摘要：城市燃气小时调峰设施的建设和运营成本往往较高，而城市中压管网的储气能力没有在储气调峰设计中予以考虑，用户的用气高峰情况与理论计算有一定差距，对中压管网储气用于调峰依靠理论计算难以实现。通过对城市燃气小时调峰现状的分析，提出了开展城市燃气中压管网储气的实际调峰能力测试的方法、具体步骤、应用。
关键词：中压管网；储气；调峰；测试；小时调峰
Discussion on Peak-shaving Capability Test of City Gas Medium-pressure Pipe Network
XU Songqiang
Abstract：The construction and operation costs of city gas hourly peak-shaving facilities are usually high，but the gas storage capability of medium pressure pipe network in cities is not considered in the design of gas storage and peak-shaving.There is some difference between gas consumption peak for consumers and the theoretical calculation，and it is difficult that the peak-shaving is achieved by medium pressure pipe network gas storage based on the theoretical calculation.The test method，specific procedures and application of actual peak-shaving capacity of city gas medium pressure pipe network gas storage are proposed by analyzing city gas hourly peak-shaving status.
Key words：medium pressure pipe network；gas storage；peak-shaving；test；hourly peak-shaving
1 概述
由于用户用气存在不均匀性，城市燃气在规划和设计时都会考虑到调峰。城市燃气的调峰包括月、日和小时调峰。一般情况下，月、日的调峰由上游供气方解决，而小时调峰由城市燃气企业自行解决。GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》提出“采用天然气做气源时，平衡小时的用气不均所需调峰气量宜由供气方解决，不足时由城镇燃气输配系统解决。”城市燃气输配系统中用于储气调峰的设施包括储配站、城市高压管道[1～3]和大量的中压管道，但在工程实践中，往往忽略了中压管道的调峰作用[4]。
2 城市燃气小时调峰现状
关于城市燃气调峰的研究有很多，但这些研究基本集中在月、日的调峰上，关于小时调峰方面的研究很少。在一些城市，与城市燃气运行直接相关的小时调峰只在城市燃气规划、可行性研究及初步设计阶段作理论分析，并结合应急需要，提出高压管道、高压球罐、LNG站等应急调峰气源的建设方案，而没有充分考虑实际调峰运行的经济合理性，尽管在保证应急的情况下调峰投资增加有限，但在调峰实施过程中往往会产生高昂的费用。
2.1 小时调峰气量的理论分析
一个城市的中压燃气管网系统，当外部通过门站或高-中压调压站供应给中压管网系统的供气量(以下简称上游供气量)超过管网内燃气的消耗量(以下简称用气量)时，管网的压力将会上升，直到管网设定的压力上限时上游供气量和用气量达到一个平衡；而当上游供气量少于用气量时，管网的压力将会下降。在一些城市，城市燃气设计的供气量(通常按小时流量计算，称为小时供气量)为该城市平均用气量(通常按小时流量计算，称为小时用气量)加上一定的裕量，为合理控制工程造价，这一设计供气量通常大于城市平均用气量但小于高峰时段的用气量，因此城市燃气普遍面临小时调峰的问题。
