城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)可靠性的探討

摘 要

1 引言 近幾十年來，溫室氣體造成的溫室效應(yīng)越來越明顯，給人類的生存環(huán)境帶來很大威脅。據(jù)有關(guān)評(píng)估表明，在溫室氣體的總體溫室效應(yīng)中，二氧化碳約占63%，甲烷約占18%，氧化亞氮約占
1 引言
    近幾十年來，溫室氣體造成的溫室效應(yīng)越來越明顯，給人類的生存環(huán)境帶來很大威脅。據(jù)有關(guān)評(píng)估表明，在溫室氣體的總體溫室效應(yīng)中，二氧化碳約占63%，甲烷約占18%，氧化亞氮約占6%，氟化物約占13%[1]。顯然，化石能源的燃燒應(yīng)用是主要的溫室效應(yīng)源。目前，煤炭、石油和天然氣等化石能源仍然是主要的能源。天然氣的主要成分是甲烷，按相同熱量計(jì)，產(chǎn)生的溫室氣體約為煤炭的1/2，石油的2/3，故天然氣已成為人類的首選能源。
   全世界天然氣年消耗量約3萬億m3，占一次能源中的比重約占24%，我國(guó)天然氣年消耗量約800億m3，在一次能源中的比重約占4%。全球天然氣探明儲(chǔ)量約200萬億m3，我國(guó)天然氣探明可采儲(chǔ)量約6萬億m3。盡管天然氣年消耗量不斷增加，天然氣的儲(chǔ)采比反而逐年有所增加，這說明隨著天然氣地質(zhì)勘探技術(shù)的進(jìn)步，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)天然氣的供給量還是能滿足人類需要的。
    我國(guó)首條西氣東輸天然氣干線建成以來，許多城市用上了天然氣。這對(duì)于優(yōu)化我國(guó)城市燃?xì)獾慕Y(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排的實(shí)施發(fā)揮了重要的作用。但是要看到，城市天然氣供應(yīng)形勢(shì)也越來越嚴(yán)峻，2005年底及2009年11月中旬我國(guó)局部地區(qū)出現(xiàn)的“氣荒”就是突出的征兆[2]。近幾年來，國(guó)外跨國(guó)天然氣供應(yīng)也出現(xiàn)過爭(zhēng)端，影響了供氣的保障，隨著我國(guó)天然氣進(jìn)口量的增加，對(duì)此也應(yīng)予以關(guān)注。因此，天然氣供應(yīng)可靠性的問題已經(jīng)提到議事日程上來。
   天然氣供應(yīng)可靠性是一個(gè)系統(tǒng)性的問題，涉及到天然氣生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。為了提高我國(guó)城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的可靠性，下面擬從天然氣的應(yīng)急氣源、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)可靠性、終端應(yīng)用節(jié)氣與調(diào)峰等方面進(jìn)行探討。鑒于學(xué)識(shí)所限，所談?wù)擖c(diǎn)恐系管見，希同仁指正。
2 天然氣應(yīng)急氣源的開發(fā)
    天然氣供應(yīng)系統(tǒng)供需之間的不平衡是永遠(yuǎn)存在的，但是供需之間數(shù)量相差太大而引發(fā)“氣荒”是要設(shè)法避免的。為了減少天然氣的供需差，提高產(chǎn)能彈性是一個(gè)重要的方向，單靠天然氣主氣源(天然氣礦井開采、地面凈化、集氣輸送)系統(tǒng)，要達(dá)到幾倍甚至十幾倍的產(chǎn)能彈性是很困難的，而且天然氣由上游輸送到用氣城市的響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，因此要在中下游開發(fā)多種應(yīng)急氣源。天然氣的主要成分是甲烷，應(yīng)急氣源的首要條件是與天然氣主氣源有相近的燃燒特性。甲烷與其它可燃?xì)怏w的性質(zhì)參見表1。不同地區(qū)或城市可根據(jù)天然氣的氣質(zhì)特性、應(yīng)急氣源的條件，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等綜合因素考慮，選用合適的應(yīng)急氣源方案。
2.1 合成天然氣
    合成天然氣是以煤或石油為原料，先制成H2、CO、CO2原料氣，再合成天然氣。合成天然氣過程的主要反應(yīng)為[3]：
   CO+3H2→CH4+H2O     △H=-205.15kJ/tool
