天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰技術(shù)的研究

黃騰龍，潘 振，陳保東，金春旭，孫一倫，才 偉，李榮梅

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101；3. 中國石油天然氣第一建設(shè)公司，河南 洛陽 471000； 4. 中國石油大港油田第四采油廠，天津 300280）

隨著我國天然氣工業(yè)的發(fā)展，天然氣的供應(yīng)量在不斷變化，無論是居民用氣，還是工業(yè)發(fā)電用氣，都呈現(xiàn)出不均勻的用氣規(guī)律[1]。這種規(guī)律使供氣量發(fā)生了大幅度的變化從而出現(xiàn)了用氣的高峰期和低谷期，但氣井尤其是海洋石油平臺的氣源供應(yīng)量卻不能完全隨用氣量的變化而變化。為保證供氣的連續(xù)性和供氣與用氣間的平衡，最有效的手段就是應(yīng)用天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰技術(shù)。

天然氣的調(diào)峰方式主要有兩種：一種是利用調(diào)峰設(shè)施調(diào)峰，主要包括地下儲(chǔ)氣庫調(diào)峰、管道調(diào)峰、LNG調(diào)峰、儲(chǔ)氣罐調(diào)峰和管束調(diào)峰等；另一種是調(diào)節(jié)用戶的用氣量，包括挑選一些可切換多種燃料的工業(yè)企業(yè)（如發(fā)電廠）作為緩沖用戶以及實(shí)施峰谷氣價(jià)等[2]。

1 天然氣的調(diào)峰方式

1.1 地下儲(chǔ)氣庫調(diào)峰

在存儲(chǔ)天然氣的總?cè)萘恐?，絕大部分存儲(chǔ)于地下儲(chǔ)氣庫。儲(chǔ)存的天然氣不僅可以實(shí)現(xiàn)不均衡用氣產(chǎn)生的對供氣的需求，而且確保了對高峰用氣量的要求，同時(shí)還能夠成為當(dāng)供氣系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)的應(yīng)急儲(chǔ)備以及國家戰(zhàn)略儲(chǔ)備[3,4]。

依照地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地下儲(chǔ)氣庫可分為四類：枯竭油氣田儲(chǔ)氣庫、含水層儲(chǔ)氣庫、鹽穴儲(chǔ)氣庫和廢棄礦穴儲(chǔ)氣庫[5]。作為世界上使用最廣泛的儲(chǔ)氣庫，枯竭油氣田儲(chǔ)氣庫是一種高效、經(jīng)濟(jì)的季節(jié)性調(diào)峰方式。含水層儲(chǔ)氣庫通過注氣井（或注氣／采氣井）將天然氣注入含水地層的孔隙內(nèi)而形成人工氣藏。鹽穴儲(chǔ)氣庫使用人工方法，在地下較厚的鹽層或鹽丘中制造洞穴從而形成儲(chǔ)存空間來存儲(chǔ)天然氣。廢棄礦穴儲(chǔ)氣庫用廢棄礦井作為儲(chǔ)氣空間，節(jié)省了挖洞穴的工程量。但廢棄礦井大都不具有密封性，因而有氣體泄漏的危險(xiǎn)[6,7]。

1.2 管道調(diào)峰

管道調(diào)峰是利用輸氣管道末段的承壓能力來儲(chǔ)存天然氣的。壓力的變化決定了管道中儲(chǔ)氣量的改變，進(jìn)而儲(chǔ)存或釋放天然氣，以實(shí)現(xiàn)調(diào)峰的目的。長輸管線末段的儲(chǔ)氣調(diào)峰能力取決于該管線的起終點(diǎn)管道容積和壓力的波動(dòng)范圍[8]。而管道的儲(chǔ)氣量是有限的，該方式目前在國內(nèi)部分用氣量較小的城市廣泛使用，用來解決日、小時(shí)調(diào)峰問題。

