天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理研究與實(shí)踐綜述

摘 要

摘要：天然氣需求側(cè)管理，包括其高效利用已受到業(yè)界的高度重視，充分發(fā)揮天然氣的“清潔”特性。隨著天然氣覆蓋面積快速擴(kuò)大，及輸配系統(tǒng)不斷完善，相關(guān)的能效管理逐漸被業(yè)
摘要：天然氣需求側(cè)管理，包括其高效利用已受到業(yè)界的高度重視，充分發(fā)揮天然氣的“清潔”特性。隨著天然氣覆蓋面積快速擴(kuò)大，及輸配系統(tǒng)不斷完善，相關(guān)的能效管理逐漸被業(yè)界認(rèn)識(shí)和重視，進(jìn)行了不同程度、不同方面的研究和實(shí)踐。本文介紹了國(guó)內(nèi)的進(jìn)展情況，并結(jié)合國(guó)外的成果提出進(jìn)一步深入研究與實(shí)踐的建議與意見(jiàn)。
關(guān)鍵詞：天然氣；供應(yīng)側(cè)；能效管理
1 概述
“十一五”期間，中國(guó)城鎮(zhèn)天然氣獲得前所未有的發(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)路徑。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)家能源利用政策，長(zhǎng)期將對(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)際推動(dòng)作用。
2 定義與說(shuō)明
2.1 天然氣供應(yīng)側(cè)
    天然氣供應(yīng)側(cè)是指從長(zhǎng)輸管線起點(diǎn)站到終端用戶(hù)之間的天然氣管道及設(shè)施，主要包括長(zhǎng)輸管線、加壓站、門(mén)站、LNG氣化(調(diào)峰)站、CNG供氣站、高壓儲(chǔ)配站、調(diào)壓站(高中、中低)、次高壓管道、中低壓管道等，這里不包括LNG、CNG加氣站，我們歸為終端用戶(hù)。
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(lái)，有關(guān)城鎮(zhèn)燃?xì)獾膰?guó)家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及法規(guī)均有對(duì)天然氣供應(yīng)側(cè)的能效管理作出了定性的條文，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(wú)專(zhuān)項(xiàng)細(xì)則。部分摘錄如下：
    《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50028—2006)》第6章“燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)”，6.1“一般規(guī)定”中要求“城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的設(shè)計(jì)要……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。
    《城鎮(zhèn)燃?xì)饧夹g(shù)規(guī)范(GB 50494—2009)》3.1.8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(lái)越重視。
3 國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理研究與實(shí)踐現(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(mén)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裝置流程。
    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)行方式存在問(wèn)題，可大幅度節(jié)省電耗，降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。可減少運(yùn)營(yíng)成本27.50×104元/月，文丘里引射裝置與原有儲(chǔ)罐又可作城市燃?xì)庹{(diào)峰裝置，也減少增建調(diào)峰裝置費(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(mén)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)為具有良好的推廣應(yīng)用前景。
    文獻(xiàn)[5]、[6]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)[7]介紹了國(guó)內(nèi)首個(gè)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的LNG冷能利用項(xiàng)目，它是由佛山順德區(qū)港華燃?xì)庥邢薰九c華南理工大學(xué)天然氣利用中心研究共同開(kāi)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)目系統(tǒng)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)投資回收期為4.1年(稅后)，動(dòng)態(tài)投資回收期為5.12年(稅后)。
    2010年7月12日，中海油能源發(fā)展股份有限公司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(kāi)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)在福建建成國(guó)內(nèi)首個(gè)LNG冷能空分項(xiàng)目，并順利投產(chǎn)。
3.2 城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率管理
    由于我國(guó)的城鎮(zhèn)燃?xì)馐聵I(yè)的發(fā)展慢，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，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(wèn)題。
   (1) 規(guī)劃與設(shè)計(jì)
   由于城市更新與建設(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差異，且因素多、離散大，需要我們按先進(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(guò)大導(dǎo)致的浪費(fèi)，是具體規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作核心。
