天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理研究與實(shí)踐

摘 要

摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理研究與實(shí)踐的進(jìn)展，提出了進(jìn)一步研究與實(shí)踐的建議。關(guān)鍵詞：天然氣供應(yīng)；供應(yīng)側(cè)；能效管理Research and Practice of Energy Efficiency Manag
摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理研究與實(shí)踐的進(jìn)展，提出了進(jìn)一步研究與實(shí)踐的建議。
關(guān)鍵詞：天然氣供應(yīng)；供應(yīng)側(cè)；能效管理
Research and Practice of Energy Efficiency Management in Natural Gas Supply Side
ZHANG Zaijun，PENG Zhijun，LIU Bo
Abstract：The progress in research and practice of energy efficiency management in natural gas supply side at home and abroad is introduced.Suggestions on further research and practice are made.
Key words：natural gas supply；supply side；energy efficiency management
1 概述
    “十一五”期間，中國(guó)城鎮(zhèn)天然氣得到了前所未有的發(fā)展，天然氣需求側(cè)高效利用已受到高度重視，并基本形成了較為成熟的制度和技術(shù)路線。而天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理的研究與實(shí)踐工作還處于起步階段，特別是實(shí)踐工作鮮有成熟的案例。筆者認(rèn)為，燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)商在天然氣供應(yīng)側(cè)的能效管理方面具有很大的提升空間，同時(shí)也符合國(guó)家的能源利用政策，做好這項(xiàng)工作將對(duì)減少資源浪費(fèi)、加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)具有實(shí)際的推動(dòng)作用。
2 名詞定義與說明
2.1 天然氣供應(yīng)側(cè)
    天然氣供應(yīng)側(cè)是指從長(zhǎng)輸管道起點(diǎn)站到終端用戶之間的天然氣管道及設(shè)施，主要包括長(zhǎng)輸管道、壓氣站、門站、LNG氣化(調(diào)峰)站、CNG儲(chǔ)配站、高壓儲(chǔ)配站、調(diào)壓站、城市輸配管道等，這里不包括LNG加氣站、CNG加氣站，我們將其歸為終端用戶。
2.2 能效管理
   本文中的能效管理是指針對(duì)天然氣供應(yīng)側(cè)采取的節(jié)能減排、提升運(yùn)行管理效率的制度和技術(shù)措施。
    近年來，有關(guān)城鎮(zhèn)燃?xì)獾膰?guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及法規(guī)對(duì)天然氣供應(yīng)側(cè)的能效管理作出了定性的規(guī)定，充分體現(xiàn)了政府對(duì)天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理工作的重視和引導(dǎo)，由于國(guó)內(nèi)該方面的工作處于起步階段，尚無專項(xiàng)細(xì)則?，F(xiàn)將部分條文摘錄如下：
    GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.2條中要求“城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)……經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定合理的方案。”其中“經(jīng)濟(jì)”就包括節(jié)能與環(huán)保。
   GB 50494—2009《城鎮(zhèn)燃?xì)饧夹g(shù)規(guī)范》第3.1.8條規(guī)定“城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施的建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)和使用應(yīng)能有效地利用能源和水資源。”
    《城鎮(zhèn)燃?xì)夤芾項(xiàng)l例》(中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院令第583號(hào)，2011年3月1日起施行)第3條規(guī)定“燃?xì)夤ぷ鲬?yīng)當(dāng)堅(jiān)持統(tǒng)籌規(guī)劃、保障安全、確保供應(yīng)、規(guī)范服務(wù)、節(jié)能高效的原則。”
    據(jù)上述條文可知，國(guó)家和行業(yè)對(duì)天然氣供應(yīng)側(cè)的能效管理越來越重視。
3 國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理現(xiàn)狀
