科學(xué)利用機(jī)動(dòng)氣源的研究

摘 要

摘要：機(jī)動(dòng)氣源是城市氣源的重要組成部分。因儲(chǔ)氣容積與機(jī)動(dòng)氣源呈反比，隨著機(jī)動(dòng)氣源的增加而降低。本項(xiàng)目主要是研究機(jī)動(dòng)氣源對(duì)儲(chǔ)氣容積的影響。根據(jù)沈陽(yáng)市調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)
摘要：機(jī)動(dòng)氣源是城市氣源的重要組成部分。因儲(chǔ)氣容積與機(jī)動(dòng)氣源呈反比，隨著機(jī)動(dòng)氣源的增加而降低。本項(xiàng)目主要是研究機(jī)動(dòng)氣源對(duì)儲(chǔ)氣容積的影響。根據(jù)沈陽(yáng)市調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)狀供氣情況，利用供、需氣圖表分析機(jī)動(dòng)氣源對(duì)儲(chǔ)氣容積的影響程度，為在有機(jī)動(dòng)氣源下合理的確定儲(chǔ)氣容積提供理論依據(jù)，避免不必要的投資。
關(guān)鍵詞：儲(chǔ)氣容積；機(jī)動(dòng)氣源；調(diào)峰
1 前言
    城市燃?xì)庥昧坎粩嘧兓８鶕?jù)用氣量的變化規(guī)律，分為月不均勻性、日不均勻性和時(shí)不均勻性。由于氣源的供應(yīng)量不可能完全按用氣量變化而隨時(shí)改變，為保證按用戶要求不間斷地供應(yīng)燃?xì)?，必須考慮燃?xì)馍a(chǎn)與使用的平衡問題。一般平衡燃?xì)馍a(chǎn)與使用的方式主要有以下3種：1、改變氣源的生產(chǎn)能力和設(shè)置機(jī)動(dòng)氣源；2、利用緩沖用戶和發(fā)揮調(diào)度的作用；3、建設(shè)儲(chǔ)氣設(shè)施。
    目前，沈陽(yáng)市主要利用CNG、LNG機(jī)動(dòng)氣源調(diào)節(jié)月不均勻性和部分日不均勻性，利用儲(chǔ)氣罐調(diào)節(jié)日和小時(shí)不均勻性。
2 現(xiàn)狀分析
    從氣源角度分析，作為管道氣源短缺的城市，沈陽(yáng)市主要依靠CNG、LNG機(jī)動(dòng)氣源補(bǔ)充供需差量。以2008年為例，2008年日平均用氣量為62萬(wàn)m3，管道氣源日平均供氣量為47萬(wàn)m3，日平均供需差額為15萬(wàn)m3，需由CNG、LNG機(jī)動(dòng)氣源補(bǔ)充。
    從用氣角度分析，沈陽(yáng)市受季節(jié)影響和用戶比例的限制，用氣的季節(jié)不均勻性和小時(shí)不均勻性均較大。2008年冬季采暖期階段日平均用氣量為83萬(wàn)m3，而非采暖期階段日平均用氣量?jī)H為47萬(wàn)m3。日用氣量相差近1.8倍。沈陽(yáng)市季節(jié)不均勻性較大，即使未來(lái)引進(jìn)新的天然氣氣源，受氣源調(diào)節(jié)能力和儲(chǔ)氣設(shè)施容積限制，利用CNG、LNG機(jī)動(dòng)氣源進(jìn)行季節(jié)調(diào)峰也有可能是未來(lái)平衡季節(jié)不均勻性的主要措施之一。
3 機(jī)動(dòng)氣源對(duì)儲(chǔ)氣容積的影響
    沈陽(yáng)市主要利用儲(chǔ)氣罐進(jìn)行儲(chǔ)氣。儲(chǔ)氣罐的主要功能有以下3點(diǎn)：
    (1) 隨燃?xì)庥昧康淖兓a(bǔ)充制氣設(shè)備所不能及時(shí)供應(yīng)的部分燃?xì)饬俊?/span>
    (2) 當(dāng)停電、修理管道、制氣或輸配設(shè)備發(fā)生暫時(shí)故障時(shí)。保證一定程度的供氣。
    (3) 可用以混合不同組分的燃?xì)猓谷細(xì)獾男再|(zhì)(成分、發(fā)熱值)均勻。
