天然氣供應側能效管理研究與實踐綜述

摘 要

摘要：天然氣需求側管理，包括其高效利用已受到業(yè)界的高度重視，充分發(fā)揮天然氣的“清潔”特性。隨著天然氣覆蓋面積快速擴大，及輸配系統(tǒng)不斷完善，相關的能效管理逐漸被業(yè)
摘要：天然氣需求側管理，包括其高效利用已受到業(yè)界的高度重視，充分發(fā)揮天然氣的“清潔”特性。隨著天然氣覆蓋面積快速擴大，及輸配系統(tǒng)不斷完善，相關的能效管理逐漸被業(yè)界認識和重視，進行了不同程度、不同方面的研究和實踐。本文介紹了國內(nèi)的進展情況，并結合國外的成果提出進一步深入研究與實踐的建議與意見。
關鍵詞：天然氣；供應側；能效管理
1 概述
“十一五”期間，中國城鎮(zhèn)天然氣獲得前所未有的發(fā)展，天然氣需求側高效利用已受到高度重視，并基本形成了較為成熟的制度和技術路徑。而天然氣供應側能效管理的研究與實踐工作還處于起步階段，特別是實踐工作鮮有成熟的案例。筆者認為，燃氣運營商在天然氣供應側的能效管理方面具有很大的提升空間，同時也符合國家能源利用政策，長期將對減少資源浪費、加快建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有實際推動作用。
2 定義與說明
2.1 天然氣供應側
    天然氣供應側是指從長輸管線起點站到終端用戶之間的天然氣管道及設施，主要包括長輸管線、加壓站、門站、LNG氣化(調峰)站、CNG供氣站、高壓儲配站、調壓站(高中、中低)、次高壓管道、中低壓管道等，這里不包括LNG、CNG加氣站，我們歸為終端用戶。
2.2 能效管理
    本文中的“能效管理”是指針對天然氣供應側采取的節(jié)能減排、提升運行管理效率的制度和技術措施。
    近年來，有關城鎮(zhèn)燃氣的國家標準、規(guī)范及法規(guī)均有對天然氣供應側的能效管理作出了定性的條文，充分體現(xiàn)了政府對天然氣供應側能效管理工作的重視和引導，由于國內(nèi)該方面的工作處于起步階段，尚無專項細則。部分摘錄如下：
    《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范(GB 50028—2006)》第6章“燃氣輸配系統(tǒng)”，6.1“一般規(guī)定”中要求“城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)的設計要……經(jīng)技術經(jīng)濟比較后確定合理的方案”。其中“經(jīng)濟”就包括節(jié)能與環(huán)保。
    《城鎮(zhèn)燃氣技術規(guī)范(GB 50494—2009)》3.1.8規(guī)定“城鎮(zhèn)燃氣設施的建設、運行維護和使用應能有效地利用能源和水資源。”
    《城鎮(zhèn)燃氣管理條例》(中華人民共和國國務院令第583號，2011年3月1日起施行)第3條規(guī)定“燃氣工作應當堅持統(tǒng)籌規(guī)劃、保障安全、確保供應、規(guī)范服務、節(jié)能高效的原則。”
    據(jù)上述可知，國家和行業(yè)對天然氣供應側的能效管理越來越重視。
3 國內(nèi)天然氣供應側能效管理研究與實踐現(xiàn)狀
    目前國內(nèi)關于天然氣供應側能效管理的研究主要處于理論階段，成熟實用的案例很少，主要集中在高壓天然氣壓力能和LNG冷能的利用技術。而系統(tǒng)地研究城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)運營效率管理還較少，缺乏系統(tǒng)化、可操作性的案例與經(jīng)驗。
3.1 高壓天然氣壓力能、LNG冷能回收利用
    (1) 高壓天然氣壓力能回收與利用研究
    文獻[1]對高壓天然氣壓力能的回收技術進行了研究，建立了天然氣管道壓力(火用)數(shù)學模型，介紹了氣波制冷機、膨脹機聯(lián)合制冷液化調峰流程，適用于門站或調壓站的天然氣膨脹制冷液化調峰流程，以及高壓天然氣壓力能用于廢舊橡膠粉碎的制冷裝置流程。