    目前國(guó)內(nèi)關(guān)于天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理的研究主要處于理論階段，成熟實(shí)用的案例很少，主要集中在高壓天然氣壓力能和LNG冷能的利用技術(shù)。而系統(tǒng)地研究城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率管理的成果還較少，缺乏系統(tǒng)化、可操作性的案例與經(jīng)驗(yàn)。
3.1 高壓天然氣壓力能、LNG冷能回收利用
    ① 高壓天然氣壓力能回收與利用研究
    文獻(xiàn)[1]對(duì)高壓天然氣壓力能的回收技術(shù)進(jìn)行了研究，建立了天然氣管道壓力火用數(shù)學(xué)模型，介紹了氣波制冷機(jī)、膨脹機(jī)聯(lián)合制冷液化調(diào)峰流程，適用于門站或調(diào)壓站的天然氣膨脹制冷液化調(diào)峰流程，以及高壓天然氣壓力能用于廢舊橡膠粉碎的制冷流程。
    文獻(xiàn)[2]研究了利用文丘里引射裝置以高壓天然氣引射低壓人工煤氣的案例，有效地解決了在城市天然氣轉(zhuǎn)換期間煤氣壓縮機(jī)運(yùn)行方式存在的問題，可大幅度節(jié)省電耗，降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。每月可減少運(yùn)營(yíng)成本27.50×104元，同時(shí)文丘里引射裝置與原有儲(chǔ)罐可作為城市燃?xì)庹{(diào)峰裝置，又可減少增建調(diào)峰裝置的費(fèi)用。
    文獻(xiàn)[3]對(duì)高壓天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠芫C合利用技術(shù)進(jìn)行了研究，在調(diào)壓工藝?yán)淠艿目捎眯苑治龌A(chǔ)上，建立了調(diào)壓工藝?yán)淠芫C合利用的集成模型，提出了綜合利用的實(shí)施條件和解決措施。
    文獻(xiàn)[4]對(duì)城市門站壓力能回收設(shè)備研究應(yīng)用進(jìn)展情況進(jìn)行了研究，可替代節(jié)流閥的天然氣調(diào)壓設(shè)備主要有透平膨脹機(jī)、渦流管2種。主要利用透平膨脹機(jī)輸出軸功發(fā)電和副產(chǎn)LNG；渦流管則回收壓力能用于加熱和副產(chǎn)LNG，并認(rèn)為其具有良好的推廣應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)的案例則是中國(guó)石油管道公司華中輸氣公司利用渦流管加熱技術(shù)。文獻(xiàn)[5]對(duì)渦流管的原理和特性做了分析，并介紹了其在國(guó)內(nèi)外天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用。
    文獻(xiàn)[6-7]提出利用天然氣壓力能制冷制備天然氣水合物用于調(diào)峰，給出了供氣流程設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了流程模擬和結(jié)果分析。
    ② LNG冷能利用的實(shí)踐
    文獻(xiàn)[8]介紹了位于廣東省佛山市順德區(qū)杏壇的國(guó)內(nèi)首個(gè)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的LNG冷能利用項(xiàng)目，是由佛山市順德區(qū)港華燃?xì)庥邢薰九c華南理工大學(xué)天然氣利用研究中心共同開發(fā)的LNG衛(wèi)星站冷能用于冷庫(kù)項(xiàng)目，2010年5月投產(chǎn)。該項(xiàng)目主要包括LNG氣化系統(tǒng)、低壓氨制冷循環(huán)系統(tǒng)和電壓縮氨制冷循環(huán)系統(tǒng)，其中電壓縮氨制冷循環(huán)系統(tǒng)用于LNG供量不足時(shí)的補(bǔ)充制冷。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，該項(xiàng)目的靜態(tài)投資回收期(稅后)為4.1年，動(dòng)態(tài)投資回收期(稅后)為5.12年。
    2010年7月12日，中國(guó)海洋石油總公司旗下的中海油能源發(fā)展股份有限公司石化分公司LNG冷能項(xiàng)目組牽頭研究的利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離的方法學(xué)在德國(guó)波恩召開的聯(lián)合國(guó)方法學(xué)審核理事會(huì)第44會(huì)議上獲得批準(zhǔn)，方法學(xué)是將節(jié)能減排納入清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)的一種國(guó)際通行的計(jì)算方法。同年8月，中國(guó)海洋石油總公司與美國(guó)空氣化工(中國(guó))投資有限公司(AP公司)在福建莆田建成國(guó)內(nèi)首個(gè)LNG冷能空分項(xiàng)目，并順利進(jìn)行生產(chǎn)。
3.2 城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率管理
