1 引言

天然氣分布式能源是以天然氣為主要燃料， 是通過冷熱電三聯(lián)供和氣電聯(lián)供等方式來實現(xiàn)能源的梯級高效利用，并可在天然氣用氣負荷中心就近實現(xiàn)能源高效安全供應的現(xiàn)代新型能源供應方式。 在一定技術條件下，天然氣分布式能源因其具備高能效、清潔穩(wěn)定、削峰填谷等優(yōu)勢，已經(jīng)成為國際能源開發(fā)應用中極具競爭力的能源之一[1]。

天然氣分布式能源可實現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)作用， 就地接入配電網(wǎng)，實現(xiàn)能源的就地供應，從而滿足大電網(wǎng)集中供能的有效補充。 同時，可以通過能源的梯級高效利用，提高系統(tǒng)的綜合利用效率，促進我國能源結構的調(diào)整，為實現(xiàn)對清潔用能的推廣、加速可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義[2-3]。

2018 年，國務院發(fā)布了《關于促進天然氣協(xié)調(diào)發(fā)展的若干意見》，鼓勵發(fā)展可替代能源用戶和可中斷大工業(yè)用戶，積極引導用戶主動參與調(diào)峰、充分發(fā)揮終端用戶調(diào)峰能力[4]。 這標志著我國天然氣分布式能源即將進入快速發(fā)展階段。

2 項目概況與熱負荷分析

本次可行性研究基于某分布式能源實際案例， 規(guī)劃分布式能源站共建設2 套由6B 燃機組成的“1 拖1”天然氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，即1 臺燃氣輪機發(fā)電機組配1 臺余熱鍋爐，1 臺余熱鍋爐供汽給1 臺抽凝式蒸汽輪發(fā)電機組，預計天然氣年用氣量約1.516 億m3，高峰用氣量為27 564 m3/h，用戶用氣設備進口壓力不低于1.6 MPa。

調(diào)研區(qū)域?qū)傧臒岫涞貐^(qū)， 集中供熱的熱負荷通常由4 部分構成：

1）滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的工業(yè)熱負荷；

2）滿足各類用戶日常生活需求的如洗浴、消毒、蒸煮等用熱的生活熱負荷；

3）滿足供應用戶采暖需求的采暖熱負荷；

4）滿足供應用戶夏季熱能制冷、冬季供熱的空調(diào)熱負荷。

根據(jù)測算，近期分布式能源站額定供汽能力100 t/h，供汽壓力0.8 MPa，供汽溫度240 ℃；遠期全部裝機對外總額定供汽能力172 t/h，供汽壓力0.8 MPa，供汽溫度240 ℃。

3 分布式能源天然氣用氣直供方案

根據(jù)用氣設備參數(shù)計算， 分布式能源站近期用氣規(guī)模為1.5 億m3/N，用氣壓力不低于1.6 MPa。 燃氣輪機對氣體燃料天然氣氣質(zhì)要求較高。 其中天然氣中的顆粒狀雜質(zhì)可以引起燃機高溫腐蝕、積垢、堵塞及磨蝕等；天然氣中含有的液態(tài)水將會導致燃機由于火焰溫度迅速降低從而熄火。 所以，進入燃氣輪機的天然氣水分含量不能太高， 特別是天然氣通過調(diào)壓機組時攜帶的潤滑油液滴； 天然氣供氣壓力必須大于燃料噴嘴的最大壓降。 供氣實施方案首先考慮項目近期用氣保供需求，可行且經(jīng)濟，并為遠期預留發(fā)展空間。 結合天然氣供應現(xiàn)狀和規(guī)劃，制訂近遠期皆安全、可靠、經(jīng)濟的供氣方案，并充分考慮近遠期的銜接。

分布式能源項目周邊符合條件的天然氣高壓管線為已建天然氣繞城高壓管線，設計壓力為4.0 MPa，管線主要沿繞城高速、合六葉高速敷設，管徑為DN700，最大年輸氣能力約40 億m3。在分布式能源站附近設有長崗調(diào)壓站、機場閥室。空港能源站距離繞城高壓管線干線直線距離約500 m，距離長崗調(diào)壓站約3 km，距離機場閥室約2 km。 其中從機場閥室引線方案需要穿越合六葉高速，從投資成本、協(xié)調(diào)成本考慮，首先不予采用。 現(xiàn)高壓管道不停輸開口作業(yè)工藝已非常成熟，因此，確定從繞城高壓管線與規(guī)劃天柱山大道交口處，在主管線上帶氣作業(yè)開口，設置清管三通引出供氣支線，沿著規(guī)劃天柱山大道東側(cè)向北敷設至空港能源站內(nèi)。 管線全長約500 m，管徑DN300，設計壓力6.3 MPa。 在能源站內(nèi)天然氣調(diào)壓計量區(qū)設置計量調(diào)壓裝置， 接收高壓管道來氣， 將天然氣調(diào)壓至1.6 MPa 后交付能源站。