目前在小时调峰气量计算时，通常将城市燃气的用气分为居民用气、商业用气、工业用气、汽车用气等不同的类型，再参照类似城市的用气情况或设计时所采用的理论数据，根据各类用户的不同特点分别确定月、日和小时用气高峰系数，计算最大小时用气量，与平均小时用气量比较后得出小时调峰气量。通常这样计算所得出的调峰气量与实际有较大的差距。
2.2 小时调峰气量的实际分析
目前对于城市燃气月、日的用气不均匀性有许多系统的研究，包括纯理论的计算方法研究、实际运行数据分析等，这些研究结果由于可以通过城市上游实际测量的计量数据来对比，通常可以收到比较好的研究效果。但小时调峰的情况不同，由于周期短(以小时为单位)，管网系统运行过程中压力波动大，特别是居民用户用气随意性大，上游供气计量的数据会明显滞后于实际用气情况，无法用上游计量数据来分析城市每小时的实际用气情况。同时城市燃气用户数量庞大，尤其居民用户无法全部进行即时计量，因此不可能对城市燃气的小时用气情况逐户进行实际测量分析。如果某个城市燃气企业只有工商业用户，完全可以对每个用户的用气情况进行远程实时计量，并对小时用气情况进行准确的分析。
2.3 小时调峰的实际运行情况
不同的城市在不同的阶段会有不同的供气方式，不同的供气方式对小时调峰的敏感程度也有所不同。对于以CNG作为供气气源的城市，受供气规模的限制，小时调峰问题比较明显。我公司在管输供气之前由两座CNG储配站联网向市区供气，其中秀洲站为主供气站，南湖站为辅助供气站，主要在用气高峰及秀洲站设备检休时向管网供气。从运行情况来看，每天用气高峰出现在晚上17时到19时，用气次高峰在上午10时到12时。秀洲站某一天的24h原始运行数据见表1，表1中出站压力、瞬时流量和累计供气量均为CNG站调压橇内压力表和流量计的读数，小时供气量为从一个计算小时开始到下一个计算小时开始两个时刻累计供气量的差。从表1来看，由于受CNG供气方式的影响，表1中CNG小时供气量、瞬时流量和出站压力之间没有相关性，表1中数据不能反映用气高峰的情况，但从没有供气情况下出站压力的下降还是能看出管网储气用于给用户供气的调峰作用。
表1 秀洲CNG站24h原始运行数据
|
时间
|
出站压力/kPa
|
瞬时流量/(m3·h-1)
|
小时供气量/(m3·h-1)
|
累计供气量/m3
|
|
0：00
|
285
|
0
|
0
|
16980998
|
|
1：00
|
263
|
0
|
0
|
16980998
|
|
2：O0
|
255
|
0
|
0
|
16980998
|
|
3：00
|
247
|
0
|
0
|
16980998
|
|
4：00
|
235
|
0
|
2787
|
16980998
|
|
5：00
|
293
|
1475
|
1395
|
16983785
|
|
6：00
|
285
|
0
|
1966
|
16985180
|
|
7：00
|
290
|
3746
|
933
|
16987146
|
|
8：00
|
268
|
1371
|
1199
|
16988079
|
|
9：00
|
237
|
0
|
3340
|
16989278
|
|
10：00
|
267
|
1647
|
668
|
16992618
|
|
11：00
|
225
|
788
|
2820
|
16993286
|
|
12：00
|
270
|
2611
|
1198
|
16996106
|
|
13：00
|
225
|
302
|
308
|
16997304
|
|
14：00
|
226
|
4122
|
3114
|
16997612
|
|
15：00
|
302
|
1321
|
538
|
17000726
|
|
16：00
|
279
|
114
|
2978
|
17001264
|
|
17：00
|
302
|
1590
|
684
|
17004242
|
|
18：00
|
250
|
261
|
1786
|
17004926
|
|
19：O0
|
285
|
4013