   2CO+2H2→CH4+CO2   △H=-246.39kJ/mol
   CO2+4H2→CH4+2H2O   △H=-162.91kJ/mol
   甲烷化反應(yīng)為放熱的反應(yīng)，為提高合成甲烷的轉(zhuǎn)化率和熱效率，主要存在下述關(guān)鍵技術(shù)。
表1 城市燃?xì)庵饕扇冀M分的物化性能與燃燒特性
 
甲烷
乙烷
丙烷
正丁烷
二甲醚
標(biāo)況氣態(tài)高熱值/(MJ/m3)
39.85
70.35
100.90
133.14
63.16
相對(duì)密度
0.554
1.040
1.550
2.079
1.592
15℃華白數(shù)/(MJ/m3)
50.76
65.39
76.83
87.53
47.45
火焰?zhèn)鞑ニ俣?span>(m/s)
0.38
0.43
0.42
0.38
0.50
相對(duì)于甲烷的燃燒勢(shì)
40.3
45.6
44.5
40.3
53.0
    ① 原料氣制造效率的提高，以降低原料的費(fèi)用；
    ② 采用高活性的催化劑，以提高甲烷化的轉(zhuǎn)化速率；
    ③ 鎳系催化劑對(duì)原料氣凈化要求高，原料氣含硫量為0.5×10-6級(jí)；
    ④ 采用流化床合成甲烷，提高甲烷化的反應(yīng)速度和反應(yīng)熱的回收效率；
    ⑤ 流化床合成甲烷，催化劑易帶出而損失，應(yīng)采用高效回收微球催化劑的技術(shù)。
    20世紀(jì)末，德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、日本進(jìn)行過大量甲烷化研究[4、5]，我國(guó)城市燃?xì)忸I(lǐng)域?yàn)榻档腿細(xì)庵械囊谎趸己浚策M(jìn)行過大量部分甲烷化的研究，大連化學(xué)物理研究所、沈陽(yáng)煤氣熱力研究設(shè)計(jì)院等單位研究過固定床甲烷化技術(shù)，中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院和大連理工大學(xué)、天津第一煤氣廠等單位曾進(jìn)行過流化床甲烷化技術(shù)的研究，均取得了一定的工程數(shù)據(jù)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[6]。上述關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)基本突破，國(guó)外建成過日供數(shù)百萬m3級(jí)的合成天然氣裝置[7]，國(guó)內(nèi)因天然氣發(fā)展的需要，已開工建設(shè)年供30億m3天然氣的大型合成天然氣工業(yè)裝置，還有幾個(gè)大型合成天然氣裝置正在規(guī)劃之中。煤和天然氣相比，由于單位熱量的價(jià)格較低，在煤礦附近建廠生產(chǎn)合成天然氣，其成本更低。但煤制天然氣作為應(yīng)急氣源乃至調(diào)峰氣源的經(jīng)濟(jì)性如何，還要看實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果。
2.2 二甲醚(DME)替代天然氣
    二甲醚可以由煤、石油為原料生產(chǎn)，煤、石油先經(jīng)氣化制成CO+H2合成氣，然后合成為甲醇，再由甲醇脫水生成二甲醚，這即所謂間接法合成。其反應(yīng)為[8]：
   2CO+4H2→2CH3OH    △H=-181.6kJ/molDME
2CH3+OH→CH3+OCH3+H2O △H=-23.4kJ/molDME
    據(jù)悉CO+H2一步法合成二甲醚的技術(shù)也已突破，
其反應(yīng)為：
3CO+3H2→CH3OCH3+CO2 △H=-246.0kJ/molDME
    由表1可知，二甲醚的華白數(shù)與天然氣的華白數(shù)相差5%以內(nèi)，燃燒勢(shì)相差也不太大，經(jīng)過一定的技術(shù)處理后，與天然氣互換。我國(guó)二甲醚的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，已建成幾十套工業(yè)生產(chǎn)裝置，2010年產(chǎn)能可達(dá)1000萬t。如果采用一步法煤制二甲醚的路線，生產(chǎn)成本會(huì)更低。二甲醚用煤生產(chǎn)，價(jià)格受國(guó)際原油價(jià)格波動(dòng)的影響小。另外，二甲醚可以在常溫下加壓液化儲(chǔ)存，儲(chǔ)存費(fèi)用比天然氣液化儲(chǔ)存低。因此，二甲醚作為天然氣的替代氣源，經(jīng)濟(jì)上比較可行[9、10]。