宋存永 朱建魯 宋曉丹 杜 翰 楊路路 曹學(xué)文

（中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)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(chǎn)和消費(fèi)中的比重均逐年增加。根據(jù)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(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比例將提高到10%以上[1]。2000年2月國務(wù)院批準(zhǔn)啟動(dòng)的“西氣東輸”工程，對(duì)促進(jìn)我國能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，帶動(dòng)?xùn)|部、中部、西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)共同發(fā)展，改善管道沿線地區(qū)人民生活質(zhì)量，特別是保障國內(nèi)能源的安全穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義[2-3]。目前，正在建設(shè)中的“西氣東輸”三線工程以中亞天然氣為主供氣源，途經(jīng)我國10個(gè)?。▍^(qū)），年供應(yīng)天然氣將達(dá)到300×108m3。

1 調(diào)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(shè)計(jì)年輸氣量為120×108m3。在管道設(shè)計(jì)初期，需要在符合安全經(jīng)濟(jì)的前提下，滿足用戶的月調(diào)峰需求。根據(jù)文獻(xiàn)，下游用戶總調(diào)峰需求量與應(yīng)急保證安全供氣量之和即為所需調(diào)峰庫容要求[4-7]。

管道沿線各用戶用氣不均勻系數(shù)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(fù)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(jìn)入3個(gè)月的波動(dòng)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(jié)束的4月，全年最大季峰比則為上述2個(gè)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(shè)置儲(chǔ)氣設(shè)施以滿足季節(jié)調(diào)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(shí)，多余天然氣存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣設(shè)施內(nèi)，以補(bǔ)充用氣高峰時(shí)用氣高于供氣的不足部分。以各月用氣不均勻系數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算理論調(diào)峰氣量，如表2所示。

表1 用戶不均勻系數(shù)表

表2 調(diào)峰累計(jì)月存儲(chǔ)系數(shù)表

據(jù)表2可知，最大值和最小值的絕對(duì)值之和即為所需要的儲(chǔ)氣量系數(shù)，計(jì)算可得全年所需最大調(diào)峰量為5.3× 108m3。

《天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)營管理辦法》第25條規(guī)定“應(yīng)當(dāng)建立健全燃?xì)鈶?yīng)急儲(chǔ)備制度，組織編制燃?xì)鈶?yīng)急預(yù)案，采取綜合措施提高燃?xì)鈶?yīng)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(yīng)急儲(chǔ)氣能力?！钡?6條規(guī)定“可中斷用戶的用氣量不計(jì)入計(jì)算天然氣儲(chǔ)備規(guī)模的基數(shù)?！盵8]因此，應(yīng)急調(diào)峰儲(chǔ)氣量為1.028×108m3。因此，此支干線全線所需調(diào)峰庫容為6.328×108m3。

2 儲(chǔ)氣調(diào)峰方式對(duì)比

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

在各種儲(chǔ)氣調(diào)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(yīng)用。一般來說，地下儲(chǔ)氣庫是一種最經(jīng)濟(jì)、最有效的儲(chǔ)存方式[10]。圖1所示為各種儲(chǔ)氣方式的建設(shè)投資與0.56 MPa球形儲(chǔ)罐建設(shè)投資的相對(duì)比值（以0.56 MPa球罐儲(chǔ)存每m3天然氣建設(shè)投資為100%）[9]。上述各種天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰方式的對(duì)比如表3所示。

圖1 各種儲(chǔ)氣方式在相同儲(chǔ)氣量下與球罐建設(shè)投資比值圖

根據(jù)調(diào)峰需求分析可知，輸氣管道工程擬建調(diào)峰庫容為6.328×108m3，儲(chǔ)量特別大。但通過華南地區(qū)地質(zhì)條件以及華南地區(qū)儲(chǔ)氣調(diào)峰方式的調(diào)研分析，目前華南地區(qū)沒有合適的地質(zhì)條件來修建成本最低的地下儲(chǔ)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(chǔ)氣罐等調(diào)峰方式的儲(chǔ)量規(guī)模較小，不能滿足工程所需調(diào)峰要求。下面主要對(duì)輸氣管道末段調(diào)峰、LNG調(diào)峰和氣田調(diào)峰進(jìn)行全方位比選。

3 管道末段儲(chǔ)氣調(diào)峰

3.1 輸氣管道設(shè)計(jì)參數(shù)

本地區(qū)長距離輸氣管道全線設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為10 MPa，全線共有首站、末站和2個(gè)分輸站共4座站場，首站和2號(hào)分輸站設(shè)有壓縮機(jī)。管道設(shè)計(jì)方案如表4所示。

3.2 管道末段儲(chǔ)氣能力

末段管道的儲(chǔ)氣能力計(jì)算式[12]為：

表3 天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰方式的比較表

表4 輸氣管道建設(shè)初期管道設(shè)計(jì)方案表

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

由式（1）計(jì)算可得，VS＝1.22×106m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到工程所需儲(chǔ)氣量標(biāo)準(zhǔn)。

4LNG調(diào)峰

LNG調(diào)峰站是通過液化輸氣管道中的天然氣對(duì)下游市場進(jìn)行調(diào)峰。當(dāng)天然氣管道提供的氣量大于市場需求時(shí)將多余的氣量液化并儲(chǔ)存起來，而當(dāng)管道供應(yīng)的氣量低于市場需求時(shí)將LNG再氣化用于補(bǔ)充管道供氣不足。