    由于以前我國(guó)的城鎮(zhèn)燃?xì)馐聵I(yè)發(fā)展較慢，天然氣被重視和大規(guī)模利用是在西氣東輸一線工程之后。文獻(xiàn)[9]對(duì)提升城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率進(jìn)行了研究，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)、加強(qiáng)建設(shè)質(zhì)量監(jiān)管、實(shí)施管網(wǎng)全過程安全管理、管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化、搶險(xiǎn)搶修、用戶結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料和新技術(shù)推廣等7方面的對(duì)策。目前在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率管理方面還缺乏系統(tǒng)、成熟的經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為存在以下5個(gè)方面的問題。
   ① 規(guī)劃與設(shè)計(jì)
   由于城市改造與建設(shè)，燃?xì)庖?guī)劃設(shè)計(jì)與實(shí)際的需求在具體部位存在較大的差異，且因素多、離散大，需要我們按照先進(jìn)、全局和持續(xù)原則進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。這里我們必須考慮到大規(guī)模城市化的國(guó)情，如何實(shí)現(xiàn)整體的系統(tǒng)安全與減少局部的供應(yīng)不足或過大導(dǎo)致的浪費(fèi)，是具體規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作的核心。
    其中天然氣發(fā)展“大躍進(jìn)”問題一直存在，特別是LNG和CNG的利用問題。一些地方的利用途徑極不經(jīng)濟(jì)，如氣源供應(yīng)不穩(wěn)定，涉及的上游產(chǎn)能和物流的不確定性，還有運(yùn)輸里程遠(yuǎn)超出經(jīng)濟(jì)合理的范圍，導(dǎo)致天然氣終端價(jià)格處于高位，造成嚴(yán)重浪費(fèi)和影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)。
   ② 建設(shè)與施工
   從項(xiàng)目管理角度出發(fā)，城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的建設(shè)與施工投資占其生命周期內(nèi)投資的80%，是城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)能效管理和安全運(yùn)行的前提。建設(shè)與施工中的漏洞將帶來無法預(yù)計(jì)的損失，如因質(zhì)量問題導(dǎo)致泄漏、爆炸等，嚴(yán)重威脅公共安全。
   ③ 運(yùn)行與管理
   運(yùn)行與管理的主體是燃?xì)馄髽I(yè)，必須建立科學(xué)、實(shí)用的管理體系，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)效益最大化。目前我們主要是引進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家的管理經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，包括硬件等，導(dǎo)致相應(yīng)的成本增大，我們必須加強(qiáng)運(yùn)行與管理工作的基礎(chǔ)研究。
   ④ 管網(wǎng)優(yōu)化
   管網(wǎng)優(yōu)化是很局部性的工作，在管網(wǎng)形成之后或者外部用氣需求發(fā)生重大變化之后的效用很低。
   ⑤ 氣源供應(yīng)與互換
   由于國(guó)內(nèi)天然氣消費(fèi)量快速增長(zhǎng)，氣源供應(yīng)安全保障體系的薄弱對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的沖擊巨大，每個(gè)冬季對(duì)大多數(shù)城鎮(zhèn)來說都是例行的“陣痛”。同時(shí)由于氣源的產(chǎn)地不同，還將帶來互換性、安全與經(jīng)濟(jì)的問題。一旦出現(xiàn)氣源不可互換，將帶來巨大的損失和安全威脅。
4 國(guó)外天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理現(xiàn)狀
4.1 高壓天然氣壓力能回收
   美國(guó)、日本、伊朗等國(guó)家先后在20世紀(jì)80年代—90年代都進(jìn)行了在門站、加壓站等通過膨脹機(jī)膨脹制冷發(fā)電，以回收管道壓力能的試驗(yàn)，但由于技術(shù)和成本的原因而沒有推廣。
   美國(guó)州際天然氣協(xié)會(huì)和ICF國(guó)際集團(tuán)下屬的能源與環(huán)境評(píng)估有限責(zé)任公司于2008年2月發(fā)布了長(zhǎng)輸天然氣管道壓力能回收的報(bào)告，分析了3種回收途徑：壓縮機(jī)廢熱回收用于發(fā)電系統(tǒng)、透平膨脹機(jī)回收壓力能、透平進(jìn)氣冷卻。結(jié)論是熱回收用于發(fā)電可行，但后兩者面臨技術(shù)和成本的瓶頸，無法大規(guī)模商業(yè)化。就地利用是一種較為可行的選擇。同時(shí)，美國(guó)、英國(guó)一些公司將膨脹機(jī)技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合，如燃料電池，以回收調(diào)壓過程中的壓力能，研究工作取得了一定進(jìn)展。
