摘要：城市管道天然气用户急剧增长，作为城市公用事业，管道天然气的稳定供应将关系到市民的正常生活。城市用气量具有月、日、小时用气量不均匀性，再加上天然气需求量的快速增长，使天然气的调峰问题日益突出。本文主要对国内外天然气主要调峰手段，如：储气罐调峰、高压管束调峰、LNG调峰、地下储气库调峰、气田上游调峰的工作原理、特点与工艺计算进行了分析、归纳与总结，得出每种调峰方式的使用场合。这对于优化城市天然气调峰流程、减少投资有着积极的现场意义。

　　关键词：城市天然气; 调峰; 方式研究; 对比分析

　　引言

　　由居民生活引起的城市日用气的不均衡性和在一年中由于季节气温的变化的引起的不均衡性使得用气在每月、每日出现高峰和低谷，如北京冬夏季用气量的峰谷之差可达6倍之多,天然气调峰正是针对这一问题提出的。因此，保障天然气居民用气和企业用气，都显得是十分紧迫。但对于现有调峰方式的技术与经济分析国内还没有一套较为科学的理论体系和分析手段。因此，本文研究各种调峰方式的原理并针对其安全性和经济性综合分析得出结论性认识。

　　1、调峰量的确定

　　城市用气量【1】是随着季节、日、时变化而变化，它与城市的气候、供气规模、生活水平等有密切关系。为了满足供气平衡，适应不同时期的消耗量，首先必须对用气量进行大致的预测。

　　①日、时调峰量的确定

　　由于城市居民的生活习惯，商业用户以及一般工业企业用户的用气规律以周为周期的变化更为明显，绝大多数居民用户和一般工业用户周一至周五工作，周六和周日休息，商业用户及饮食业周末用气量增加，因此，根据月、周用气量计算储气系数更为合理，储气系数的选择应以全月各周的计算结果作为参考依据。

　　②季节调峰量的确定

　　季节调峰是指将季节性供大于求时的余气量储存起来，并将该储存量作为补充量，在季节性供小于求时使用，以达到总的供需平衡。计算年中供大于求的供需月不均匀系数之差是决定储气系数的主要因数。季节调峰储气容积系数计算公式为:

式中：---储气容积系数;、---大于1、小于1的月不均匀系数。

　　③事故调峰

　　天然气由上游向下游供气时，因管道、设备损坏以及无法抗拒的因素而引起的非正常停气，都将直接影响下游的供气可靠性，因此，必须考虑气源的事故调峰。

　　2、调峰方法

　　为了保证用户的要求不间断地供气，必须考虑供气和用气的不平衡问题。目前，主要的调峰方式有：储气罐调峰、高压管束调峰、LNG调峰、地下储气库调峰、气田上游调峰等。下面，本文对几种主要调峰方式作分析研究和探讨。

　　①储气罐调峰

　　天然气输配系统常用的调峰方式是建造一些大型高压储气球罐，在用气低谷时，把多余的天然气充入储气球罐储存起来，到用气高峰时，又将储气球罐内储存的天然气释放出来弥补供气量的不足。天然气地面储存一般采用金属储气罐，其工作流程见图1所示。根据工作压力的大小，储气罐可分为低压储气罐和高压储气罐。储气罐的储气量可按下式进行计算:

(1)

式中：---储气罐储气量，m3;---储气罐容积，m3;---标态下温度，k;

、---储罐压力MPa、该压力下的压缩因子;、---管道压力MPa、该压力下的压缩因子。

　　图1 常规高压储气球罐流程

　　高压储罐常规流程应用多年但其问题在于：储存在储气球罐内的天然气不能够被全部放出投入调峰，储气罐的压力至多只能降低到出站管网压力，储罐内的残余气无法全部输出，因而储气球罐的利用率不高。为满足调峰要求，只得投巨资建造比较多的天然气高压储气球罐，造成财力的巨大消耗。

