城市天然气储存和调峰问题研究

2013-03-27肖贵福曹伟武

大众科技 2013年6期

肖贵福曹伟武严平

（1.上海理工大学能源动力工程学院，上海 200093；2.上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620）

城市天然气主要用于工业企业、集中采暖、居民用户和公共设施。工业企业主要是天然气发电厂、化工、冶金等用户，用气负荷相对均衡；集中采暖的用气量随气温、气候等情况而变化，用气负荷变化明显；居民用户和公共设施随着每天生活时段的不同形成明显的波动。城市中一年四季不同月份、每月中不同日期、每日中不同时段的天然气消费量变化都很大[1]，然而作为天然气供应体系的上游，气田产气在一定时期内是稳定的，因为气田超负荷生产易造成边底水入侵，加速地层能量消耗，缩短稳产期等非常不利的后果[2]。可见天然气供气与用气系统的负荷是不匹配的，而这种供气和用气的不匹配必然引起天然气储存和调峰问题，因此，了解城市天然气储存的形式进而研究城市天然气调峰方法是十分必要的。

1 天然气储存形式

1.1 地下储气库

地下储气库是当今世界上主要的天然气储气方式，在世界天然气储存设施总容量中，地下储气库的容量占90%以上。地下储气库利用天然地质构造建造而成，主要有以下四种形式：利用含水多孔地层储气、利用衰竭的油气田储气、利用盐矿层建造储气库储气（盐穴储气库）和利用废弃岩穴储气。迄今为止，全世界约有560多座地下储气库，总容积约为5100亿立方米，可以用于调峰的气量约为2500亿立方米，其中衰竭油气田储气库430座，含水层储气库82座，盐穴储气库45座。从经济方面看，以利用衰竭油气田建造储气库为最优选择，其单位有效库容量的投资约为含水层储气库的 50%～75%、盐穴储气库的 30%，其运行费用约为含水层储气库的60%～75%、盐穴储气库的20%[3]。

地下储气库在夏季城市用气低谷期将管道输送的过剩天然气注入储气库, 当冬季用气高峰期时再将库里存储的天然气输出, 来满足用户因季节变化引起的用气波动需求。地下储气库储气具有维护简单、运行费用低、安全可靠、储气量大等优点；缺点是要求合适的地质构造、建设投资大、建设周期长。世界各国的运行经验表明，衰竭油气田和含水层储气库适用于季节调峰，盐穴储气库由于具有快注快采、一年可周转多次的优点，更适用于短期调峰，但总体来看，地下储气库的天然气主要用于满足季节性调峰需要，以及用作供气系统发生事故时的应急储备和国家的战略储备。

在世界560多座地下储气库中，美国有386座，占全世界总数的70%，加拿大有38座，俄罗斯有22座[4]。我国的地下储气库建设起步较晚，上世纪70年代在大庆油田才萌生利用衰竭油气田来建设气库的想法，真正开始研究地下储气库是在90年代初。目前我国主要有大庆油田的喇嘛甸北块、大港油田的大张坨、板876及板中北高点等几座地下储气库[5]，这几座储气库远远不能满足我国经济发展的需要。随着我国经济的不断发展，各地区的用气量不断扩大，我国需要建立更多与长输管网配套的大中型地下储气库群以满足调峰、应急和战略储备的需要。

1.2 地上储气罐储气

储气罐是地上储气的主要设备，由各种钢制的储罐构成，目前是我国城镇天然气储气的首选。按储气罐承受的压力不同，储气罐可分为低压储气罐和高压储气罐两大类。由于我国城镇燃气系统主要使用中高压管网，因而从经济方面考虑，我国主要采用高压储气罐。高压储罐铺设在地面上，需要占用大量土地,且储气罐的压力较高,因自动控制及消防等辅助设施的要求需要经常检查，运行管理比较复杂且造价高。按外形特点不同，储气罐可分为圆筒形罐和球形罐两种，相对于圆筒形，球形储气罐具有受力均匀、相同容积下耗材较少等特点，但其制造工艺较复杂，对技术和材料属性要求更高[6]。

