李孟錦, 萬嗣澤, 焦文玲

(1.哈爾濱工業(yè)大學建筑學院,黑龍江哈爾濱150006;2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學與技術工業(yè)和信息化部重點實驗室,黑龍江哈爾濱150006)

1 概述

隨著國家清潔供暖和“雙碳”目標提出,天然氣作為安全高效的優(yōu)質清潔能源得以快速發(fā)展。由于我國天然氣資源的空間分布不均及供需不對等,為保證天然氣安全可靠供應,大力推進天然氣儲備能力建設,促進儲氣能力快速提升,是國家刻不容緩的首要任務。特別是城市天然氣的季節(jié)調峰、應急調峰和戰(zhàn)略調峰,關系到國家的能源安全和能源戰(zhàn)略發(fā)展,具有十分重要的作用。

2 天然氣調峰需求

城市天然氣用氣量受到不同因素的影響而表現出不同的規(guī)律性,從而產生不同的調峰需求。時調峰、日調峰普遍存在但量級較小,基本可憑借現有調峰手段移峰填谷。目前我國調峰挑戰(zhàn)主要在以下3方面。

2.1 供暖季節(jié)調峰需求

在“雙碳”目標下,天然氣清潔低碳的特性加快推進了以氣代煤、以氣代油的進程[1]。供暖期北方地區(qū)存在大量的天然氣供暖用戶,且隨著大型燃氣電廠、燃氣鍋爐房、燃氣供暖熱水爐供暖等需求增多,冬季天然氣用量迅猛增長。以北京市為例,供暖期用氣量占年用氣量的比例達76%左右[2];南方供暖用氣需求沒有北方強烈,但為了追求熱舒適性而使用燃氣供暖熱水爐和燃氣地面輻射供暖的比例也在穩(wěn)步增長。供暖與季節(jié)調峰疊加,使調峰難度更大,且增加了調峰成本。

目前綠色清潔能源如風能、水能、生物質能等技術水平不成熟,無法安全穩(wěn)定運行,且分布不均,經濟性不足,無法與能源需求無縫對接,因此預計未來天然氣在能源消費中占比會更高,所帶來的調峰問題會日趨嚴重。

2.2 應急事故調峰需求

我國天然氣消費量龐大,當因設備故障、管網損壞或其他因素導致無法正常供氣時,造成的影響范圍大,后果很嚴重。應急事故調峰可以在一定程度上減少下游用戶損失,保證安全平穩(wěn)度過事故期。

我國在應急事故調峰方面存在著較大的缺陷。我國當前只有應急事故調峰方面的一些指導意見,而缺少類似美國的15 U.S.C.717《天然氣法》(Natural Gas Act of 1938)和15 U.S.C.60《天然氣政策法》(Natural Gas Policy Act of 1978)[3]等切實的法律來監(jiān)督天然氣系統(tǒng)的建設和運行管理。目前我國僅有部分城市有相關調峰措施,且建設規(guī)模與國外相比仍差距明顯。上海作為我國最大的經濟中心城市,應急事故調峰能力國內領先。20世紀末期著手建設的五號溝LNG事故儲備站,儲存總量約5.4×104t液化天然氣[4]。當發(fā)生應急事故時,上海市應急儲備量大約可滿足10 d用氣需求;同時洋山LNG接收站也具有300×104t/a的接收能力。上述措施均為上海安全穩(wěn)定供氣提供必要保證。美國僅LNG儲備量就可滿足全國28 h應急所需,日本立法明確國家可承擔30 d的應急儲備,與美國、日本相比,我國應急儲備仍有較大提升空間。

2.3 戰(zhàn)略儲備需求

近年來國際貿易爭端頻發(fā),我國天然氣穩(wěn)定安全供應受到威脅。為了保障我國能源安全,維持供氣穩(wěn)定,我國對內實行天然氣戰(zhàn)略儲備的能源戰(zhàn)略[5-6],通過大量儲備應對動蕩局勢下的能源緊缺。

