LNG在苏州城市管网供气调峰中的应用_工程实践

摘要

摘要：随着能源紧缺压力日益增大和人们环保意识的不断提高，LNG中所蕴藏的冷能利用越来越受到关注，LNG用于城市燃气调峰也越来越引起人们的重视。为此，介绍了苏州市天然气管网建设

摘要：随着能源紧缺压力日益增大和人们环保意识的不断提高，LNG中所蕴藏的冷能利用越来越受到关注，LNG用于城市燃气调峰也越来越引起人们的重视。为此，介绍了苏州市天然气管网建设和运行情况、苏州市天然气调峰厂的方案选择、工艺流程和装置运行情况，并建议华东城市天然气管网在工程建设的同时考虑LNG调峰和LNG冷能利用。

关键词：苏州市；液化天然气(LNG)；城市；管网供气；调峰；冷量利用

1 苏州天然气城市管网供气现状

目前华东宁沪沿线城市均由西气东输主管道供应天然气，该管道设计压力10MPa。天然气到达苏州的压力为5.3MPa，经门站调压后进入苏州市管网。苏州市高压管网设计压力2.5MPa，通常运行在2.0MPa左右。其他各市管网压力不尽相同。

苏州天然气高压管网工程2004年1月9日正式对外供气，当年供气量为5128×10⁴m³，2008年计划供气量为6×10⁸m³，以后将逐年增加。随着用户的发展，供气量的不断增加，及时采取有效措施，提高供气中的调峰能力显得尤为重要。苏州天然气管网公司要解决的调峰主要是小时调峰、日调峰和应急调峰^[1]。苏州现有天然气管网总储气能力为24.7×10⁴m³，小时调峰和日调峰现已可基本解决；应急调峰要求必须有一定的储量，保证用户停用、减量时有10h的缓冲的时间，以免造成重大损失。10h的储量按高峰月中日供气量计算为82×10⁴m³，除现有管网可用调峰储气量24.7×10⁴m³，还需增加调峰储气量58×10⁴m³。

2 解决调峰问题的方法与措施

1) 调整合同中的交付容量系数。2003年签订供气合同时，缺少天然气供气的经验，选用的交付容量系数与实际有一定差距，需要在最大月与最小月系数比例不变的条件下把系数调整得更为合理。

2) 向上游争取额外气。在高峰供气季节，气量缺口较大，单靠扩大储气量很难解决问题，只能向上游追加计划，争取额外气。

3) 发展季节性用户，削峰填谷。

4) 扩大调峰储气量的方法选择。目前常用扩大调峰储气量的方法为储罐储气和管道储气。用储罐储气需要58×10⁴m³容量的储罐，占地面积大，投资大，生产运行费用高，生产调度难；建高压储气管道则因管道太长，规划管位无法解决，江南土地稀缺，河、湖、塘、浜众多，管道施工难度很大，也无法实施。

5) 建设液化天然气(LNG)调峰厂。利用西气液化、储存解决调峰。LNG调峰厂占地少，投资省(2500万元左右)，储气量大，只要增加低温储罐就可以增加储量。建成后不仅可起到调峰作用，还可利用LNG能用槽车运送的特点，将天然气供到周边无管网地区，扩大天然气供气范围。方案见图1。

该输配工艺有如下特点：一是LNG气化后不进高压管网，直接进入配气管网，避免气化后再加压，且可有针对性地解决下游区域调峰；二是下游公司可根据自身情况，选择是否建LNG调峰储罐，可重点解决下游供气的突出矛盾。应急调峰由苏州天然气管网公司与下游公司共同来完成(管网负责提供LNG，储罐、气化设施由下游公司解决)。

3 LNG用于城市管网调峰的最佳方案选择

液化天然气所采用的冷冻循环一般为以下3种：

1) 由数种单一冷冻组成的逐级冷冻循环。通常由丙烷、乙烯和甲烷组成的冷冻循环构成，冷冻温度分别为-30℃、-70℃、-160℃。所需能耗最小，但其所需的压缩机组及设备较多，操作复杂，维修不方便。

2) 混合冷冻剂冷冻循环。由逐级冷冻循环演变而来，以多组分混合物为冷冻剂，只需一台混合冷剂压缩机。混合冷剂的组成由原料气组成、压力、系统的物料平衡和热量衡算而定。其所需机器、设备较少，但能耗比逐级冷冻循环高，一般用于基本负荷型。

3) 膨胀机制冷循环。直接利用有压力的天然气在膨胀机中等熵膨胀到下游输送管道的压力，而使天然气液化。一般情况下膨胀机工艺的能耗最高，但由于城市管网供气时有管道压力差可以利用，因此几乎不需要耗电，因而成为节能的工艺而被选择^[2]。

苏州市液化天然气调峰厂的液化工艺选定膨胀机制冷循环，其设计参数确定为：①原料天然气进装置压力为5.0MPa；②中压天然气出装置压力为2.0MPa；③产品LNG出装置压力为0.4MPa；④装置处理量为72×10⁴m³/d，波动范围为±20%；⑤液化率大于等于10%；⑥贮存能力为900m³。

