天然气供应侧能效管理研究与实践综述

摘 要

摘要：天然气需求侧管理，包括其高效利用已受到业界的高度重视，充分发挥天然气的“清洁”特性。随着天然气覆盖面积快速扩大，及输配系统不断完善，相关的能效管理逐渐被业
摘要：天然气需求侧管理，包括其高效利用已受到业界的高度重视，充分发挥天然气的“清洁”特性。随着天然气覆盖面积快速扩大，及输配系统不断完善，相关的能效管理逐渐被业界认识和重视，进行了不同程度、不同方面的研究和实践。本文介绍了国内的进展情况，并结合国外的成果提出进一步深入研究与实践的建议与意见。
关键词：天然气；供应侧；能效管理
1 概述
“十一五”期间，中国城镇天然气获得前所未有的发展，天然气需求侧高效利用已受到高度重视，并基本形成了较为成熟的制度和技术路径。而天然气供应侧能效管理的研究与实践工作还处于起步阶段，特别是实践工作鲜有成熟的案例。笔者认为，燃气运营商在天然气供应侧的能效管理方面具有很大的提升空间，同时也符合国家能源利用政策，长期将对减少资源浪费、加快建设资源节约型、环境友好型社会具有实际推动作用。
2 定义与说明
2.1 天然气供应侧
    天然气供应侧是指从长输管线起点站到终端用户之间的天然气管道及设施，主要包括长输管线、加压站、门站、LNG气化(调峰)站、CNG供气站、高压储配站、调压站(高中、中低)、次高压管道、中低压管道等，这里不包括LNG、CNG加气站，我们归为终端用户。
2.2 能效管理
    本文中的“能效管理”是指针对天然气供应侧采取的节能减排、提升运行管理效率的制度和技术措施。
    近年来，有关城镇燃气的国家标准、规范及法规均有对天然气供应侧的能效管理作出了定性的条文，充分体现了政府对天然气供应侧能效管理工作的重视和引导，由于国内该方面的工作处于起步阶段，尚无专项细则。部分摘录如下：
    《城镇燃气设计规范(GB 50028—2006)》第6章“燃气输配系统”，6.1“一般规定”中要求“城镇燃气输配系统的设计要……经技术经济比较后确定合理的方案”。其中“经济”就包括节能与环保。
    《城镇燃气技术规范(GB 50494—2009)》3.1.8规定“城镇燃气设施的建设、运行维护和使用应能有效地利用能源和水资源。”
    《城镇燃气管理条例》(中华人民共和国国务院令第583号，2011年3月1日起施行)第3条规定“燃气工作应当坚持统筹规划、保障安全、确保供应、规范服务、节能高效的原则。”
    据上述可知，国家和行业对天然气供应侧的能效管理越来越重视。
3 国内天然气供应侧能效管理研究与实践现状
    目前国内关于天然气供应侧能效管理的研究主要处于理论阶段，成熟实用的案例很少，主要集中在高压天然气压力能和LNG冷能的利用技术。而系统地研究城镇燃气管网运营效率管理还较少，缺乏系统化、可操作性的案例与经验。
3.1 高压天然气压力能、LNG冷能回收利用
    (1) 高压天然气压力能回收与利用研究
    文献[1]对高压天然气压力能的回收技术进行了研究，建立了天然气管道压力(火用)数学模型，介绍了气波制冷机、膨胀机联合制冷液化调峰流程，适用于门站或调压站的天然气膨胀制冷液化调峰流程，以及高压天然气压力能用于废旧橡胶粉碎的制冷装置流程。
    文献[2]研究了利用文丘里引射装置以高压天然气引射低压人工煤气的案例，有效解决了在城市天然气转换期间煤气压缩机运行方式存在问题，可大幅度节省电耗，降低生产运营成本。可减少运营成本27.50×104元/月，文丘里引射装置与原有储罐又可作城市燃气调峰装置，也减少增建调峰装置费用。
    文献[3]对高压天然气调压工艺冷能综合利用技术进行了研究，在调压工艺冷能的可用性分析基础上，建立了调压工艺冷能综合利用的集成模型，提出了综合利用的实施条件和解决措施。
    文献[4]对城市门站压力能回收设备研究应用进展情况进行了研究，可替代节流阀的天然气调压设备主要有透平膨胀机、涡流管2种。主要利用透平膨胀机输出轴功发电和副产LNG；涡流管则回收压力能用于加热和副产LNG，并认为具有良好的推广应用前景。
    文献[5]、[6]提出利用天然气压力能制冷制备天然气水合物用于调峰，给出了供气流程设计，并进行了流程模拟和结果分析。
    (2) LNG冷能利用的实践