4.1 LNG儲(chǔ)罐數(shù)量

4.1.1 罐容計(jì)算

液化調(diào)峰站主要考慮月調(diào)峰量和事故應(yīng)急氣量，調(diào)峰庫容量為6.328×108m3。國內(nèi)目前較大的LNG儲(chǔ)罐罐容有16×104m3和20×104m3兩種，如果采用這兩種儲(chǔ)罐，需要的個(gè)數(shù)可由式（2）、式（3）計(jì)算而得。

式中，N16為16×104m3罐容儲(chǔ)罐數(shù)量，N20為20×104m3罐容儲(chǔ)罐數(shù)量。

通過計(jì)算，可以選用16×104m3和20×104m3儲(chǔ)罐各3座，可調(diào)峰總庫容為6.48×108m3。

4.1.2 LNG儲(chǔ)罐比選

雖然預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐的造價(jià)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(shù)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(jì)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(diào)峰站所需液化裝置的最大負(fù)荷應(yīng)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(diào)峰的要求。根據(jù)資料，目前年單線產(chǎn)能為3.0 Mt／a的天然氣液化裝置每天的生產(chǎn)能力為8 571.3 t／d，能夠滿足生產(chǎn)需求。因此，方案可采用一條年單線產(chǎn)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(diào)峰站主要采用的液化工藝流程主要有：康菲優(yōu)化級(jí)聯(lián)流、帶丙烷預(yù)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(shù)（PRICO）和CII液化技術(shù)，工程調(diào)峰項(xiàng)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(jì)算

LNG液化調(diào)峰站調(diào)峰要求氣化器啟動(dòng)迅速、能對(duì)負(fù)荷變化作出迅速反應(yīng)。根據(jù)本項(xiàng)目用戶不均勻系數(shù)，需要?dú)饣脑路菪枰臍饣芰θ绫?所示。因此，LNG液化調(diào)峰站調(diào)峰時(shí)應(yīng)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(diào)峰時(shí)，通過自增壓器將LNG儲(chǔ)罐內(nèi)增壓。增壓后的LNG進(jìn)入LNG低溫泵，加壓后進(jìn)入LNG氣化器，換熱后轉(zhuǎn)化為常溫氣態(tài)天然氣，經(jīng)調(diào)壓、計(jì)量后進(jìn)入輸氣干線。BOG為罐頂蒸發(fā)氣，通過BOG加熱器加熱，并經(jīng)過增壓后，送入調(diào)壓計(jì)量裝置后進(jìn)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(diào)峰

5.1 調(diào)峰氣井生產(chǎn)制度

調(diào)峰氣井生產(chǎn)制度主要是冬季保供期間以1.4～2.0倍合理配產(chǎn)加熱爐調(diào)峰生產(chǎn)，冬季保供結(jié)束后以合理配產(chǎn)投放井下節(jié)流器生產(chǎn)。實(shí)行冬開夏關(guān)的加熱爐調(diào)峰井輪休制度，可以很大程度上減緩加熱爐調(diào)峰生產(chǎn)對(duì)氣井采收率和產(chǎn)能遞減產(chǎn)生的負(fù)面影響。

5.2 調(diào)峰配產(chǎn)優(yōu)化

蘇里格氣田調(diào)峰研究中，通過對(duì)比不同配產(chǎn)制度下的加熱爐調(diào)峰井預(yù)測數(shù)據(jù)，調(diào)峰配產(chǎn)越高，累計(jì)產(chǎn)量越低，3年末的日產(chǎn)越低；若考慮開發(fā)指標(biāo)，3年內(nèi)日均產(chǎn)量不低于合理配產(chǎn)的指標(biāo)，那么加熱爐井的調(diào)峰配產(chǎn)應(yīng)不大于1.6倍合理配產(chǎn)[18]。對(duì)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(chǎn)滿足用戶月均用量的情況下，氣田調(diào)峰能夠?qū)崿F(xiàn)需求。

5.3 氣田調(diào)峰對(duì)氣田開發(fā)的影響

通過生產(chǎn)資料分析表明，調(diào)峰期氣田超負(fù)荷生產(chǎn)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(diào)峰，造成地層能量的非正常消耗，縮短穩(wěn)產(chǎn)期和造成儲(chǔ)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(chǎn)能，同時(shí)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(chǎn)能的情況下，利用上游調(diào)峰對(duì)氣田整體開發(fā)效益影響很大?；谶@種不利影響，產(chǎn)能建設(shè)部署時(shí)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)量波動(dòng)需求，適當(dāng)考慮留有余量，多渠道、多方式滿足不同市場的調(diào)峰需求，進(jìn)而保證氣田的科學(xué)合理開發(fā)。

6 結(jié)論

1）管道末段儲(chǔ)氣能力較低，不能滿足工程調(diào)峰需求；LNG調(diào)峰的技術(shù)和能力能夠滿足需求，但需要投資的儲(chǔ)罐、設(shè)備較多，經(jīng)濟(jì)成本較高，不利于項(xiàng)目的長期運(yùn)行；氣田調(diào)峰方式會(huì)對(duì)氣田開發(fā)帶來負(fù)面影響，但經(jīng)濟(jì)成本低，且通過科學(xué)有效的方案能夠減少不利影響。

2）“氣田調(diào)峰+管道末段儲(chǔ)氣調(diào)峰”的調(diào)峰方案，既能夠合理利用管道運(yùn)氣儲(chǔ)氣能力，又能夠科學(xué)合理的減少氣田調(diào)峰的缺陷和不足，經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠，能夠作為管道建設(shè)的調(diào)峰方案。