LNG在蘇州城市管網(wǎng)供氣調(diào)峰中的應(yīng)用

摘 要

摘要：隨著能源緊缺壓力日益增大和人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，LNG中所蘊(yùn)藏的冷能利用越來越受到關(guān)注，LNG用于城市燃?xì)庹{(diào)峰也越來越引起人們的重視。為此，介紹了蘇州市天然氣管網(wǎng)建設(shè)
摘要：隨著能源緊缺壓力日益增大和人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，LNG中所蘊(yùn)藏的冷能利用越來越受到關(guān)注，LNG用于城市燃?xì)庹{(diào)峰也越來越引起人們的重視。為此，介紹了蘇州市天然氣管網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行情況、蘇州市天然氣調(diào)峰廠的方案選擇、工藝流程和裝置運(yùn)行情況，并建議華東城市天然氣管網(wǎng)在工程建設(shè)的同時(shí)考慮LNG調(diào)峰和LNG冷能利用。
關(guān)鍵詞：蘇州市；液化天然氣(LNG)；城市；管網(wǎng)供氣；調(diào)峰；冷量利用
1 蘇州天然氣城市管網(wǎng)供氣現(xiàn)狀
目前華東寧滬沿線城市均由西氣東輸主管道供應(yīng)天然氣，該管道設(shè)計(jì)壓力10MPa。天然氣到達(dá)蘇州的壓力為5.3MPa，經(jīng)門站調(diào)壓后進(jìn)入蘇州市管網(wǎng)。蘇州市高壓管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，通常運(yùn)行在2.0MPa左右。其他各市管網(wǎng)壓力不盡相同。
蘇州天然氣高壓管網(wǎng)工程2004年1月9日正式對(duì)外供氣，當(dāng)年供氣量為5128×104m3，2008年計(jì)劃供氣量為6×108m3，以后將逐年增加。隨著用戶的發(fā)展，供氣量的不斷增加，及時(shí)采取有效措施，提高供氣中的調(diào)峰能力顯得尤為重要。蘇州天然氣管網(wǎng)公司要解決的調(diào)峰主要是小時(shí)調(diào)峰、日調(diào)峰和應(yīng)急調(diào)峰[1]。蘇州現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)總儲(chǔ)氣能力為24.7×104m3，小時(shí)調(diào)峰和日調(diào)峰現(xiàn)已可基本解決；應(yīng)急調(diào)峰要求必須有一定的儲(chǔ)量，保證用戶停用、減量時(shí)有10h的緩沖的時(shí)間，以免造成重大損失。10h的儲(chǔ)量按高峰月中日供氣量計(jì)算為82×104m3，除現(xiàn)有管網(wǎng)可用調(diào)峰儲(chǔ)氣量24.7×104m3，還需增加調(diào)峰儲(chǔ)氣量58×104m3。
2 解決調(diào)峰問題的方法與措施
1) 調(diào)整合同中的交付容量系數(shù)。2003年簽訂供氣合同時(shí)，缺少天然氣供氣的經(jīng)驗(yàn)，選用的交付容量系數(shù)與實(shí)際有一定差距，需要在最大月與最小月系數(shù)比例不變的條件下把系數(shù)調(diào)整得更為合理。
2) 向上游爭(zhēng)取額外氣。在高峰供氣季節(jié)，氣量缺口較大，單靠擴(kuò)大儲(chǔ)氣量很難解決問題，只能向上游追加計(jì)劃，爭(zhēng)取額外氣。
3) 發(fā)展季節(jié)性用戶，削峰填谷。
4) 擴(kuò)大調(diào)峰儲(chǔ)氣量的方法選擇。目前常用擴(kuò)大調(diào)峰儲(chǔ)氣量的方法為儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣和管道儲(chǔ)氣。用儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣需要58×104m3容量的儲(chǔ)罐，占地面積大，投資大，生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用高，生產(chǎn)調(diào)度難；建高壓儲(chǔ)氣管道則因管道太長(zhǎng)，規(guī)劃管位無法解決，江南土地稀缺，河、湖、塘、浜眾多，管道施工難度很大，也無法實(shí)施。
5) 建設(shè)液化天然氣(LNG)調(diào)峰廠。利用西氣液化、儲(chǔ)存解決調(diào)峰。LNG調(diào)峰廠占地少，投資省(2500萬元左右)，儲(chǔ)氣量大，只要增加低溫儲(chǔ)罐就可以增加儲(chǔ)量。建成后不僅可起到調(diào)峰作用，還可利用LNG能用槽車運(yùn)送的特點(diǎn)，將天然氣供到周邊無管網(wǎng)地區(qū)，擴(kuò)大天然氣供氣范圍。方案見圖1。
 