    確定儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣容積時(shí)，主要根據(jù)上述第一項(xiàng)功能。以2009年1月14日沈陽(yáng)市燃?xì)庥脷饬繛槔?。以下?jì)算所需的儲(chǔ)氣容積。
3.1 儲(chǔ)氣容積的計(jì)算
3.1.1小時(shí)用氣量百分比(見表1)
3.1.2小時(shí)供應(yīng)量百分比
    小時(shí)供應(yīng)量按均勻供氣考慮，即小時(shí)供應(yīng)量百分比=1+24=4.17%
3.1.3儲(chǔ)氣容積計(jì)算
    根據(jù)小時(shí)供應(yīng)量和用氣量的百分比，做出儲(chǔ)氣容積計(jì)算表(見表2)。
3.1.4儲(chǔ)氣容積比
    根據(jù)儲(chǔ)氣容積計(jì)算表(表2)可以看出燃?xì)鈨?chǔ)氣容積比最大值為0，最小值為-16.11%，這兩個(gè)數(shù)值的絕對(duì)值相加為：0+16.11%=16.11%。即所需的儲(chǔ)氣容積為日用氣量的16.11%。
表1 小時(shí)用氣量百分比
時(shí)間
7-8
8-9
9-10
10-11
11-12
12-13
13-14
14-15
15-16
16-17
17-18
18-19
m3/h
62676
55470
54294
62005
54997
60400
50326
38721
52765
70739
90492
79619
%
5.63
4.98
4.88
5.57
4.94
5.43
4.52
3.48
4.74
6.36
8.13
7.15
時(shí)間
19-20
20-21
21-22
22-23
23-0
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
m3/h
49545
38891
42690
29509
28774
21839
23122
22143
21712
28551
30380
43212
%
4.45
3.5
3.84
2.65
2.59
1.96
2.08
1.99
1.95
2.57
2.73
3.88
注：數(shù)據(jù)采用時(shí)間段與調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)間段一致，即早7:00至次日早7:00為一天。
表2 儲(chǔ)氣容積計(jì)算表(%)
時(shí)間
供應(yīng)量
用氣量
燃?xì)獾膬?chǔ)存量
時(shí)間
供應(yīng)量
用氣量
燃?xì)獾膬?chǔ)存量
該小時(shí)內(nèi)
累計(jì)量
該小時(shí)內(nèi)
累計(jì)量
該小時(shí)內(nèi)
累計(jì)量
該小時(shí)內(nèi)
累計(jì)量
7-8
4.17
4.17
5.63
5.63
-1.47
19-20
4.17
54.17
4.45
70.27
-16.11
8-9
4.17
8.33
4.98
10.62
-2.28
20-21
4.17
58.33
3.49
73.77
-15.43
9-10
4.17
12.50
4.88
15.50
-3.00
21-22
4.17
62.50
3.84
77.60
-15.10
10-11
4.17
16.67
5.57
21.07
-4.40
22-23
4.17
66.67
2.65
80.26
-13.59
11-12
4.17
20.83
4.94
26.01
-5.18
23-0
4.17
70.83
2.59
82.84
-12.01
12-13
4.17
25.00
5.43
31.44
-6.44
0-1
4.17
75.00
1.96
84.80
-9.80
13-14
4.17
29.17
4.52
35.96
-6.79
1-2
4.17
79.17
2.08
86.88
-7.71
14-15
4.17
33.33
3.48
39.44
6.10
2-3
4.17
83.33
1.99
88.87
-5.54
15-16
4.17
37.50
4.74
44.18
-6.68
3-4
4.17
87.50
1.95
90.82
-3.32
16-17