   從20世紀(jì)90年代開始，國(guó)外就嘗試將渦流管技術(shù)應(yīng)用于天然氣工業(yè)，相繼取得了重要進(jìn)展。在天然氣門站利用渦流管回收壓力能的方式主要用于加熱和副產(chǎn)LNG。美國(guó)Universal Vortex公司從1999年開始制造渦流管加熱器，截至2005年7月，已在美國(guó)、加拿大、法國(guó)、西班牙和澳大利亞推廣應(yīng)用了700多套裝置。
    日本東京電力公司早在2001年就開始建設(shè)利用天然氣的壓差發(fā)電的發(fā)電站，采用高壓天然氣減壓發(fā)電“氣體直接膨脹方式”；同時(shí)，壓差發(fā)電還可利用液化天然氣在低溫下氣化時(shí)產(chǎn)生的膨脹能量來發(fā)電，即“冷熱發(fā)電”。
    俄羅斯利用高壓天然氣壓力能開發(fā)小型LNG生產(chǎn)裝置，已在列寧格勒州尼古立斯和貝鮑爾格配氣站上建設(shè)的小型LNG生產(chǎn)裝置，運(yùn)行成熟，收效良好；美國(guó)天然氣技術(shù)研究所也開發(fā)出了此類的小型LNG生產(chǎn)裝置。
4.2 LNG冷能回收
    國(guó)外LNG冷能利用技術(shù)和應(yīng)用已很成熟，主要方向是就近利用和以電能形式(主要為電池儲(chǔ)存)轉(zhuǎn)移利用。存在的問題是集約化程度低，導(dǎo)致LNG冷能綜合利用率只有20%～30%。
5 建議
    ① 建立“全資產(chǎn)管理”觀念與模式
    目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)側(cè)的管理使用的工具很多，如GIS、完整性管理等，尚沒有建立系統(tǒng)的資產(chǎn)管理模式，管理目標(biāo)分散和獨(dú)立，應(yīng)建立包括無形資產(chǎn)管理在內(nèi)的、全過程、全方位的管理，這里稱為全資產(chǎn)管理。在電力領(lǐng)域，新加坡能源有限公司在資產(chǎn)管理方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，并已經(jīng)引入燃?xì)忸I(lǐng)域。國(guó)內(nèi)有條件的城市燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)商應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究與實(shí)踐，盡快建立適用于我們的全資產(chǎn)管理模式。
    ② 不同能源之間的整合
    在國(guó)外，城鎮(zhèn)能源供應(yīng)商一般包含天然氣輸配和發(fā)電配電業(yè)務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種能源以及中間環(huán)節(jié)能源(壓力能、熱能和冷能)的綜合利用，提高天然氣供應(yīng)側(cè)的能效。這里必須說明的是國(guó)外有健全的制度支撐?，F(xiàn)階段我們應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)預(yù)留擴(kuò)展空間，同時(shí)利用行業(yè)協(xié)會(huì)等平臺(tái)逐步實(shí)現(xiàn)跨界整合。
   ③ 發(fā)展智能氣網(wǎng)
   在能源領(lǐng)域，智能電網(wǎng)早在2005年就被提出，發(fā)展非常迅速，國(guó)內(nèi)已引進(jìn)并開始規(guī)模應(yīng)用。智能氣網(wǎng)(Intelligent Gas Networks)概念也有人提出，即“巧妙的燃?xì)饩W(wǎng)格”(Smart Gas Grids)，通過信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)負(fù)荷控制與調(diào)度的輸配網(wǎng)絡(luò)。奧地利能源研究所在一些燃?xì)夂碗娏举Y助下開展智能氣網(wǎng)的研究，主要目標(biāo)是建立智能氣網(wǎng)的愿景、確定和分析燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)中智能網(wǎng)格要素等。智能氣網(wǎng)對(duì)供應(yīng)側(cè)實(shí)時(shí)運(yùn)行管理提出了很高的要求，具有前瞻性，建議國(guó)內(nèi)進(jìn)行這方面的試驗(yàn)性研究。
    ④ 分布式采集、轉(zhuǎn)換與利用
    城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)側(cè)LNG冷能和高壓天然氣壓力能的利用必須堅(jiān)持分布式采集、轉(zhuǎn)換與利用的原則，但是這必須得到不同能源供應(yīng)商的協(xié)作，以及政府的產(chǎn)業(yè)配套政策。
   ⑤ 技術(shù)規(guī)范的修訂
   燃?xì)庑袠I(yè)應(yīng)引導(dǎo)相關(guān)研究，今后修訂標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況逐步提出能效管理的具體標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)燃?xì)庑袠I(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及提升在節(jié)能減排中的作用。
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(本文作者：張?jiān)佘?彭知軍 劉波 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 龍崗管道氣分公司 廣東深圳 518172)