城市天然氣儲存和調(diào)峰問題研究

肖貴福 曹偉武 嚴(yán) 平

（1.上海理工大學(xué)能源動力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

城市天然氣主要用于工業(yè)企業(yè)、集中采暖、居民用戶和公共設(shè)施。工業(yè)企業(yè)主要是天然氣發(fā)電廠、化工、冶金等用戶，用氣負(fù)荷相對均衡；集中采暖的用氣量隨氣溫、氣候等情況而變化，用氣負(fù)荷變化明顯；居民用戶和公共設(shè)施隨著每天生活時段的不同形成明顯的波動。城市中一年四季不同月份、每月中不同日期、每日中不同時段的天然氣消費量變化都很大[1]，然而作為天然氣供應(yīng)體系的上游，氣田產(chǎn)氣在一定時期內(nèi)是穩(wěn)定的，因為氣田超負(fù)荷生產(chǎn)易造成邊底水入侵，加速地層能量消耗，縮短穩(wěn)產(chǎn)期等非常不利的后果[2]。可見天然氣供氣與用氣系統(tǒng)的負(fù)荷是不匹配的，而這種供氣和用氣的不匹配必然引起天然氣儲存和調(diào)峰問題，因此，了解城市天然氣儲存的形式進(jìn)而研究城市天然氣調(diào)峰方法是十分必要的。

1 天然氣儲存形式

1.1 地下儲氣庫

地下儲氣庫是當(dāng)今世界上主要的天然氣儲氣方式，在世界天然氣儲存設(shè)施總?cè)萘恐?，地下儲氣庫的容量?0%以上。地下儲氣庫利用天然地質(zhì)構(gòu)造建造而成，主要有以下四種形式：利用含水多孔地層儲氣、利用衰竭的油氣田儲氣、利用鹽礦層建造儲氣庫儲氣（鹽穴儲氣庫）和利用廢棄巖穴儲氣。迄今為止，全世界約有560多座地下儲氣庫，總?cè)莘e約為5100億立方米，可以用于調(diào)峰的氣量約為2500億立方米，其中衰竭油氣田儲氣庫430座，含水層儲氣庫82座，鹽穴儲氣庫45座。從經(jīng)濟(jì)方面看，以利用衰竭油氣田建造儲氣庫為最優(yōu)選擇，其單位有效庫容量的投資約為含水層儲氣庫的 50%～75%、鹽穴儲氣庫的 30%，其運行費用約為含水層儲氣庫的60%～75%、鹽穴儲氣庫的20%[3]。

地下儲氣庫在夏季城市用氣低谷期將管道輸送的過剩天然氣注入儲氣庫, 當(dāng)冬季用氣高峰期時再將庫里存儲的天然氣輸出, 來滿足用戶因季節(jié)變化引起的用氣波動需求。地下儲氣庫儲氣具有維護(hù)簡單、運行費用低、安全可靠、儲氣量大等優(yōu)點；缺點是要求合適的地質(zhì)構(gòu)造、建設(shè)投資大、建設(shè)周期長。世界各國的運行經(jīng)驗表明，衰竭油氣田和含水層儲氣庫適用于季節(jié)調(diào)峰，鹽穴儲氣庫由于具有快注快采、一年可周轉(zhuǎn)多次的優(yōu)點，更適用于短期調(diào)峰，但總體來看，地下儲氣庫的天然氣主要用于滿足季節(jié)性調(diào)峰需要，以及用作供氣系統(tǒng)發(fā)生事故時的應(yīng)急儲備和國家的戰(zhàn)略儲備。

在世界560多座地下儲氣庫中，美國有386座，占全世界總數(shù)的70%，加拿大有38座，俄羅斯有22座[4]。我國的地下儲氣庫建設(shè)起步較晚，上世紀(jì)70年代在大慶油田才萌生利用衰竭油氣田來建設(shè)氣庫的想法，真正開始研究地下儲氣庫是在90年代初。目前我國主要有大慶油田的喇嘛甸北塊、大港油田的大張坨、板876及板中北高點等幾座地下儲氣庫[5]，這幾座儲氣庫遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各地區(qū)的用氣量不斷擴(kuò)大，我國需要建立更多與長輸管網(wǎng)配套的大中型地下儲氣庫群以滿足調(diào)峰、應(yīng)急和戰(zhàn)略儲備的需要。

