淺論利用燃氣管道管儲調(diào)峰及提升管儲的方法

摘 要

摘要：燃氣輸送管道具有很大的儲存空間，利用燃氣管道儲氣能力為生產(chǎn)運營服務，通過調(diào)度的主動干預實現(xiàn)削峰填谷功能，緩解峰期的用氣壓力。本文通過對管儲分析，對管儲調(diào)峰的調(diào)度方式
摘要：燃氣輸送管道具有很大的儲存空間，利用燃氣管道儲氣能力為生產(chǎn)運營服務，通過調(diào)度的主動干預實現(xiàn)削峰填谷功能，緩解峰期的用氣壓力。本文通過對管儲分析，對管儲調(diào)峰的調(diào)度方式進行了說明，并對管儲調(diào)峰的優(yōu)缺點進行了分析闡述。
關(guān)鍵詞：管儲；調(diào)峰；調(diào)度
1 管儲調(diào)峰應用背景介紹
   隨著城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)的蓬勃發(fā)展，氣源供應也越來越顯緊張。上游氣源供應商為產(chǎn)輸平穩(wěn)，制定了各種條款制度來限制下游城鎮(zhèn)燃氣運營企業(yè)，基本上都對下游用戶的用氣總量和提氣速率做出了限定，要求下游城鎮(zhèn)燃氣企業(yè)最大年、季、月、日、小時提氣量、最大提氣速率等指標不能超過一定值。超提倍付已是上游對下游限制的慣用手法。針對各種超提(如瞬時提氣速率超額，日累計用量超額)處理，往往帶有懲罰性質(zhì)，大多是成多倍價格額外收取費用。城鎮(zhèn)居民用氣具有自身特點，存在著日、季度的周期性變化，不可能保持平穩(wěn)用氣。用戶的周期性不均衡用氣給城鎮(zhèn)燃氣運營企業(yè)帶來極大的難度。城鎮(zhèn)燃氣企業(yè)即使能保證年、月、日總量不超標，但也很難保證小時不超提，更保證不了瞬時不超提。城鎮(zhèn)燃氣運營企業(yè)為應對超提問題，常常出高價購買現(xiàn)貨。然而，城鎮(zhèn)燃氣向居民用戶的銷售價格基本是政府定價，不能隨便漲跌。大量的現(xiàn)貨購買會給城鎮(zhèn)燃氣運行企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟負擔。很多用氣高峰時段，城鎮(zhèn)燃氣營運商都是高買低賣來為城鎮(zhèn)居民提供氣源的，這也是城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)普遍效益不好的重要原因之一。由于預測購買現(xiàn)貨量往往與實際用戶需求量存在差距，經(jīng)常出現(xiàn)現(xiàn)貨購買過多或過少問題?，F(xiàn)貨購買多了用不了，還需額外增加保管費用；現(xiàn)貨購買少了，還需向上游氣源供應商超提，或者是限制下游用戶使用量，無論哪種方式，都會給企業(yè)造成一定的損失或負面影響。
    超提倍付給下游城鎮(zhèn)燃氣營運企業(yè)帶來極大的商業(yè)難題。既要保證城鎮(zhèn)工商業(yè)居民的正常用氣，又不能超過上游氣源提供商的最大提氣要求，還要受照付不議合同的約束。如何滿足城鎮(zhèn)居民用戶對燃氣用氣高峰的需求，又盡量減少高價格購買的“現(xiàn)貨”。為降低現(xiàn)貨購買和超提給企業(yè)帶來的經(jīng)濟損失，很多城鎮(zhèn)燃氣運營商都投資大量資金建設調(diào)峰站、儲氣庫、設置緩沖罐等方式來應對。燃氣管道尤其是壓力較高的燃氣管道，是城鎮(zhèn)燃氣企業(yè)所具有的最大存儲空間資源。合理利用管儲資源，將可大大減小企業(yè)現(xiàn)貨購買量，有效防止超提倍付現(xiàn)象發(fā)生，能為企業(yè)節(jié)省投資資金并帶來客觀經(jīng)濟效益。
2 可用管儲量
2.1 管儲量計算
    管道儲氣量跟管道的內(nèi)徑大小、管道的長度、儲氣的壓力及溫度有關(guān)。一旦管網(wǎng)形成，管道的大小、長度均已確定，管儲主要跟壓力和溫度有關(guān)，如忽略溫度變化影響(假設管網(wǎng)溫度保持一致)，則管儲就跟管道的壓力有直接關(guān)系，管道運行壓力越高，管儲就越大。假設管道內(nèi)徑為500mm，運行壓力為1.6MPa，管網(wǎng)全長100km，則管道內(nèi)可容納的氣量約為31萬m3(標準狀態(tài)下理想氣體)。
   Q=πr2L(P/P標)≈31萬m3
   P=1.6×106Pa
   P標=1.01325×105Pa
2.2 可用管儲量與可用調(diào)峰管儲量