4.17
41.67
6.36
50.54
-8.87
4-5
4.17
91.67
2.57
93.39
-1.72
17-18
4.17
45.83
8.13
58.67
-12.83
5-6
4.17
95.83
2.73
96.12
-0.28
18-19
4.17
50.00
7.15
65.82
-15.82
6-7
4.17
100.00
3.88
100.00
0.00
3.1.5儲(chǔ)氣容積圖
根據(jù)燃?xì)獾墓?yīng)量和用氣量的百分比繪制如下儲(chǔ)氣容積圖(見圖1)。
 
    根據(jù)圖1可以看出a-b和c-d時(shí)間段供氣量小于用氣量，由儲(chǔ)罐供氣以補(bǔ)充氣源不足的部分。b-c和d-e時(shí)間段供氣量大于用氣量，多余氣量存入儲(chǔ)罐。即在a-b時(shí)間段廟儲(chǔ)罐向外供氣。供氣量為A，此時(shí)，需儲(chǔ)氣容積為A；然后儲(chǔ)罐有一小幅度進(jìn)氣，進(jìn)氣量為B(b-c時(shí)間段)；接著儲(chǔ)罐繼續(xù)供氣，供氣量為C(c-d時(shí)間段)，此時(shí)，需要儲(chǔ)氣容積為C-B；最后儲(chǔ)罐進(jìn)氣，進(jìn)氣量為D(d-e時(shí)間段)，儲(chǔ)罐補(bǔ)充至原有高度。儲(chǔ)罐需要的儲(chǔ)氣容積A+C-B等于儲(chǔ)罐的進(jìn)氣量D，D=A+C-B。
3.2 有機(jī)動(dòng)氣源時(shí)儲(chǔ)氣容積的計(jì)算
    由于CNG、LNG機(jī)動(dòng)氣源設(shè)備啟動(dòng)和停產(chǎn)比較方便，負(fù)荷調(diào)整范圍大，即可以調(diào)節(jié)季節(jié)性、日用氣不均勻性，同時(shí)也可以平衡小時(shí)用氣不均勻性。因此，科學(xué)利用機(jī)動(dòng)氣源可以有效地降低儲(chǔ)氣容積。當(dāng)有機(jī)動(dòng)氣源存在時(shí)，燃?xì)獾墓?yīng)量可分為兩部分，管道氣源供應(yīng)量和機(jī)動(dòng)氣源供應(yīng)量。管道氣源供應(yīng)量不能隨時(shí)間改變，而機(jī)動(dòng)氣源供應(yīng)量可根據(jù)用氣量的需要進(jìn)行調(diào)整。2009年1月14日總用氣量為1112874m3，管道氣源供應(yīng)量按日平均用氣量620000m3取值。則機(jī)動(dòng)氣源供應(yīng)量為492874m3。
3.2.1機(jī)動(dòng)氣源可根據(jù)用氣需求隨時(shí)調(diào)整供氣量時(shí)所需的儲(chǔ)氣容積。
    (1) 燃?xì)夤?yīng)量百分比
    管道氣源供應(yīng)量百分比=620000+1112874=55.7%
    機(jī)動(dòng)氣源供應(yīng)量百分比=492874+1112874=44.3%
    管道氣源小時(shí)供應(yīng)量百分比=55.7%+24=2.32%
    機(jī)動(dòng)氣源小時(shí)供應(yīng)量百分比可根據(jù)用氣需要進(jìn)行調(diào)整，是變值。
   (2) 儲(chǔ)氣容積計(jì)算
不考慮機(jī)動(dòng)氣源開啟，輸送的特點(diǎn)及可能增加的成本和帶來(lái)的不便，機(jī)動(dòng)氣源可根據(jù)用氣需求隨時(shí)調(diào)整供氣量，得出如下儲(chǔ)氣容積計(jì)算表(見表3)。
表3 儲(chǔ)氣容積計(jì)算表(%)
時(shí)間
管道氣供應(yīng)量
機(jī)動(dòng)氣供應(yīng)量
供氣量
用氣量
燃?xì)獾膬?chǔ)存量
該小時(shí)內(nèi)
該小時(shí)內(nèi)
該小時(shí)內(nèi)
累計(jì)值
該小時(shí)內(nèi)
累計(jì)值
7-8
2.32
3.31
5.63
5.63
5.63
5.63
0.00
8-9
2.32
2.66
4.98
10.62
4.98
10.62
0.00
9-10
