摘要：大量的天然氣進入城市，天然氣月、季節(jié)需求性不均衡問題隨著天然氣的用量增大日益影響著城市燃氣公司合理進行用戶生產調度。調度人員應該協調上游長輸管道和下游用戶，做出相應的調峰措施。

關鍵詞：管道 用氣不均衡 儲存 調峰

緒論：隨著“西氣東輸”等管道工程的相繼運行，大量的天然氣進入城市用戶的使用范圍。鑒于天然氣安全、環(huán)保、價廉等特點，天然氣用戶逐漸增加，工業(yè)用戶也開始大量使用天然氣，但是各類天然氣用戶的用氣情況是不均勻的，尤其是用氣量大的工業(yè)用戶，有著相應的生產周期，為了滿足燃氣用氣負荷的季節(jié)、月、日的不均勻變化，以及適應工業(yè)用氣的高峰和低谷的需要，在天然氣生產調度中必須考慮管道的儲存和調峰。

一、天然氣管道系統的分類
    目前，天然氣的供應主要向管道輸氣方向發(fā)展，由長輸管道的高壓管道輸配系統和城市管道輸配系統組成。
    “西氣東輸”工程的天然氣管道采用高壓輸氣技術，提供給下游各城市的天然氣壓力較傳統壓力有很大的提高。而隨著城市天然氣供應規(guī)模的擴大、用戶的增多，原有城市管網的中、低壓輸配系統已經不能滿足日常的調峰，因此，城市的天然氣輸配系統已經向多級壓力級的配氣系統發(fā)展，逐步形成城市外圍一級高壓天然氣輸氣管道、城市二級中、低壓天然氣管道和高壓球罐混合調峰系統，有利于滿足不同用戶的壓力需求，同時降低城市內部輸配管網的運行壓力，增加管網氣量調度能力等。目前國內一些大城市輸配系統已經嘗試采用多級系統，以保證滿足用戶的不均勻用氣。

二、天然氣用量的不均勻性
    在城市燃氣供應系統中城市用氣量隨著城市民用、工業(yè)等用戶的用氣特點，每月、每日、每時都在變化，高峰、低谷相差懸殊。另外還存在著發(fā)生突發(fā)事件所引起的用氣短缺。為了解決用氣不均衡的矛盾，城市必須建立儲氣設施。
    1、生產周期的不均勻
    城市天然氣輸配系統中用戶的用氣量，會隨季節(jié)、行業(yè)的周期生產規(guī)模和設備、人們的日常生活習慣等因素發(fā)生波動。其中居民用氣具有用氣穩(wěn)定，波動不大，用量較小的特點，易于預測和調節(jié)，只要合理配置少量儲氣設施，城市燃氣公司能夠自行處理日、時調峰。而工業(yè)用戶則不同，用氣量較大，在生產旺季的用氣量往往是淡季的幾倍以上，一般生產周期很難預測。如果僅僅靠城市燃氣系統解決，這就需要很大的投資，而且閑置率過高。這關系到月、季度等長期的峰值調節(jié)，這是管道生產調度中首要考慮的。
    2、事故的不可預測
    長輸管道在向城市天然氣輸配系統供氣時，因管道、設備損壞以及無法抗拒的因素而引起的非正常停、限氣，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。