    其中天然氣發(fā)展“大躍進(jìn)”問(wèn)題一直存在，特別是關(guān)于LNG和CNG的利用問(wèn)題，一些地方雕利用途徑極其不經(jīng)濟(jì)，如氣源供應(yīng)不穩(wěn)定，涉丑的上游產(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)格處亍高位，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)與施工中醛漏洞將帶來(lái)無(wú)法預(yù)計(jì)的損失，如因質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)甄泄漏、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)，必須建立利學(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，我們必須認(rèn)識(shí)和加強(qiáng)運(yùn)行與管理工作的基礎(chǔ)研究和提升。
    (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)，面臨巨大的氣源供應(yīng)壓力，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)多數(shù)城鎮(zhèn)來(lái)說(shuō)都是例行的“陣痛”。同時(shí)由于氣源的產(chǎn)地不同，還將帶來(lái)互換、安全與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。一旦出現(xiàn)氣源不可互換，將帶來(lái)巨大的損失和安全威脅。
    文獻(xiàn)[8]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(guò)程安全管理、管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化、搶險(xiǎn)搶修、用戶(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料和新技術(shù)等推廣等7大方面的對(duì)策。
4 國(guó)外天然氣供應(yīng)側(cè)能效管理研究與實(shí)踐情況
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)80～90年代都進(jìn)行了在門(mén)站、加壓站等通過(guò)膨脹機(jī)膨脹制冷發(fā)電，以回收管道壓力能的試驗(yàn)，都由于技術(shù)和成本的原因而沒(méi)有推廣。
    美國(guó)州際天燃?xì)鈪f(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)輸天然氣管線壓力能回收的報(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(wú)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(guò)程中的壓力能，研究工作取得了一定進(jìn)展。
    20世紀(jì)90年代始，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(mén)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(kāi)始制造渦流管加熱器，至2005年7月，已在美國(guó)、加拿大、法國(guó)、西班牙和澳州應(yīng)用了700多套裝置。國(guó)內(nèi)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)[9]對(duì)渦流管的原理和特性做了分析，并介紹了其在國(guó)外天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用。
    日本東京電力公司早在2001年就開(kāi)始建設(shè)利用天然氣的壓差發(fā)電的發(fā)電站，即高壓天然氣減壓發(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變成氣體時(shí)產(chǎn)生的膨脹能量來(lái)發(fā)電，即所謂”冷熱發(fā)電”。
    俄羅斯利用高壓天然氣壓力能開(kāi)發(fā)小型LNG生產(chǎn)裝置，已在列寧格勒州在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；同時(shí)中國(guó)石油西南油氣田分公司也在四川樂(lè)山建立了小型LNG生產(chǎn)裝置。美國(guó)天然氣技術(shù)研究所也開(kāi)發(fā)出了此類(lèi)的小型LNG生產(chǎn)裝置。
4.2 LNG冷能回收
    國(guó)外LNG冷能利技術(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(wèn)題是集約化程度低，導(dǎo)致LNG冷能綜合利用率只有20～30%。
5 建議與意見(jiàn)
5.1 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)的管理還停留在硬件的穩(wěn)定上，使用的工具很多，如GIS、完整性管理等，尚沒(méi)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(wú)形的資產(chǎn)管理在內(nèi)的，如能源管理，全過(guò)程、全方位的管理，這里稱(chēng)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。
5.2 不同能源之間的整合
    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)，實(shí)現(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，提高綜合天然氣供應(yīng)側(cè)能效。這里必須說(shuō)明的是國(guó)外有健全的制度支撐：現(xiàn)階段應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(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。
5.3 發(fā)展智能氣網(wǎng)(IntelIigent Gas Networks)
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)并大規(guī)模應(yīng)用。智能氣網(wǎng)概念也有人提出，即“巧妙的燃?xì)饩W(wǎng)格”(Smart Gas Grids)，通過(guò)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(kāi)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)行試驗(yàn)性的研究。
5.4 分布式采集、轉(zhuǎn)換與利用
    關(guān)于城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)側(cè)LNG冷能和高壓天然氣壓力能的利用原則必須堅(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。
5.5 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，今后修訂技術(shù)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)龍崗管道氣分公司 廣東深圳 518172)