華南某地區(qū)長輸天然氣管道建設初期調峰方案比選

宋存永 朱建魯 宋曉丹 杜 翰 楊路路 曹學文

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

0 引言

近年來，中國能源工業(yè)發(fā)展迅速，天然氣在一次能源生產和消費中的比重均逐年增加。根據中國國家能源局2017年發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年天然氣在能源消費結構中所占比例將提高到10%以上[1]。2000年2月國務院批準啟動的“西氣東輸”工程，對促進我國能源和產業(yè)結構調整，帶動東部、中部、西部地區(qū)經濟共同發(fā)展，改善管道沿線地區(qū)人民生活質量，特別是保障國內能源的安全穩(wěn)定供應具有重要意義[2-3]。目前，正在建設中的“西氣東輸”三線工程以中亞天然氣為主供氣源，途經我國10個省（區(qū)），年供應天然氣將達到300×108m3。

1 調峰需求分析

位于華南某地區(qū)的“西氣東輸”三線工程某支干線S自A城至D城，沿途向B、C兩城市分輸供氣，設計年輸氣量為120×108m3。在管道設計初期，需要在符合安全經濟的前提下，滿足用戶的月調峰需求。根據文獻，下游用戶總調峰需求量與應急保證安全供氣量之和即為所需調峰庫容要求[4-7]。

管道沿線各用戶用氣不均勻系數如表1所示，由表1可以看出，輸氣管線沿線城市的天然氣月用量季節(jié)變化比較明顯。冬季負荷在11月驟增，在1月份逐漸降低并一直持續(xù)到3月份，之后開始逐漸上漲，從6月份進入3個月的波動期，之后從9月開始減少。峰值分別出現(xiàn)在夏季炎熱的7月和冬季供暖結束的4月，全年最大季峰比則為上述2個月的比值，即1.77∶1。

為了平衡一年中的不均勻用氣量，需要在管道沿線設置儲氣設施以滿足季節(jié)調峰氣量的需求。氣源按月平均供氣量均勻地供氣，用氣量低時，多余天然氣存儲在儲氣設施內，以補充用氣高峰時用氣高于供氣的不足部分。以各月用氣不均勻系數為基礎數據計算理論調峰氣量，如表2所示。

表1 用戶不均勻系數表

表2 調峰累計月存儲系數表

據表2可知，最大值和最小值的絕對值之和即為所需要的儲氣量系數，計算可得全年所需最大調峰量為5.3× 108m3。

《天然氣基礎設施建設與運營管理辦法》第25條規(guī)定“應當建立健全燃氣應急儲備制度，組織編制燃氣應急預案，采取綜合措施提高燃氣應急保障能力，至少形成不低于保障本行政區(qū)域平均3天需求量的應急儲氣能力。”第26條規(guī)定“可中斷用戶的用氣量不計入計算天然氣儲備規(guī)模的基數?！盵8]因此，應急調峰儲氣量為1.028×108m3。因此，此支干線全線所需調峰庫容為6.328×108m3。

2 儲氣調峰方式對比

目前，管道天然氣主要的調峰方式包括兩大類：一類是通過建設調峰設施滿足調峰需求，調峰方式主要包括地下儲氣庫調峰、LNG調峰、LPG調峰、氣田上游調峰、末段管道調峰、高壓管束調峰和儲氣罐調峰等；另一類是通過對用戶用量進行調節(jié)來滿足調峰需求，調峰方式包括選擇可中斷用戶、實行峰谷氣價等[9-11]。

在各種儲氣調峰方式中，在不同的國家和地區(qū)、不同的場合，都有不同程度的應用。一般來說，地下儲氣庫是一種最經濟、最有效的儲存方式[10]。圖1所示為各種儲氣方式的建設投資與0.56 MPa球形儲罐建設投資的相對比值（以0.56 MPa球罐儲存每m3天然氣建設投資為100%）[9]。上述各種天然氣儲氣調峰方式的對比如表3所示。

圖1 各種儲氣方式在相同儲氣量下與球罐建設投資比值圖

根據調峰需求分析可知，輸氣管道工程擬建調峰庫容為6.328×108m3，儲量特別大。但通過華南地區(qū)地質條件以及華南地區(qū)儲氣調峰方式的調研分析，目前華南地區(qū)沒有合適的地質條件來修建成本最低的地下儲氣庫。

LNG衛(wèi)星站、液化石油氣（LPG）、壓縮天然氣（CNG）、高壓管束和儲氣罐等調峰方式的儲量規(guī)模較小，不能滿足工程所需調峰要求。下面主要對輸氣管道末段調峰、LNG調峰和氣田調峰進行全方位比選。

3 管道末段儲氣調峰

3.1 輸氣管道設計參數

本地區(qū)長距離輸氣管道全線設計壓力等級為10 MPa，全線共有首站、末站和2個分輸站共4座站場，首站和2號分輸站設有壓縮機。管道設計方案如表4所示。

3.2 管道末段儲氣能力

末段管道的儲氣能力計算式[12]為：

表3 天然氣儲氣調峰方式的比較表

表4 輸氣管道建設初期管道設計方案表

式中，VS為末段輸氣管儲氣量，m3；D為輸氣管道直徑，m； ppjmax為儲氣量最大時的平均壓力，Pa；ppjmin為儲氣量最小時的平均壓力，Pa； p0為工程標準狀況下的壓力， p0＝101 325 Pa；T0為工程標準狀況下的溫度，T0＝293K；T為管道內氣體溫度，K；Z為壓縮因子，近似認為Z＝1；lZ為末段輸氣管長度，m。

