摘 要

摘　要：隨著城市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國北方城市天然氣發(fā)電的比例逐年增加，天然氣發(fā)電對城市天然氣季節(jié)調(diào)峰產(chǎn)生一定影響，發(fā)電用氣比例的增加對城市用氣季節(jié)不平衡性有何種影響程度

摘　要：隨著城市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國北方城市天然氣發(fā)電的比例逐年增加，天然氣發(fā)電對城市天然氣季節(jié)調(diào)峰產(chǎn)生一定影響，發(fā)電用氣比例的增加對城市用氣季節(jié)不平衡性有何種影響程度是值得探討的問題。本文假設(shè)了我國北方某城市區(qū)域截止到2{)20年的天然氣負荷預(yù)測結(jié)果，分“2020年有電廠”和“2020年無電廠”兩種情況，以這一假設(shè)為基本模型，參考能源工程、電力系統(tǒng)規(guī)劃中的相關(guān)概念，對比分析大型燃氣發(fā)電對天然氣季節(jié)調(diào)峰的影響。引入了最大月不均勻系數(shù)、不均勻系數(shù)的偏離度，負荷持續(xù)曲線、峰谷比、年負荷率，儲氣容積、存儲比等參數(shù)和概念定量分析大型燃氣發(fā)電導(dǎo)致的負荷的波動和季節(jié)調(diào)峰需求變化。計算結(jié)果表明大型燃氣發(fā)電能夠縮小峰值與各月平均氣量的倍數(shù)，各月用氣量之間的不均衡性、峰值與低谷的倍數(shù)(峰谷比)、季調(diào)峰儲氣容積占年用氣量的比例(容積指數(shù))也有所減小，供應(yīng)系統(tǒng)的利用效率提高，發(fā)展大型燃氣發(fā)電使天然氣供應(yīng)系統(tǒng)季節(jié)調(diào)峰單位成本有所降低。

關(guān)鍵詞：用氣規(guī)律　儲氣調(diào)峰　調(diào)峰成本　負荷特性　天然氣發(fā)電

當(dāng)前我國北方特大型城市以冬季供熱為主的用氣結(jié)構(gòu)，其用氣量主要受室外氣溫影響，冬季用氣量占年用氣量的比例較高，峰谷現(xiàn)象十分突出。隨著城市對大氣環(huán)境質(zhì)量進一步改善的要求，天然氣用量將進一步增加，結(jié)合用戶用氣規(guī)律的歷史數(shù)據(jù)，分析大型燃氣發(fā)電對天然氣季節(jié)調(diào)峰的影響，提前預(yù)測季節(jié)調(diào)峰需求，為天然氣儲氣設(shè)施規(guī)劃建設(shè)提供前瞻參考，對于保障城市供氣安全具有重要意義。

1　天然氣季節(jié)調(diào)峰需求分析

1．1　用氣不均勻性

對于季節(jié)調(diào)峰氣量的需求，以各月用氣量為基本數(shù)據(jù)，在假設(shè)各月均勻供氣的基礎(chǔ)上計算理論調(diào)峰氣量。為了平衡一年中的不均勻用氣，需要設(shè)置儲氣設(shè)施，假設(shè)氣源按月平均供氣量均勻供氣，用氣量低時，多余天然氣存儲在儲氣設(shè)施內(nèi)，以補充用氣高峰時用氣量高于供氣量的不足部分。

為定量計算電廠對城市用氣季節(jié)調(diào)峰的影響，根據(jù)相關(guān)實例，現(xiàn)以我國“北方某城市區(qū)域”截止到2020年的天然氣負荷預(yù)測結(jié)果為基本模型進行計算，并分“2020年有電廠”和“2020年無電廠”兩種情況。此計算模型2020年有電廠、2020年無電廠兩種情況各月用氣量、用氣不均勻性(城市其它用戶及電廠用氣規(guī)律)如圖1-1、1-2所示。

 

 