2.32
2.56
4.88
15.50
4.88
15.50
0.00
10-11
2.32
3.25
5.57
21.07
5.57
21.07
0.00
11-12
2.32
2.62
4.94
26.01
4.94
26.01
0.00
12-13
2.32
3.11
5.43
31.44
5.43
31.44
0.00
13-14
2.32
2.20
4.52
35.96
4.52
35.96
0.00
14-15
2.32
1.16
3.48
39.44
3.48
39.44
0.00
15-16
2.32
2.42
4.74
44.18
4.74
44.18
0.00
16-17
2.32
4.04
6.36
50.54
6.36
50.54
0.00
17-18
2.32
5.81
8.13
58.67
8.13
58.67
0.00
18-19
2.32
4.83
7.15
65.82
7.15
65.82
0.00
19-20
2.32
2.13
4.45
70.27
4.45
70.27
0.00
20-21
2.32
1.17
3.49
73.77
3.49
73.77
0.00
21-22
2.32
1.51
3.84
77.60
3.84
77.60
0.00
22-23
2.32
0.33
2.65
80.26
2.65
80.26
0.00
23-0
2.32
0.26
2.59
82.84
2.59
82.84
0.00
0-1
2.32
0.00
2.32
85.16
1.96
84.80
-0.36
1-2
2.32
0.00
2.32
87.48
2.08
86.88
-0.60
2-3
2.32
0.00
2.32
89.80
1.99
88.87
-0.93
3-4
2.32
0.00
2.32
92.13
1.95
90.82
-1.30
4-5
2.32
0.24
2.57
94.69
2.57
93.39
-1.30
5-6
2.32
0.41
2.73
97.42
2.73
96.12
-1.30
6-7
2.32
0.26
2.58
100.00
3.88
100.00
0.00
   (3) 儲(chǔ)氣容積比
   根據(jù)儲(chǔ)氣容積計(jì)算表(表3)可以看出燃?xì)鈨?chǔ)氣容積比最大值為O，最小值為-1.3%，這兩個(gè)數(shù)值的絕對(duì)值相加為：0+1.3%=1.3%。即所需的儲(chǔ)氣容積為日用氣量的1.3%。
   (4) 儲(chǔ)氣容積圖
根據(jù)燃?xì)獾墓?yīng)量和用氣量的百分比繪制如下儲(chǔ)氣容積圖(見圖2)。
 
    根據(jù)圖2可以看出在a-b和c-d時(shí)間段，因管道供應(yīng)量小于用氣量，不足氣量部分由機(jī)動(dòng)供應(yīng)量補(bǔ)充，使燃?xì)夤?yīng)量與用氣量相等。在b-c時(shí)間段因管道供應(yīng)量大于用氣量，不需要機(jī)動(dòng)氣源供應(yīng)，管道供應(yīng)量比用氣量多余的部分A存入儲(chǔ)罐，在d-e時(shí)間段向外供出，儲(chǔ)罐恢復(fù)至原有高度。儲(chǔ)氣容積：儲(chǔ)氣量A=供氣量B，其中儲(chǔ)氣量A是小時(shí)管道供氣量比小時(shí)用氣量多余量的總和。由此可得出機(jī)動(dòng)氣源供應(yīng)量可隨用氣量隨時(shí)改變時(shí)，所需的儲(chǔ)氣容積等于管道小時(shí)供氣量比小時(shí)用氣量多余量的總和。
    沈陽(yáng)市現(xiàn)有機(jī)動(dòng)氣源為八棵樹儲(chǔ)配站內(nèi)的CNG、LNG、LPG和大青儲(chǔ)配站內(nèi)的CNG、LNG。根據(jù)現(xiàn)有工藝，這5種機(jī)動(dòng)氣源都不能隨用氣量的變化隨時(shí)調(diào)整供應(yīng)量的變化，氣源啟運(yùn)后，輸送量在一段時(shí)間內(nèi)為定值。因此，按機(jī)動(dòng)氣源是變量做出的儲(chǔ)氣容積只是理想狀態(tài)下的最小儲(chǔ)氣容積。
3.2.2機(jī)動(dòng)氣源按固定量輸出