|
1798
|
17006712
|
|
20：00
|
240
|
640
|
258
|
17008510
|
|
21：00
|
210
|
O
|
2924
|
17008768
|
|
22：00
|
260
|
1694
|
744
|
17011692
|
|
23：00
|
240
|
237
|
2560
|
17012436
|
|
24：00
|
300
|
2348
|
1088
|
17014996
|
对于管输供气的城市，通常在运行的初期，由于设计的小时供气量远大于实际的小时用气量，小时调峰问题并不明显。为了对用气不均匀情况及中压管网的储气调峰情况作分析，选取我公司管网系统中高-中压调压站调压器前(供气气源点)和工业用户奥冠薄钢用户调压器前(测量点1)、东方特钢用户调压器前(测量点2)在某一天的运行数据进行分析(见表2)。
表2 城市燃气管网系统24 h原始运行数据
|
时间
|
供气气源点
|
测量点1
|
测量点2
|
||||
|
瞬时流量/(m3·h-1)
|
瞬时压力/kPa
|
小时供气量/(m3·h-1)
|
瞬时流量/(m3·h-1)
|
瞬时压力/kPa
|
瞬时流量/(m3·h-1)
|
瞬时压力/kPa
|
|
|
0：O0
|
3 535.67
|
1 600.8
|
3 310
|
364.5
|
306.0
|
0
|
308.3
|
|
1：O0
|
3 270.21
|
1 600.8
|
3 271
|
364.5
|
306.0
|
O
|
308.3
|
|
2：O0
|
3 295.46
|
1 600.8
|
3 370
|
325.0
|
306.0
|
0
|
307.5
|
|
3：O0
|
3 399.53
|
1 600.8
|
3 402
|
324.4
|
305.3
|
0
|
306.8
|
|
4：O0
|
3 399.54
|
1 600.8
|
3 485
|
331.8
|
305.3
|
0
|
307.5
|
|
5：O0
|
3 733.63
|
1 590.5
|
4 009
|
314.8
|
302.5
|
0
|
304.5
|
|
6：O0
|
4 420.03
|
1 580.4
|
5 117
|
331.1
|
297.8
|
0
|
300.0
|
|
7：O0
|
5 398.58
|
1 567.4
|
5 731
|
336.8
|
293.7
|
0
|
297.8
|
|
8：O0
|
5 775.77
|
1 556.2
|
5 909
|
319.8
|
294.4
|
0
|
298.5
|
|
9：O0
|
6 548.55
|
1 556.2
|
7 289
|
333.1
|
289.6
|
0
|
293.3
|
|
10：O0
|
7 603.78
|
1 545.3
|
7 606
|
313.6
|
286.2
|
0
|
290.3
|
|
11：O0
|
7 607.13
|
1 545.3
|
7 681
|
328.3
|
286.9
|
0
|
291.1
|
|
12：O0
|
7 669.38
|
1 545.3
|
7 134
|
321.2
|
289.6
|
0
|
291.8
|
|
13：00
|
6 211.90
|
1 578.5
|
5 471
|
329.0
|
299.1
|
0
|
301.5
|
|
14：O0
|
5 101.57
|
1 588.6
|
4 832
|
383.1
|
299.8
|
0
|
304.5
|
|
15：O0
|
4 875.41
|
1 588.6
|
5 310
|
376.6
|
300.5
|
O
|
303.0
|
|
16：O0
|
6 012.14
|
1 578.3
|
5 982
|
282.1
|
291.6
|
0
|
294.8
|
|
17：O0
|
6 333.86
|
1 577.3
|
8 163
|
377.9
|
286.9
|
O
|
291.8
|
|
18：00
|
9 267.47
|
