天然气储气调峰技术的研究

黄腾龙，潘 振，陈保东，金春旭，孙一伦，才 伟，李荣梅

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石化工程建设有限公司，北京 100101；3. 中国石油天然气第一建设公司，河南 洛阳 471000； 4. 中国石油大港油田第四采油厂，天津 300280）

随着我国天然气工业的发展，天然气的供应量在不断变化，无论是居民用气，还是工业发电用气，都呈现出不均匀的用气规律[1]。这种规律使供气量发生了大幅度的变化从而出现了用气的高峰期和低谷期，但气井尤其是海洋石油平台的气源供应量却不能完全随用气量的变化而变化。为保证供气的连续性和供气与用气间的平衡，最有效的手段就是应用天然气储气调峰技术。

天然气的调峰方式主要有两种：一种是利用调峰设施调峰，主要包括地下储气库调峰、管道调峰、LNG调峰、储气罐调峰和管束调峰等；另一种是调节用户的用气量，包括挑选一些可切换多种燃料的工业企业（如发电厂）作为缓冲用户以及实施峰谷气价等[2]。

1 天然气的调峰方式

1.1 地下储气库调峰

在存储天然气的总容量中，绝大部分存储于地下储气库。储存的天然气不仅可以实现不均衡用气产生的对供气的需求，而且确保了对高峰用气量的要求，同时还能够成为当供气系统产生故障时的应急储备以及国家战略储备[3,4]。

依照地质结构，地下储气库可分为四类：枯竭油气田储气库、含水层储气库、盐穴储气库和废弃矿穴储气库[5]。作为世界上使用最广泛的储气库，枯竭油气田储气库是一种高效、经济的季节性调峰方式。含水层储气库通过注气井（或注气／采气井）将天然气注入含水地层的孔隙内而形成人工气藏。盐穴储气库使用人工方法，在地下较厚的盐层或盐丘中制造洞穴从而形成储存空间来存储天然气。废弃矿穴储气库用废弃矿井作为储气空间，节省了挖洞穴的工程量。但废弃矿井大都不具有密封性，因而有气体泄漏的危险[6,7]。

1.2 管道调峰

管道调峰是利用输气管道末段的承压能力来储存天然气的。压力的变化决定了管道中储气量的改变，进而储存或释放天然气，以实现调峰的目的。长输管线末段的储气调峰能力取决于该管线的起终点管道容积和压力的波动范围[8]。而管道的储气量是有限的，该方式目前在国内部分用气量较小的城市广泛使用，用来解决日、小时调峰问题。

高压管道储气包括长输管线末段储气和城市高压(或次高压)管网储气。长输管线末段储气是通过最后一座压气站到终点配气站之间的长输管线进行储气的[9]。但长输管线末段储气只限于管道末段，因而更多的管道储气方式为城市高压(或次高压)管网储气。与长输管道末段储气的原理相似，城市高压管网储气是利用敷设在城市的高压管道进行储气的，在城市人口密度较小的地段设置环状高压管道，既能够储气，又能够向城市多点供气，耗钢量小，优化供气工况[10]。

1.3 LNG调峰

天然气经过超低温深冷到-162 ℃形成的液态天然气称为液化天然气（LNG），容积为气态的1/600。LNG可用于城市调峰，具有储气效率高、调节灵活等优点，从而可以实现节省能源、提高经济效益的目的[11]。LNG调峰设施无需考虑容量高低、气源远近、地址条件的影响，维修便利。LNG能够在低温常压下安全储存，可调节城市日、小时用气的不均匀性，使供气和用气达到平衡，确保天然气安全、平稳、可持续地输送到每个用户[12]。

1.4 储气罐调峰

储气罐是地上储气的主要设备。根据工作压力的大小，储气罐可分为低压罐和高压罐。而低压罐又分为低压湿式罐和低压干式罐：湿式罐是把钟罩和塔节放置在水槽内，钟罩和塔节随着天然气的进出而升降，并利用水封隔断内外气体来储存燃气；干式罐主要由外筒、沿外筒上下运动的活塞、底板及顶板组成。根据密封方法不同，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。高压储气罐是靠改变其中燃气的压力来储存燃气的，称定容储罐，按类型可分为圆筒形罐（卧式和立式）和球罐，主要调节城市昼夜或小时的不均匀用气。与圆筒形储罐相比，球形储罐具有受力好、占地面积小、投资少等优点，在世界各国广泛应用[13]。

