燃气管网调峰能力的探讨

上海市燃气调度中心 任桢

上海天然气管网有限公司 李嘉明

0 引言

燃气需求负荷是经常发生变化的，而且变化量不是恒定的、狭小的，为了维持燃气供应和需求平衡，保持燃气管网压力稳定，需要燃气调度部门利用燃气储存和改变燃气供应量以适应燃气需求负荷，应对季节、月份、日、小时燃气调峰需求和应急调峰需求。

随着清洁能源天然气的大力发展，文章将重点放在天然气调峰能力。《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)的6.1.5中指出在平衡城镇燃气逐月、逐日的用气不均匀性基础上，平衡城镇燃气逐小时的用气不均匀性，城镇燃气输配系统尚应具有合理的调峰供气措施。其中城镇燃气输配系统的调峰气总容量，应根据计算月平均日用气总量、气源的可调量大小、供气和用气不均匀情况和运行经验等因素综合确定。此外，由于上海的气源方(即供气方)不是单一的，并且作为上海气源方之一的洋山港LNG有照付不议的风险(供需失衡)。因此在做好燃气预测的同时，需要明确燃气管网的调峰能力。

文章以城镇燃气管理条例和城镇燃气设计规范为法律依据，借鉴国外的不同理念，明确燃气储存方式和燃气需求预测方式，从而确立日常调峰和应急调峰需求量，为提升燃气管网调峰能力提供依据。文章所列举的图表中数据是模糊的、虚拟的、任意单位的，但符合实际数据所体现的规律和特征。

1 燃气储存方式

正如引言所述燃气需求负荷不是恒定的，又因为燃气供应量的改变幅度是有限的，所以完全依靠改变燃气供应量是难以适应燃气需求负荷的。因此除了调度气源供应量，利用燃气储存是解决燃气管网调峰的最佳调度方式。

国外人工煤气储存方式和国内相同，储存方式是低压储气柜。分为湿式储气和干式储气柜。

国内外天然气主要储存方式有地下储气库(枯竭油气田、含水层、盐穴)、LNG储罐、CNG高压储气罐和高压次高压管网沿线储存(Linepack Storage)。

上海天然气储存方式主要依靠高压管道沿线储存和LNG储罐。LNG已经不再通过天然气主干网经过液化设备自行制取储存，而是依靠进口LNG船运储存。目前洋山港LNG平均每日气化量已远远超过东气和川气的气源供应量，一期16.5万m3储罐三座，而且由于洋山港LNG气化可调量幅度空间大，因此既可以视为天然气主要供应气源之一，也可以视为调峰重要手段和最大的储存方式。

英国天然气储存主要方式和上海类似，因其地质条件允许还有地下盐穴储气库。

LNG接受站和地下储气库主要应用于国家长输管网(National Transmission System, NTS)，管网压力为7.0～8.5 MPa。高压次高压管道沿线储存既用于国家长输管网NTS也用于其区域分输管网(Local Distribution Zone, LDZ)。此外还有两种原本应用于区域分输管网LDZ，目前不用或很少用的储存方式，低压储气柜和高压大直径管道。低压储气柜中干式储气柜可直接用于储存低压天然气，湿式储气柜经过简单技术处理也可以用于储存低压天然气，在英国人工煤气转换后该方式曾经用于储存天然气多达30年，但由于低压储气柜的维修和维护成本相对于其所能储存的气量偏高，目前该储存方式已经被淘汰。高压大直径管道(bullets)用于高压管道储存，压力为3.8～7.0 MPa，直径最大可达4 m，既可以埋于地下，也可以铺设于地上。但是由于其每10年所需进行的安全检测费用高昂，目前该储存方式已经逐步不用。

因此通过借鉴英国天然气储存方式的历史变革，不难发现LNG站和高压次高压管道沿线储存是适应上海特点的最佳储存天然气方式。

2 燃气需求预测

燃气需求预测的准确性直接关系到日常调度调峰，燃气供应安全保障，燃气储存设备投资计划。而影响燃气销售的因素有很多，从成分划分有居民消费用气、电厂消费用气、工业用气和化工用气，从客观因素划分有季节性变动，气温气候变动，节假日变动，工作日和非工作日变动，生活习惯改变，经济景气情况，人工煤气置换进度等等。

