某大型分布式能源用户天然气直供可行性研究分析

1 引言

天然气分布式能源是以天然气为主要燃料， 是通过冷热电三联供和气电联供等方式来实现能源的梯级高效利用，并可在天然气用气负荷中心就近实现能源高效安全供应的现代新型能源供应方式。 在一定技术条件下，天然气分布式能源因其具备高能效、清洁稳定、削峰填谷等优势，已经成为国际能源开发应用中极具竞争力的能源之一[1]。

天然气分布式能源可实现冷热电联产作用， 就地接入配电网，实现能源的就地供应，从而满足大电网集中供能的有效补充。 同时，可以通过能源的梯级高效利用，提高系统的综合利用效率，促进我国能源结构的调整，为实现对清洁用能的推广、加速可持续发展都具有重要意义[2-3]。

2018 年，国务院发布了《关于促进天然气协调发展的若干意见》，鼓励发展可替代能源用户和可中断大工业用户，积极引导用户主动参与调峰、充分发挥终端用户调峰能力[4]。 这标志着我国天然气分布式能源即将进入快速发展阶段。

2 项目概况与热负荷分析

本次可行性研究基于某分布式能源实际案例， 规划分布式能源站共建设2 套由6B 燃机组成的“1 拖1”天然气-蒸汽联合循环机组，即1 台燃气轮机发电机组配1 台余热锅炉，1 台余热锅炉供汽给1 台抽凝式蒸汽轮发电机组，预计天然气年用气量约1.516 亿m3，高峰用气量为27 564 m3/h，用户用气设备进口压力不低于1.6 MPa。

调研区域属夏热冬冷地区， 集中供热的热负荷通常由4 部分构成：

1）满足工业生产需求的工业热负荷；

2）满足各类用户日常生活需求的如洗浴、消毒、蒸煮等用热的生活热负荷；

3）满足供应用户采暖需求的采暖热负荷；

4）满足供应用户夏季热能制冷、冬季供热的空调热负荷。

根据测算，近期分布式能源站额定供汽能力100 t/h，供汽压力0.8 MPa，供汽温度240 ℃；远期全部装机对外总额定供汽能力172 t/h，供汽压力0.8 MPa，供汽温度240 ℃。

3 分布式能源天然气用气直供方案

根据用气设备参数计算， 分布式能源站近期用气规模为1.5 亿m3/N，用气压力不低于1.6 MPa。 燃气轮机对气体燃料天然气气质要求较高。 其中天然气中的颗粒状杂质可以引起燃机高温腐蚀、积垢、堵塞及磨蚀等；天然气中含有的液态水将会导致燃机由于火焰温度迅速降低从而熄火。 所以，进入燃气轮机的天然气水分含量不能太高， 特别是天然气通过调压机组时携带的润滑油液滴； 天然气供气压力必须大于燃料喷嘴的最大压降。 供气实施方案首先考虑项目近期用气保供需求，可行且经济，并为远期预留发展空间。 结合天然气供应现状和规划，制订近远期皆安全、可靠、经济的供气方案，并充分考虑近远期的衔接。

分布式能源项目周边符合条件的天然气高压管线为已建天然气绕城高压管线，设计压力为4.0 MPa，管线主要沿绕城高速、合六叶高速敷设，管径为DN700，最大年输气能力约40 亿m3。在分布式能源站附近设有长岗调压站、机场阀室。空港能源站距离绕城高压管线干线直线距离约500 m，距离长岗调压站约3 km，距离机场阀室约2 km。 其中从机场阀室引线方案需要穿越合六叶高速，从投资成本、协调成本考虑，首先不予采用。 现高压管道不停输开口作业工艺已非常成熟，因此，确定从绕城高压管线与规划天柱山大道交口处，在主管线上带气作业开口，设置清管三通引出供气支线，沿着规划天柱山大道东侧向北敷设至空港能源站内。 管线全长约500 m，管径DN300，设计压力6.3 MPa。 在能源站内天然气调压计量区设置计量调压装置， 接收高压管道来气， 将天然气调压至1.6 MPa 后交付能源站。

