天然氣儲氣調峰技術的研究

黃騰龍，潘 振，陳保東，金春旭，孫一倫，才 偉，李榮梅

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石化工程建設有限公司，北京 100101；3. 中國石油天然氣第一建設公司，河南 洛陽 471000； 4. 中國石油大港油田第四采油廠，天津 300280）

隨著我國天然氣工業的發展，天然氣的供應量在不斷變化，無論是居民用氣，還是工業發電用氣，都呈現出不均勻的用氣規律[1]。這種規律使供氣量發生了大幅度的變化從而出現了用氣的高峰期和低谷期，但氣井尤其是海洋石油平臺的氣源供應量卻不能完全隨用氣量的變化而變化。為保證供氣的連續性和供氣與用氣間的平衡，最有效的手段就是應用天然氣儲氣調峰技術。

天然氣的調峰方式主要有兩種：一種是利用調峰設施調峰，主要包括地下儲氣庫調峰、管道調峰、LNG調峰、儲氣罐調峰和管束調峰等；另一種是調節用戶的用氣量，包括挑選一些可切換多種燃料的工業企業（如發電廠）作為緩沖用戶以及實施峰谷氣價等[2]。

1 天然氣的調峰方式

1.1 地下儲氣庫調峰

在存儲天然氣的總容量中，絕大部分存儲于地下儲氣庫。儲存的天然氣不僅可以實現不均衡用氣產生的對供氣的需求，而且確保了對高峰用氣量的要求，同時還能夠成為當供氣系統產生故障時的應急儲備以及國家戰略儲備[3,4]。

依照地質結構，地下儲氣庫可分為四類：枯竭油氣田儲氣庫、含水層儲氣庫、鹽穴儲氣庫和廢棄礦穴儲氣庫[5]。作為世界上使用最廣泛的儲氣庫，枯竭油氣田儲氣庫是一種高效、經濟的季節性調峰方式。含水層儲氣庫通過注氣井（或注氣／采氣井）將天然氣注入含水地層的孔隙內而形成人工氣藏。鹽穴儲氣庫使用人工方法，在地下較厚的鹽層或鹽丘中制造洞穴從而形成儲存空間來存儲天然氣。廢棄礦穴儲氣庫用廢棄礦井作為儲氣空間，節省了挖洞穴的工程量。但廢棄礦井大都不具有密封性，因而有氣體泄漏的危險[6,7]。

1.2 管道調峰

管道調峰是利用輸氣管道末段的承壓能力來儲存天然氣的。壓力的變化決定了管道中儲氣量的改變，進而儲存或釋放天然氣，以實現調峰的目的。長輸管線末段的儲氣調峰能力取決于該管線的起終點管道容積和壓力的波動范圍[8]。而管道的儲氣量是有限的，該方式目前在國內部分用氣量較小的城市廣泛使用，用來解決日、小時調峰問題。

高壓管道儲氣包括長輸管線末段儲氣和城市高壓(或次高壓)管網儲氣。長輸管線末段儲氣是通過最后一座壓氣站到終點配氣站之間的長輸管線進行儲氣的[9]。但長輸管線末段儲氣只限于管道末段，因而更多的管道儲氣方式為城市高壓(或次高壓)管網儲氣。與長輸管道末段儲氣的原理相似，城市高壓管網儲氣是利用敷設在城市的高壓管道進行儲氣的，在城市人口密度較小的地段設置環狀高壓管道，既能夠儲氣，又能夠向城市多點供氣，耗鋼量小，優化供氣工況[10]。

1.3 LNG調峰

天然氣經過超低溫深冷到-162 ℃形成的液態天然氣稱為液化天然氣（LNG），容積為氣態的1/600。LNG可用于城市調峰，具有儲氣效率高、調節靈活等優點，從而可以實現節省能源、提高經濟效益的目的[11]。LNG調峰設施無需考慮容量高低、氣源遠近、地址條件的影響，維修便利。LNG能夠在低溫常壓下安全儲存，可調節城市日、小時用氣的不均勻性，使供氣和用氣達到平衡，確保天然氣安全、平穩、可持續地輸送到每個用戶[12]。

1.4 儲氣罐調峰

儲氣罐是地上儲氣的主要設備。根據工作壓力的大小，儲氣罐可分為低壓罐和高壓罐。而低壓罐又分為低壓濕式罐和低壓干式罐：濕式罐是把鐘罩和塔節放置在水槽內，鐘罩和塔節隨著天然氣的進出而升降，并利用水封隔斷內外氣體來儲存燃氣；干式罐主要由外筒、沿外筒上下運動的活塞、底板及頂板組成。根據密封方法不同，目前普遍采用阿曼阿恩型干式罐、可隆型干式罐、威金斯型干式罐。高壓儲氣罐是靠改變其中燃氣的壓力來儲存燃氣的，稱定容儲罐，按類型可分為圓筒形罐（臥式和立式）和球罐，主要調節城市晝夜或小時的不均勻用氣。與圓筒形儲罐相比，球形儲罐具有受力好、占地面積小、投資少等優點，在世界各國廣泛應用[13]。