    根據(jù)2009年1月14日用氣量的變化，機(jī)動(dòng)氣源按早8點(diǎn)至21點(diǎn)連續(xù)14個(gè)小時(shí)均勻輸入考慮。
   (1) 燃?xì)夤?yīng)量百分比
   管道氣源供應(yīng)量百分比=620000+1112874=55.7%
    機(jī)動(dòng)氣源供應(yīng)量百分比=492 874+1112874=44.3%
    管道氣源小時(shí)供應(yīng)量百分比=55.7%+24=2.32%
    機(jī)動(dòng)氣源小時(shí)供應(yīng)量百分比=44.3%+14=3.16%
   (2) 儲(chǔ)氣容積計(jì)算
    根據(jù)氣源供應(yīng)量和用戶的用氣量得出儲(chǔ)氣容積計(jì)算表(見表4)。
表4 儲(chǔ)氣容積計(jì)算表(%)
小時(shí)
管道氣供應(yīng)量
機(jī)動(dòng)氣供應(yīng)量
供氣量
用氣量
燃?xì)獾膬?chǔ)存量
該小時(shí)內(nèi)
該小時(shí)內(nèi)
該小時(shí)內(nèi)
累計(jì)值
該小時(shí)內(nèi)
累計(jì)值
7-8
2.32
3.16
5.48
5.48
5.63
5.63
-0.15
8-9
2.32
3.16
5.48
10.97
4.98
10.62
0.35
9-10
2.32
3.16
5.48
16.45
4.88
15.50
0.96
10-11
2.32
3.16
5.48
21.94
5.57
21.07
0.87
11-12
2.32
3.16
5.48
27.42
4.94
26.01
1.42
12-13
2.32
3.16
5.48
32.91
5.43
31.44
1.47
13-14
2.32
3.16
5.48
38.39
4.52
35.96
2.44
14-15
2.32
3.16
5.48
43.88
3.48
39.44
4.44
15-16
2.32
3.16
5.48
49.36
4.74
44.18
5.18
16-17
2.32
3.16
5.48
54.85
6.36
50.54
4.31
17-18
2.32
3.16
5.48
60.33
8.13
58.67
1.67
18-19
2.32
3.16
5.48
65.82
7.15
65.82
0.00
19-20
2.32
3.16
5.48
71.30
4.45
70.27
1.03
20-21
2.32
3.16
5.48
76.79
3.49
73.77
3.02
21-22
2.32
0.00
2.32
79.11
3.84
77.60
1.50
22-23
2.32
0.00
2.32
81.43
2.65
80.26
1.17
23-0
2.32
0.00
2.32
83.75
2.59
82.84
0.91
0-1
2.32
0.00
2.32
86.07
1.96
84.80
1.27
1-2
2.32
0.00
2.32
88.39
2.08
86.88
1.5l
2-3
2.32
0.00
2.32
90.71
1.99
88.87
1.84
3-4
2.32
0.00
2.32
93.04
1.95
90.82
2.21
4-5
2.32
0.00
2.32
95.36
2.57
93.39
1.97
5-6
2.32
0.00
2.32
97.68
2.73
96.12
1.56
6-7
2.32
0.00
2.32
100.00
3.88
100.00
0.00
    (3) 儲(chǔ)氣容積比
    根據(jù)儲(chǔ)氣容積計(jì)算表(表3)可以看出燃?xì)鈨?chǔ)氣容積比最大值為5.18%，最小值為-0.15%，這兩個(gè)數(shù)值的絕對(duì)值相加為：5.18%+0.15%=5.33%。即所需的儲(chǔ)氣容積為日用氣量的5.33%。
   (4) 儲(chǔ)氣容積圖
根據(jù)燃?xì)獾墓?yīng)量和用氣量的百分比繪制如下儲(chǔ)氣容積圖(見圖3)。
 