4 供气方案结果可行性研究

4.1 供气压力可行性研究

本案例采用模拟软件TGNET 对天然气管网进行模拟，该软件由英国ESI 公司研发， 可用于模拟气体管网的瞬态和稳态工况，通过计算分析，实现气体管网的设计以及操作决策。

根据天然气能源项目可行性研究，分布式能源站近期用气规模1.5×108 m3/N，设计流量为27 564 m3/h，最低压力为1.6 MPa。

通过水力计算得出规划采用天然气绕城高压管网最低的供气压力， 同时对高压管道的管径选用3 个方案DN250、DN300、DN400 进行对比分析。

4.1.1 压降比选

1）工况1：在管径为DN250，末点压力为1.6 MPa，输气规模为30 000 m3/h，计算最低起点压力，结果详见图1。

图1 水力计算压降工况1 图

2）工况2：在管径为DN300，末点压力为1.6 MPa，输气规模为30 000 m3/h，计算最低起点压力，结果详见图2。

图2 水力计算压降工况2 图

3）工况3：在管径为DN400，末点压力为1.6 MPa，输气规模为30 000 m3/h，计算最低起点压力，结果详见图3。

图3 水力计算压降工况3 图

4.1.2 输气量比选

1）工况1：在管径为DN250，起点压力为2.5 MPa，末点压力为1.6 MPa，计算最大输气量，结果详见图4。

图4 水力计算输气量工况1 图

2）工况2：在管径为DN300，起点压力为2.5 MPa，末点压力为1.6 MPa，计算最大输气量，结果详见图5。

图5 水力计算输气量工况2 图

3)工况3：在管径为DN400，起点压力为2.5 MPa，末点压力为1.6 MPa，计算最大输气量，结果详见图6。

图6 水力计算输气量工况3 图

通过3 种管径进行各种工况下的水力计算，DN250、DN300、DN400 均能满足下游用户用气输送需求和压力需求。

其经济性比选表如表1 所示。

表1 管径方案经济比选表

4.1.3 计算结论

通过水力计算得知，3 种管径下的压降都较小，3 种管径下均可满足项目建设要求， 但DN300 管道的输气量约为DN200 管道的输气量的两倍，且投资增加较少，因此，综合考虑本项目推荐选用DN300 钢管。

根据用户要求出口压力最低为1.6 MPa，通过水力计算得出绕城高压管线进口压力不得低于1.606 MPa，压降为6 kPa。根据高压管网平均日压力波动曲线， 可以得出大部分时间段高压管网运行压力均高于1.6 MPa， 局部冬季用气高峰时，压力负荷较低，一旦有用气压力最低需求，可通过流量控制阀控制进出口流量来提升管网压力，或在用气高峰时通过LNG 气化站向高压管网中输气来保证管网中的运行压力。

4.2 供气管道强度和稳定性可行性研究

4.2.1 管道壁厚计算

1）钢管直管段壁厚计算公式

根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》的规定，钢管直管段壁厚按式（1）计算：

式中，δ 为钢管计算壁厚，mm；P 为设计压力，MPa；D1为钢管外径，mm；σs为钢管最小屈服强度，MPa；φ 为强度设计系数；F 为焊缝系数；t 为温度折减系数。

2）弯头、弯管壁厚计算公式

弯头和弯管的管壁厚度按式（2）~式（4）计算：

式中，δb为冷弯弯管和热煨弯头的计算壁厚，mm；δ 为弯头和弯管所连接的直管段壁厚计算厚度，mm；R 为冷弯弯管和热煨的曲率半径，冷弯弯管时R 按40D2取值，热煨弯头时R 按6D2取值，mm；m 为冷弯弯管和热煨弯头的管壁厚度增大系数；D2为冷弯弯管和热煨的外半径，mm；δ′b为热煨弯头的选取壁厚，mm。