國外對戰(zhàn)略儲備十分重視。截至2020年底,美國有388座地下儲氣庫,戰(zhàn)略儲備占比約為年天然氣消費量的12%。歐盟早在20世紀中期就要求將進口氣量的10%作為儲備氣量[7]。目前歐盟已先后建成108座不同種類儲氣庫,總工作氣量達到785×108m3,相當于45 d的消費量,且還建有多座LNG接收站,來滿足其余調峰需求。

我國當前儲氣庫總調峰能力低于世界平均水平,未達到之前國家發(fā)改委所提天然氣銷售方應建設與銷售量配套10%的調峰能力的要求。在2020年冬季用氣高峰期,出現500×104m3以上的調峰缺口。為保障能源安全,國際燃氣聯盟認為,當國家對外部能源依存度超過30%時,儲氣庫工作氣量要占全年消費量的12%以上[8],但我國截至2021年底,已完成建設的儲氣庫有效工作氣量僅占當年天然氣消費量的4.4%[9],和國家要求的目標10%以及國際平均水平12%～15%相去甚遠。

3 存在問題分析

綜上所述,目前我國天然氣供應受季節(jié)因素影響,峰谷差距急速增加,供暖季節(jié)調峰在調峰總需求中占比較大;同時我國應急事故調峰能力嚴重不足,在戰(zhàn)略儲備方面,我國有效儲備量低于國際平均水平。存在的問題主要有以下4方面。

3.1 相關法律法規(guī)及保障措施不完善

美國在儲氣庫規(guī)劃建設初期,同時進行了與之匹配的經濟評價、能源利用、安全環(huán)保等方面法律法規(guī)體系的建設。15 U.S.C.717《天然氣法》(Natural Gas Act of 1938)、15 U.S.C.60《天然氣政策法》(Natural Gas Policy Act of 1978)等既激勵了各類資本投入儲氣調峰設施建設,又防止行業(yè)壟斷,促進了市場競爭。英國也出臺了一系列法規(guī)和標準以維護現有儲氣設施的運行。例如針對儲氣運輸系統(tǒng)安全性進行評估的BS EN 14161-2003《石油和天然氣工業(yè)—管道輸送系統(tǒng)》(Petroleum and natural gas industries - Pipeline transportation systems),用來預防因儲氣事故造成危害的理事會指令 96/82/EC《重大事故危害控制》(Control of Major Accident Hazards)。

與國外相比,我國關于天然氣調峰儲備方面的法律法規(guī)就相對匱乏,缺少針對天然氣產業(yè)、天然氣儲備的專門立法。目前存在的一些涉及儲氣調峰的規(guī)定,多為各個部委頒布,內容分散未形成體系。且由于行政規(guī)章的立法層級較低,法律效力不足,其制定過程也缺少嚴格的程序規(guī)范,會造成調節(jié)力度不夠、政策落實效果不佳等問題[10]。

國外在儲氣庫建設方面采取不少激勵措施保證投資方有足夠的利潤空間,我國則缺少類似的儲氣調峰激勵制度,導致企業(yè)對于建設天然氣儲氣設施的積極性不足,同樣不利于國家天然氣儲備能力的提升。

3.2 峰谷差距持續(xù)拉大,季節(jié)調峰壓力增加

近年來受到碳達峰、碳中和背景下煤改氣政策及大氣污染治理強制推動,加上部分地區(qū)的能耗總量和強度雙控政策影響,全年天然氣消費量保持較高水平同時仍有上升趨勢,天然氣的日消費峰谷差、月消費峰谷差更加明顯。其中,氣溫對天然氣消費量的影響居于首位。氣溫因素可控性低,不確定性大,突如其來的極寒天氣可能給管網運行造成極大壓力。目前雖然一些綠色新能源在一定程度上降低了含碳能源使用,但能源總量遠遠不足,完全無法滿足我國龐大的能源需求,且應用技術尚在發(fā)展,仍不完善,受到外部限制因素較多[11],經濟性、實用性、普適性都有待驗證。因此未來一段時間內,對于燃氣能源的依賴只會增加。用戶基數持續(xù)增長、政策方面的推動、不可控影響因素及儲氣量的嚴重不足都加劇了調峰的壓力。