　　针对该问题，经过计算分析和试验研究，国内学者【2】提出一种应用超音速引射器配套高压储气球罐协同进行天然气调峰的新技术，其流程如图2所示。

　　在原有高压储气球罐流程中接入一组超音速引射器装置。在调峰过程中，首先走常规红色流程，待球罐压力下降至接近出站管道压力时，使用引射器改用绿色流程，利用长输管线末端的高压天然气作为动力源，通过超音速引射器产生引射作用抽吸储气球罐内的低压残余天然气提升其压力后再输入下游管网。这样可以使储气球罐的压力降低到低于出站管道压力的水平，储气球罐利用率得以大大提高。

　　图2 改进高压储气球罐流程

　　②高压管束调峰

　　管道储气实际上是一种高压管式储气罐，因其直径小，能承受更高的压力，对管内所存储的天然气施以高压，利用气体的可压缩性及其高压下和理想气体的偏差进行储气，使储气量大大增加。

　　高压管道储气方式一般有两种：一种为在城市周围人口密度较小的地段设置绕城高压环网储气，既可以用作储气，又能向城市多点供气，优化供气工况。另一种为门站内的管束储气，由一组或若干组管道组成管束，管道直径由DN400～DN1500，管道长度由几十米到数百米。虽然，高压管束调峰优势明显，但其占地面积巨大，这对于用地紧张的城市而言也是不容忽视的问题。

　　高压管束的储气能力可按下式进行计算:

(2)

式中：---储气罐储气量，m3;---储气罐容积，m3;---标态下温度，k;

、---管束操作压力MPa、该压力下的压缩因子;、---输气管道压力MPa、该压力下的压缩因子。

　　高压储气管道壁厚设计可按下式进行计算:

(3)

式中：---设计壁厚，mm;---管材最低屈服强度，MPa;---设计压力，MPa;

---设计因素，取0.6;---管道外径，mm;---纵向焊缝系数，双面埋弧焊取0.85;---温度系数;---腐蚀余量。

　　③LNG调峰

　　LNG是将天然气经过净化处理(脱水、脱重烃、脱酸性气体)后，采用节流、膨胀或外加冷源制冷工艺，在常压和-160℃条件下变成液态天然气，液化后的体积缩小了620倍【3】。经计算采用LNG调峰与井口采气压力5 MPa的地下储气库相比，高出单位容量储气比10倍;与建1 MPa的地面球罐相比，高出单位容量的储气比63倍。

　　液化天然气不受天然气气源和管网的限制，可弥补管道天然气使用上的局限。液化天然气工业主要包括天然气预处理、液化、储存、运输、利用5个系统，如图3所示。

　　图3 LNG调峰主要流程

　　液化天然气调峰的工厂有两种形式可供选择，一种是将工厂建在距城市供气不远的地方，直接和城市供气管网相连，到冬春季需要调峰时，将液化天然气气化以后及时输送到需要调峰的用户;另一种是“卫星型”的储备厂，这种储备厂可根据城市管网的覆盖面积和用户的分布状况，在适当的地方分散建设。

　　④地下储气库调峰

　　地下储气库的是在用气低谷期时把“富余”气储存起来，在高峰期采出，保证了气田的均衡生产。在城市燃气的用气量低于输气系统供气量的情况下，利用压缩机将富余的燃气加压，并通过燃气分配系统将其储存在高压地下储气井中。在城市燃气的用气量大于输气系统供气量的情况下，则将高压气地下储气井中储存的高压燃气采出来，降压后进入城市燃气系统管网中，以此来平衡和稳定供气量与城市燃气高峰用气量的差额。高压气地下储气井储气调峰原理示意图如图4所示。

　　图4高压气地下储气井调峰流程

　　储气库库容是帮助生产技术人员分析、判断储气库工作状态的重要参数。在实际生产中,选择下式计算储气库的库容：

(5)

式中：---储气库库容，m3;、---状态1、2下的气藏气体体积，m3;

、---标准压力MPa、标准温度k;、---状态1、2下气藏压力，Mpa;

