基于管網(wǎng)負(fù)荷曲線確定LNG應(yīng)急儲備規(guī)模

摘 要

摘要：實施LNG應(yīng)急儲備對于我國北方特大型城市應(yīng)對極端寒冷天氣導(dǎo)致的“氣荒”具有重要意義，而儲備設(shè)施的合理規(guī)模如何確定是值得探討的一個重要問題。為此，通過將天
摘要：實施LNG應(yīng)急儲備對于我國北方特大型城市應(yīng)對極端寒冷天氣導(dǎo)致的“氣荒”具有重要意義，而儲備設(shè)施的合理規(guī)模如何確定是值得探討的一個重要問題。為此，通過將天然氣管網(wǎng)時序負(fù)荷曲線轉(zhuǎn)化為負(fù)荷持續(xù)曲線(將日負(fù)荷曲線按大小順序重新排列得到)，分析了冬季用氣高峰時段的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷特性，利用數(shù)值擬合得到的5次多項式方程導(dǎo)出了冬季缺口氣量計算式，進(jìn)而解決了已有LNG應(yīng)急儲備與管網(wǎng)負(fù)荷的匹配問題以及規(guī)劃階段LNG應(yīng)急儲備規(guī)模的確定問題，為大型LNG儲備設(shè)施的規(guī)劃提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：城市天然氣；應(yīng)急儲備；規(guī)模；負(fù)荷持續(xù)曲線；時序負(fù)荷曲線LNG；儲氣調(diào)峰；補(bǔ)充氣源
    2009年11月初，全國普降大雪導(dǎo)致低溫惡劣天氣，受此影響，我國天然氣供應(yīng)局勢趨于緊張，部分城市和地區(qū)出現(xiàn)了無氣可加的“氣荒”現(xiàn)象[1～2]。雖然北京市天然氣供應(yīng)在這次“氣荒”中相對平穩(wěn)，但是隨著天然氣管網(wǎng)負(fù)荷的進(jìn)一步增大，極端寒冷天氣導(dǎo)致的天然氣供氣緊張局面有可能再度出現(xiàn)。加緊實施LNG應(yīng)急儲備規(guī)劃，對于保障北京市的天然氣供應(yīng)具有重要意義[3～5]。為此，著重探討了LNG應(yīng)急儲備規(guī)模的確定及已有LNG儲備與天然氣管網(wǎng)負(fù)荷的匹配問題。
1 天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線
    傳統(tǒng)的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷曲線是將天然氣輸配系統(tǒng)1年內(nèi)的日負(fù)荷量按時間順序排列后得到的曲線[6]，也稱時序負(fù)荷曲線。圖1為北京市2007年4月1日至2010年3月31日的天然氣管網(wǎng)時序負(fù)荷曲線。
    實施LNG應(yīng)急儲備主要是為了解決用氣高峰時段供氣不足的問題。利用天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線(Load Duration Curve，LDC)可以突出顯示用氣高峰的持續(xù)時間和管網(wǎng)負(fù)荷大小等信息。天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線是將時序負(fù)荷曲線按照大小順序重新排列后得到的曲線，它包含了最大負(fù)荷、最小負(fù)荷、負(fù)荷累積持續(xù)時間及負(fù)荷出現(xiàn)的概率等大量信息[7～8]。圖2為北京市2007年4月1日至2010年3月31日的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線。
2 冬季用氣總量
   由圖2可知同一地區(qū)的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線具有相似性，為了研究極端天氣條件下的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷特性，現(xiàn)取北京市2009年4月1日至2010年3月31日的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線，將夏季負(fù)荷截去后，留下冬季高峰用氣時段150d的負(fù)荷曲線，如圖3所示。對圖3中散點進(jìn)行數(shù)值擬合得到擬合多項式[6]：
 

式中y為天然氣管網(wǎng)的日負(fù)荷量，104m3；x為持續(xù)時間，d；p0、p1、p2、p3、p4、p5為常量，其值分別為5095.979401330942、37.733859252413、0.431399036939、-0.006008097427、0.000066578406和-0.000000290962。
   式(1)具有便于積分的特點[6]，這150d的累計氣量(即圖3中曲線與x、y軸之間所圍成的面積)可表示為：
 
式中f(x)=y，日負(fù)荷y是關(guān)于橫坐標(biāo)x(負(fù)荷持續(xù)時間)的函數(shù)；dx為“負(fù)荷持續(xù)時間x”的微元；Q為用氣高峰期(150d)的天然氣管網(wǎng)總負(fù)荷量，104m3。