    文獻[2]研究了利用文丘里引射裝置以高壓天然氣引射低壓人工煤氣的案例，有效解決了在城市天然氣轉換期間煤氣壓縮機運行方式存在問題，可大幅度節(jié)省電耗，降低生產(chǎn)運營成本?？蓽p少運營成本27.50×104元/月，文丘里引射裝置與原有儲罐又可作城市燃氣調峰裝置，也減少增建調峰裝置費用。
    文獻[3]對高壓天然氣調壓工藝冷能綜合利用技術進行了研究，在調壓工藝冷能的可用性分析基礎上，建立了調壓工藝冷能綜合利用的集成模型，提出了綜合利用的實施條件和解決措施。
    文獻[4]對城市門站壓力能回收設備研究應用進展情況進行了研究，可替代節(jié)流閥的天然氣調壓設備主要有透平膨脹機、渦流管2種。主要利用透平膨脹機輸出軸功發(fā)電和副產(chǎn)LNG；渦流管則回收壓力能用于加熱和副產(chǎn)LNG，并認為具有良好的推廣應用前景。
    文獻[5]、[6]提出利用天然氣壓力能制冷制備天然氣水合物用于調峰，給出了供氣流程設計，并進行了流程模擬和結果分析。
    (2) LNG冷能利用的實踐
    文獻[7]介紹了國內(nèi)首個投入商業(yè)運營的LNG冷能利用項目，它是由佛山順德區(qū)港華燃氣有限公司與華南理工大學天然氣利用中心研究共同開發(fā)的LNG衛(wèi)星站冷能用于冷庫項目，2010年5月投產(chǎn)。該項目系統(tǒng)主要包括LNG氣化系統(tǒng)、低壓氨制冷循環(huán)系統(tǒng)和電壓縮氨制冷循環(huán)系統(tǒng)，其中電壓縮氨制冷循環(huán)系統(tǒng)用于LNG供量不足時的補充制冷。
    經(jīng)技術經(jīng)濟分析，該項目的靜態(tài)投資回收期為4.1年(稅后)，動態(tài)投資回收期為5.12年(稅后)。
    2010年7月12日，中海油能源發(fā)展股份有限公司LNG冷能項目組牽頭研究的利用LNG冷能進行空氣分離的方法學在德國波恩召開的聯(lián)合國方法學審核理事會第44會議上獲得批準，方法學是將節(jié)能減排納入清潔發(fā)展機制(CDM)的一種國際通行的計算方法。同年8月，中國海洋石油總公司與美國空氣化工(中國)投資有限公司(AP公司)在福建建成國內(nèi)首個LNG冷能空分項目，并順利投產(chǎn)。
3.2 城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)運營效率管理
    由于我國的城鎮(zhèn)燃氣事業(yè)的發(fā)展慢，天然氣被重視和大規(guī)模利用是在西氣東輸一線工程之后，在城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)運營效率管理方面還缺乏系統(tǒng)、成熟的經(jīng)驗。筆者認為存在以下5個方面的問題。
   (1) 規(guī)劃與設計
   由于城市更新與建設，燃氣規(guī)劃設計與實際的需求在具體部位存在較大差異，且因素多、離散大，需要我們按先進、全局和持續(xù)原則進行持續(xù)優(yōu)化。這里我們必須考慮到大規(guī)模城市化國情，如何實現(xiàn)整體的系統(tǒng)安全與減少局部的供應不足或過大導致的浪費，是具體規(guī)劃與設計工作核心。
    其中天然氣發(fā)展“大躍進”問題一直存在，特別是關于LNG和CNG的利用問題，一些地方雕利用途徑極其不經(jīng)濟，如氣源供應不穩(wěn)定，涉丑的上游產(chǎn)能和物流的不確定性，還有運輸里程=遠超出經(jīng)濟合理的范圍，導致天然氣終端價格處亍高位，造成嚴重浪費和影響當?shù)亟?jīng)濟。
   (2) 建設與施工
   從項目管理角度出發(fā)，城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)的建設與施工占其生命周期內(nèi)投資的80%，是城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)能效管理和安全運行的前提。建設與施工中醛漏洞將帶來無法預計的損失，如因質量問題導甄泄漏、爆炸等，嚴重威脅公共安全。