由式（1）計算可得，VS＝1.22×106m3，遠遠達不到工程所需儲氣量標準。

4LNG調峰

LNG調峰站是通過液化輸氣管道中的天然氣對下游市場進行調峰。當天然氣管道提供的氣量大于市場需求時將多余的氣量液化并儲存起來，而當管道供應的氣量低于市場需求時將LNG再氣化用于補充管道供氣不足。

4.1 LNG儲罐數量

4.1.1 罐容計算

液化調峰站主要考慮月調峰量和事故應急氣量，調峰庫容量為6.328×108m3。國內目前較大的LNG儲罐罐容有16×104m3和20×104m3兩種，如果采用這兩種儲罐，需要的個數可由式（2）、式（3）計算而得。

式中，N16為16×104m3罐容儲罐數量，N20為20×104m3罐容儲罐數量。

通過計算，可以選用16×104m3和20×104m3儲罐各3座，可調峰總庫容為6.48×108m3。

4.1.2 LNG儲罐比選

雖然預應力混凝土全容罐的造價相比其他形式（除了地下薄膜罐）略高，但安全性高、占地少、技術成熟可靠性高，是現(xiàn)在LNG接收站普遍采用的形式[13]。

4.2 液化能力

4.2.1 液化能力計算

表5 來氣富裕月份所需液化量表 108m3

從表5可以看出，本管道工程中LNG液化調峰站所需液化裝置的最大負荷應能將4月份富余的3.5×108m3（8 524.8 t／d）天然氣全部液化以滿足該月調峰的要求。根據資料，目前年單線產能為3.0 Mt／a的天然氣液化裝置每天的生產能力為8 571.3 t／d，能夠滿足生產需求。因此，方案可采用一條年單線產能為3.0 Mt／a的液化裝置。

4.2.2 液化工藝比選

目前，LNG液化調峰站主要采用的液化工藝流程主要有：康菲優(yōu)化級聯(lián)流、帶丙烷預冷的混合冷劑制冷流程、雙循環(huán)混合冷劑流程（DMR）、單循環(huán)單壓混合制冷技術（PRICO）和CII液化技術，工程調峰項目更適合采用投資較小、流程簡潔的雙循環(huán)混合冷劑流程（DMR）[14-15]。

4.3 氣化能力

4.3.1 氣化能力計算

LNG液化調峰站調峰要求氣化器啟動迅速、能對負荷變化作出迅速反應。根據本項目用戶不均勻系數，需要氣化的月份需要的氣化能力如表6所示。因此，LNG液化調峰站調峰時應該滿足的最小氣化能力為153 t／h。

表6 來氣不足月份所需氣化量表

4.3.2 氣化工藝必選

調峰時，通過自增壓器將LNG儲罐內增壓。增壓后的LNG進入LNG低溫泵，加壓后進入LNG氣化器，換熱后轉化為常溫氣態(tài)天然氣，經調壓、計量后進入輸氣干線。BOG為罐頂蒸發(fā)氣，通過BOG加熱器加熱，并經過增壓后，送入調壓計量裝置后進入輸氣干線。EAG為緊急放空氣，通過EAG加熱器加熱后，送至放散管集中放散[16-17]。

5 氣田調峰

5.1 調峰氣井生產制度

調峰氣井生產制度主要是冬季保供期間以1.4～2.0倍合理配產加熱爐調峰生產，冬季保供結束后以合理配產投放井下節(jié)流器生產。實行冬開夏關的加熱爐調峰井輪休制度，可以很大程度上減緩加熱爐調峰生產對氣井采收率和產能遞減產生的負面影響。

5.2 調峰配產優(yōu)化

蘇里格氣田調峰研究中，通過對比不同配產制度下的加熱爐調峰井預測數據，調峰配產越高，累計產量越低，3年末的日產越低；若考慮開發(fā)指標，3年內日均產量不低于合理配產的指標，那么加熱爐井的調峰配產應不大于1.6倍合理配產[18]。對于本工程，全年用戶最大月份用量為1.15倍月均用量。在氣井合理配產滿足用戶月均用量的情況下，氣田調峰能夠實現(xiàn)需求。

5.3 氣田調峰對氣田開發(fā)的影響

通過生產資料分析表明，調峰期氣田超負荷生產影響氣田整體開發(fā)效果，其不利影響主要體現(xiàn)在：① 利用上游調峰，造成地層能量的非正常消耗，縮短穩(wěn)產期和造成儲量損失，降低采收率，從而影響氣田整體開發(fā)效果；② 氣井出水、出砂，不僅降低產能，同時勢必加大采氣工藝措施工作量，促使采氣成本增加。因此，在沒有富余產能的情況下，利用上游調峰對氣田整體開發(fā)效益影響很大?；谶@種不利影響，產能建設部署時應根據產量波動需求，適當考慮留有余量，多渠道、多方式滿足不同市場的調峰需求，進而保證氣田的科學合理開發(fā)。

6 結論

1）管道末段儲氣能力較低，不能滿足工程調峰需求；LNG調峰的技術和能力能夠滿足需求，但需要投資的儲罐、設備較多，經濟成本較高，不利于項目的長期運行；氣田調峰方式會對氣田開發(fā)帶來負面影響，但經濟成本低，且通過科學有效的方案能夠減少不利影響。

2）“氣田調峰+管道末段儲氣調峰”的調峰方案，既能夠合理利用管道運氣儲氣能力，又能夠科學合理的減少氣田調峰的缺陷和不足，經濟合理，安全可靠，能夠作為管道建設的調峰方案。