    管道儲量雖然巨大。但并非所有的管儲量都可利用，管道需要一定儲量的氣來維持管網(wǎng)運行，來滿足下游用戶最小壓力需求?？衫霉軆κ歉艿栏鼽c用戶用氣壓力有直接關(guān)系的，可利用管儲量往往受制于管網(wǎng)中不利點的壓力限制，以最不利點影響尤為明顯。最不利點不一定是管道運行過程中壓力最低點。
    為便于計算及說明，先定義幾個參量：
    P：管網(wǎng)中壓力：
    Pλ：管網(wǎng)門站出口供氣壓力：
    PλH：正常工況下管網(wǎng)門站出口最高允許供氣壓力；
    PλL：正常工況下管網(wǎng)門站出口最低允許供氣壓力；
    PN：管網(wǎng)中最不利點供氣壓力，N代表不利點；
    PNH：管網(wǎng)中最不利點最高允許壓力；
    PNHO：最不利工況下最不利點最高壓力；
    PNL：最不利工況下最不利點維持正常運行最低允許壓力；
   Q：標方氣量；
    △Q：可用管儲量；
    Qmax：最不利工況最大可用管儲量；
    Q調(diào)：最不利工況可用調(diào)峰管儲；
    可用管儲可以通過實驗方法測得。最不利工況管儲實驗測量方法如下：
   關(guān)閉所有用戶，將管道壓力充至運行最高允許工況壓力值PλH，切斷門站供氣氣源，開啟所有用戶，直至出現(xiàn)有用戶(該用戶點為管網(wǎng)最不利點)壓力不能滿足需求時關(guān)閉所有用戶。通過統(tǒng)計各用戶此段時間內(nèi)的用氣總量即為最不利狀態(tài)最大可用管儲Qmax。
    管網(wǎng)可用管儲不是固定值，其與環(huán)境溫度、用氣用戶數(shù)量、各用戶用氣量、用氣速率等多種因素均有關(guān)系，會隨著條件的變化而動態(tài)變化，此處不做贅述。
    最不利工況下可用調(diào)峰管儲實驗測量方法如下：
    管網(wǎng)門站入口一直維持最高工況供氣壓力PλH，所有用氣出口均開啟進行正常用氣，直至各用戶處壓力均降至穩(wěn)定，達到動態(tài)平衡，此時最不利點的壓力為PNH0。此時開始記錄管網(wǎng)各出入口的入、出氣量，控制管網(wǎng)門站調(diào)節(jié)閥，逐漸緩慢降低供氣壓力，直至最不利點壓力降至最低允許供氣壓力PNL時停止記錄。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，計算此段時間內(nèi)出口氣量與入口氣量之差，差值就是可調(diào)峰管儲Q調(diào)。
    實驗方法得到的數(shù)據(jù)往往比較真實，但一般情況下，管網(wǎng)很難具備實驗條件。在實際應用中可用儲量大多根據(jù)計算結(jié)果結(jié)合使用經(jīng)驗進行估算。
2.3 可用管儲及可用調(diào)峰管儲的計算
    靜態(tài)管儲是可以精確計算的，但工況下可用管儲量與多種因素有關(guān)，計算比較復雜，而且誤差較大。利用管網(wǎng)仿真軟件測算是一個比較快捷的方法，但往往與實際情況還是有一定的誤差。比較流行的作法還 與是利用長期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行估算。以下是利用理想氣體狀態(tài)方程推導計算可用管儲方法。
   理想氣體狀態(tài)方程式：
   pV=(m/M)RT=nRT
   或pVm=p(V/n)=RT
 式中p，V，T及n單位分別為Pa，m3，K及mol。Vm=V/n稱為氣體的摩爾體積，其單位為m3·mol-1。R=8.314510J·mol-1·K-1，稱為摩爾氣體常數(shù)。
   可用管儲量△Q的計算：
   △Q=∑Q出，(t1-t0)=∑Qλ，(t1-t0)=∫(V，P，f)dpdt≈(PλH-PλL)·V/P標；
   Q出，(t1-t0)：t0至t1時段內(nèi)管網(wǎng)用戶用氣量；
   Qλ，(t1-t0)：t0至t1時段內(nèi)管網(wǎng)門站供氣量；
   由于受氣體粘度、管壁粗糙度等多種因素影響，管道氣體在流動過程中會存在一定的壓力損失，因此管網(wǎng)內(nèi)各點最大允許壓降不一定相等。
    可用調(diào)峰管儲的計算：
    Q調(diào)=∫(V，P，t)dpdt≈(PH-PL)·V/P標；
    △P=(PH-PL)；
    △P：管網(wǎng)最大平均壓降；
    PH：管網(wǎng)正常工況時平均最高壓力；
    PL：管網(wǎng)正常工況時平均最低壓力；
    從式中可看m可利用調(diào)峰管儲與△P有關(guān)，△P越大，可用管儲越大。