   (3) 運行與管理
   運行與管理的主體是燃氣企業(yè)，必須建立利學、實用的管理體系，實現(xiàn)資產(chǎn)效益最大化。目前我們主要是引進發(fā)達國家的管理經(jīng)驗和技術，包括硬件等，導致相應的成本增大，我們必須認識和加強運行與管理工作的基礎研究和提升。
    (4) 管網(wǎng)優(yōu)化
    管網(wǎng)優(yōu)化是很局部性的工作，在管網(wǎng)形成之后或者外部用氣需求發(fā)生重大變化之后的效用很低。
   (5) 氣源供應與互換
   由于國內(nèi)天然氣消費量快速增長，面臨巨大的氣源供應壓力，氣源供應安全保障體系的薄弱對社會經(jīng)濟生活的沖擊巨大，每個冬季對多數(shù)城鎮(zhèn)來說都是例行的“陣痛”。同時由于氣源的產(chǎn)地不同，還將帶來互換、安全與經(jīng)濟問題。一旦出現(xiàn)氣源不可互換，將帶來巨大的損失和安全威脅。
    文獻[8]對提升城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)運營效率進行了研究，并提出了優(yōu)化設計、加強建設質量監(jiān)管、實施管網(wǎng)全過程安全管理、管網(wǎng)運行優(yōu)化、搶險搶修、用戶結構優(yōu)化、新材料和新技術等推廣等7大方面的對策。
4 國外天然氣供應側能效管理研究與實踐情況
4.1 高壓天然氣壓力能回收
    美國、日本、伊朗等國家先后在20世紀80～90年代都進行了在門站、加壓站等通過膨脹機膨脹制冷發(fā)電，以回收管道壓力能的試驗，都由于技術和成本的原因而沒有推廣。
    美國州際天燃氣協(xié)會和ICF國際集團下屬的能源與環(huán)境評估有限責任公司于2008年2月發(fā)布了長輸天然氣管線壓力能回收的報告，分析了3種回收途徑：壓縮機廢熱回收用于發(fā)電系統(tǒng)、透平膨脹機回收壓力能、透平進氣冷卻。結論是熱回收用于發(fā)電可行，但后兩者面臨技術和成本的瓶頸，無法大規(guī)模商業(yè)化。就地利用是一種較為可行的選擇。同時，美國、英國一些公司將膨脹機技術與其他技術聯(lián)合，如燃料電池，以回收調壓過程中的壓力能，研究工作取得了一定進展。
    20世紀90年代始，國外就嘗試將渦流管技術應用于天然氣工業(yè)，相繼取得了重要進展。在天然氣門站利用渦流管回收壓力能的方式主要用于加熱和副產(chǎn)LNG。美國Universal Vortex公司從1999年開始制造渦流管加熱器，至2005年7月，已在美國、加拿大、法國、西班牙和澳州應用了700多套裝置。國內(nèi)中國石油管道公司華中輸氣公司利用渦流管加熱技術。文獻[9]對渦流管的原理和特性做了分析，并介紹了其在國外天然氣領域的應用。
    日本東京電力公司早在2001年就開始建設利用天然氣的壓差發(fā)電的發(fā)電站，即高壓天然氣減壓發(fā)電“氣體直接膨脹方式”；同時，壓差發(fā)電還可利用液化天然氣在低溫下變成氣體時產(chǎn)生的膨脹能量來發(fā)電，即所謂”冷熱發(fā)電”。
    俄羅斯利用高壓天然氣壓力能開發(fā)小型LNG生產(chǎn)裝置，已在列寧格勒州在尼古立斯和貝鮑爾格配氣站上建設的小型LNG生產(chǎn)裝置，運行成熟、收效良好；同時中國石油西南油氣田分公司也在四川樂山建立了小型LNG生產(chǎn)裝置。美國天然氣技術研究所也開發(fā)出了此類的小型LNG生產(chǎn)裝置。
4.2 LNG冷能回收
    國外LNG冷能利技術和應用已很成熟，主要方向是就近利用和以電能形式(主要為電池儲存)轉移利用。存在的問題是集約化程度低，導致LNG冷能綜合利用率只有20～30%。
5 建議與意見
5.1 建立“全資產(chǎn)管理”觀念與模式