1 529.3
|
9 057
|
386.1
|
278.7
|
0
|
282.1
|
|
19：O0
|
8 330.35
|
1 554.0
|
6 508
|
385.1
|
291.6
|
O
|
294.1
|
|
20：O0
|
5 118.29
|
1 592.6
|
4 602
|
385.4
|
302.5
|
O
|
304.5
|
|
21：O0
|
4 187.33
|
1 602.8
|
4 182
|
356.6
|
305.3
|
0
|
306.8
|
|
22：O0
|
4 230.58
|
1 602.8
|
4 082
|
377.6
|
303.9
|
0
|
306.0
|
|
23：O0
|
3 739.32
|
1 602.8
|
3 656
|
375.2
|
306.6
|
0
|
308.3
|
|
24：OO
|
3 606.31
|
1 602.8
|
3 331
|
376.0
|
307.3
|
0
|
308.3
|
表2中数据为供气气源点调压器前及两个中压测量点(其中测量点1正常用气，测量点2没有用气)的流量和压力。可以发现，管网系统小时供气量的波动非常明显，峰谷比(最大小时供气量与最小小时供气量的比值)达到2.769。将供气气源点的小时供气量、瞬时流量和瞬时压力数据绘制成图1可以发现，瞬时流量和小时供气量无论是数据走势还是数值波动都吻合得非常好，流量和压力的变化趋势方向完全相反，而流量和压力的反向变化也恰恰说明了管网储气对用气的调节作用。
再来分析流量和压力波动的峰谷比(流量或压力的最大值与最小值之比)。尽管小时供气量和瞬时流量的波动幅度很大，瞬时压力也在同步反向波动，但压力波动的幅度相对很小。从表2的数据可以计算出气源点压力的峰谷比为1.048，比流量峰谷比2.769小了很多。这一结果主要说明了在气源最大供气量大于实际最大用气量时，尽管小时用气不均匀性很明显，但并不存在用气高峰阶段的用气缺口，因此也基本不存在传统意义上的小时调峰，但压力波动的存在，依然证明了管网储气的调节作用。
为了进一步分析城市中压管网的储气及小时调峰作用，我们再对表2中3组压力数据进行分析。3个测量点的压力走势完全一致，但气源点的最大压力波动幅度(以最小压力值为基准计算的最高压力变化幅度)为4.8%，明显小于测量点1(压力波动幅度为10.3%)和测量点2(压力波动幅度为9.3%)的压力波动幅度，而两个用气点的压力波动尽管由于用气情况不同而有所差别，但仍然比较一致。由此可见，在上游供气量大于最大用气负荷时，从供气端看压力波动小，而从用气端看，压力波动要大得多，之所以出现压力波动的不一致，其原因就在于中压管网储气发挥了较大的调节作用，减小了用气波动对供气的影响，这也在一定程度上反映了中压管网储气的小时调峰作用。
在城市燃气发展到一定规模，最大小时用气量超过管网系统设计的小时供气量时，中压管网的压力波动将会进一步加大，中压管网储气用于小时调峰在多大程度上能够满足管网系统安全可靠地运行，就是一个值得探讨的问题。
对于LPG、LNG等气化供气模式，通常其设计的小时气化能力即为城市(或供气区域)的最大小时用气量，其小时调峰情况类似于管输供气的初期阶段，存在管网储气对压力波动的调节，但因为没有高峰用气缺口，所以不存在传统意义上的小时调峰问题。
3 城市中压燃气管网储气调峰能力测试
3.1 实测是最佳办法
从以上城市燃气小时调峰现状分析可以看出，城市中压燃气管网储气对管网系统的小时用气不均匀有一定的调节作用，但城市中压燃气管网错综复杂，用户实际的用气情况与规划设计阶段的理论计算往往有很大出入，造成高峰用气时管网各点的运行压力可能与设计相差很多，甚至受用户使用情况随机变化的影响，即使在同样的高峰用气量下，管网系统相同位置的压力也可能在变化。因此，无法参照长输管道从理论上通过输气管道管径、长度、输气能力、最大和最小储气压力等来计算中压管网的储气调峰能力。为准确把握城市中压燃气管网的储气调峰能力，有必要通过对各个用气阶段城市中压燃气管网的储气调峰能力进行实际测试的方法，掌握不同用气阶段、不同用户组合情况下，城市中压燃气管网所具有的储气调峰能力，用于指导城市燃气小时调峰的合理实施。