3）壁厚计算结果

按式（1）~式（5）对本工程管道壁厚进行计算。钢管参数统计表如表2 所示。

表2 钢管参数统计表

4.2.2 管道强度和稳定性校核

1）强度校核

在埋地直管段中可产生因泊松效应应力、 温度应力以及由内压产生的轴向力，必须进行当量应力校核。

由内压和温度差引起的轴向应力按式（5）和式（6）计算：

受约束管段，按最大剪应力破坏理论计算当量应力，并应符合式（7）的要求：

式（5）~ 式（7）中，σL为管道的轴向应力，MPa；μ 为泊松比，钢材取0.3；σh为由内压产生的管道环向应力，MPa；d 为管道内径，mm；δn为管道公称壁厚，mm；E 为钢材弹性模量，MPa；α 为钢材的线膨胀系数，cm/ （cm·℃）；t1为管道安装闭合时的大气温度，℃；t2为管道内被输送气体温度，℃；σe为当量应力，MPa；σs为钢管的最低屈服强度，MPa；P 为管道设计内压力，MPa。

埋地管道强度校核计算结果见表3。

表3 管道强度校核计算表

经计算，本项目管道可以满足当量应力的要求。

2）稳定性校核

管道需要有一定的刚度，不然在装卸、运输、堆放、下沟、回填等过程中会使管子严重变形或压瘪，一旦发生这种情况，管道即报废。

管道的刚性与材料强度无关，而与材料的弹性模量、直径与壁厚比D/δ 有关。 因各种等级的钢号的弹性模量都是一样的， 故只考虑D/δ 即可。 同样直径的管道壁厚越厚，D/δ 就越小，则刚性越好。

根据经验，当埋地管道埋深通常不超过2.5 m，土壤的压力不会对管道稳定性造成威胁， 此时若管子外径与壁厚之比小于140，则管道不会发生径向失稳。

当管道局部地段埋深较深， 超过2.5m， 或者外载荷较大时，还应按无内压状态校核其稳定性。 钢管径向稳定性条件应满足式（8）和式（9）：

式中，Δx钢管水平方向最大变形量，m；D3为管道外径，m；Dm为管子平均直径，m；Z 为管子变形滞后系数， 取1.5；K 为基床系数；E 为钢材弹性模量，N/m2，I 为单位管壁截面惯性矩，m4/m；Es为土壤变形模量，N/m3，Es值与土壤种类、 回填土压实程度等因数有关，应以现场实测为准；W 为作用在单位管长上的总竖向载荷，N/m。

管道稳定性校核计算表如表4 所示。

表4 管道稳定性校核计算表

经计算，本项目选用的管道可以满足稳定性的要求。

5 结语

1）发展天然气分布式能源是我国实施可持续发展战略的选择。 天然气分布式能源系统实现了能源的梯级利用，充分提高一次能源利用效率。 分布式能源系统位于或邻近用户，能源无须远距离输送， 在余热回收时可以减少终端用户对化石燃料的需求量，减少环境污染，节约能源，促进我国能源整体结构的调整，为实现对清洁能源使用的推广，对加速可持续发展和生态文明城市的建设都具有重要意义。

2）发展天然气分布式能源有利于调整能源消费结构。 未来能源供应取决于终端用户能源服务， 终端能源转向洁净方便的能源， 就是增加天然气和可再生能源在一次能源消费结构中的比重。 根据分布式能源发展较快的发达国家经验来看，采用燃气轮机机、燃料电池、微型燃气轮等分布式能源是合理利用天然气的最佳方式之一。 因此，天然气分布式能源系统将有利于调整能源消费结构，实现能源的多样化应用。

3）发展天然气分布式能源有利于供电安全。 世界各地的电网大规模停电充分说明了供电系统所面临的难题 “供电的安全性”，在世界上很多经济发达地区都出现了电力供应短缺的现象。 严重的电力短缺不仅直接影响了经济的发展，而且对社会运行乃至广大居民的日常生活带来诸多不便。 天然气分布式能源投资少、建设周期短，可以根据需求的发展进行有规划、周期性投资建设，最优地去解决能源问题，提高供电安全可靠性。