn)壓力的波動(dòng)范圍和管道直徑，可使其具有一定的儲(chǔ)氣調(diào)峰能力。 高壓管道儲(chǔ)氣計(jì)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(shí)的壓縮系數(shù)； -------氣體在平均壓力時(shí)的壓縮系數(shù)； ------最高平均壓力，即儲(chǔ)氣結(jié)束時(shí)管道內(nèi)平均壓力； ------最低平均壓力，即儲(chǔ)氣開(kāi)始時(shí)管道內(nèi)平均壓力； ------最高平均壓力，即儲(chǔ)氣結(jié)束時(shí)管道內(nèi)平均壓力； ----管道起點(diǎn)最高壓力，即儲(chǔ)氣結(jié)束時(shí)起點(diǎn)壓力； ----管道終點(diǎn)最高壓力，即儲(chǔ)氣結(jié)束時(shí)終點(diǎn)壓力； ----管道起點(diǎn)最低壓力，即儲(chǔ)氣開(kāi)始時(shí)起點(diǎn)壓力； ----管道終點(diǎn)最低壓力，即儲(chǔ)氣開(kāi)始時(shí)終點(diǎn)壓力； 根據(jù)上述管道儲(chǔ)氣能力的計(jì)算公式，分別分析管道直徑、管道長(zhǎng)度、起點(diǎn)壓力、終點(diǎn)壓力對(duì)高壓管道儲(chǔ)氣的影響，如圖２～圖 圖2 管道長(zhǎng)度與儲(chǔ)氣量關(guān)系曲線 圖3 管道長(zhǎng)度與儲(chǔ)氣量關(guān)系曲線 隨著管道口徑的增加，儲(chǔ)氣量大輻度增加。這是因?yàn)殡S著管道口徑增加，增大，阻力損失減小，增大，增大，減小，減小，儲(chǔ)氣壓差增大，因此管道儲(chǔ)氣量急劇增加；隨著管道長(zhǎng)度的增加，儲(chǔ)氣量隨之增加，到達(dá)某一最大值后又逐漸減小。這是因?yàn)殡S著管道長(zhǎng)度增加，增大，但阻力損失增大，儲(chǔ)氣壓差減小，因此儲(chǔ)氣量先增加后逐漸減小。 圖4 輸氣量與儲(chǔ)氣量關(guān)系曲線 隨著管道輸氣量的增加，儲(chǔ)氣量逐漸減小。這是因?yàn)檩敋饬吭黾�，阻力損失增大，儲(chǔ)氣壓差減小，因此管道儲(chǔ)氣量逐漸減小。起點(diǎn)壓力越高，口徑越大，儲(chǔ)氣量就越大。提高管道的運(yùn)行壓力，可以大大提高管道的儲(chǔ)氣能力以及輸氣能力。從圖４所示，起點(diǎn)壓力由4.0Mpa提高到6.0Mpa，儲(chǔ)氣量增加一倍，輸氣能力增加50％左右。 3-2高壓管道儲(chǔ)氣與高壓球罐儲(chǔ)氣的比較 為便于對(duì)高壓球罐儲(chǔ)氣和管道儲(chǔ)氣進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，作以下規(guī)定： 天然氣管道運(yùn)行壓力6.0Mpa，輸氣能力為74.3萬(wàn)立方米/小時(shí)，長(zhǎng)度為60公里； 高壓球罐幾何容積3500立方米，進(jìn)口壓力1.6Mpa，出口壓力0.8Mpa，儲(chǔ)氣量約為2.5萬(wàn)立方米。 相同儲(chǔ)氣量，利用高壓球罐儲(chǔ)氣和管道儲(chǔ)氣的鋼材耗量和投資如下表： 名稱數(shù)量（公里或座）總儲(chǔ)氣量（萬(wàn)立方米）單位鋼材耗量（噸）鋼材耗量（噸）單 價(jià)（萬(wàn)元）總 價(jià)（萬(wàn)元）DN700管道60公里42271362035021000DN1000管道60公里1043962376045027000相對(duì)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(wàn)立方米/小時(shí)的輸氣量，最小管徑為DN700，當(dāng)管徑由DN700增加到DN1000時(shí)，其儲(chǔ)氣能力增加100萬(wàn)立方米，鋼材耗量增加10140噸，投資增加6000萬(wàn)元。而建設(shè)相同儲(chǔ)氣量的儲(chǔ)氣設(shè)施，其鋼材耗量33760噸，是管道儲(chǔ)氣３倍；投資約為32000萬(wàn)元，相對(duì)管道儲(chǔ)氣的6000萬(wàn)元，增加４倍多。 另外，利用高壓管道儲(chǔ)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(lái)燃?xì)獾陌l(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(guò)擴(kuò)建５號(hào)溝LNG事故處理廠的儲(chǔ)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?xì)馐鹿收{(diào)峰、季節(jié)調(diào)峰和日調(diào)峰。小時(shí)調(diào)峰可通過(guò)增加6.0Mpa高壓管道的直徑和現(xiàn)存高壓球罐解決。遠(yuǎn)期為滿足各類(lèi)用戶用氣量的增加和燃?xì)鈿庠吹姆�(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(chǔ)氣來(lái)解決城市燃?xì)庑r(shí)調(diào)峰。 通過(guò)對(duì)高壓管道儲(chǔ)氣和高壓球罐儲(chǔ)氣比較，無(wú)論鋼材耗量，還是投資費(fèi)用，管道儲(chǔ)氣都優(yōu)于高壓球罐儲(chǔ)氣。遠(yuǎn)期可考慮適當(dāng)建設(shè)高壓球罐，以彌補(bǔ)高壓管道儲(chǔ)氣的不穩(wěn)定性。
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