城市燃气用户数量庞大，新的用户随时在增加，用气随机性大，中压管网气源接入点多，管网系统各点的运行压力变化大，各个用户对管网最低压力的要求不尽相同，尽管可以用理论方法来计算中压管网的储气调峰能力[4]，但当气源点和用户复杂时，为准确掌握中压管网的储气调峰能力，实际测算是唯一有效、也是最佳的办法。
3.2 中压管网储气调峰能力测试方法
对于城市中压燃气管网系统，根据气源点的供气量、管网容积和压力等不能有效地计算分析管网储气调峰能力，事实上，管网系统调峰能力的大小最终还是以能否满足用户的用气需求来确定的，因此，通过测试管网系统维持正常供气所需的最低压力来确定系统的调峰能力是一种可行的方法。
3.2.1调峰能力测试的基本设想
根据以往管网运行情况，并结合不同用户对供气压力的要求，设立一批压力监测点并确定最低测试压力控制值，动态记录各点的压力变化。在管网压力基本稳定，管网运行即将进入用气高峰阶段时，减小或切断气源点的燃气供应，在各压力监测点的实测压力接近最低测试压力控制值后恢复正常供气。这样经过反复测试，确定最合理的监测点最低压力控制值，作为管网系统调峰能力控制的依据。
3.2.2调峰能力测试的具体步骤
① 根据以往管网运行情况，并结合现有管网布局和不同用户对供气压力的要求，设立一批压力监测点并确定各监测点的最低测试压力控制值。压力监测点的分布既要考虑到在整个管网系统内的均匀性，又要保证能监测到对管网供气压力有一定要求的用户，特别是对压力要求高的用户和重点用户。对各监测点的压力数据能够动态实时记录，如有条件还可以同时记录下流量数据。
② 选择测试用的小时调峰系数。假设上游按日用气量每小时平均供气，我们将小时高峰用气量超过平均用气量的部分与平均用气量的比值称为小时调峰系数。如按表2数据计算，最大小时用气量为9057m3/h，平均小时用气量为5 382m3/h.则全负荷工况下小时调峰系数为0.683。按嘉兴市天然气利用规划数据，2010年高峰日用气量为62.27×104m3/d，平均小时用气量为25946m3/h，高峰小时用气量为45893m3/h，计算所得的全负荷小时调峰系数为0.769。2020年高峰日用气量为150.07×104m3/d，平均小时用气量为62529m3/h，高峰小时用气量为126462m3/h，计算所得的全负荷小时调峰系数为1.022。两个系数都比随机选择的目前实际运行的数据要高，说明设计所采用的数据一般来说会比较保守。在选择测试所用的小时调峰系数时，要分析现有管网系统的最大小时用气量、平均小时用气量和规划设计阶段计算小时调峰量所采用的小时调峰系数，以保障为原则确定合理的测试用小时调峰系数。
③ 根据选定的测试用小时调峰系数，按测试日预计的最大小时用气量计算出平均小时用气量，作为测试时的气源点供气量稳定供气。
④ 根据管网运行规律，在高峰用气阶段开始时开始测试。对于高峰用气阶段开始点，可根据现有的小时供气曲线和压力控制点的压力变化情况，当即时供气量开始大于平均供气量或压力控制点的压力从基本稳定开始下降时，可以认为是一个高峰用气阶段的开始。
⑤ 当监测点压力接近控制值时停止测试，恢复大流量供气，并继续做好监测点压力变化记录，直到各监测点的压力开始上升为止。
⑥ 如整个高峰测试阶段各监测点压力始终高于最低测试压力控制值，可调整小时调峰系数，降低气源点的稳定供气量，重新测试。
⑦ 首次测试结束后，在初步总结的基础上，逐步降低监测点最低测试压力控制值直到极限，必要时还可调整稳定供气量(调整小时调峰系数)进行测试。
⑧ 在前面测试的基础上，还可以切断供气，对管网系统的储气调峰能力进行极限测试。
⑨ 对部分用气压力较高的用户和用气规模特别大的用户，可在这些用户停止用气时增加测试。必要时还可专门安排这些用户停止用气以进行相应的测试，为应急供气方案提供依据。
⑩ 全部测试结束后，对测试数据进行汇总，分析全负荷供气情况下管网系统的储气量和调峰能力。当大型用户有远程测量数据时，还可进一步分析剔除远程数据后其余用户(通常用气量不大但小时不均匀系数较大，对小时调峰的影响也较大)的调峰情况，为日后管网系统和用户数量、结构变化后的调峰理论分析提供依据。