1．2　調(diào)峰需求分析

2020年有電廠、2020年無電廠兩種情況供氣曲線、用氣曲線、儲氣設(shè)施工作曲線合成圖分別如圖1-3、1-4所示，圖中供應(yīng)曲線、用氣曲線對應(yīng)左側(cè)縱坐標，儲氣曲線對應(yīng)右側(cè)縱坐標。用氣曲線代表負荷的逐月變化情況，供氣曲線代表氣源在一年內(nèi)連續(xù)均勻供氣，儲氣曲線代表自計算開始時算起天然氣供應(yīng)量累計值與用氣量累計值之差。

 

 

據(jù)圖1-3可以看“2020年有電廠”的情況，4月至10月份供氣量大于月平均氣量，假設(shè)按月平均氣量均勻供氣(供氣曲線)，供氣量大于用氣量，由儲氣設(shè)施存儲多余供應(yīng)的部分；其它月份供氣量小于用氣量，由儲氣設(shè)施供氣以補充氣源不足的部分。以“2020年有電廠”為例，所需理論儲氣量的計算辦法如下，每月用氣量如表l第二列所示，第三列為計算開始時算起的天然氣廂氣量累計值，第四列所示為每月平均供氣量，第五列與第三列之差即為月末天然氣的存儲量(天然氣供應(yīng)量累計值與用氣量累計值之差)。第六列中找出最大值和最小值，兩個數(shù)的絕對值之和即為所需要的儲氣量。

用以上方法計算得到：對于第一種情況“2020年有電廠”，平衡一年中各月不均勻用氣所需的儲氣量為70億m³；第二種情況“2020年無電廠，”季節(jié)調(diào)峰理論儲氣量53億m³。

2　負荷特征參數(shù)的引入和分析

為了定量分析負荷波動特性，特引入以下參數(shù)和概念，同樣分“2020年有電廠”和“2020年無電廠”兩種情況，進行對比分析。

2．1　最大月不均勻系數(shù)

最大月不均勻系數(shù)：是“高峰月用氣量”與“全年平均月用氣量”之比，用來表示月用氣量峰值與12個月平均月用氣量的倍數(shù)關(guān)系，用最大不均勻系數(shù)接近于1的程度表明“峰值”與“均值”的偏離程度。

 

計算表明：預(yù)計到2020年，“有電廠”的最大月不均勻系數(shù)為2.05，“無電廠”為2.45，“有電廠”的最大月不均勻系數(shù)最小，“峰值”與“均值”的偏離程度最小，如圖1所示。

 

2．2　不均勻系數(shù)的偏離度(方差)

“偏離度”是利用時間序列特性分析方法中“方差”的概念，反映各月用氣量之間的不均衡性，用方差值接近于0的程度反映負荷波動大小，越接近于0，各月之間的負荷波動越小。選擇方差來表示波動情況，是利用平方和的累加特性，消除正負累加帶來的抵消作用，如果不進行平方直接累加，那么各項的絕對值很大而累加結(jié)果仍有可能為零。其計算式如下：

 

式中S——方差；

Ki——第i月的月不均勻系數(shù)；

`K——月不均勻系數(shù)的平均值，1；

i——采暖季月不均勻系數(shù)的序號(=1，2，3，…，12)。

預(yù)計到2020年，“有電廠”的偏離度為0.34，“無電廠”為0.61，“有電廠”可以明顯縮小各月間用氣的不均勻性，使一年內(nèi)的負荷變化趨于平衡。

2．3　峰谷比

峰谷比反映了“月用氣高峰”與“低谷”的倍數(shù)關(guān)系(圖2、圖3中a／b的值，高月用氣量與低月用氣量之比)，比值越大，負荷曲線的波動越明顯。

R=K^max／K^min

式中R——峰谷比；

K^max——月不均勻系數(shù)最大值；

K^min——月不均勻系數(shù)最小值。

 

 