3.3 管網架構不完善,安全風險高

近期國內外突發(fā)事件頻發(fā),而全國性天然氣管網架構仍不完善,安全風險高。如果因自然災害或人為破壞導致任何一條跨國或跨境長輸管道供氣中斷,僅靠我國現有調峰儲氣設施遠無法滿足需求,會造成大范圍、長時間的供氣中斷。過于依賴進口能源在國際局勢不穩(wěn)定的當下,嚴重威脅我國能源供給穩(wěn)定安全。例如2022年發(fā)生的北溪管道被破壞事件[12],嚴重威脅到德國能源供應的穩(wěn)定性。而近段時間俄美歐三方之間的博弈關系,也使歐洲等高度依賴天然氣進口的地區(qū)能源供應受制,無法平穩(wěn)維持生產生活。我國目前使用的LNG調峰方式也受到國際LNG市場供應能力限制,當國際形勢對我國不利時,我國能源供給必將受到重重阻礙。

3.4 地質條件不利,空間分布不均

我國的地質結構復雜多變導致儲氣庫建設、快速達容達產難度大。我國天然氣消費市場可以按經濟狀況、人口發(fā)展等因素綜合劃分為8個地區(qū),其中對儲氣庫需求最強烈的地區(qū)為東北地區(qū)、長三角地區(qū)、環(huán)渤海地區(qū),最低需求為63×108～82×108m3,但當地供氣遠無法滿足需求。截至2021年底,我國建成地下儲氣庫28座,主要分布在有油氣田的中西、西北、西南等地區(qū),形成工作氣量261×108m3[13],而這些地區(qū)的天然氣消費量僅占總消費量的28%,產氣量卻占市場需求的85%[14]。由此可以看出,我國儲氣庫供需分離,且高端天然氣消費區(qū)地質條件復雜、勘探程度低,選擇建庫目標難度大,造成儲氣庫地域分布不均衡,增加了調峰難度。

4 應對策略及建議

4.1 完善配套法律體系,推出支持政策

從我國目前已有的法律法規(guī)來看,考慮天然氣調峰特殊性的法律法規(guī)較為缺失,且分散交錯,不成體系,無法對我國的調峰發(fā)展起到規(guī)范指導作用。參考國外在調峰方面的相關法律,可在如下方面作出補充優(yōu)化。

① 應加強在調峰建設以及運營過程中的監(jiān)管,建立專門的監(jiān)管體系部門,將行業(yè)管理權力集中,能夠行使國家層面的監(jiān)管義務,來維持調峰建設與運營的市場化,防止壟斷發(fā)生。同時制定一系列法律效力較強且更穩(wěn)定具有針對性的法律法規(guī)來對整個調峰系統(tǒng)進行限制,使調峰建設有法可依。

② 國家可推出對天然氣儲備的支持政策。包括調峰儲備設施建設的財政支持、優(yōu)惠貸款和稅收減免政策,促進企業(yè)積極參與,拓寬思路,吸引更多投資。目前我國在這方面只有指導性的建議,而沒有落實到實際行動上,缺少實際的補償標準以及具體可行的方案。

4.2 強化燃氣用戶側管理

① 錯峰管理及開拓可中斷供氣用戶

發(fā)展可中斷供氣用戶可以起到抑制峰谷差拉大的作用,在一定程度上能緩解冬季由于供暖造成的天然氣需求高峰。將用戶按照使用類型、需求程度分類后,按比例分階段地縮減或直接停止向可中斷用戶供氣。例如,天然氣化肥、天然氣炭黑等工業(yè)用氣可在冬季調峰開始就中斷供氣[15]。雙燃料汽車也可分地區(qū)分批次改為停氣用油。

同時也可通過錯峰管理合理安排用戶投產計劃。近年來較多新增用戶天然氣消費量主要集中在秋冬季,導致進入供暖期后,用氣負荷快速提升,增加了管網運行及調峰的壓力。因此在新用戶開發(fā)過程中,可多引導用戶在淡季投運,讓供氣方有充足的時間做好生產計劃安排,協(xié)調資源引入[16]。