3.3 保障调峰能力测试的相关措施
中压管网系统储气调峰能力测试可能对用户用气造成一定的影响，盲目进行会带来一些意想不到的后果，为此需要采取相应的保障措施。
① 政府协调。由政府相关部门出面向各类用户发出通知，要求用户配合城市燃气企业进行储气调峰能力测试。
② 企业配合。测试过程中可能受到影响的主要是企业用户，特别是对供气压力要求较高或用气量特别大的用户配合，如果这些用户不配合，测试工作很难达到预期的效果。
③ 多次测试。为减少测试工作对用户带来的影响，整个测试要分阶段多次进行，逐步加大测试力度，要充分考虑到压力不足需要补气时局部点补气速度比用气速度慢，造成补气过程中出现供气不足，意外影响用户用气的情况。
④ 测试工作要尽早开展。早期用户数量少，管网储气调峰能力强，测试选择余地大，对用户的影响也小。
⑤ 上游配合。测试阶段需要有稳定的供气量，每次测试后要及时大流量补气以免出现局部供气中断，这些都需要上游供气方的大力支持与配合。
⑥ 有应急措施。测试过程如出现供气意外，要有相应的应急措施，以免造成不必要的损失，给以后的测试带来困难。
3.4 调峰能力测试结果的应用
通过对城市燃气中压管网储气调峰能力的测试，可以准确掌握一个城市在既有管网系统和用户结构下的运行压力实际需求和满足不同用气需求下的储气与小时调峰能力，用于指导中压燃气管网系统的合理运行，在尽最大可能满足用气需要的前提下，合理降低城市燃气企业的小时调峰运行成本。
① 指导城市中压管网储气用于小时调峰的实践，避免盲目启动LNG调峰等高成本调峰措施，合理降低企业小时调峰运行成本。
② 根据测试所得到的各监测点最低压力控制值，结合水力计算理论，计算全负荷供气和分级供气情况下中压管网可用于小时调峰的最大储气量。
③ 推导中压管网储气用于小时调峰的模型，结合工商业用户远程实时计量结果分析城市居民和小型商业用户的用气特点，用于指导今后城市燃气小时调峰的设计。
④ 根据实际测试所得到的各监测点最低压力控制值，还可用于指导城市燃气企业合理制定分级限供气预案，在上游供气量受限时，在满足最低供气压力的前提下，让尽可能多的用户能够不受限气的影响。
⑤ 当一个城市有多个外部气源或稳定的应急气源，应急供气有保障时，如经测试的中压管网储气能够满足小时调峰要求的，专门的调峰气源可以缓建、少建甚至不建，节约工程建设投资。
通常城市中压燃气管网会有多个中压气源点分期供气，气源点不同会对中压管网系统的压力平衡带来影响，进而影响到管网系统的小时调峰功能，但多气源点对管网系统的调峰应该是有利的。从最大程度利用管网系统储气用于小时调峰的角度来讲，增加气源点后，应当及时组织新的调峰能力测试。
4 结论
在工程规划设计和建设中会结合应急气源考虑较多的调峰供气能力，在管网高峰用气量超过上游正常供气量时，启动调峰设施。开展中压管网储气调峰能力测试，充分利用管网储气能力进行调峰可以有效节约调峰运行成本，特别是建设初期管网富裕量大，储气调峰能力强，效果会更明显。此外，已有的城市燃气企业高压管道储气等较低运行成本的储气也可作为小时调峰用气，与中压管网一起进行调峰能力测试。
通过中压管网储气调峰能力测试，可以合理指导燃气企业的小时调峰方法，降低调峰运行成本，指导企业更为科学合理地制定供气紧张情况下的分级限供气预案，有效保障城市燃气企业的安全可靠供气。
参考文献：
[1] 刘晓艳，姚安林，于培林.城市燃气调峰储气方案选择专家系统研究[J].煤气与热力，2008，28(1)：B18-B24.
[2] 叶毅邦.利用压缩天然气调峰的探讨[J].煤气与热力，2008，28(7)：B25-B26.
[3] 福鹏，陈敏，张秀梅，等.天然气管网储气调峰的动态仿真模拟[J].煤气与热力，2008，28(12)：B01-B04.
[4] 宋迪，郭廷进，解东来，等.城市燃气中压输配管网潜在储气能力计算[J].煤气与热力，2008，28(12)：B01-B04.
(本文作者：徐松强 嘉兴市燃气集团有限公司 浙江嘉兴 314033)
您可以选择一种方式赞助本站
支付宝转账赞助
微信转账赞助
- 注解：本资料由会员及群友提供仅供阅读交流学习，不得用于商业用途！