    目前，國內(nèi)關于城鎮(zhèn)燃氣供應側的管理還停留在硬件的穩(wěn)定上，使用的工具很多，如GIS、完整性管理等，尚沒有建立系統(tǒng)的資產(chǎn)管理模式，管理目標分散和獨立，應建立包括無形的資產(chǎn)管理在內(nèi)的，如能源管理，全過程、全方位的管理，這里稱為“全資產(chǎn)管理”。在電力領域，新加坡能源有限公司在資產(chǎn)管理具有豐富的經(jīng)驗，并已經(jīng)引入燃氣領域。國內(nèi)有條件的城市燃氣運營商應加強這方面的研究與實踐，盡快建立適用于我們的“全資產(chǎn)管理”模式。
5.2 不同能源之間的整合
    國外城鎮(zhèn)能源供應商一般包含天然氣輸配和發(fā)電配電業(yè)務，實現(xiàn)兩種能源以及中間環(huán)節(jié)能源(壓力能、熱能和冷能)的綜合利用，提高綜合天然氣供應側能效。這里必須說明的是國外有健全的制度支撐：現(xiàn)階段應在系統(tǒng)設計與建設時預留擴展空間。同時利用行業(yè)協(xié)會等平臺逐步實現(xiàn)跨界整合。
5.3 發(fā)展智能氣網(wǎng)(IntelIigent Gas Networks)
在能源領域，智能電網(wǎng)早在2005年就被提出，發(fā)展非常迅速，國內(nèi)已引進并大規(guī)模應用。智能氣網(wǎng)概念也有人提出，即“巧妙的燃氣網(wǎng)格”(Smart Gas Grids)，通過信息技術實現(xiàn)實時負荷控制與調度的輸配網(wǎng)絡。奧地利能源研究所在一些燃氣和電力公司資助下開展智能氣網(wǎng)的研究。主要目標是建立智能氣網(wǎng)的愿景、確定和分析燃氣輸配管網(wǎng)中智能網(wǎng)格要素等。智能氣網(wǎng)對供應側實時運行管理提出了很高的要求，具有前瞻性；建議國內(nèi)進行試驗性的研究。
5.4 分布式采集、轉換與利用
    關于城鎮(zhèn)燃氣供應側LNG冷能和高壓天然氣壓力能的利用原則必須堅持分布式采集、轉換與利用的原則，但是這必須得到不同能源供應商的協(xié)作，以及政府的產(chǎn)業(yè)配套政策。
5.5 技術規(guī)范的修訂
    燃氣行業(yè)應引導相關研究，今后修訂技術規(guī)范應該結合實際情況逐步提出能效管理的具體標準，促進燃氣行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及提升在節(jié)能減排中的作用。
參考文獻：
[1] 陳紹凱，李自力，雷思羅.高壓天然氣壓力能的回收利用技術[J].煤氣與熱力，2008，28(4)：B1-B5.
[2] 江慶梅，樊耀南，楊東東.文丘里引射器回收天然氣管網(wǎng)壓力能的應用[J].煤氣與熱力，2009，29(7)：A28-A31.
[3] 鄭志，徐曉瑞，韓永嘉，等.高壓天然氣調壓工藝冷能綜合利用技術研究[J].煤氣與熱力，2009，29(7)：A33-A36.
[4] 孫潔.城市門站壓力能回收設備研究應用進展[J].煤氣與熱力，2010，30(7)：A18-A20.
[5] 陳秋雄，徐文東.天然氣管網(wǎng)壓力能利用與水合物聯(lián)合調峰研究[J].煤氣與熱力，2010，30(8)：A27-A30.
[6] 樊栓獅，陳玉娟，鄭惠平，等.利用管網(wǎng)壓力制備天然氣水合物的調峰新技術[J].天然氣工業(yè)，2010，30(10)：1-4.
[7] 劉宗斌，黃建衛(wèi)，徐文東.LNG衛(wèi)星站冷能用于冷庫技術開發(fā)及示范[J].城市燃氣，2010，427(9)：8-11.
[8] 羅東曉.提升城市天然氣管網(wǎng)運營效率的對策[J].煤氣與熱力，2010，30(6)：B34-837.
[9] 沈杰，席旺.提升城市天然氣管網(wǎng)運營效率的對策[J].煤氣與熱力，2011，31(2)：A37-A38、A42.
 
(本文作者：張再軍 彭知軍 劉波 深圳市燃氣集團龍崗管道氣分公司 廣東深圳 518172)