三、天然氣的調峰和儲存
    1、城市天然氣輸配系統
    城市天然氣輸配系統中時、日調峰一般采用儲氣設施儲存一定量的天然氣來解決。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，由于上游長輸管道的供給壓力較高，為充分利用其壓力，一般采用高壓儲氣，包括管道和儲罐存氣，也就是通過城市的外圍一級管網建設來調峰。
    1.1、高壓管道儲氣
    長輸管道有一定的儲氣能力，可以補償城市用氣高峰用氣量。
    城市天然氣輸配系統中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供氣量時，管道壓力下降，彌補供氣量的不足。當城市燃氣用氣量小于供氣量時，管道壓力上升，儲存多余的天然氣量。當地選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：
    V=(Vg×To)/(Po×T)×(Pm1/Z1-Pm2/Z2)
    Pm1=2/3×[P1max+P2max2/(P1max+ P2max)]
    Pm2=2/3×[P1min +2/(P1min+ P2min)]
    式中：Vg 、T分別為管道的幾何體積、管道內氣體平均溫度；
    Z1——指氣體在平均壓力Pm1時的壓縮系數；
    Z2——氣體在平均壓力Pm2時的壓縮系數；
    Pm1——最高平均壓力，即儲氣結束時管道內平均壓力；
    Pm2——最低平均壓力，即儲氣開始時管道內平均壓力；
    Pm1——最高平均壓力，即儲氣結束時管道內平均壓力；
    P1max——管道起點最高壓力，即儲氣結束時起點壓力；
    P2max——管道終點最高壓力，即儲氣結束時終點壓力；
    P1min——管道起點最低壓力，即儲氣開始時起點壓力；
    P2min——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：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。因此，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。
    1.2、高壓儲罐儲氣
    城市天然氣輸配系統中的用氣量隨著時間變化的，當城市燃氣用氣量大于供氣量時，通過高壓儲罐來彌補供氣量的不足。當城市燃氣用氣量小于供氣量時，高壓儲罐儲存多余的天然氣量。恰當地確定高壓儲罐的進出口壓力和幾何容積，可使城市燃氣系統本身具有一定的儲氣調峰能力。
    高壓儲罐儲氣計算公式：
    V=Vc(P-Pc)/Po
    參數說明：V——儲氣罐的有效儲氣容積(m3)；
    Vc——儲氣罐的幾何容積(m3)；
    P——最高工作壓力(MPa)；
    Pc——儲氣罐最低允許壓力(MPa)；
    P0——大氣壓(MPa)。
    2、高壓管道儲氣與高壓球罐儲氣的比較
    由于地上儲罐需要占用城市土地，單位儲量基建費用和其他儲氣方式相比又比較高，因此在國外的大城市中，特別是需要儲氣量很大的城市，已逐漸用其他方式，如地下儲氣庫和管道儲氣代替。
    目前，國內制造的高壓球罐最大容積為5000立方米，如有進口鋼材，可以加工制造1萬立方米球罐。
    天然氣管道運行壓力起始壓力2.0Mpa，輸出壓力1.0Mpa，DN1000管道，長度為60公里，緩沖儲存能力在40W方左右；
    高壓球罐幾何容積1000立方米，進口壓力1.6Mpa，出口壓力0.8Mpa，儲氣量約為0.8萬立方米。如果在城市輸配管網中使用的話，可以降至0.2Mpa，也就是其調峰范圍在1.4W方左右。