預(yù)計到2020年，“有電廠”的峰谷比為7.07，“無電廠”為8.17，說明“無電廠”則峰谷比存在擴大趨勢，“有電廠”可以減小負荷波動的劇烈程度。

2．4　負荷持續(xù)曲線

利用能源工程管理中負荷持續(xù)曲線的分析方法進行分析，將時序負荷曲線按照負荷大小順序重新排列后得到新的曲線，即負荷持續(xù)曲線(Load Duration Curve，LDC)。它包含了最大負荷、最小負荷、負荷累積持續(xù)時間、負荷出現(xiàn)的概率等大量信息，常被用于電力系統(tǒng)規(guī)劃和發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估中。

 

 

預(yù)計到2020年，管網(wǎng)“有電廠”與“無電廠”相比，低負荷運轉(zhuǎn)的月份將有所減少，月用氣量達到高峰月氣量50％以上的月份將由3個增加到5個，月用氣量在高峰月氣量20％以下的月份將由4個減少到1個。

2．5　年負荷率

“全年實際用氣量”與“全年按最大月剛氣量供應(yīng)”所需氣量之比稱為年負荷率，反映供應(yīng)系統(tǒng)的利用效率，越接近于1效率越高，如圖6、圖7中的面積對應(yīng)火系“A／(A+B)”。其計算式如下所示：

 

式中P——峰谷比。

 

 

預(yù)計到2020年，“有電廠”的年負荷率為48.78％．“無電廠”為40.82％，2020年“有電廠”的系統(tǒng)利用效率高于2020年“無電廠”系統(tǒng)的利用效率。

2．6　存儲比

存儲比反映了季節(jié)調(diào)峰儲氣容積占年用氣量的比例。存儲比接近于0的程度反映了負荷接近于平衡用氣的情況，越接近于0就越接近于平穩(wěn)用氣，系統(tǒng)的經(jīng)濟性也就越高。圖8、圖9中的面積對應(yīng)關(guān)系“A／(A+B)=C／(A+B)=A／(B+C)=存儲比”。其計算式如下所示：

 

式中C——存儲比；

n——一年中月不勻均系數(shù)大于1的月份數(shù)。

 

 

預(yù)計到2020年，“有電廠”、“無電廠”存儲比分別為：25％、33％，2020有電廠的存儲比最小。既：2020年有電廠、2020年無電廠‘理論季節(jié)調(diào)峰量與年用氣量之比分別為25%、33%，2020年有電廠有情況下需最多存儲年用氣量的25％滿足調(diào)峰需求，存2020年無電廠的情況下需最多存儲年用氣量的33％才能滿足季調(diào)峰的需要。

 

3　凋峰成本分析

根據(jù)存儲比計算結(jié)果可知，2020年“有電廠”、“無電廠”每1億m³年州氣量需理論季節(jié)調(diào)峰儲氣量分別為0.25億m³、0.33億m³。地下儲氣庫每增加1億m³有效工作氣量大約需要投資1.2億元，據(jù)此計算2020年“有電廠”、“無電廠”兩種情況每1億m³年用氣量的季節(jié)調(diào)峰成本約0.3億元、0.4億元。既：電廠用氣的情況下，每1m³天然氣承擔(dān)的季節(jié)凋峰成本比“無電廠”用氣承擔(dān)的季節(jié)調(diào)峰成本低0.1元。

4　結(jié)語

通過引入定量化指標：偏離度、峰谷比、年負荷率和存儲比等參數(shù)的分析方法，對我國北方某城市區(qū)域(假設(shè)模型)大型燃氣發(fā)電天然氣季節(jié)調(diào)峰的影響進行了分析。結(jié)果表明，氣量增加一定程度上并未增加各月之間負荷波動的劇烈程度，夏季負荷有所增加，各月之間的負荷落差趨于平緩。大型燃氣發(fā)電有利于系統(tǒng)利用率的提高，有利于單位調(diào)峰成本的降低。

 

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本文作者：邱迪　杜學(xué)平　劉燕　曹育軍

作者單位：北京市燃氣集團有限責(zé)任公司