    文献[7]介绍了国内首个投入商业运营的LNG冷能利用项目，它是由佛山顺德区港华燃气有限公司与华南理工大学天然气利用中心研究共同开发的LNG卫星站冷能用于冷库项目，2010年5月投产。该项目系统主要包括LNG气化系统、低压氨制冷循环系统和电压缩氨制冷循环系统，其中电压缩氨制冷循环系统用于LNG供量不足时的补充制冷。
    经技术经济分析，该项目的静态投资回收期为4.1年(税后)，动态投资回收期为5.12年(税后)。
    2010年7月12日，中海油能源发展股份有限公司LNG冷能项目组牵头研究的利用LNG冷能进行空气分离的方法学在德国波恩召开的联合国方法学审核理事会第44会议上获得批准，方法学是将节能减排纳入清洁发展机制(CDM)的一种国际通行的计算方法。同年8月，中国海洋石油总公司与美国空气化工(中国)投资有限公司(AP公司)在福建建成国内首个LNG冷能空分项目，并顺利投产。
3.2 城镇燃气管网运营效率管理
    由于我国的城镇燃气事业的发展慢，天然气被重视和大规模利用是在西气东输一线工程之后，在城镇燃气管网运营效率管理方面还缺乏系统、成熟的经验。笔者认为存在以下5个方面的问题。
   (1) 规划与设计
   由于城市更新与建设，燃气规划设计与实际的需求在具体部位存在较大差异，且因素多、离散大，需要我们按先进、全局和持续原则进行持续优化。这里我们必须考虑到大规模城市化国情，如何实现整体的系统安全与减少局部的供应不足或过大导致的浪费，是具体规划与设计工作核心。
    其中天然气发展“大跃进”问题一直存在，特别是关于LNG和CNG的利用问题，一些地方雕利用途径极其不经济，如气源供应不稳定，涉丑的上游产能和物流的不确定性，还有运输里程=远超出经济合理的范围，导致天然气终端价格处亍高位，造成严重浪费和影响当地经济。
   (2) 建设与施工
   从项目管理角度出发，城镇燃气管网的建设与施工占其生命周期内投资的80%，是城镇燃气管网能效管理和安全运行的前提。建设与施工中醛漏洞将带来无法预计的损失，如因质量问题导甄泄漏、爆炸等，严重威胁公共安全。
   (3) 运行与管理
   运行与管理的主体是燃气企业，必须建立利学、实用的管理体系，实现资产效益最大化。目前我们主要是引进发达国家的管理经验和技术，包括硬件等，导致相应的成本增大，我们必须认识和加强运行与管理工作的基础研究和提升。
    (4) 管网优化
    管网优化是很局部性的工作，在管网形成之后或者外部用气需求发生重大变化之后的效用很低。
   (5) 气源供应与互换
   由于国内天然气消费量快速增长，面临巨大的气源供应压力，气源供应安全保障体系的薄弱对社会经济生活的冲击巨大，每个冬季对多数城镇来说都是例行的“阵痛”。同时由于气源的产地不同，还将带来互换、安全与经济问题。一旦出现气源不可互换，将带来巨大的损失和安全威胁。
    文献[8]对提升城镇燃气管网运营效率进行了研究，并提出了优化设计、加强建设质量监管、实施管网全过程安全管理、管网运行优化、抢险抢修、用户结构优化、新材料和新技术等推广等7大方面的对策。
4 国外天然气供应侧能效管理研究与实践情况
4.1 高压天然气压力能回收
    美国、日本、伊朗等国家先后在20世纪80～90年代都进行了在门站、加压站等通过膨胀机膨胀制冷发电，以回收管道压力能的试验，都由于技术和成本的原因而没有推广。
    美国州际天燃气协会和ICF国际集团下属的能源与环境评估有限责任公司于2008年2月发布了长输天然气管线压力能回收的报告，分析了3种回收途径：压缩机废热回收用于发电系统、透平膨胀机回收压力能、透平进气冷却。结论是热回收用于发电可行，但后两者面临技术和成本的瓶颈，无法大规模商业化。就地利用是一种较为可行的选择。同时，美国、英国一些公司将膨胀机技术与其他技术联合，如燃料电池，以回收调压过程中的压力能，研究工作取得了一定进展。
    20世纪90年代始，国外就尝试将涡流管技术应用于天然气工业，相继取得了重要进展。在天然气门站利用涡流管回收压力能的方式主要用于加热和副产LNG。美国Universal Vortex公司从1999年开始制造涡流管加热器，至2005年7月，已在美国、加拿大、法国、西班牙和澳州应用了700多套装置。国内中国石油管道公司华中输气公司利用涡流管加热技术。文献[9]对涡流管的原理和特性做了分析，并介绍了其在国外天然气领域的应用。