4 供氣方案結果可行性研究

4.1 供氣壓力可行性研究

本案例采用模擬軟件TGNET 對天然氣管網(wǎng)進行模擬，該軟件由英國ESI 公司研發(fā)， 可用于模擬氣體管網(wǎng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況，通過計算分析，實現(xiàn)氣體管網(wǎng)的設計以及操作決策。

根據(jù)天然氣能源項目可行性研究，分布式能源站近期用氣規(guī)模1.5×108 m3/N，設計流量為27 564 m3/h，最低壓力為1.6 MPa。

通過水力計算得出規(guī)劃采用天然氣繞城高壓管網(wǎng)最低的供氣壓力， 同時對高壓管道的管徑選用3 個方案DN250、DN300、DN400 進行對比分析。

4.1.1 壓降比選

1）工況1：在管徑為DN250，末點壓力為1.6 MPa，輸氣規(guī)模為30 000 m3/h，計算最低起點壓力，結果詳見圖1。

圖1 水力計算壓降工況1 圖

2）工況2：在管徑為DN300，末點壓力為1.6 MPa，輸氣規(guī)模為30 000 m3/h，計算最低起點壓力，結果詳見圖2。

圖2 水力計算壓降工況2 圖

3）工況3：在管徑為DN400，末點壓力為1.6 MPa，輸氣規(guī)模為30 000 m3/h，計算最低起點壓力，結果詳見圖3。

圖3 水力計算壓降工況3 圖

4.1.2 輸氣量比選

1）工況1：在管徑為DN250，起點壓力為2.5 MPa，末點壓力為1.6 MPa，計算最大輸氣量，結果詳見圖4。

圖4 水力計算輸氣量工況1 圖

2）工況2：在管徑為DN300，起點壓力為2.5 MPa，末點壓力為1.6 MPa，計算最大輸氣量，結果詳見圖5。

圖5 水力計算輸氣量工況2 圖

3)工況3：在管徑為DN400，起點壓力為2.5 MPa，末點壓力為1.6 MPa，計算最大輸氣量，結果詳見圖6。

圖6 水力計算輸氣量工況3 圖

通過3 種管徑進行各種工況下的水力計算，DN250、DN300、DN400 均能滿足下游用戶用氣輸送需求和壓力需求。

其經(jīng)濟性比選表如表1 所示。

表1 管徑方案經(jīng)濟比選表

4.1.3 計算結論

通過水力計算得知，3 種管徑下的壓降都較小，3 種管徑下均可滿足項目建設要求， 但DN300 管道的輸氣量約為DN200 管道的輸氣量的兩倍，且投資增加較少，因此，綜合考慮本項目推薦選用DN300 鋼管。

根據(jù)用戶要求出口壓力最低為1.6 MPa，通過水力計算得出繞城高壓管線進口壓力不得低于1.606 MPa，壓降為6 kPa。根據(jù)高壓管網(wǎng)平均日壓力波動曲線， 可以得出大部分時間段高壓管網(wǎng)運行壓力均高于1.6 MPa， 局部冬季用氣高峰時，壓力負荷較低，一旦有用氣壓力最低需求，可通過流量控制閥控制進出口流量來提升管網(wǎng)壓力，或在用氣高峰時通過LNG 氣化站向高壓管網(wǎng)中輸氣來保證管網(wǎng)中的運行壓力。

4.2 供氣管道強度和穩(wěn)定性可行性研究

4.2.1 管道壁厚計算

1）鋼管直管段壁厚計算公式

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》的規(guī)定，鋼管直管段壁厚按式（1）計算：

式中，δ 為鋼管計算壁厚，mm；P 為設計壓力，MPa；D1為鋼管外徑，mm；σs為鋼管最小屈服強度，MPa；φ 為強度設計系數(shù)；F 為焊縫系數(shù)；t 為溫度折減系數(shù)。

2）彎頭、彎管壁厚計算公式

彎頭和彎管的管壁厚度按式（2）~式（4）計算：

式中，δb為冷彎彎管和熱煨彎頭的計算壁厚，mm；δ 為彎頭和彎管所連接的直管段壁厚計算厚度，mm；R 為冷彎彎管和熱煨的曲率半徑，冷彎彎管時R 按40D2取值，熱煨彎頭時R 按6D2取值，mm；m 為冷彎彎管和熱煨彎頭的管壁厚度增大系數(shù)；D2為冷彎彎管和熱煨的外半徑，mm；δ′b為熱煨彎頭的選取壁厚，mm。