目前存在的主要問題是二甲醚(尤其是液態(tài)二甲醚)對(duì)于城市燃?xì)鈨?chǔ)配與應(yīng)用設(shè)施中所采用的橡膠類密封材質(zhì)有較強(qiáng)的溶解腐蝕作用。在這方面，國(guó)內(nèi)的研究已經(jīng)起步，耐二甲醚溶解腐蝕的材質(zhì)已經(jīng)初步選定，并且國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn)，但相關(guān)的系列制品有待開發(fā)。耐二甲醚介質(zhì)溶解腐蝕材質(zhì)及制品的使用壽命還需要考察，如果考察其自然壽命，所需時(shí)間太長(zhǎng)?；诜磻?yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的加速腐蝕法預(yù)測(cè)壽命的時(shí)間短得多[11]，但還需要實(shí)際驗(yàn)證，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，制定標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范檢測(cè)方法。
2.3 液化石油氣混空氣代用天然氣
    液化石油氣主要由丙烷、丁烷組成。由表1可知，單獨(dú)用液化石油氣作為天然氣的替代氣源，華白數(shù)相差太大，混以一定比例的空氣后，其性能與天然氣主成分甲烷比較接近(見表2)，實(shí)際上已有若干城市曾用液化石油氣混空氣作為向天然氣的過渡氣源。因此，用液化石油氣混空氣作為天然氣的應(yīng)急氣源在技術(shù)上是可行的。由于液化石油氣在常溫下加壓儲(chǔ)存，比液化天然氣液化儲(chǔ)存便宜，即使液化石油氣的單位熱量?jī)r(jià)格比天然氣高一倍多，用液化石油氣混空氣作為天然氣的應(yīng)急氣源，還是可取的，應(yīng)急氣源主要是考慮社會(huì)效益。
表2 液化石油氣(50%丙烷+50%丁烷)用作天然氣應(yīng)急氣源時(shí)摻混空氣的比例
 
40
42
44
46
48
50
15℃華白數(shù)/(MJ/m3)
54.55
53.02
51.48
49.92
48.34
46.75
與甲烷華白數(shù)之比
1.075
1.044
1.014
0.983
0.952
0.921
表3 重油循環(huán)式熱裂解燃?xì)獾男再|(zhì)
 
重油循環(huán)式熱裂解氣組分體積分?jǐn)?shù)(%)
循環(huán)初期
循環(huán)中期
循環(huán)后期
重油循環(huán)式熱裂解制氣組成
CO2體積分?jǐn)?shù)(%)
7.6
3.8
2.2
C3H6體積分?jǐn)?shù)(%)
3.8
6.4
8.8
C2H4體積分?jǐn)?shù)(%)
12.7
20.4
24.0
O2體積分?jǐn)?shù)(%)
1.3
20.4
24.0
CO體積分?jǐn)?shù)(%)
13.8
8.0
5.2
H2體積分?jǐn)?shù)(%)
28.1
22.5
20.1
C2H6體積分?jǐn)?shù)(%)
0
0
0.8
CH4體積分?jǐn)?shù)(%)
28.1
37.3
36.1
N2體積分?jǐn)?shù)(%)
4.6
O.4
2.0
生成燃?xì)庑再|(zhì)
15℃高熱值/(MJ/m3)
26.69
35.73
39.55
生成氣相對(duì)密度
0.66
0.66
0.69
華白數(shù)/(MJ/m3)
32_87
44.0l
47.60
2.4 重油制代用天然氣
   重油為原料制造人工煤氣，國(guó)內(nèi)外曾經(jīng)盛行一時(shí)。表3為采用重油循環(huán)式熱裂解生成燃?xì)獾慕M成與性質(zhì)[12]。由表可知，生成燃?xì)獾臒嶂捣秶^寬，調(diào)節(jié)熱解過程的溫度即可調(diào)節(jié)生成氣的華白數(shù)，可以符合天然氣的華白數(shù)范圍。重油儲(chǔ)存方便，制氣裝置啟動(dòng)快，重油熱解生成燃?xì)庖部捎米魈烊粴獾膽?yīng)急氣源甚至調(diào)峰氣源。
3 天然氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的可靠性
   干線輸氣管道供氣滿足不了用戶的需求原因除氣源以外有兩個(gè)，一是儲(chǔ)配系統(tǒng)出現(xiàn)故障，二是因氣候條件變化使需求量超過計(jì)劃量。為提高天然氣供應(yīng)可靠性，重要措施之一是提高天然氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的可靠性。
3.1 提高設(shè)施的可靠性