    由圖3可以看出當(dāng)有機(jī)動(dòng)氣源時(shí)，在a-b、c-d、e-f、g-h、i-j、k-l時(shí)間段燃?xì)夤?yīng)量小于用氣量，由儲(chǔ)氣罐向外供氣；在b-c、d-e、f-g、h-i、j-k時(shí)間段供氣量大于用氣量，多余用氣量存入儲(chǔ)罐。由圖1、圖3比較可看出當(dāng)有機(jī)動(dòng)氣源時(shí)儲(chǔ)罐的入罐量和出罐量比原先有大幅度下降，因此，在燃?xì)庥昧枯^大的時(shí)間段，開啟機(jī)動(dòng)氣源，提高燃?xì)獾墓?yīng)量可有效的降低儲(chǔ)氣容積。
4 結(jié)論
    一般計(jì)算城市所需的儲(chǔ)氣容積時(shí)，如果氣源產(chǎn)量能夠根據(jù)需用量改變一周內(nèi)各天的生產(chǎn)工況時(shí)，儲(chǔ)氣容積以計(jì)算月最大日燃?xì)夤┬杵胶庖蟠_定，否則，應(yīng)按計(jì)算月平均周的燃?xì)夤┬杵胶庖蟠_定?，F(xiàn)根據(jù)沈陽(yáng)市近3年的用氣數(shù)據(jù)，分別對(duì)計(jì)算月的最大日儲(chǔ)氣容積比和平均周儲(chǔ)氣容積比進(jìn)行比較分析。
4.1 選用時(shí)間
    因沈陽(yáng)市部分用戶在冬季采用天然氣進(jìn)行采暖，為保證冬季采暖期數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在年時(shí)間段的選取上以當(dāng)年4月1日至次年3月31日時(shí)間段的數(shù)據(jù)作為全年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)年選取時(shí)間為2006年、2007年和2008年；這3年月最大用氣量均發(fā)生在1月份。計(jì)算月中的最大13分別為2007年1月9日、2008年1月15日和2009年1月14日。
4.2 儲(chǔ)氣容積比
    (1) 2006年至2008年儲(chǔ)氣容積按常規(guī)計(jì)算方法的得到的值見表5。
表5 儲(chǔ)氣容積比
年份
2006年
2007年
2008年
最大日儲(chǔ)氣容積比(%)
19.05
20.17
16.11
平均周儲(chǔ)氣容積比(%)
33.18
33.63
38.16
非采暖期平均日用氣量(m3)
470302
488840
473860
采暖期平均日用氣量(m3)
686750
679198
832265
非采暖期/采暖期(%)
68
72
57
    (2) 有機(jī)動(dòng)氣源情況下
    根據(jù)表5可以看出沈陽(yáng)市非采暖期平均日用氣量基本是采暖期平均日用氣量的70%，受季節(jié)不均勻性的影響，即使未來(lái)沈陽(yáng)管道氣源充足，沈陽(yáng)仍需要約30%的機(jī)動(dòng)氣源滿足季調(diào)峰的需要。因此此次機(jī)動(dòng)氣源量按日總用氣量30%IR/Lff，調(diào)峰時(shí)間按14個(gè)小時(shí)均勻輸入計(jì)算，得出相應(yīng)的最大日儲(chǔ)氣容積比、平均周儲(chǔ)氣容積比(見表6)。
表6 儲(chǔ)氣容積比(%)
 
2006年
2007年
2008年
最大日儲(chǔ)氣容積比
9.19
9.86
6.46
平均周儲(chǔ)氣容積比
23.48
23.62
28.51
    通過(guò)表5和表6對(duì)比，當(dāng)有機(jī)動(dòng)氣源存在時(shí)，儲(chǔ)氣容積比可下降約10%。以沈陽(yáng)市最大日用氣量120萬(wàn)m3計(jì)算，當(dāng)合理利用機(jī)動(dòng)氣源時(shí)，所需的儲(chǔ)氣容積可節(jié)約12萬(wàn)m3。合理利用機(jī)動(dòng)氣源不但能夠保證氣源供應(yīng)，同時(shí)也可降低所需儲(chǔ)氣罐罐存，減少不必要的投資。
 
(本文作者：毛亮 李強(qiáng) 韓艷軍 張穎博 王雪妮 沈陽(yáng)市煤氣總公司 110005)