3 冬季缺口氣量
    圖4為冬季缺口氣量示意圖。用qmax表示北京市上游供氣管網(wǎng)的最大日負(fù)荷，用t表示極端寒冷天氣導(dǎo)致北京市天然氣管網(wǎng)負(fù)荷需求大于上游供氣能力的天數(shù)，根據(jù)天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線的幾何意義，則冬季缺口氣量為圖4中陰影部分的面積，其表達(dá)式為：
 
式中Qt為冬季缺口氣量，104m3；f(t)=qmax為上游供氣管網(wǎng)的最大日負(fù)荷，104m3，也就是直線x=t和曲線y=f(x)交點的縱坐標(biāo)值。
 

    將x=t代入式(1)，則有：
    f(t)=p5t5+p4t4+p3t3+p2t2+p1t+p0    (4)
4 已有LNG儲備與上游供應(yīng)能力的匹配
假設(shè)已有LNG應(yīng)急儲備規(guī)模為Qm，由式(3)得到已有LNG應(yīng)急儲備可以滿足的最大冬季缺口氣量為：
 
    將式(1)的f(x)和式(4)的f(t)代入式(5)，則有：
 
    現(xiàn)階段北京市的LNG應(yīng)急儲備設(shè)施為1座幾何容積為16×104m3的LNG儲罐(一期)，其有效儲氣容積為7000×104m3。當(dāng)Qm為7000×104m3時，式(6)在區(qū)間[0，149]的根為23，此時f(t0)為4481×104m3，其數(shù)學(xué)意義為：若2009—2010年冬季北京市上游天然氣管網(wǎng)供氣量有限，由1座有效氣量為7000×104m3的LNG應(yīng)急儲罐補(bǔ)充供氣缺口，那么天然氣管網(wǎng)日負(fù)荷超過4481×104m3缺口氣量由LNG儲罐提供，則LNG儲罐最多能供應(yīng)23d，剛好彌補(bǔ)缺口氣量；若上游天然氣管網(wǎng)最大日供氣量小于4481×104m3，則LNG儲罐只能彌補(bǔ)部分缺口氣量；若上游天然氣管網(wǎng)最大日供氣量大于4481×104m3，則LNG儲罐能完全彌補(bǔ)缺口氣量，且冬季用氣高峰結(jié)束后LNG仍有剩余。
5 規(guī)劃階段LNG儲備規(guī)模的確定
    假設(shè)預(yù)測得到的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線為f(x)=y，同時上游供氣管網(wǎng)的最大日負(fù)荷為qmax，即qmax=f(x)，將qmax代入式(4)，則有：
    qmax=p5t5+p4t4+p3t3+p2t2+p1t+p0    (7)
上游供氣管網(wǎng)最大日供氣能力qmax是已知量，那么式(7)在有效區(qū)間上的根為t0，其數(shù)學(xué)意義為出現(xiàn)天然氣管網(wǎng)負(fù)荷需求量大于上游供氣管網(wǎng)最大日供氣能力的天數(shù)。將t0代入式(3)，則有：
 
由式(8)可知：①若北京上游供氣管網(wǎng)的最大日供氣能力qmax為4000×104m3，求得式(7)的根t0為42(即有42d天然氣管網(wǎng)負(fù)荷需求大于4000×104m3)，將t0代入式(8)得到Q為21000×104m3，表明需要3座有效儲氣容積為7000×104m3的LNG儲罐來彌補(bǔ)用氣缺口氣量。②若北京上游供氣管網(wǎng)的最大日供氣能力qmax為3600×104m3，則有71d不能完全滿足用氣需求，累計用氣缺口氣量約42000×104m3，表明需要6座LNG儲罐(每座LNG儲罐的有效儲氣容積為7000×104m3，并假設(shè)LNG均來自夏季用氣低谷的存儲量)來彌補(bǔ)用氣缺口氣量。
6 結(jié)束語
    利用北京市2009年至2010年冬季的天然氣管網(wǎng)日負(fù)荷數(shù)據(jù)，分析了已有的LNG儲備規(guī)模與上游天然氣管網(wǎng)供應(yīng)能力的匹配問題及規(guī)劃階段LNG儲備規(guī)模的確定問題，該方法今后也可用于分析LNG儲氣設(shè)施的利用效率和供應(yīng)能力等問題。由于北京市天然氣管網(wǎng)負(fù)荷仍然處在快速發(fā)展期，未來管網(wǎng)負(fù)荷仍有較大變化，所得計算結(jié)果只作為計算方法的算例，規(guī)劃調(diào)整以及LNG投運后的實際情況，要根據(jù)所在年份的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果重新測算。
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(本文作者：劉燕 杜學(xué)平 北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司)