該輸配工藝有如下特點(diǎn)：一是LNG氣化后不進(jìn)高壓管網(wǎng)，直接進(jìn)入配氣管網(wǎng)，避免氣化后再加壓，且可有針對(duì)性地解決下游區(qū)域調(diào)峰；二是下游公司可根據(jù)自身情況，選擇是否建LNG調(diào)峰儲(chǔ)罐，可重點(diǎn)解決下游供氣的突出矛盾。應(yīng)急調(diào)峰由蘇州天然氣管網(wǎng)公司與下游公司共同來完成(管網(wǎng)負(fù)責(zé)提供LNG，儲(chǔ)罐、氣化設(shè)施由下游公司解決)。
3 LNG用于城市管網(wǎng)調(diào)峰的最佳方案選擇
液化天然氣所采用的冷凍循環(huán)一般為以下3種：
1) 由數(shù)種單一冷凍組成的逐級(jí)冷凍循環(huán)。通常由丙烷、乙烯和甲烷組成的冷凍循環(huán)構(gòu)成，冷凍溫度分別為-30℃、-70℃、-160℃。所需能耗最小，但其所需的壓縮機(jī)組及設(shè)備較多，操作復(fù)雜，維修不方便。
2) 混合冷凍劑冷凍循環(huán)。由逐級(jí)冷凍循環(huán)演變而來，以多組分混合物為冷凍劑，只需一臺(tái)混合冷劑壓縮機(jī)?；旌侠鋭┑慕M成由原料氣組成、壓力、系統(tǒng)的物料平衡和熱量衡算而定。其所需機(jī)器、設(shè)備較少，但能耗比逐級(jí)冷凍循環(huán)高，一般用于基本負(fù)荷型。
3) 膨脹機(jī)制冷循環(huán)。直接利用有壓力的天然氣在膨脹機(jī)中等熵膨脹到下游輸送管道的壓力，而使天然氣液化。一般情況下膨脹機(jī)工藝的能耗最高，但由于城市管網(wǎng)供氣時(shí)有管道壓力差可以利用，因此幾乎不需要耗電，因而成為節(jié)能的工藝而被選擇[2]。
蘇州市液化天然氣調(diào)峰廠的液化工藝選定膨脹機(jī)制冷循環(huán)，其設(shè)計(jì)參數(shù)確定為：①原料天然氣進(jìn)裝置壓力為5.0MPa；②中壓天然氣出裝置壓力為2.0MPa；③產(chǎn)品LNG出裝置壓力為0.4MPa；④裝置處理量為72×104m3/d，波動(dòng)范圍為±20%；⑤液化率大于等于10%；⑥貯存能力為900m3。
原料天然氣經(jīng)門站調(diào)壓至5MPa后進(jìn)入裝置，在第Ⅰ組純化器中脫除水分和苯后分成兩股，一股作為膨脹氣流去冷箱主換熱器冷卻至-34℃后，進(jìn)入透平膨脹機(jī)中絕熱膨脹至1.6MPa、-90℃，返回主換熱器復(fù)熱至常溫，再經(jīng)透平膨脹機(jī)同軸帶動(dòng)的增壓機(jī)增壓至2.0MPa左右，返回天然氣門站，進(jìn)入蘇州市高壓供氣管網(wǎng)；另一股作為液化氣流進(jìn)入純化器Ⅱ組中進(jìn)一步脫除CO2，進(jìn)入冷箱主換熱器中冷卻、冷凝成LNG，并由過冷器過冷后節(jié)流至0.4MPa，節(jié)流過程中產(chǎn)生的氣體依次在過冷器、主換熱器中復(fù)熱至常溫后返回天然氣門站，直接進(jìn)入0.4MPa管道供氣。而產(chǎn)品LNG則在0.4MPa、-138℃狀態(tài)下進(jìn)入貯存系統(tǒng)貯存和裝車外運(yùn)。
裝置于2007年11月1日正式開車試運(yùn)行，開車運(yùn)行一次成功，運(yùn)行和考核證明：本裝置運(yùn)行可靠，操作方便，能耗省，操作彈性大，適應(yīng)性強(qiáng)。在供氣管道壓力波動(dòng)大的情況下，裝置仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為適應(yīng)城市供氣的要求，裝置可在半負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。在管道壓力正常、裝置處于設(shè)計(jì)工況下，液化率大于等于10%，每天液化天然氣產(chǎn)量可達(dá)9×104m3。
由此可知：在城市管網(wǎng)供氣中具有管道壓力差可以利用的場(chǎng)合，調(diào)峰型液化天然氣裝置選擇透平膨脹機(jī)制冷循環(huán)最為合理，具有節(jié)能、環(huán)保的典型功效和投資省、運(yùn)行成本低、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益高的特點(diǎn)。
4 對(duì)華東城市天然氣管網(wǎng)建設(shè)的建議
4.1 城市供氣管網(wǎng)特點(diǎn)
1) 天然氣輸配公司將油氣田采集的天然氣集中處理凈化后，通過壓縮機(jī)將天然氣升壓至4～10MPa，經(jīng)輸氣主管線送到沿線各城市。在各城市的天然氣門站中，經(jīng)調(diào)壓器等減壓裝置將天然氣分級(jí)降壓至2.5～4MPa后輸入城市輸配主干線，再根據(jù)不同區(qū)域用戶的使用壓力要求經(jīng)區(qū)域調(diào)壓裝置再將天然氣壓力調(diào)至0.002～0.4MPa。
2) 各城市天然氣使用量都較大。蘇州市2008年計(jì)劃供應(yīng)量為6×108m3，南京市為3.5×108m3，但供應(yīng)量仍不能滿足城市飛速發(fā)展的需要。