   首先是加快調(diào)峰、儲(chǔ)備設(shè)施的建設(shè)。一方面是在干管管網(wǎng)建設(shè)的同時(shí)，要利用各地廢棄油氣田或地下巖洞，沿干管建立大型地下貯氣庫(kù)，實(shí)施儲(chǔ)備與調(diào)峰，并逐步納入國(guó)家天然氣的儲(chǔ)備體系。另一方面是鼓勵(lì)有能力的下游企業(yè)建設(shè)城市調(diào)峰、儲(chǔ)備設(shè)施，形成城市日常性調(diào)峰儲(chǔ)備能力，作為城市季節(jié)性調(diào)峰的補(bǔ)充。
3.2 提高管道系統(tǒng)的可靠性
    為了應(yīng)對(duì)氣象變化和意外事故，應(yīng)加強(qiáng)天然氣管道系統(tǒng)可靠性的研究。在這方面，前蘇聯(lián)曾進(jìn)行過大量研究，提出了干線輸氣管道可靠性的指標(biāo)，建立了單元和節(jié)點(diǎn)的可靠性模型，詳細(xì)研究了可靠性指標(biāo)的計(jì)算方法，對(duì)大型天然氣輸氣干線進(jìn)行了實(shí)際計(jì)算，并提出了一系列關(guān)于天然氣長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)的單元和節(jié)點(diǎn)可靠性、干線輸氣管道可靠性、供氣系統(tǒng)可靠性和壽命等問題的研究方向[13]。國(guó)內(nèi)對(duì)于管道的可靠性也進(jìn)行過研究。20世紀(jì)80年代，有關(guān)學(xué)者率先將可靠性理論引進(jìn)到城市燃?xì)夤艿揽煽啃灶I(lǐng)域來，根據(jù)燃?xì)夤芫W(wǎng)中各部件的失效機(jī)理服從統(tǒng)計(jì)與概率分布的特征，建立燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣能力的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)支狀燃?xì)夤芫W(wǎng)和環(huán)狀燃?xì)夤芫W(wǎng)的可靠度進(jìn)行了計(jì)算[14、15]。近年來，“十一五”國(guó)家課題中為了提升市政基礎(chǔ)設(shè)施的功能，對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖陌踩u(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，主要是采用故障樹分析法對(duì)城市燃?xì)夤艿肋M(jìn)行安全評(píng)估[16、17]。
3.3 加強(qiáng)短期預(yù)測(cè)，提高調(diào)度水平
    如同任何事件的發(fā)生一樣，天然氣供銷差的變化也是有一定預(yù)兆的，城市燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測(cè)的及時(shí)與準(zhǔn)確對(duì)于“氣荒”的緩解有著重要的作用。國(guó)內(nèi)有的學(xué)者對(duì)于城市燃?xì)庳?fù)荷的長(zhǎng)期、中期、短期預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，取得了可喜的進(jìn)展，在若干城市已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用[18]。德國(guó)在貫徹歐洲議會(huì)和理事會(huì)保障安全節(jié)能的天然氣供應(yīng)的法規(guī)時(shí)，要求各城市燃?xì)馍蠄?bào)未來3天的用氣量預(yù)測(cè)誤差控制在5%以內(nèi)。此舉促進(jìn)了燃?xì)忸A(yù)測(cè)方案的發(fā)展，對(duì)國(guó)內(nèi)燃?xì)獾念A(yù)測(cè)工作有借鑒意義[19]。國(guó)內(nèi)某城市的燃?xì)庥脷饬拷?jīng)德國(guó)慕達(dá)燃?xì)忸A(yù)測(cè)系統(tǒng)的分析，在給出了1年的用氣量和天氣數(shù)據(jù)的前提下，7天內(nèi)的預(yù)測(cè)誤差為1.75%，實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的對(duì)比曲線見圖1。如能利用燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)于氣象干擾的影響能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，加上及時(shí)的調(diào)度，對(duì)于天然氣供應(yīng)系統(tǒng)“氣荒”的避免將具有重要的意義。