建成储气罐群后，在用气高峰时，管网天然气供气量小于需求量，则将储气罐内储存的天然气输入管网，天然气的供应量增加，达到供需平衡；在用气低谷时，管网天然气供气量大于需求量，则将管网中多余的天然气输入储气罐内，以备高峰时使用。由于储气罐容量相对较小，所以储气罐主要用于城市配气系统的日或小时调峰供气。

1.3 管道储气

（1）输气管道末段储气

输气管道末段储气是指利用最后一座压气站到城市门站之间的管道末段储存天然气或选用一定直径的若干管束埋于地下形成储气设施。显然管道末段的起、终点压力决定了末段储气能力的强弱，管道末段储气能力越大，越有利于调峰[7]。管道储气设施与球形储气罐相比，具有运行压力高，埋地更安全，建造费用低等特点，管道储气设施的占地面积较大，可储气量却相对较小，这是导致目前世界上已建造并投入使用的管道末段储气较少的主要原因。输气管道末段储气往往用作城镇的日或小时调峰用气[8]。

（2）城市高压管网储气

城市输气管道自身具有一定的容积，在输气过程中，由于压力原因，管存量是不可忽视的。当上游气源中断或设备发生故障时，可以利用城市管道里的余压来驱动天然气分输到用户。其优点是调峰方式简单，易操作，缺点是管道储气量有限，调峰时间短。由于城市燃气管网系统的管径及设备均以月最大小时流量为设计依据，因此管网输气能力富余量非常大，有利于解决小时调峰问题，并且利用城市高压管网调峰有利于接收不同气源的天然气，平衡输气系统工况。城市高压管网储气与长输管道末段储气的原理相似，但前者比后者更接近用户，能够更及时快捷地响应用气的波动。城市高压管网也适用于城镇的日或小时调峰用气。

1.4 LNG储气

液化天然气(liguefied natural gas，简称LNG)是将天然气经过净化处理后液化成 LNG，便于储存和远距离运输。目前，LNG 已成为无法使用管输供气区域的主要气源或过渡气源，也是许多使用管输天然气供气城市的补充气源和调峰应急气源，储存LNG是我国各大城市为保障天然气日常供应的非常重要的储气方式。

LNG调峰站的调峰方式是：在城市天然气用气高峰时开始工作，启动LNG气化器，将LNG气化后送入管网；在城市天然气用气低谷时，LNG调峰站停止供气，管网的富裕天然气进入液化站，液化后进入LNG调峰站，调峰站也可通过其他途径补充LNG。LNG储气调峰与传统的高压储气罐调峰有较大的区别[9]。LNG气源灵活性强、可调能力大、可靠性好，而且资源来源多元化，不仅适用季节调峰、也适用于日或小时调峰，并且可以根据供气调峰和应急供气的需要建立LNG调峰站，但LNG调峰涉及到LNG运输船、接收站、运输车和气化装置等一系列其他技术装备，需要投入较大的资金和技术力量进行研究开发。

目前，美国拥有113座LNG设施，其中包括5座LNG海上终端，57座调峰型LNG装置、39座LNG储存装置和12座LNG终端利用装置。我国由于早期缺乏资金和技术，在 LNG储气调峰方面起步比较晚，近几年随着经济的快速增长，天然气消费量迅速上升，LNG运输与储存大量出现，我国正逐步吸收国外在LNG储气调峰方面的经验，已经取得了较大的进步。北京、上海、哈尔滨、广州和武汉等城市都建立了LNG储存调峰基地，沿海苏州、深圳等城市也建立了LNG接收站、气化站等配套设施，相信不久的将来，我国许多大城市会多增加一种天然气储气方式，以保障天然气的供应。