② 發(fā)展區(qū)域調峰模式

不同地區(qū)應充分發(fā)揮各區(qū)內現有資源優(yōu)勢,輔助優(yōu)化調峰模式。在保障區(qū)域冬季供氣安全的同時,盡量減少對其他區(qū)域的影響。

a.靠近氣田地區(qū)

冬季調峰要充分發(fā)揮氣田和管網的調峰能力,減輕對其他地區(qū)調峰資源的影響。

b.遠離產氣地區(qū)

遠離產氣地區(qū)的內地大中型城市可考慮建設適當規(guī)模的LNG調峰站,以滿足短期調峰需求。

c.沿海大中型城市

具有建設沿海LNG接收站條件的大中型城市,供氣應以長輸管道天然氣和LNG為主,合理優(yōu)化兩者的供氣比例及供應時段。

4.3 促進調峰儲氣設施建設及儲氣技術優(yōu)化

① LNG調峰

我國目前投入使用的LNG接收站中,相比LNG儲罐容量,氣化與外輸設施存在較大富余量,因此可在我國沿海大型LNG接收站內適當增設LNG儲罐,合理發(fā)揮現有設施氣化能力,在需求高峰的時候投入額外氣量緩解調峰壓力。對內陸城市天然氣調峰的LNG罐箱運輸路徑也可進行優(yōu)化[17],使運輸方案既能滿足調峰需求又能降低經營成本,實現廠站的高效運轉。

我國國土面積較大,LNG調峰存在一定時滯性,所以可以投入使用一定比例的浮式LNG儲存氣化船,用于沿海地區(qū)調動,及時快速補充應急調峰用氣。大型LNG接收站也可增加LNG氣化船天然氣登陸接口設施。

② 調峰電廠

對現有儲氣庫調節(jié)力度不足、分布不均的問題,可以發(fā)展調峰電廠,達到抑制用氣量季節(jié)波動效果。調峰電廠選址相比儲氣庫選址更加寬松,可在一定程度上緩解因儲氣庫分布不均造成的供需分離問題,且燃氣機啟動迅速、運行靈活,屬于可中斷供氣燃氣用戶,對保障電網安全平穩(wěn)運行起著不可忽視的作用。美國多采用燃氣調峰電廠,用氣比例超過38%[18],該技術可有效降低峰谷差距,使用氣峰谷差從2.3倍壓減至1.7倍。在我國當前儲氣庫調峰能力有限的境況下,采用調峰電廠,對上游穩(wěn)定產氣、中游管網運營、下游用戶平穩(wěn)供氣均能起到促進作用。同時可以提高可再生能源發(fā)電利用水平,減少能源浪費,利于多種能源互補。

③ 儲氣庫

對我國地下儲氣庫建設發(fā)展緩慢問題,可從現存儲氣庫入手,發(fā)揮已投入使用的儲氣庫的調峰能力。我國目前在對枯竭油氣藏儲氣庫、鹽穴儲氣庫及含水層儲氣庫的優(yōu)化方面已取得一些成績。但地下儲氣庫的建設條件苛刻,對建庫選址、地層結構以及地質參數都有較高要求,我國在儲層改造工藝、儲氣庫穩(wěn)定分析及地面工程設計等方面仍有較大提升空間。

4.4 推進天然氣輸送管網建設

我國目前燃氣管網不完善,存在安全風險,對于此問題可采取對應措施提升天然氣管道建設和運營能力。如加快實施天然氣輸配管網建設投資多元化,調動社會資本參與國家基礎管道投資的積極性;促進油氣管網的第三方準入,加快油氣管網設施公平開放,有效匹配天然氣供需,提高天然氣管網設施的利用效率;進一步提高天然氣管道建設能力,擴大管道覆蓋范圍。鼓勵具有相關資質的建設單位進入天然氣管道建設市場,推進天然氣管網、LNG接收站等基礎設施互聯互通。

5 結束語

闡述我國目前面臨巨大挑戰(zhàn)的3種調峰需求:供暖季節(jié)調峰、應急事故調峰以及戰(zhàn)略儲備需求。對天然氣調峰中法律法規(guī)不健全、峰谷差距拉大導致調峰壓力增加、管網架構不完善、儲氣庫空間分布不均等問題進行分析。針對存在的問題,提出應對策略及建議。