4 調(diào)峰型天然氣用戶的建設(shè)
所謂調(diào)峰型天然氣用戶是指有利于天然氣削峰填谷的終端用戶和能應(yīng)急臨時(shí)停產(chǎn)的特殊工業(yè)用戶。下面主要討論前一種調(diào)峰型天然氣用戶。
    隨著人民生活水平的提高，電空調(diào)使用越來越多，導(dǎo)致夏季供電負(fù)荷很高。但燃?xì)夂碗娏ω?fù)荷峰谷剛好相反，冬季負(fù)荷高，夏季負(fù)荷低，二者存在很強(qiáng)的互補(bǔ)性。如果能夠均衡發(fā)展電力和燃?xì)?，相互達(dá)到一個(gè)削峰填谷的作用，無論對(duì)于電力、燃?xì)馄髽I(yè)，還是我國(guó)能源的綜合利用都是大有益處的。采用燃?xì)鉄岜檬街评?、制熱與供應(yīng)生活熱水裝置，夏天代替電力空調(diào)，冬天代替鍋爐供熱，平時(shí)提供生活熱水，使得夏季也有較高的天然氣負(fù)荷，減少冬夏兩季燃?xì)庳?fù)荷的峰谷差，降低燃?xì)猱a(chǎn)供成本，同時(shí)燃?xì)饪照{(diào)的推廣也減輕電網(wǎng)的夏季電力高峰負(fù)荷，使得全年電力負(fù)荷峰谷差減小，推廣燃?xì)饪照{(diào)具有削峰填谷的作用。另一方面，采用燃?xì)鉄岜檬街评?、制熱與供應(yīng)生活熱水裝置，比直接燃燒供熱和供應(yīng)生活熱水的效率約提高40%，可以節(jié)約相應(yīng)的燃?xì)庥昧亢蜏p少相應(yīng)的二氧化碳排放量。
    據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果中國(guó)一半的電空調(diào)市場(chǎng)由燃?xì)饪照{(diào)替代，相當(dāng)于有32.13GW的尖峰用電負(fù)荷被削減下來，各地區(qū)的電力緊張現(xiàn)象則可緩解[20]。同時(shí)，從平衡燃?xì)獾凸鹊慕嵌壬峡矗?2.13GW的用電負(fù)荷轉(zhuǎn)變成燃?xì)饪照{(diào)制冷，相當(dāng)于每日解決了3000×104m3的天然氣用量。我國(guó)現(xiàn)在78%左右的電力來自于火力發(fā)電，在火力發(fā)電約30%轉(zhuǎn)換效率的情況下，獲得電能的代價(jià)是巨大的，約70%的一次能源就要浪費(fèi)掉，而火力發(fā)電使用的燃煤又是污染環(huán)境的最大因素。這樣采用燃?xì)饪照{(diào)部分替代電力空調(diào)，既可以填補(bǔ)夏季天然氣利用的低谷，又可以有效地避免夏季電力高峰的出現(xiàn)，從而起到環(huán)保、節(jié)能、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的三重效果，具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此，適當(dāng)限制電空調(diào)的使用量，按照合理的比例轉(zhuǎn)換電空調(diào)為燃?xì)饪照{(diào)，加快燃?xì)饪照{(diào)的發(fā)展速度是今后能源合理利用的方向，采用燃?xì)饪照{(diào)是解決電力危機(jī)、平衡電力和燃?xì)饽茉吹淖罴淹緩街弧?/span>
5 結(jié)語(yǔ)
    (1) 上述這些方法各有所長(zhǎng)，相互具有互補(bǔ)性。若能將其集成用于城市燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)，必將有益于城市燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)可靠性的提高，減少“氣荒”的出現(xiàn)次數(shù)，減輕“氣荒”的影響程度。
   (2) 上述分析主要側(cè)重技術(shù)上的定性分析，各種方法是否適用與當(dāng)?shù)氐臈l件有關(guān)，有待進(jìn)行詳細(xì)的定量分析。
   (3) 各種方法有的已經(jīng)成熟，有的還需進(jìn)行試驗(yàn)或示范，尤其是經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)更需要深入研究，維修成本較高的設(shè)施還需進(jìn)行全壽命周期成本的研究。
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(本文作者：項(xiàng)友謙 高文學(xué) 王啟 趙自軍 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院燃?xì)饧夹g(shù)研究院 300384)