1.5 管束調峰

高壓管束是一種高壓管式儲氣罐，管道直徑由DN400～DNl500，能承受的壓力較高。將一組或幾組鋼管埋在地下，根據氣體的可壓縮性以及在高壓下和理想氣體的差異進行儲氣，來增大儲氣量[14]。這種儲氣設施雖然調度靈活方便，但要求門站占地很大。

2 通過用戶用量進行調峰

2.1 大力發展緩沖用戶

一些大中型工業企業可以作為緩沖用戶來供應城市燃氣。在用氣低峰時，這些緩沖用戶可以使用天然氣作為能源或原料；而用氣高峰時，它們改用其他燃料。據統計，空調用電占夏季城市用電的30%，因此用天然氣作為能源代替電能擁有很大的發展空間。使用天然氣空調，不僅可以實現天然氣削峰填谷的作用，還節省了電能，實現了城市電網的調峰功能。從而提高了能源的綜合利用率，優化了能源結構[15]。

2.2 中斷供氣、實行峰谷氣價

為了確保安全、可靠地供氣，目前世界各國廣泛采用的短期調峰方式是對一些具有較高負荷系數的天然氣用戶實施中斷供氣。這些實施中斷供氣的大、中型用戶需使用雙燃料系統，不僅大大增加了初期的投資開銷，而且還加大了燃料切換的費用以及和其他能源的價格差[16]。

另外，使用不同季節性價格以及用氣峰谷價格同樣是一種極為有效的調峰方式。目前，大多數發達國家使用季節性價格作為調節手段，夏季發電用氣的價格是冬季的 2/3。因而，發電用戶在冬季用氣量減少，夏季增多，在一定程度上起到了調峰的功能[17]。

3 不同類型天然氣儲氣調峰方式比較

針對不同用戶用氣量的時間不均勻性，對幾種主要的調峰方式進行了調研，對不同的情形，應選擇不同的調峰方式。如表1所示。

根據以上調峰方式的特點，采用何種方式進行調峰，就應該因地制宜地根據工藝水平、經濟條件、地質狀況等多方面因素考慮，經過多種方案的比選，才能選擇最優的調峰方式[19]。

4 沈陽市調峰措施

城市天然氣調峰是一項投資巨大的工程，城市用戶用氣量受多種因素影響因而變化較大，需保證其安全性的同時又需要考慮投資和效率。為此，必須建立一套行之有效的調峰體系。實踐證明，只靠一種調峰方式很難滿足城市用氣需求，須運用多種調峰方式相結合的方法以保證城市供氣和用氣的平衡。

表1 天然氣儲氣調峰方式的比較[18]Table 1 Comparison of the natural gas peak shaving of gas storage[18]

沈陽市每天僅有70萬m3左右的燃氣從遼河油田引進，但仍有100萬m3的氣源缺口需要沈陽市自己解決。針對沈陽市供氣不足的難題，采用多氣源戰略是最有效、最根本的解決方法，這可以最大限度地緩解供氣緊張時期供氣問題。沈陽市有西氣東輸三線供氣，并從新疆鄯善、吉林長嶺油田、內蒙古等地區引進液化天然氣和壓縮天然氣以解決沈陽市氣源問題，實現經濟的快速發展。當前，中石油準備把大連用以接收國外液化天然氣的管線鋪設至沈陽；另外，為徹底地打破沈陽市的供氣瓶頸、加快經濟發展，沈陽市正著重關注著大慶市開發氣田深層天然氣以及從俄羅斯引入天然氣的狀況。

此外，考慮到沈陽市的地質條件，可以在撫順建立廢棄礦穴地下儲氣庫。撫順煤礦距沈陽市 45 km，為建立廢棄礦穴儲氣庫提供了地質條件。與其他地下儲氣庫相比，廢棄礦穴儲氣庫擁有快注快采、建造方便等優點，并且一年內可以多次周轉，更適和緩解短期的日、小時調峰問題；與地面上的儲氣罐相比，廢棄礦穴儲氣庫的儲氣量較大、成本較低，有較好的經濟效益，而且不易引起火災或發生爆炸，具有較高的安全系數。另外，其隱蔽性和安全性更適宜作為戰略儲備，具備一定地戰略意義。

最后，建設 LNG衛星站、LPG 混空氣等。利用它們的調峰能力，進一步規劃天然氣的氣源并且優化高壓管網的結構，最大限度地取得上游的調峰支持、平衡下游，以解決供氣和用氣的季節、日、小時調峰問題。發揮大中型可中斷工業用戶的調峰功能，并與沈陽市天然氣安全儲備庫連接，完善天然氣輸配系統。

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