1.2 地上儲氣罐儲氣

儲氣罐是地上儲氣的主要設(shè)備，由各種鋼制的儲罐構(gòu)成，目前是我國城鎮(zhèn)天然氣儲氣的首選。按儲氣罐承受的壓力不同，儲氣罐可分為低壓儲氣罐和高壓儲氣罐兩大類。由于我國城鎮(zhèn)燃?xì)庀到y(tǒng)主要使用中高壓管網(wǎng)，因而從經(jīng)濟(jì)方面考慮，我國主要采用高壓儲氣罐。高壓儲罐鋪設(shè)在地面上，需要占用大量土地,且儲氣罐的壓力較高,因自動控制及消防等輔助設(shè)施的要求需要經(jīng)常檢查，運行管理比較復(fù)雜且造價高。按外形特點不同，儲氣罐可分為圓筒形罐和球形罐兩種，相對于圓筒形，球形儲氣罐具有受力均勻、相同容積下耗材較少等特點，但其制造工藝較復(fù)雜，對技術(shù)和材料屬性要求更高[6]。

建成儲氣罐群后，在用氣高峰時，管網(wǎng)天然氣供氣量小于需求量，則將儲氣罐內(nèi)儲存的天然氣輸入管網(wǎng)，天然氣的供應(yīng)量增加，達(dá)到供需平衡；在用氣低谷時，管網(wǎng)天然氣供氣量大于需求量，則將管網(wǎng)中多余的天然氣輸入儲氣罐內(nèi)，以備高峰時使用。由于儲氣罐容量相對較小，所以儲氣罐主要用于城市配氣系統(tǒng)的日或小時調(diào)峰供氣。

1.3 管道儲氣

（1）輸氣管道末段儲氣

輸氣管道末段儲氣是指利用最后一座壓氣站到城市門站之間的管道末段儲存天然氣或選用一定直徑的若干管束埋于地下形成儲氣設(shè)施。顯然管道末段的起、終點壓力決定了末段儲氣能力的強(qiáng)弱，管道末段儲氣能力越大，越有利于調(diào)峰[7]。管道儲氣設(shè)施與球形儲氣罐相比，具有運行壓力高，埋地更安全，建造費用低等特點，管道儲氣設(shè)施的占地面積較大，可儲氣量卻相對較小，這是導(dǎo)致目前世界上已建造并投入使用的管道末段儲氣較少的主要原因。輸氣管道末段儲氣往往用作城鎮(zhèn)的日或小時調(diào)峰用氣[8]。

（2）城市高壓管網(wǎng)儲氣

城市輸氣管道自身具有一定的容積，在輸氣過程中，由于壓力原因，管存量是不可忽視的。當(dāng)上游氣源中斷或設(shè)備發(fā)生故障時，可以利用城市管道里的余壓來驅(qū)動天然氣分輸?shù)接脩?。其?yōu)點是調(diào)峰方式簡單，易操作，缺點是管道儲氣量有限，調(diào)峰時間短。由于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的管徑及設(shè)備均以月最大小時流量為設(shè)計依據(jù)，因此管網(wǎng)輸氣能力富余量非常大，有利于解決小時調(diào)峰問題，并且利用城市高壓管網(wǎng)調(diào)峰有利于接收不同氣源的天然氣，平衡輸氣系統(tǒng)工況。城市高壓管網(wǎng)儲氣與長輸管道末段儲氣的原理相似，但前者比后者更接近用戶，能夠更及時快捷地響應(yīng)用氣的波動。城市高壓管網(wǎng)也適用于城鎮(zhèn)的日或小時調(diào)峰用氣。

1.4 LNG儲氣

液化天然氣(liguefied natural gas，簡稱LNG)是將天然氣經(jīng)過凈化處理后液化成 LNG，便于儲存和遠(yuǎn)距離運輸。目前，LNG 已成為無法使用管輸供氣區(qū)域的主要氣源或過渡氣源，也是許多使用管輸天然氣供氣城市的補(bǔ)充氣源和調(diào)峰應(yīng)急氣源，儲存LNG是我國各大城市為保障天然氣日常供應(yīng)的非常重要的儲氣方式。