    注：管網(wǎng)正常工況是指管網(wǎng)處于正常運行狀態(tài)，各出入口壓力、流量均達到動態(tài)平衡。
    管網(wǎng)實際運行環(huán)境比較復雜，用戶用氣雖然具有一定的規(guī)律，但也常常處在動態(tài)變化之中，所以，管網(wǎng)中的不利點也會隨著管網(wǎng)的發(fā)展改造、用戶使用情況的變化而改變。只有在運行環(huán)境不變，管網(wǎng)用戶數(shù)量及用量均固定不變，△P、Qmax及Q調(diào)方可確定。不利點可用通過仿真計算或?qū)嵉販y來確定。
3 管儲調(diào)峰
   管儲調(diào)峰就是利用管網(wǎng)中可利用調(diào)峰的管儲量在用戶用氣高峰期起到調(diào)峰作用，減少峰期臨時現(xiàn)貨購氣量，避免峰期氣量超提，降低商務成本。
   雖然管網(wǎng)擁有巨大的可調(diào)峰管儲量，但不采取合理的調(diào)度方法是不能夠發(fā)揮管儲能力的。開發(fā)管儲資源，利用管儲進行調(diào)峰，與管網(wǎng)調(diào)度運行方式有巨大的關(guān)系。要想實現(xiàn)管儲凋峰就必須是整個管道的壓力波動起來，即使△P＞0。要充分發(fā)揮管儲調(diào)峰能力，就必須采用調(diào)度系統(tǒng)對管網(wǎng)適時的采取主動升壓與主動降壓機制。主動升壓、降壓均是通過對門站調(diào)壓器、調(diào)流閥的控制實現(xiàn)的。
    主動升壓：在管網(wǎng)最低壓力和最低用量同時出現(xiàn)后主動控制各門站調(diào)壓器將壓力升高到最高允許值，及時回補充整個管網(wǎng)管儲直至管網(wǎng)各點壓力均處于最高允許值。
    主動降壓限流：門站入口流量在達到最大允許值時，通過連鎖控制主動調(diào)節(jié)調(diào)流閥降壓，將流量保持在最大允許值。
    主動流量調(diào)節(jié)：主動流量調(diào)節(jié)靠控制調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)。在補充管存時刻初期主動調(diào)大開度，在補充結(jié)束期間主動關(guān)小開度；在用氣高峰出現(xiàn)前保壓不變，主動調(diào)節(jié)開度滿足供氣流量要求；在用氣量下降階段主動調(diào)低壓力同時保持開度，當用氣量持續(xù)下降，壓力調(diào)到最低允許值后主動調(diào)小開度。
4 管儲調(diào)峰調(diào)度策略
    管儲是一個可循環(huán)利用的資源，管儲調(diào)峰分為峰期利用與谷期補充兩個階段。管儲調(diào)峰調(diào)度分為峰前保壓，峰期限流降壓，峰后保流，谷期升壓補充。
    峰前保樂，是在用氣高峰來臨之前，通過控制門站調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)門站出口壓力保持在最高限值，以保證管網(wǎng)在最不利工況出現(xiàn)時最不利點的工作壓力能保持在PNHO。
    峰期控壓限流，是為防止門站從上游超提，引起商務損失而采取的調(diào)度方法?？貕菏强刂崎T站出口壓力不低于PλH，限流是通過控制門站調(diào)流閥來限制提氣量不超過最大商務允許量。通過控壓限流就可實現(xiàn)利用管儲調(diào)峰的功能。實際操作中往往利用SCADA系統(tǒng)結(jié)合在線仿真軟件進行調(diào)度控制，這樣可以根據(jù)實際工況確定當時最不利點壓力流量，最大限度的增大管網(wǎng)△P，從而更為有效的利用管儲資源。
    谷期升壓補充，是在用氣低谷時期，通過控制門站壓力調(diào)節(jié)閥主動升壓補充管儲，實際操作中往往稱之為管網(wǎng)憋壓。
    一日存在多個用氣高峰，均可使用管存量進行調(diào)節(jié)或部分調(diào)節(jié)。在用氣高峰時可用于調(diào)峰的管儲不能滿足用戶需求時，就必須啟用調(diào)峰站、儲氣庫對管網(wǎng)進行補充。
管儲調(diào)峰調(diào)度過程可參照表1和表2。
 
5 提升管儲利用能力的方法
    面對管網(wǎng)具有如此龐大的存儲空間，如不能充分利用，實在是巨大的資源浪費。如何能深度利用管儲資源呢？方法是有的，只要采取適當?shù)姆椒?，增大管網(wǎng)△P即可。增大△P方法有以下幾種：