---气藏温度k;、---状态1、2下的气体压缩系数。

　　地下储气具有以下特点：

　　(1)高压、高库容，在冬季用气高峰期，特别是在气候温度陡然降低时引起的用气量突变时，储气库可发挥巨大调峰作用;

　　(2)若气田、长输管道上游有突发性事故无法正常工作时，储气库能保证长时间连续供气;

　　(3)投资成本低，据国外资料，在相同调峰气量的条件下，提高气田产量、提高输气能力、建造LNG库等的投资，要比建造地下储气库高5~10倍。

　　我国的储气库建设规模可按年供气量的10%~20%考虑。在高压输气干管的附近(半径小于200 km)，建设有足够容量的地下储气库，是解决城市燃气调峰问题的合理方案。

　　地下储气库以其库容大、安全等优势在供气调峰中发挥着重要的作用，但也存在不足之处【4】:

　　(1)对库址选择要求苛刻。除要求库址距主要用户近(一般不大于150公里)或离长输气管线较近外，无论是枯竭油气藏型、地下含水层型还是岩穴型地下储气库，对地质条件要求都很严格，很难找到。

　　(2)储气工艺流程复杂，要把天然气压缩注入地下，再开采出来，这需要比采气工程更为复杂的操作注采操作。

　　(3)对气质有影响，净化了的天然气经地下储气库储存后再开采出来，气质发生了变化，如：含水率等。从储气库中采出的天然气要经过脱水处理后才能供给用户。

　　⑤气田上游调峰

　　气田上游调峰即是通过提高气田单井产量来满足用气的不均衡性。如果利用上游调峰，一般气田可在短时间内增大单井生产压差来提高产量。我国目前低渗、低产的底水气田较多，增大井底生产压差，超出合理压差范围，会导致气藏能量过快地消耗，或造成水淹，降低稳产期和最终采收率，从而影响气田开发的综合经济效益。另外，当长输管道输气量达到设计能力时，提高气田产量也输不到用户。

　　3、几种城市天然气调峰方式对比

　　本文在充分调研和分析的基础上对于几种主要调峰方式做出对比表，如下表所示：

　　表1 几种调峰方式对比 调峰方式 储运状态 优势 劣势 投资

　　圆/m3 适用场合 高压储罐 气态、常温、中低压 制造简单 储存量小、占地大、安全性欠佳 200~300 城市片区昼夜与日用气不均衡 高压管道 气态、常温、高压 制造简单 储存量小、压力调节范围小 100~200 城市片区昼夜与日用气不均衡 LNG 液态、低温、常压 单位容积储存量大 投资大、占地面积大、流程复杂 40~50 沿海有港口、天然气资源匮乏的城市 地下储气库 气态、高温、高压 储存量大、占地小、安全可靠 地质结构要求苛刻、建设周期长 0.4~5.8 季节性不均衡以及天然气储备 4、结论

　　(1)城市天然气调峰是一项投资巨大的系统工程，在保证安全性的同时又需要考虑投资和效率。对于用气量较高的城市,单靠一种方法很难应付,需采用多种调峰方式相结合的方法确保城市用气。

　　(2)在高压输气干管的附近，建设有足够容量的地下储气库，是解决城市燃气调峰问题的合理方案。

　　(3)城市燃气小时调峰主要采取：高压管道储气和高压储罐储气相结合，在沿海城市也可采用LNG调峰站调峰。

　　参考文献

　　【1】商丽艳;潘振斌;周玉 输气管道干线末段储气调峰研究 油气储运 2007年第27卷第7期 27~28页;

　　【2】姜小敏;王财友;钱尚源 天然气引射调峰新技术的研究与应用 天然气工业 2004年第6期第24卷 119~121页;

　　【3】杨帆;陈保东;姜文全;田娜 液化天然气技术在调峰领域的应用 油气储　运 ，2006年第10期第25卷26~2页;

　　【4】任继善 解决城市天然气调峰的快捷途径 当代石油石化 2005年第7期第13卷38~40页;