高壓管道儲(chǔ)氣包括長輸管線末段儲(chǔ)氣和城市高壓(或次高壓)管網(wǎng)儲(chǔ)氣。長輸管線末段儲(chǔ)氣是通過最后一座壓氣站到終點(diǎn)配氣站之間的長輸管線進(jìn)行儲(chǔ)氣的[9]。但長輸管線末段儲(chǔ)氣只限于管道末段，因而更多的管道儲(chǔ)氣方式為城市高壓(或次高壓)管網(wǎng)儲(chǔ)氣。與長輸管道末段儲(chǔ)氣的原理相似，城市高壓管網(wǎng)儲(chǔ)氣是利用敷設(shè)在城市的高壓管道進(jìn)行儲(chǔ)氣的，在城市人口密度較小的地段設(shè)置環(huán)狀高壓管道，既能夠儲(chǔ)氣，又能夠向城市多點(diǎn)供氣，耗鋼量小，優(yōu)化供氣工況[10]。

1.3 LNG調(diào)峰

天然氣經(jīng)過超低溫深冷到-162 ℃形成的液態(tài)天然氣稱為液化天然氣（LNG），容積為氣態(tài)的1/600。LNG可用于城市調(diào)峰，具有儲(chǔ)氣效率高、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的[11]。LNG調(diào)峰設(shè)施無需考慮容量高低、氣源遠(yuǎn)近、地址條件的影響，維修便利。LNG能夠在低溫常壓下安全儲(chǔ)存，可調(diào)節(jié)城市日、小時(shí)用氣的不均勻性，使供氣和用氣達(dá)到平衡，確保天然氣安全、平穩(wěn)、可持續(xù)地輸送到每個(gè)用戶[12]。

1.4 儲(chǔ)氣罐調(diào)峰

儲(chǔ)氣罐是地上儲(chǔ)氣的主要設(shè)備。根據(jù)工作壓力的大小，儲(chǔ)氣罐可分為低壓罐和高壓罐。而低壓罐又分為低壓濕式罐和低壓干式罐：濕式罐是把鐘罩和塔節(jié)放置在水槽內(nèi)，鐘罩和塔節(jié)隨著天然氣的進(jìn)出而升降，并利用水封隔斷內(nèi)外氣體來儲(chǔ)存燃?xì)?；干式罐主要由外筒、沿外筒上下運(yùn)動(dòng)的活塞、底板及頂板組成。根據(jù)密封方法不同，目前普遍采用阿曼阿恩型干式罐、可隆型干式罐、威金斯型干式罐。高壓儲(chǔ)氣罐是靠改變其中燃?xì)獾膲毫韮?chǔ)存燃?xì)獾?，稱定容儲(chǔ)罐，按類型可分為圓筒形罐（臥式和立式）和球罐，主要調(diào)節(jié)城市晝夜或小時(shí)的不均勻用氣。與圓筒形儲(chǔ)罐相比，球形儲(chǔ)罐具有受力好、占地面積小、投資少等優(yōu)點(diǎn)，在世界各國廣泛應(yīng)用[13]。

1.5 管束調(diào)峰

高壓管束是一種高壓管式儲(chǔ)氣罐，管道直徑由DN400～DNl500，能承受的壓力較高。將一組或幾組鋼管埋在地下，根據(jù)氣體的可壓縮性以及在高壓下和理想氣體的差異進(jìn)行儲(chǔ)氣，來增大儲(chǔ)氣量[14]。這種儲(chǔ)氣設(shè)施雖然調(diào)度靈活方便，但要求門站占地很大。

2 通過用戶用量進(jìn)行調(diào)峰

2.1 大力發(fā)展緩沖用戶

一些大中型工業(yè)企業(yè)可以作為緩沖用戶來供應(yīng)城市燃?xì)?。在用氣低峰時(shí)，這些緩沖用戶可以使用天然氣作為能源或原料；而用氣高峰時(shí)，它們改用其他燃料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)用電占夏季城市用電的30%，因此用天然氣作為能源代替電能擁有很大的發(fā)展空間。使用天然氣空調(diào)，不僅可以實(shí)現(xiàn)天然氣削峰填谷的作用，還節(jié)省了電能，實(shí)現(xiàn)了城市電網(wǎng)的調(diào)峰功能。從而提高了能源的綜合利用率，優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)[15]。

2.2 中斷供氣、實(shí)行峰谷氣價(jià)

為了確保安全、可靠地供氣，目前世界各國廣泛采用的短期調(diào)峰方式是對一些具有較高負(fù)荷系數(shù)的天然氣用戶實(shí)施中斷供氣。這些實(shí)施中斷供氣的大、中型用戶需使用雙燃料系統(tǒng)，不僅大大增加了初期的投資開銷，而且還加大了燃料切換的費(fèi)用以及和其他能源的價(jià)格差[16]。