LNG調(diào)峰站的調(diào)峰方式是：在城市天然氣用氣高峰時開始工作，啟動LNG氣化器，將LNG氣化后送入管網(wǎng)；在城市天然氣用氣低谷時，LNG調(diào)峰站停止供氣，管網(wǎng)的富裕天然氣進(jìn)入液化站，液化后進(jìn)入LNG調(diào)峰站，調(diào)峰站也可通過其他途徑補(bǔ)充LNG。LNG儲氣調(diào)峰與傳統(tǒng)的高壓儲氣罐調(diào)峰有較大的區(qū)別[9]。LNG氣源靈活性強(qiáng)、可調(diào)能力大、可靠性好，而且資源來源多元化，不僅適用季節(jié)調(diào)峰、也適用于日或小時調(diào)峰，并且可以根據(jù)供氣調(diào)峰和應(yīng)急供氣的需要建立LNG調(diào)峰站，但LNG調(diào)峰涉及到LNG運輸船、接收站、運輸車和氣化裝置等一系列其他技術(shù)裝備，需要投入較大的資金和技術(shù)力量進(jìn)行研究開發(fā)。

目前，美國擁有113座LNG設(shè)施，其中包括5座LNG海上終端，57座調(diào)峰型LNG裝置、39座LNG儲存裝置和12座LNG終端利用裝置。我國由于早期缺乏資金和技術(shù)，在 LNG儲氣調(diào)峰方面起步比較晚，近幾年隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，天然氣消費量迅速上升，LNG運輸與儲存大量出現(xiàn)，我國正逐步吸收國外在LNG儲氣調(diào)峰方面的經(jīng)驗，已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步。北京、上海、哈爾濱、廣州和武漢等城市都建立了LNG儲存調(diào)峰基地，沿海蘇州、深圳等城市也建立了LNG接收站、氣化站等配套設(shè)施，相信不久的將來，我國許多大城市會多增加一種天然氣儲氣方式，以保障天然氣的供應(yīng)。

綜上所述，天然氣儲存形式的各有特點：地下儲氣庫儲氣容量大，安全可靠性高，適用于季節(jié)性調(diào)峰，必要時可用LNG終端作補(bǔ)充；高壓管道和儲氣罐輸氣調(diào)節(jié)靈活、操作簡便，是目前解決城市燃?xì)馊栈蛐r調(diào)峰的主要方式。對于月高峰用氣量大的城市，應(yīng)大力發(fā)展LNG儲氣、洞穴儲氣等可以快采快注且外輸量相對較大的方式，與季節(jié)型儲氣庫聯(lián)合起來滿足要求；對于城市時調(diào)峰，應(yīng)主要依靠日調(diào)峰設(shè)施及管道末端儲氣、城市高壓管網(wǎng)儲氣等方式共同完成。

2 城市天然氣調(diào)峰的新問題

2.1 天然氣需求量大、增長快

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，生產(chǎn)和生活用電用氣量迅速增長，尤其是我國許多城市正用綠色安全的天然氣逐步取代城市煤氣以降低污染，因此，我國天然氣的需求量非常大，增長也非?？?。以上海為例，2009年全年天然氣用量將近33億立方米，2010年為45億立方米，2011年增至70億立方米，天然氣供應(yīng)量平均每年增長20%，供應(yīng)總量和增長速度均直線上升。根據(jù)上海市燃?xì)獍l(fā)展“十二五”規(guī)劃，至 2014底，上海天然氣市場規(guī)模將達(dá)到 100億立方米。又如蘇州市2008年天然氣供應(yīng)量為6億立方米，南京市為3.5億立方米[10]，但我國天然氣供應(yīng)量遠(yuǎn)不能滿足城市飛速發(fā)展的需要[11]。