原料天然气经门站调压至5MPa后进入装置，在第Ⅰ组纯化器中脱除水分和苯后分成两股，一股作为膨胀气流去冷箱主换热器冷却至-34℃后，进入透平膨胀机中绝热膨胀至1.6MPa、-90℃，返回主换热器复热至常温，再经透平膨胀机同轴带动的增压机增压至2.0MPa左右，返回天然气门站，进入苏州市高压供气管网；另一股作为液化气流进入纯化器Ⅱ组中进一步脱除CO₂，进入冷箱主换热器中冷却、冷凝成LNG，并由过冷器过冷后节流至0.4MPa，节流过程中产生的气体依次在过冷器、主换热器中复热至常温后返回天然气门站，直接进入0.4MPa管道供气。而产品LNG则在0.4MPa、-138℃状态下进入贮存系统贮存和装车外运。

装置于2007年11月1日正式开车试运行，开车运行一次成功，运行和考核证明：本装置运行可靠，操作方便，能耗省，操作弹性大，适应性强。在供气管道压力波动大的情况下，装置仍能正常运转。为适应城市供气的要求，装置可在半负荷状态下运行。在管道压力正常、装置处于设计工况下，液化率大于等于10%，每天液化天然气产量可达9×10⁴m³。

由此可知：在城市管网供气中具有管道压力差可以利用的场合，调峰型液化天然气装置选择透平膨胀机制冷循环最为合理，具有节能、环保的典型功效和投资省、运行成本低、经济效益和社会效益高的特点。

4 对华东城市天然气管网建设的建议

4.1 城市供气管网特点

1) 天然气输配公司将油气田采集的天然气集中处理净化后，通过压缩机将天然气升压至4～10MPa，经输气主管线送到沿线各城市。在各城市的天然气门站中，经调压器等减压装置将天然气分级降压至2.5～4MPa后输入城市输配主干线，再根据不同区域用户的使用压力要求经区域调压装置再将天然气压力调至0.002～0.4MPa。

2) 各城市天然气使用量都较大。苏州市2008年计划供应量为6×10⁸m³，南京市为3.5×10⁸m³，但供应量仍不能满足城市飞速发展的需要。

3) 冬季、夏季用气量相差大。以苏州为例，夏季用气量最少时仅120×10⁴m³/d，而冬季用气量大时可达240×10⁴m³/d，冬夏季的峰谷差达到2倍。据统计北京的冬夏季峰谷差接近8倍。

4.2 LNG调峰建议

综上所述可以看出，通过调压装置降压大大浪费了能源，且降压后气体温度降至0℃以下，会对建筑造成不良影响。城市供气季节性调峰数量很大，单一靠天然气输配公司增加指标已经很难，利用管容调峰已无法满足。为了保证城市正常供气，建议有条件的城市门站建设与之相匹配的调峰型LNG装置。该装置利用输气主管线与城市输配主管线之间的压力差，采用透平膨胀机制冷工艺，除操作方便、适应性强外，更具有显著的节能效果。

4.3 LNG冷能利用建议

海上液化天然气由LNG运输船卸至LNG接收站的贮罐内，供应客户时一般用LNG泵增压至所需压力，并汽化为常温气体后进入管道输送至所需地点。此过程可释放大量冷能，回收这部分冷能，具有可观的经济效益和社会效益^[3]。冷能利用主要有直接利用和间接利用两种：

4.3.1 直接法

1) 利用LNG冷能发电(包括直接膨胀法、二冷媒体法、联合法、混合媒体法、气体动力循环法、燃气轮机利用法)

2) 空气分离

3) 冷冻仓库

4) 制造液态二氧化碳

4.3.2 间接法

包括利用空气分离后的液氮、液氧、液氩来进行低温粉碎、拎冻干燥、水及污染物处理和速冻食品等。

华东地区由于经济发展的需要，所需液氮、液氧、液氩数额巨大，尽管沪宁一带空分液体设备众多，但仍出现供应紧张的情况。由于氧氮沸点分别为-183℃和-196℃，空气液化所需温度较低。随着温度降低其消耗的电能将急剧增加，要求的功将快速增加，机械效率将很低。因此选择利用LNG冷能的工艺过程应充分利用其-160℃的低温。LNG冷能的利用建议首选空气分离和液化。

常用的空气分离法是将空气液化，通过氟利昂冷冻机、透平膨胀机进行空气的液化和分离，制成液态的氮气、氧气、氩气等。而LNG冷热能用于空气分离则是通过循环氮气的冷却来实现(见图2)。一般来说，生产10×10⁴m³的液态气体大约需要650×10⁴kJ的冷却能。利用LNG的冷热能，循环氮气压缩机可小型化；因不需要冷冻机，建设费用也可相应减少；此外，LNG作为空气分离装置的预冷剂，生产液氩的空分装置中，利用其冷能冷却和液化由下塔抽出经过复热的循环氮，可以省去氟利昂制冷机以及氮透平膨胀机组，使产品能耗平均降低0.5kwh/m³，装置的投资费用可减少10%左右，生产成本降低20%～30%。