四、管道的調峰必要性和可行性
    城市天然氣輸配系統與氣源、長輸管線和城市管網供應方面的關系主要表現在城市門站的供氣條件和調峰等方面。長輸管線采用的高壓管道可以參與城市日、時調峰，合理分配和調度可以實行對季度和月用氣量的調峰。
    1、長輸管線的調峰能力
    在燃氣輸配系統中因為用戶用氣時刻波動，所以需要合理配置儲氣調峰設施，以保證不間斷的、穩(wěn)定的向用戶供氣，保證公司和用戶的正常生產運營。
    城市燃氣輸配系統中的日、時調峰如果有一定的儲存設施可以由城市燃氣公司自行解決，長輸管線不參與解決城市供氣短期調峰問題。一般日用量不超過10萬Nm3的城市可建立1—2個100m3高壓儲罐就可以解決，但是對于用量上百萬的城市就需要建立較大的儲存設施。如天津大港油田利用油田的油氣層結構，建設地下儲氣庫。進行天然氣加壓反注采油儲氣，用于解決城市供氣的季節(jié)調峰。
    目前國內實現天然氣供應的城市只能通過建設大量的高壓球罐來解決城市用氣的日、時調峰。季節(jié)調節(jié)只能依靠長輸管線和控制大的工業(yè)用戶的生產周期來調節(jié)。
    季節(jié)調峰問題，大多數城市受條件(資金、環(huán)境等)所限無法自行解決，因此在市場經濟的形勢下，應依靠長輸管線，合理處理好上下游的供應和提取的銜接，充分利用長輸高壓管線的能力，實現上、中、下游資源的合理配置，共同解決城市的供氣壓力和調峰。
    2、長輸管線參與城市日、時調峰
    天然氣供應需要形成管網，以便合理調度并形成連續(xù)、穩(wěn)定、安全的供氣保障。天然氣供需預測表明，2010年前后，我國除開發(fā)利用國內天然氣資源外，需進口管輸天然氣400億立方米，到2020年進口量將大幅增加。為此需建設輸氣干線，構建大量支線供氣管網，根據全國天然氣輸氣管網的規(guī)劃及建設計劃，全國的天然氣供應最終將形成區(qū)域化和網絡化，長輸干線不僅可以解決下游城市的季節(jié)性用氣不均衡問題，而且為長輸管線參與城市日、時調峰提供了可能。
    3、隨著城市燃氣供應規(guī)模的擴大，各類用戶的增多，輸配系統往往需要采用三級系統(高壓、中壓、低壓)及多級系統(超高壓、高壓、中壓、低壓)才能滿足要求。采用三級以上壓力級制有利于滿足不同用戶的壓力需求，降低城市內部輸配管網的運行壓力，增加管網氣量調度能力，提高儲氣的經濟性等。來氣壓力一般不低于1.0MPa，對于多級系統，來氣壓力一般不低于2.5MPa，甚至可以高達5.0MPa以上。目前國外一些大城市輸配系統普遍采用多級系統，超高壓城市外環(huán)管網作為滿足流量輸送和部分儲氣的需要的手段而建設。而且超高壓外環(huán)的壓力級制和高壓管網的壓力級差一般較大。
    另外，在城市燃氣供應系統中，必須解決供需平衡問題，做為城市上游長輸管線一般解決城市季節(jié)不均衡和部分日用氣不均衡，而城市小時用氣不均衡目前主要通過城市自身解決。建設一定規(guī)模的儲氣設施是解決日、時不均衡的主要手段。目前常用的儲氣手段是高壓球罐儲氣和城市高壓外環(huán)儲氣等，主要依據上游長輸管線輸送壓力來確定方案。
    3.1、高壓球罐對上游輸送壓力的要求
    壓力(P)：1.0MPa<P<1.6MPa
    如壓力低于1.0MPa，將降低球罐的有效利用率，增大儲罐站的投資。
    3.2、城市高壓外環(huán)儲氣對上游輸送壓力的要求
    壓力一般不低于1.6MPa，最好高于3.0MPa。如果來氣壓力高于3.0MPa，采用高壓外環(huán)儲氣比高壓球罐具有明顯的經濟性。
    所以上游來氣壓力對城市輸配系統的影響很大，城市方面希望上游長輸管線能提高輸送壓力。

五、總結
    1、西氣東輸等管道工程是近期國民經濟發(fā)展的重點工程，在天然氣的計劃和提取中應作好上下游銜接，在一定的壓力波動下，可以作為一個大型的儲氣設施，滿足下游各城市的調峰需要。
    2、長輸管道供給量一般可以滿足需求量，但是城市燃氣系統應該有一定的儲氣設施建設，以彌補可預計的天然氣供應和需求量之間產生的調峰波動、以及在長輸管道搶維修的時候滿足短期內做為一個氣源供氣。
    3、用戶用氣量是不均衡的，長輸管道應滿足城市的調峰需求。根據長輸管道的供氣能力和壓力波動，參考用戶的調峰氣量，參與城市管網的日、時調峰，減少城市調峰設施的建設，合理調度，最優(yōu)化利用資源。
    4、為解決城市日、時調峰設施的建設時，上游管道輸送壓力宜為：對于一般中等城市，不宜低于1.6Mpa；對于采用多級系統的大城市或特大城市，不宜低于3.0Mpa；對于供應電廠用戶的城市，不宜低于3.0MPa。
    在城市燃氣供應系統中，天然氣的供應量是不斷變化的，尤其是工業(yè)上的鍋爐、電廠發(fā)電、直燃空調大量使用天然氣時，將出現月不均勻、日不均勻性的用氣規(guī)律。這種不均勻性肯定會引起天然的使用需求量的大幅度變化，產生用氣的需求高峰期和用氣低谷期，為了保證不間斷地向用戶供氣，必須考慮供氣和用氣之間的平衡，這其中就必定需要處理好調峰的問題，不能單獨依靠城市自身的儲氣系統，必須協調好與長輸管道系統。利用其管道壓力高，儲氣量大的特點，合理預測，適當安排，合理進行用戶生產調度。從全局上把握，進行統籌和分配。使需求和生產能和諧統一。
    5、建立相應的調度系統
    由于天然氣需求及生產還存在著地域差異，因此，建立合適的資源調度系統對于平衡全局的天然氣供需差異也將有益。西氣東輸工程的名字本身就說明了能源調度的一個概念。而各大天然氣輸送工程間的聯絡線工程建設，已促使我國天然氣管網系統化向前邁進了一大步。