2.2 天然氣調(diào)峰能力滯后

目前多數(shù)城市儲存天然氣的主要方式是采用儲氣罐和管道儲氣，而建設(shè)儲氣罐和高壓管道需要投入較多的資金和技術(shù)，因此，我國城市天然氣調(diào)峰設(shè)施發(fā)展緩慢，調(diào)峰能力不足，這也是我國局部地區(qū)冬季易出現(xiàn)用氣緊張的主要原因，嚴(yán)重的地區(qū)甚至?xí)l(fā)生“氣荒”。2010年，上海天然氣消費結(jié)構(gòu)中，電力、化工、冶金等大用戶用氣量約占天然氣消費總量的44%，居民（含中小工商業(yè)）用氣約占52%，用氣特性與電力同步，呈現(xiàn)夏、冬雙高峰，氣電平衡矛盾突出，因此天然氣調(diào)峰量大，調(diào)峰要求高。據(jù)估計到2020年，上海用氣高峰月需要的日調(diào)峰量將達(dá)到1500萬立方米，而目前上海的調(diào)峰能力僅為180萬立方米，存在很大的缺口。此外不少城市冬、夏季用氣量相差大[12]，以蘇州為例，夏季用氣量最少時每天僅120萬立方米，而冬季用氣量大時每天可達(dá)240萬立方米，冬、夏季的峰谷差達(dá)到2倍；北京的冬、夏季用氣量的峰谷差接近8倍，這都給調(diào)峰帶來較大的壓力。

2.3 天然氣儲存與調(diào)峰方式單一

我國許多城市天然氣儲存和調(diào)峰方式單一，這與我國東西部的經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡、天然氣資源分布不均衡有密切的關(guān)系。由于我國的大型氣田集中在西部，而消費地集中在東部，東、西部之間通過一條長達(dá)數(shù)千公里的天然氣主干管網(wǎng)輸送，如此長距離的天然氣管網(wǎng)，沿途經(jīng)過很多城市，而各個城市之間又有供氣優(yōu)先權(quán)，往往會先保證大城市供應(yīng)，因此供氣會出現(xiàn)尷尬的局面，由于缺乏資金和技術(shù)力量，一些城市沒有實力建立高壓儲氣罐和LNG儲氣設(shè)施，天然氣儲存和調(diào)峰方式就比較單一。如寶雞市現(xiàn)有供氣氣源唯有陜北靖邊氣田，可是陜北靖邊氣田供氣包括北京、天津和西安等大城市，當(dāng)供氣緊張時氣源方首先保證北京的供氣，然后是天津、西安等城市，寶雞市的供氣會處于一種很尷尬的局面[13]。又如我國西氣東輸工程供應(yīng)著沿線許多城市的天然氣，西安、洛陽、南京和上海等城市的天然氣供應(yīng)均依靠西氣東輸主干管道，每年冬季寒潮來襲，天然氣需求急劇增加，許多城市沒有額外的天然氣供應(yīng)措施，易面臨“氣荒”的考驗。

3 應(yīng)對措施

3.1 上游氣田在安全的前提下盡量提高產(chǎn)量

天然氣是我國能源市場中最具開發(fā)潛力的能源之一，應(yīng)當(dāng)投入資金和技術(shù)在開采方法上進(jìn)行研究和創(chuàng)新，不斷提高天然氣開采效率，進(jìn)而提高天然氣的產(chǎn)量。我國許多城市天然氣需求總量呈階梯形增長，增長速度非?？?，只有通過提高上游氣田的天然氣產(chǎn)量，天然氣用戶的需求才能滿足，才可能通過天然氣的儲備設(shè)施，如地下儲氣庫、儲氣罐等，把多余的天然氣儲存起來，用作調(diào)峰儲備。

3.2 建立多元化的天然氣儲備設(shè)施，提高調(diào)峰能力

為保證供氣的經(jīng)濟(jì)、安全，應(yīng)根據(jù)城市自身情況因地制宜發(fā)展各種調(diào)峰設(shè)施，上游氣田輸送的天然氣在供氣充足時輸入城市各種天然氣儲備設(shè)施，在供氣緊張時輸出，保障城市天然氣的供應(yīng)，提高城市天然氣的調(diào)峰能力。對于建設(shè)地下儲氣庫不應(yīng)局限于衰竭油氣田、鹽穴庫，還應(yīng)積極考慮含水層、人造洞穴等形式；對于環(huán)保安全的LNG儲氣調(diào)峰方式，應(yīng)給予充分重視，利用LNG儲氣的優(yōu)勢，適度建立LNG儲氣設(shè)施[14]。