燃气需求预测方式方法有很多，英国因其特殊的气候条件和市场价格驱动型储气策略，国家长输管网系统需求预测和区域分输管网系统需求预测不同。英国国家长输管网系统需求预测取决于电厂、电网需求，爱尔兰市场需求，和欧洲燃气价格差，工业需求。区域分输管网系统预测更多的取决于天气因素，采用天气复合变量法(Composite Weather Variable, CWV)进行燃气预测。通过将温度、季节、风速等一系列天气因素综合考虑，得出CWV变量，使得燃气销售额与CWV变量成线性变化，从而预测未来市场的燃气销售量，确定燃气需求。

销售量和温度的关系如图1所示，销售额和CWV的关系如图2所示。

图1 日销售量和温度的关系

图2 日销售量和CWV的关系

由图可见区域分输管网系统由于没有电厂天然气用量的销售干扰，其销售额和CWV呈明显线性关系，这对燃气需求预测的准确性有很大的提高，值得国内从事燃气销售需求预测的同行借鉴。

3 燃气管网调峰量

通过预测将来的燃气需求，结合燃气供应量的改变幅度，峰谷部分通过燃气储存方式进行调节，即燃气管网调峰。

应对季节/月份/日/小时供求匹配，日常调峰需求量的计算方法，国内与英国是一致的。如图3所示。

图3 燃气日调峰量示意

英国的经验是民用户调峰需求量是其平均负荷的2.5倍，而工业用户调峰需求量只有其平均负荷的1.3倍。因此调峰幅度相对于平均负荷的大小，主要取决于燃气居民用户占燃气总用户比重的多少。季节和月份的调峰需求量也可以用类似方法求得。

该调峰需求量计算得出后减去燃气供应量所能改变的幅度即是需要通过燃气储存来调节的量。如图4所示一天之内，燃气储存量的变化，其最大储存量减去当日最低储存量即是用于燃气调峰的量。所需注意的是，天然气的高压管道沿线储存其最低压力需满足天然气电厂的压力需求，且主要用于日/小时调峰。季节和月份的用于调峰的储存需求量主要靠LNG储罐和地下储气库，可以用类似方法求得。日常调峰需求量也可以用高峰系数乘以平均用气量再减去燃气供应量所能改变的幅度确定。

图4 燃气日储存量变化示意

应急调峰需求量借鉴英国的经验，应当能应对20年一遇寒冷冬季的日调峰考验和50年一遇寒冷冬季月调峰考验。因此作者认为可以用本年往前追溯20年以来最大的高峰系数乘以平均用气量再减去燃气供应量所能改变的最大幅度计算求得日应急调峰需求量。公式表达为:日高峰系数=计算月中的日最大用气量/该月日平均用气量。日应急调峰需求量=MAX(近20年日高峰系数)×计算月平均用气量预测值-日最大燃气供应量。计算月是指1年中逐月平均的日用气量中出现最大值的月份。以此类推，用小时高峰系数和月高峰系数，也能相应求得对应的应急调峰需求量。值得注意的是，在计算日应急调峰需求量后，需要计算当日小时最大调峰幅度。例如:在满足日应急调峰需求量情况下天然气高压次高压管道沿线储存管道小时压力降最大幅度因在可控范围内。此外，随着天然气市场的发展，天然气的应急调峰需求量的计算还应该考虑因人工煤气转换的增量对天然气销售负荷曲线的影响。

不同年份燃气销售负荷有所不同，寒冷的年份燃气销售负荷就偏高，相应的对燃气管网调峰能力要求变高；反之在温暖的年份，对燃气管网调峰能力的要求变低。提升管网调峰能力一方面要能准确预测燃气销售负荷，另一方面基于预测工作要准备好燃气储存和燃气供应量的调节，从而平衡燃气供应和需求。

4 结论

(1)低压储气柜可以用于储存天然气，但是因效率低，已被英国淘汰。

(2)高压大直径管道可用于高压管道储存，但因安全检测费用高昂，已逐步不用。

(3)LNG站和高压次高压管道沿线储存是适应上海特点的燃气管网调峰储存方式。

(4)英国天气复合变量法(CWV)进行燃气预测，考虑温度、季节、风速等一系列天气因素综合，值得借鉴。

(5)调峰幅度的大小，主要取决于燃气居民用户占燃气总用户比重的多少。

(6)应急调峰需求量，应当能应对20年一遇寒冷冬季的日调峰考验。