    日本东京电力公司早在2001年就开始建设利用天然气的压差发电的发电站，即高压天然气减压发电“气体直接膨胀方式”；同时，压差发电还可利用液化天然气在低温下变成气体时产生的膨胀能量来发电，即所谓”冷热发电”。
    俄罗斯利用高压天然气压力能开发小型LNG生产装置，已在列宁格勒州在尼古立斯和贝鲍尔格配气站上建设的小型LNG生产装置，运行成熟、收效良好；同时中国石油西南油气田分公司也在四川乐山建立了小型LNG生产装置。美国天然气技术研究所也开发出了此类的小型LNG生产装置。
4.2 LNG冷能回收
    国外LNG冷能利技术和应用已很成熟，主要方向是就近利用和以电能形式(主要为电池储存)转移利用。存在的问题是集约化程度低，导致LNG冷能综合利用率只有20～30%。
5 建议与意见
5.1 建立“全资产管理”观念与模式
    目前，国内关于城镇燃气供应侧的管理还停留在硬件的稳定上，使用的工具很多，如GIS、完整性管理等，尚没有建立系统的资产管理模式，管理目标分散和独立，应建立包括无形的资产管理在内的，如能源管理，全过程、全方位的管理，这里称为“全资产管理”。在电力领域，新加坡能源有限公司在资产管理具有丰富的经验，并已经引入燃气领域。国内有条件的城市燃气运营商应加强这方面的研究与实践，尽快建立适用于我们的“全资产管理”模式。
5.2 不同能源之间的整合
    国外城镇能源供应商一般包含天然气输配和发电配电业务，实现两种能源以及中间环节能源(压力能、热能和冷能)的综合利用，提高综合天然气供应侧能效。这里必须说明的是国外有健全的制度支撑：现阶段应在系统设计与建设时预留扩展空间。同时利用行业协会等平台逐步实现跨界整合。
5.3 发展智能气网(IntelIigent Gas Networks)
在能源领域，智能电网早在2005年就被提出，发展非常迅速，国内已引进并大规模应用。智能气网概念也有人提出，即“巧妙的燃气网格”(Smart Gas Grids)，通过信息技术实现实时负荷控制与调度的输配网络。奥地利能源研究所在一些燃气和电力公司资助下开展智能气网的研究。主要目标是建立智能气网的愿景、确定和分析燃气输配管网中智能网格要素等。智能气网对供应侧实时运行管理提出了很高的要求，具有前瞻性；建议国内进行试验性的研究。
5.4 分布式采集、转换与利用
    关于城镇燃气供应侧LNG冷能和高压天然气压力能的利用原则必须坚持分布式采集、转换与利用的原则，但是这必须得到不同能源供应商的协作，以及政府的产业配套政策。
5.5 技术规范的修订
    燃气行业应引导相关研究，今后修订技术规范应该结合实际情况逐步提出能效管理的具体标准，促进燃气行业的可持续发展以及提升在节能减排中的作用。
参考文献：
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[2] 江庆梅，樊耀南，杨东东.文丘里引射器回收天然气管网压力能的应用[J].煤气与热力，2009，29(7)：A28-A31.
[3] 郑志，徐晓瑞，韩永嘉，等.高压天然气调压工艺冷能综合利用技术研究[J].煤气与热力，2009，29(7)：A33-A36.
[4] 孙洁.城市门站压力能回收设备研究应用进展[J].煤气与热力，2010，30(7)：A18-A20.
[5] 陈秋雄，徐文东.天然气管网压力能利用与水合物联合调峰研究[J].煤气与热力，2010，30(8)：A27-A30.
[6] 樊栓狮，陈玉娟，郑惠平，等.利用管网压力制备天然气水合物的调峰新技术[J].天然气工业，2010，30(10)：1-4.
[7] 刘宗斌，黄建卫，徐文东.LNG卫星站冷能用于冷库技术开发及示范[J].城市燃气，2010，427(9)：8-11.
[8] 罗东晓.提升城市天然气管网运营效率的对策[J].煤气与热力，2010，30(6)：B34-837.
[9] 沈杰，席旺.提升城市天然气管网运营效率的对策[J].煤气与热力，2011，31(2)：A37-A38、A42.
 
(本文作者：张再军 彭知军 刘波 深圳市燃气集团龙岗管道气分公司 广东深圳 518172)