    (1) 提升整個管網(wǎng)最高運行壓力。本方法是提高PH來實現(xiàn)△P增大。整體升高供氣壓力是有效提高可用管儲的最佳方案。但整體升高供氣壓力需要考慮管網(wǎng)是否能夠承受升高后的壓力，能否確保整體管網(wǎng)處在安全狀態(tài)。提升管網(wǎng)整體壓力需要認真對待，謹慎進行。
    (2) 對管網(wǎng)進行局部改造，主要是改造各不利點，提升管網(wǎng)整體壓降承受能力。如采取擴大局部片區(qū)的管徑以增加對該區(qū)域的供氣能力。也可根據(jù)實際情況分片區(qū)按不同等級提升各片區(qū)管網(wǎng)壓力。
    (3) 不利片區(qū)增加臨時供氣設施，或設立小型緩沖儲罐或建立小的臨時加壓站或調(diào)峰站。
    (4) 多支線連接，讓管網(wǎng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。管道互聯(lián)互通形成環(huán)、網(wǎng)能夠大大提升管道供氣調(diào)節(jié)能力。道理很簡單，形成環(huán)或網(wǎng)時，對片區(qū)就相當于多了幾個供氣源頭，對單個用戶就相當于增加了緩沖空間。
    (5) 管路上增加在線加壓泵。增加增壓泵是提升下游用氣壓力的最好方法，此處所提的增壓泵不是非常巨大的增壓泵，而是小量在線增壓。增壓泵也不是經(jīng)常開啟，而是根據(jù)管網(wǎng)實際運行情況，統(tǒng)一調(diào)度管理的。如果需要對此處下游用戶局部提升壓力，可以在用氣高峰時擴大管儲利用能力，既有效降低整個管網(wǎng)的供氣壓力，就開啟升壓泵。
    (6) 管網(wǎng)設置多個門站或調(diào)壓站。增加門站，采用多個氣源供氣是解決整個管網(wǎng)供氣能力的最優(yōu)方案。但門站建設運營管理費用較高，多氣源供氣增加了企業(yè)投資和運營成本。
    (7) 在設計建設或管網(wǎng)改造時有意放大管徑增大管容空間。增加管網(wǎng)長度，盡可能的增加管道長度。在有條件的地方埋設副管來增大管容空間。在壓力不利點放大管徑或增加副管或設置緩沖罐。有條件的盡量使壓力不利點與管網(wǎng)連接成環(huán)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成多點互聯(lián)互通。增加管道儲氣量尤其是高壓、次高壓管網(wǎng)儲氣量管儲提升效果更為明顯。
6 結(jié)語
   使用管存調(diào)峰，可有效減少LNG調(diào)峰站的建設數(shù)量，節(jié)省大量的投資和管理維護人員。利用管儲調(diào)峰，可有效發(fā)揮管儲資源潛力，最大限度的均衡日用氣量，減少高峰時刻過流超提引起的商務問題。
    要實現(xiàn)管儲調(diào)峰功能，各門站、調(diào)壓站必須具有調(diào)節(jié)閥(壓力、流量調(diào)節(jié)閥)，調(diào)節(jié)閥必須實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)綜合控制。如門站、調(diào)壓站沒有調(diào)節(jié)閥，則必須對門站、調(diào)壓站進行改造，安裝調(diào)節(jié)閥。利用管儲調(diào)峰，調(diào)度方案實現(xiàn)較為復雜，程序控制繁瑣，調(diào)控區(qū)域多，綜合調(diào)度復雜，對SCADA采集數(shù)據(jù)的實時性、可靠性要求較高，要求SCADA控制系統(tǒng)邏輯運算能力較強，連鎖控制機制復雜，需要管網(wǎng)仿真系統(tǒng)支持。需要對整個管網(wǎng)進行通調(diào)統(tǒng)配，很少有可借鑒的案例。系統(tǒng)需要一定的時間修正調(diào)配方案，對調(diào)度管理人員水平要求較高。調(diào)壓、調(diào)流設備控制邏輯相對較為復雜，需要大量的統(tǒng)計和預測信息以及大量的測量數(shù)據(jù)。
    利用管儲調(diào)峰還處于摸索階段，沒有成熟的經(jīng)驗呵以借鑒。隨著經(jīng)驗的積累，管儲調(diào)峰必然會得到廣泛應用，并為燃氣運營企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。
參考文獻
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3 余敏主編.管道供氣、管網(wǎng)輸配企業(yè)管理與經(jīng)營實務.北京：化學工業(yè)出版社，2008
 
(本文作者：鐘震 深圳市燃氣集團股份有限公司天然氣工程建設分公司 518054)