3) 冬季、夏季用氣量相差大。以蘇州為例，夏季用氣量最少時(shí)僅120×104m3/d，而冬季用氣量大時(shí)可達(dá)240×104m3/d，冬夏季的峰谷差達(dá)到2倍。據(jù)統(tǒng)計(jì)北京的冬夏季峰谷差接近8倍。
4.2 LNG調(diào)峰建議
綜上所述可以看出，通過調(diào)壓裝置降壓大大浪費(fèi)了能源，且降壓后氣體溫度降至0℃以下，會(huì)對(duì)建筑造成不良影響。城市供氣季節(jié)性調(diào)峰數(shù)量很大，單一靠天然氣輸配公司增加指標(biāo)已經(jīng)很難，利用管容調(diào)峰已無法滿足。為了保證城市正常供氣，建議有條件的城市門站建設(shè)與之相匹配的調(diào)峰型LNG裝置。該裝置利用輸氣主管線與城市輸配主管線之間的壓力差，采用透平膨脹機(jī)制冷工藝，除操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)外，更具有顯著的節(jié)能效果。
4.3 LNG冷能利用建議
海上液化天然氣由LNG運(yùn)輸船卸至LNG接收站的貯罐內(nèi)，供應(yīng)客戶時(shí)一般用LNG泵增壓至所需壓力，并汽化為常溫氣體后進(jìn)入管道輸送至所需地點(diǎn)。此過程可釋放大量冷能，回收這部分冷能，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3]。冷能利用主要有直接利用和間接利用兩種：
4.3.1 直接法
1) 利用LNG冷能發(fā)電(包括直接膨脹法、二冷媒體法、聯(lián)合法、混合媒體法、氣體動(dòng)力循環(huán)法、燃?xì)廨啓C(jī)利用法)
2) 空氣分離
3) 冷凍倉(cāng)庫(kù)
4) 制造液態(tài)二氧化碳
4.3.2 間接法
包括利用空氣分離后的液氮、液氧、液氬來進(jìn)行低溫粉碎、拎凍干燥、水及污染物處理和速凍食品等。
華東地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，所需液氮、液氧、液氬數(shù)額巨大，盡管滬寧一帶空分液體設(shè)備眾多，但仍出現(xiàn)供應(yīng)緊張的情況。由于氧氮沸點(diǎn)分別為-183℃和-196℃，空氣液化所需溫度較低。隨著溫度降低其消耗的電能將急劇增加，要求的功將快速增加，機(jī)械效率將很低。因此選擇利用LNG冷能的工藝過程應(yīng)充分利用其-160℃的低溫。LNG冷能的利用建議首選空氣分離和液化。
常用的空氣分離法是將空氣液化，通過氟利昂冷凍機(jī)、透平膨脹機(jī)進(jìn)行空氣的液化和分離，制成液態(tài)的氮?dú)?、氧氣、氬氣等。而LNG冷熱能用于空氣分離則是通過循環(huán)氮?dú)獾睦鋮s來實(shí)現(xiàn)(見圖2)。一般來說，生產(chǎn)10×104m3的液態(tài)氣體大約需要650×104kJ的冷卻能。利用LNG的冷熱能，循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)可小型化；因不需要冷凍機(jī)，建設(shè)費(fèi)用也可相應(yīng)減少；此外，LNG作為空氣分離裝置的預(yù)冷劑，生產(chǎn)液氬的空分裝置中，利用其冷能冷卻和液化由下塔抽出經(jīng)過復(fù)熱的循環(huán)氮，可以省去氟利昂制冷機(jī)以及氮透平膨脹機(jī)組，使產(chǎn)品能耗平均降低0.5kwh/m3，裝置的投資費(fèi)用可減少10%左右，生產(chǎn)成本降低20%～30%。
 

5 展望
由于能源緊缺和人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，利用城市天然氣管網(wǎng)壓力差來液化天然氣進(jìn)行調(diào)峰、LNG中所蘊(yùn)藏的冷熱能利用會(huì)越來越快地提到議事日程。一些較成熟的工藝裝置在投入實(shí)際運(yùn)行。期待在不久的將來，LNG調(diào)峰和冷能的利用會(huì)更好地服務(wù)于社會(huì)，創(chuàng)造更多的財(cái)富。
參考文獻(xiàn)
[1] 錢建榮，顧金明，李克錦.如何解決蘇州天然氣管網(wǎng)供氣中的調(diào)峰問題[J].江蘇燃?xì)猓?008(2)：25-27.
[2] 王志國(guó)，王竹筠，劉曉燕，等.天然氣深冷分離裝置的經(jīng)濟(jì)分析模型及應(yīng)用[J].石油與天然氣化工，2008，37(3)：182-185.
[3] 顧安忠，王坤.液化天然氣冷量利用技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析[R].上海：上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，2002.
　
(本文作者：李克錦1 顧金明2 1.蘇州華峰液化天然氣有限公司；2.蘇州天然氣管網(wǎng)有限公司)