综上所述，天然气储存形式的各有特点：地下储气库储气容量大，安全可靠性高，适用于季节性调峰，必要时可用LNG终端作补充；高压管道和储气罐输气调节灵活、操作简便，是目前解决城市燃气日或小时调峰的主要方式。对于月高峰用气量大的城市，应大力发展LNG储气、洞穴储气等可以快采快注且外输量相对较大的方式，与季节型储气库联合起来满足要求；对于城市时调峰，应主要依靠日调峰设施及管道末端储气、城市高压管网储气等方式共同完成。

2 城市天然气调峰的新问题

2.1 天然气需求量大、增长快

随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，生产和生活用电用气量迅速增长，尤其是我国许多城市正用绿色安全的天然气逐步取代城市煤气以降低污染，因此，我国天然气的需求量非常大，增长也非常快。以上海为例，2009年全年天然气用量将近33亿立方米，2010年为45亿立方米，2011年增至70亿立方米，天然气供应量平均每年增长20%，供应总量和增长速度均直线上升。根据上海市燃气发展“十二五”规划，至 2014底，上海天然气市场规模将达到 100亿立方米。又如苏州市2008年天然气供应量为6亿立方米，南京市为3.5亿立方米[10]，但我国天然气供应量远不能满足城市飞速发展的需要[11]。

2.2 天然气调峰能力滞后

目前多数城市储存天然气的主要方式是采用储气罐和管道储气，而建设储气罐和高压管道需要投入较多的资金和技术，因此，我国城市天然气调峰设施发展缓慢，调峰能力不足，这也是我国局部地区冬季易出现用气紧张的主要原因，严重的地区甚至会发生“气荒”。2010年，上海天然气消费结构中，电力、化工、冶金等大用户用气量约占天然气消费总量的44%，居民（含中小工商业）用气约占52%，用气特性与电力同步，呈现夏、冬双高峰，气电平衡矛盾突出，因此天然气调峰量大，调峰要求高。据估计到2020年，上海用气高峰月需要的日调峰量将达到1500万立方米，而目前上海的调峰能力仅为180万立方米，存在很大的缺口。此外不少城市冬、夏季用气量相差大[12]，以苏州为例，夏季用气量最少时每天仅120万立方米，而冬季用气量大时每天可达240万立方米，冬、夏季的峰谷差达到2倍；北京的冬、夏季用气量的峰谷差接近8倍，这都给调峰带来较大的压力。

2.3 天然气储存与调峰方式单一

我国许多城市天然气储存和调峰方式单一，这与我国东西部的经济发展不均衡、天然气资源分布不均衡有密切的关系。由于我国的大型气田集中在西部，而消费地集中在东部，东、西部之间通过一条长达数千公里的天然气主干管网输送，如此长距离的天然气管网，沿途经过很多城市，而各个城市之间又有供气优先权，往往会先保证大城市供应，因此供气会出现尴尬的局面，由于缺乏资金和技术力量，一些城市没有实力建立高压储气罐和LNG储气设施，天然气储存和调峰方式就比较单一。如宝鸡市现有供气气源唯有陕北靖边气田，可是陕北靖边气田供气包括北京、天津和西安等大城市，当供气紧张时气源方首先保证北京的供气，然后是天津、西安等城市，宝鸡市的供气会处于一种很尴尬的局面[13]。又如我国西气东输工程供应着沿线许多城市的天然气，西安、洛阳、南京和上海等城市的天然气供应均依靠西气东输主干管道，每年冬季寒潮来袭，天然气需求急剧增加，许多城市没有额外的天然气供应措施，易面临“气荒”的考验。

3 应对措施

3.1 上游气田在安全的前提下尽量提高产量

天然气是我国能源市场中最具开发潜力的能源之一，应当投入资金和技术在开采方法上进行研究和创新，不断提高天然气开采效率，进而提高天然气的产量。我国许多城市天然气需求总量呈阶梯形增长，增长速度非常快，只有通过提高上游气田的天然气产量，天然气用户的需求才能满足，才可能通过天然气的储备设施，如地下储气库、储气罐等，把多余的天然气储存起来，用作调峰储备。

