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

劉燕 杜學(xué)平

北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司

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

劉燕 杜學(xué)平

北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司

實(shí)施LNG應(yīng)急儲(chǔ)備對(duì)于我國(guó)北方特大型城市應(yīng)對(duì)極端寒冷天氣導(dǎo)致的“氣荒”具有重要意義,而儲(chǔ)備設(shè)施的合理規(guī)模如何確定是值得探討的一個(gè)重要問(wèn)題。為此,通過(guò)將天然氣管網(wǎng)時(shí)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(shí)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(xiàng)式方程導(dǎo)出了冬季缺口氣量計(jì)算式,進(jìn)而解決了已有LNG應(yīng)急儲(chǔ)備與管網(wǎng)負(fù)荷的匹配問(wèn)題以及規(guī)劃階段LNG應(yīng)急儲(chǔ)備規(guī)模的確定問(wèn)題,為大型LNG儲(chǔ)備設(shè)施的規(guī)劃提供了依據(jù)。

城市天然氣 應(yīng)急儲(chǔ)備 規(guī)模 負(fù)荷持續(xù)曲線 時(shí)序負(fù)荷曲線 LNG 儲(chǔ)氣調(diào)峰 補(bǔ)充氣源

2009年11月初,全國(guó)普降大雪導(dǎo)致低溫惡劣天氣,受此影響,我國(guó)天然氣供應(yīng)局勢(shì)趨于緊張,部分城市和地區(qū)出現(xiàn)了無(wú)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(duì)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(shí)施LNG應(yīng)急儲(chǔ)備規(guī)劃,對(duì)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(chǔ)備規(guī)模的確定及已有LNG儲(chǔ)備與天然氣管網(wǎng)負(fù)荷的匹配問(wèn)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(shí)間順序排列后得到的曲線[6],也稱時(shí)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(shí)序負(fù)荷曲線。

實(shí)施LNG應(yīng)急儲(chǔ)備主要是為了解決用氣高峰時(shí)段供氣不足的問(wèn)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(shí)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(shí)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(shí)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。

圖1 北京市2007年4月1日至2010年3月31日的天然氣管網(wǎng)時(shí)序負(fù)荷曲線圖

‘圖2 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(shí)段150 d的負(fù)荷曲線,如圖3所示。對(duì)圖3中散點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值擬合得到擬合多項(xiàng)式[6]:

圖3 冬季高峰用氣時(shí)段天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線擬合圖

式中y為天然氣管網(wǎng)的日負(fù)荷量,104m3;x為持續(xù)時(shí)間,d;p0、p1、p2、p3、p4、p5為常量,其值分別為5 095.979 401 330 942、-37.733 859 252 413、0.431 399 036 939、-0.006 008 097 427、0.000 066 578 406和-0.000 000 290 962。

式(1)具有便于積分的特點(diǎn)[6],這150 d的累計(jì)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(shí)間)的函數(shù);dx為“負(fù)荷持續(xù)時(shí)間x”的微元;Q為用氣高峰期(150 d)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(diǎn)的縱坐標(biāo)值。

圖4 冬季缺口量示意圖

4 已有LNG儲(chǔ)備與上游供應(yīng)能力的匹配

將x=t代入式(1),則有:

f(t)=p5t5+p4t4+p3t3+p2t2+p1t+p0(4)

假設(shè)已有LN G應(yīng)急儲(chǔ)備規(guī)模為Qm,由式(3)得到已有LNG應(yīng)急儲(chǔ)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(chǔ)備設(shè)施為1座幾何容積為16×104m3的LNG儲(chǔ)罐(一期),其有效儲(chǔ)氣容積為7 000×104m3。當(dāng)Qm為7 000×104m3時(shí),式(6)在區(qū)間[0,149]的根為23,此時(shí)f(t0)為4 481× 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7 000 ×104m3的LNG應(yīng)急儲(chǔ)罐補(bǔ)充供氣缺口,那么天然氣管網(wǎng)日負(fù)荷超過(guò)4 481×104m3的缺口氣量由LNG儲(chǔ)罐提供,則LNG儲(chǔ)罐最多能供應(yīng)23 d,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4 481×104m3,則LNG儲(chǔ)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4 481×104m3,則LNG儲(chǔ)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(chǔ)備規(guī)模的確定

假設(shè)預(yù)測(cè)得到的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)曲線為f(x)=y,同時(shí)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:

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4 000×104m3,求得式(7)的根t0為42 (即有42 d天然氣管網(wǎng)負(fù)荷需求大于4 000×104m3),將t0代入式(8)得到Qt為21 000×104m3,表明需要3座有效儲(chǔ)氣容積為7 000×104m3的LNG儲(chǔ)罐來(lái)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3 600×104m3,則有71 d不能完全滿足用氣需求,累計(jì)用氣缺口氣量約42 000×104m3,表明需要6座LNG儲(chǔ)罐(每座LNG儲(chǔ)罐的有效儲(chǔ)氣容積為7 000×104m3,并假設(shè)LNG均來(lái)自夏季用氣低谷的存儲(chǔ)量)來(lái)彌補(bǔ)用氣缺口氣量。

6 結(jié)束語(yǔ)

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(chǔ)備規(guī)模與上游天然氣管網(wǎng)供應(yīng)能力的匹配問(wèn)題及規(guī)劃階段LNG儲(chǔ)備規(guī)模的確定問(wèn)題,該方法今后也可用于分析LNG儲(chǔ)氣設(shè)施的利用效率和供應(yīng)能力等問(wèn)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(lái)管網(wǎng)負(fù)荷仍有較大變化,所得計(jì)算結(jié)果只作為計(jì)算方法的算例,規(guī)劃調(diào)整以及LNG投運(yùn)后的實(shí)際情況,要根據(jù)所在年份的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果重新測(cè)算。

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(修改回稿日期 2011-03-09 編輯 何 明)

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.022

劉燕等.基于管網(wǎng)負(fù)荷曲線確定LNG應(yīng)急儲(chǔ)備規(guī)模.天然氣工業(yè),2011,31(5):84-86.

劉燕,女,1962年生,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士;主要從事燃?xì)饧夹g(shù)的研究與管理工作,現(xiàn)任北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司副總工程師。地址:(100035)北京市西城區(qū)西直門南小街22號(hào)。電話:(010)66205526,18611376620。E-mail:liuyan@bjgas. com