3.3 節(jié)能、高效地利用天然氣

城市天然氣用作民用燃料和鍋爐燃料，解決了環(huán)境保護(hù)問題，但其熱能利用效率不高，是不經(jīng)濟(jì)的天然氣利用方式。雖然目前供居民日常生活的天然氣不得不使用，但隨著電磁爐的普及，天然氣爐灶將逐步被代替。更重要的事工業(yè)性用氣的充分利用，如燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)，將天然氣燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，先進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，然后再加熱余熱鍋爐產(chǎn)生高壓蒸汽，用作蒸汽輪機(jī)發(fā)電，形成燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電，兩者效率總和可達(dá) 60%以上，如果將余熱鍋爐排煙的熱能回收制冷，能量利用效率會更高[15]。開發(fā)高效、節(jié)能的天然氣利用方式，是保障我國能源供應(yīng)的重要組成部分。

3.4 積極利用經(jīng)濟(jì)杠桿，采取合理價格，提高天然氣儲氣能力

我國城市儲存天然氣的主要方式是利用儲氣罐儲氣和管道儲氣，建立天然氣儲備設(shè)施需要投入較多的資金和技術(shù)力量，導(dǎo)致下游對建立天然氣儲備的積極性不高，應(yīng)利用經(jīng)濟(jì)杠桿，采取合理價格，促進(jìn)下游天然氣儲備設(shè)施的發(fā)展。以美國為例，美國冬季氣價是夏季天然氣價格的三倍，燃?xì)怃N售商可以通過天然氣儲備實現(xiàn)套利，在這種“峰谷氣價”的設(shè)置下，下游對建立天然氣儲備設(shè)施積極性將大幅度提高。因此我國應(yīng)該改革天然氣的定價機(jī)制，提高下游建立天然氣儲氣設(shè)施的積極性，進(jìn)而提高我國許多城市的天然氣調(diào)峰能力，減少部分地區(qū)用氣緊張局面的發(fā)生。

3.5 采購LNG，開發(fā)國際氣田

我國是天然氣資源緊缺的國家，但天然氣用量缺迅速上升，因此引進(jìn)天然氣是必然途徑。我國從俄羅斯、中東各國引進(jìn)天然氣，從東南亞引進(jìn) LNG，在中東投資開發(fā)石油天然氣資源以解決國內(nèi)天然氣供氣不足的困境，以此同時，我國應(yīng)不斷研究相關(guān)設(shè)施和技術(shù)，如LNG運輸船、LNG運輸車、LNG儲存罐、LNG氣化器等。近年來，隨著世界天然氣產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，LNG已成為國際天然氣貿(mào)易的重要部分，到2020年，全球LNG貿(mào)易量將達(dá)天然氣總貿(mào)易量的40%。世界LNG應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了六十多年的歷史，形成了從液化、儲存、運輸、氣化到終端利用的一整套完整的工藝技術(shù)和裝備，技術(shù)水平非常成熟。我國天然氣資源滿足不了我國旺盛的天然氣需求，因此采購世界各地的天然氣資源，開發(fā)國際氣田，對于保障我國天然氣供應(yīng)是十分必要的。

3.6 建立區(qū)域天然氣主干管網(wǎng)，進(jìn)而構(gòu)建全國天然氣主干管網(wǎng)

為了保障天然氣供應(yīng)，必須規(guī)劃建設(shè)科學(xué)、高效的輸配管網(wǎng)。目前長三角地區(qū)正在構(gòu)建區(qū)域天然氣主干管網(wǎng)，把上海天然氣主干管網(wǎng)向北延伸，與江蘇的管網(wǎng)相連，向西南延伸與浙江的管網(wǎng)相通，盤活長江三角洲的天然氣主干管網(wǎng)資源，以便在事故工況下，互通有無，互惠互利，提高區(qū)域供氣安全性；象冀寧聯(lián)絡(luò)線工程把國內(nèi)兩條最大的輸氣管道——西氣東輸管道和陜氣進(jìn)京管道連接起來，還能向華東、華北地區(qū)供氣，形成靖邊、南京、河北區(qū)域天然氣供應(yīng)管網(wǎng)[16]。這種局域性天然氣供應(yīng)管網(wǎng)對保障城市天然氣供應(yīng)安全具有很強(qiáng)的作用。

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