3.2 建立多元化的天然气储备设施，提高调峰能力

为保证供气的经济、安全，应根据城市自身情况因地制宜发展各种调峰设施，上游气田输送的天然气在供气充足时输入城市各种天然气储备设施，在供气紧张时输出，保障城市天然气的供应，提高城市天然气的调峰能力。对于建设地下储气库不应局限于衰竭油气田、盐穴库，还应积极考虑含水层、人造洞穴等形式；对于环保安全的LNG储气调峰方式，应给予充分重视，利用LNG储气的优势，适度建立LNG储气设施[14]。

3.3 节能、高效地利用天然气

城市天然气用作民用燃料和锅炉燃料，解决了环境保护问题，但其热能利用效率不高，是不经济的天然气利用方式。虽然目前供居民日常生活的天然气不得不使用，但随着电磁炉的普及，天然气炉灶将逐步被代替。更重要的事工业性用气的充分利用，如燃气蒸汽联合循环，将天然气燃烧产生高温烟气，先进入燃气轮机发电，然后再加热余热锅炉产生高压蒸汽，用作蒸汽轮机发电，形成燃气轮机和蒸汽轮机联合发电，两者效率总和可达 60%以上，如果将余热锅炉排烟的热能回收制冷，能量利用效率会更高[15]。开发高效、节能的天然气利用方式，是保障我国能源供应的重要组成部分。

3.4 积极利用经济杠杆，采取合理价格，提高天然气储气能力

我国城市储存天然气的主要方式是利用储气罐储气和管道储气，建立天然气储备设施需要投入较多的资金和技术力量，导致下游对建立天然气储备的积极性不高，应利用经济杠杆，采取合理价格，促进下游天然气储备设施的发展。以美国为例，美国冬季气价是夏季天然气价格的三倍，燃气销售商可以通过天然气储备实现套利，在这种“峰谷气价”的设置下，下游对建立天然气储备设施积极性将大幅度提高。因此我国应该改革天然气的定价机制，提高下游建立天然气储气设施的积极性，进而提高我国许多城市的天然气调峰能力，减少部分地区用气紧张局面的发生。

3.5 采购LNG，开发国际气田

我国是天然气资源紧缺的国家，但天然气用量缺迅速上升，因此引进天然气是必然途径。我国从俄罗斯、中东各国引进天然气，从东南亚引进 LNG，在中东投资开发石油天然气资源以解决国内天然气供气不足的困境，以此同时，我国应不断研究相关设施和技术，如LNG运输船、LNG运输车、LNG储存罐、LNG气化器等。近年来，随着世界天然气产业的迅猛发展，LNG已成为国际天然气贸易的重要部分，到2020年，全球LNG贸易量将达天然气总贸易量的40%。世界LNG应用技术的发展经历了六十多年的历史，形成了从液化、储存、运输、气化到终端利用的一整套完整的工艺技术和装备，技术水平非常成熟。我国天然气资源满足不了我国旺盛的天然气需求，因此采购世界各地的天然气资源，开发国际气田，对于保障我国天然气供应是十分必要的。

3.6 建立区域天然气主干管网，进而构建全国天然气主干管网

为了保障天然气供应，必须规划建设科学、高效的输配管网。目前长三角地区正在构建区域天然气主干管网，把上海天然气主干管网向北延伸，与江苏的管网相连，向西南延伸与浙江的管网相通，盘活长江三角洲的天然气主干管网资源，以便在事故工况下，互通有无，互惠互利，提高区域供气安全性；象冀宁联络线工程把国内两条最大的输气管道——西气东输管道和陕气进京管道连接起来，还能向华东、华北地区供气，形成靖边、南京、河北区域天然气供应管网[16]。这种局域性天然气供应管网对保障城市天然气供应安全具有很强的作用。

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