另外，使用不同季節(jié)性價(jià)格以及用氣峰谷價(jià)格同樣是一種極為有效的調(diào)峰方式。目前，大多數(shù)發(fā)達(dá)國家使用季節(jié)性價(jià)格作為調(diào)節(jié)手段，夏季發(fā)電用氣的價(jià)格是冬季的 2/3。因而，發(fā)電用戶在冬季用氣量減少，夏季增多，在一定程度上起到了調(diào)峰的功能[17]。

3 不同類型天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰方式比較

針對不同用戶用氣量的時(shí)間不均勻性，對幾種主要的調(diào)峰方式進(jìn)行了調(diào)研，對不同的情形，應(yīng)選擇不同的調(diào)峰方式。如表1所示。

根據(jù)以上調(diào)峰方式的特點(diǎn)，采用何種方式進(jìn)行調(diào)峰，就應(yīng)該因地制宜地根據(jù)工藝水平、經(jīng)濟(jì)條件、地質(zhì)狀況等多方面因素考慮，經(jīng)過多種方案的比選，才能選擇最優(yōu)的調(diào)峰方式[19]。

4 沈陽市調(diào)峰措施

城市天然氣調(diào)峰是一項(xiàng)投資巨大的工程，城市用戶用氣量受多種因素影響因而變化較大，需保證其安全性的同時(shí)又需要考慮投資和效率。為此，必須建立一套行之有效的調(diào)峰體系。實(shí)踐證明，只靠一種調(diào)峰方式很難滿足城市用氣需求，須運(yùn)用多種調(diào)峰方式相結(jié)合的方法以保證城市供氣和用氣的平衡。

表1 天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰方式的比較[18]Table 1 Comparison of the natural gas peak shaving of gas storage[18]

沈陽市每天僅有70萬m3左右的燃?xì)鈴倪|河油田引進(jìn)，但仍有100萬m3的氣源缺口需要沈陽市自己解決。針對沈陽市供氣不足的難題，采用多氣源戰(zhàn)略是最有效、最根本的解決方法，這可以最大限度地緩解供氣緊張時(shí)期供氣問題。沈陽市有西氣東輸三線供氣，并從新疆鄯善、吉林長嶺油田、內(nèi)蒙古等地區(qū)引進(jìn)液化天然氣和壓縮天然氣以解決沈陽市氣源問題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。當(dāng)前，中石油準(zhǔn)備把大連用以接收國外液化天然氣的管線鋪設(shè)至沈陽；另外，為徹底地打破沈陽市的供氣瓶頸、加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展，沈陽市正著重關(guān)注著大慶市開發(fā)氣田深層天然氣以及從俄羅斯引入天然氣的狀況。

此外，考慮到沈陽市的地質(zhì)條件，可以在撫順建立廢棄礦穴地下儲(chǔ)氣庫。撫順煤礦距沈陽市 45 km，為建立廢棄礦穴儲(chǔ)氣庫提供了地質(zhì)條件。與其他地下儲(chǔ)氣庫相比，廢棄礦穴儲(chǔ)氣庫擁有快注快采、建造方便等優(yōu)點(diǎn)，并且一年內(nèi)可以多次周轉(zhuǎn)，更適和緩解短期的日、小時(shí)調(diào)峰問題；與地面上的儲(chǔ)氣罐相比，廢棄礦穴儲(chǔ)氣庫的儲(chǔ)氣量較大、成本較低，有較好的經(jīng)濟(jì)效益，而且不易引起火災(zāi)或發(fā)生爆炸，具有較高的安全系數(shù)。另外，其隱蔽性和安全性更適宜作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備，具備一定地戰(zhàn)略意義。

最后，建設(shè) LNG衛(wèi)星站、LPG 混空氣等。利用它們的調(diào)峰能力，進(jìn)一步規(guī)劃天然氣的氣源并且優(yōu)化高壓管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，最大限度地取得上游的調(diào)峰支持、平衡下游，以解決供氣和用氣的季節(jié)、日、小時(shí)調(diào)峰問題。發(fā)揮大中型可中斷工業(yè)用戶的調(diào)峰功能，并與沈陽市天然氣安全儲(chǔ)備庫連接，完善天然氣輸配系統(tǒng)。

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