3）壁厚計算結果

按式（1）~式（5）對本工程管道壁厚進行計算。鋼管參數(shù)統(tǒng)計表如表2 所示。

表2 鋼管參數(shù)統(tǒng)計表

4.2.2 管道強度和穩(wěn)定性校核

1）強度校核

在埋地直管段中可產(chǎn)生因泊松效應應力、 溫度應力以及由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力，必須進行當量應力校核。

由內(nèi)壓和溫度差引起的軸向應力按式（5）和式（6）計算：

受約束管段，按最大剪應力破壞理論計算當量應力，并應符合式（7）的要求：

式（5）~ 式（7）中，σL為管道的軸向應力，MPa；μ 為泊松比，鋼材取0.3；σh為由內(nèi)壓產(chǎn)生的管道環(huán)向應力，MPa；d 為管道內(nèi)徑，mm；δn為管道公稱壁厚，mm；E 為鋼材彈性模量，MPa；α 為鋼材的線膨脹系數(shù)，cm/ （cm·℃）；t1為管道安裝閉合時的大氣溫度，℃；t2為管道內(nèi)被輸送氣體溫度，℃；σe為當量應力，MPa；σs為鋼管的最低屈服強度，MPa；P 為管道設計內(nèi)壓力，MPa。

埋地管道強度校核計算結果見表3。

表3 管道強度校核計算表

經(jīng)計算，本項目管道可以滿足當量應力的要求。

2）穩(wěn)定性校核

管道需要有一定的剛度，不然在裝卸、運輸、堆放、下溝、回填等過程中會使管子嚴重變形或壓癟，一旦發(fā)生這種情況，管道即報廢。

管道的剛性與材料強度無關，而與材料的彈性模量、直徑與壁厚比D/δ 有關。 因各種等級的鋼號的彈性模量都是一樣的， 故只考慮D/δ 即可。 同樣直徑的管道壁厚越厚，D/δ 就越小，則剛性越好。

根據(jù)經(jīng)驗，當埋地管道埋深通常不超過2.5 m，土壤的壓力不會對管道穩(wěn)定性造成威脅， 此時若管子外徑與壁厚之比小于140，則管道不會發(fā)生徑向失穩(wěn)。

當管道局部地段埋深較深， 超過2.5m， 或者外載荷較大時，還應按無內(nèi)壓狀態(tài)校核其穩(wěn)定性。 鋼管徑向穩(wěn)定性條件應滿足式（8）和式（9）：

式中，Δx鋼管水平方向最大變形量，m；D3為管道外徑，m；Dm為管子平均直徑，m；Z 為管子變形滯后系數(shù)， 取1.5；K 為基床系數(shù)；E 為鋼材彈性模量，N/m2，I 為單位管壁截面慣性矩，m4/m；Es為土壤變形模量，N/m3，Es值與土壤種類、 回填土壓實程度等因數(shù)有關，應以現(xiàn)場實測為準；W 為作用在單位管長上的總豎向載荷，N/m。

管道穩(wěn)定性校核計算表如表4 所示。

表4 管道穩(wěn)定性校核計算表

經(jīng)計算，本項目選用的管道可以滿足穩(wěn)定性的要求。

5 結語

1）發(fā)展天然氣分布式能源是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的選擇。 天然氣分布式能源系統(tǒng)實現(xiàn)了能源的梯級利用，充分提高一次能源利用效率。 分布式能源系統(tǒng)位于或鄰近用戶，能源無須遠距離輸送， 在余熱回收時可以減少終端用戶對化石燃料的需求量，減少環(huán)境污染，節(jié)約能源，促進我國能源整體結構的調(diào)整，為實現(xiàn)對清潔能源使用的推廣，對加速可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明城市的建設都具有重要意義。

2）發(fā)展天然氣分布式能源有利于調(diào)整能源消費結構。 未來能源供應取決于終端用戶能源服務， 終端能源轉(zhuǎn)向潔凈方便的能源， 就是增加天然氣和可再生能源在一次能源消費結構中的比重。 根據(jù)分布式能源發(fā)展較快的發(fā)達國家經(jīng)驗來看，采用燃氣輪機機、燃料電池、微型燃氣輪等分布式能源是合理利用天然氣的最佳方式之一。 因此，天然氣分布式能源系統(tǒng)將有利于調(diào)整能源消費結構，實現(xiàn)能源的多樣化應用。

3）發(fā)展天然氣分布式能源有利于供電安全。 世界各地的電網(wǎng)大規(guī)模停電充分說明了供電系統(tǒng)所面臨的難題 “供電的安全性”，在世界上很多經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)都出現(xiàn)了電力供應短缺的現(xiàn)象。 嚴重的電力短缺不僅直接影響了經(jīng)濟的發(fā)展，而且對社會運行乃至廣大居民的日常生活帶來諸多不便。 天然氣分布式能源投資少、建設周期短，可以根據(jù)需求的發(fā)展進行有規(guī)劃、周期性投資建設，最優(yōu)地去解決能源問題，提高供電安全可靠性。