1.5 管束调峰

高压管束是一种高压管式储气罐，管道直径由DN400～DNl500，能承受的压力较高。将一组或几组钢管埋在地下，根据气体的可压缩性以及在高压下和理想气体的差异进行储气，来增大储气量[14]。这种储气设施虽然调度灵活方便，但要求门站占地很大。

2 通过用户用量进行调峰

2.1 大力发展缓冲用户

一些大中型工业企业可以作为缓冲用户来供应城市燃气。在用气低峰时，这些缓冲用户可以使用天然气作为能源或原料；而用气高峰时，它们改用其他燃料。据统计，空调用电占夏季城市用电的30%，因此用天然气作为能源代替电能拥有很大的发展空间。使用天然气空调，不仅可以实现天然气削峰填谷的作用，还节省了电能，实现了城市电网的调峰功能。从而提高了能源的综合利用率，优化了能源结构[15]。

2.2 中断供气、实行峰谷气价

为了确保安全、可靠地供气，目前世界各国广泛采用的短期调峰方式是对一些具有较高负荷系数的天然气用户实施中断供气。这些实施中断供气的大、中型用户需使用双燃料系统，不仅大大增加了初期的投资开销，而且还加大了燃料切换的费用以及和其他能源的价格差[16]。

另外，使用不同季节性价格以及用气峰谷价格同样是一种极为有效的调峰方式。目前，大多数发达国家使用季节性价格作为调节手段，夏季发电用气的价格是冬季的 2/3。因而，发电用户在冬季用气量减少，夏季增多，在一定程度上起到了调峰的功能[17]。

3 不同类型天然气储气调峰方式比较

针对不同用户用气量的时间不均匀性，对几种主要的调峰方式进行了调研，对不同的情形，应选择不同的调峰方式。如表1所示。

根据以上调峰方式的特点，采用何种方式进行调峰，就应该因地制宜地根据工艺水平、经济条件、地质状况等多方面因素考虑，经过多种方案的比选，才能选择最优的调峰方式[19]。

4 沈阳市调峰措施

城市天然气调峰是一项投资巨大的工程，城市用户用气量受多种因素影响因而变化较大，需保证其安全性的同时又需要考虑投资和效率。为此，必须建立一套行之有效的调峰体系。实践证明，只靠一种调峰方式很难满足城市用气需求，须运用多种调峰方式相结合的方法以保证城市供气和用气的平衡。

表1 天然气储气调峰方式的比较[18]Table 1 Comparison of the natural gas peak shaving of gas storage[18]

沈阳市每天仅有70万m3左右的燃气从辽河油田引进，但仍有100万m3的气源缺口需要沈阳市自己解决。针对沈阳市供气不足的难题，采用多气源战略是最有效、最根本的解决方法，这可以最大限度地缓解供气紧张时期供气问题。沈阳市有西气东输三线供气，并从新疆鄯善、吉林长岭油田、内蒙古等地区引进液化天然气和压缩天然气以解决沈阳市气源问题，实现经济的快速发展。当前，中石油准备把大连用以接收国外液化天然气的管线铺设至沈阳；另外，为彻底地打破沈阳市的供气瓶颈、加快经济发展，沈阳市正着重关注着大庆市开发气田深层天然气以及从俄罗斯引入天然气的状况。

此外，考虑到沈阳市的地质条件，可以在抚顺建立废弃矿穴地下储气库。抚顺煤矿距沈阳市 45 km，为建立废弃矿穴储气库提供了地质条件。与其他地下储气库相比，废弃矿穴储气库拥有快注快采、建造方便等优点，并且一年内可以多次周转，更适和缓解短期的日、小时调峰问题；与地面上的储气罐相比，废弃矿穴储气库的储气量较大、成本较低，有较好的经济效益，而且不易引起火灾或发生爆炸，具有较高的安全系数。另外，其隐蔽性和安全性更适宜作为战略储备，具备一定地战略意义。

最后，建设 LNG卫星站、LPG 混空气等。利用它们的调峰能力，进一步规划天然气的气源并且优化高压管网的结构，最大限度地取得上游的调峰支持、平衡下游，以解决供气和用气的季节、日、小时调峰问题。发挥大中型可中断工业用户的调峰功能，并与沈阳市天然气安全储备库连接，完善天然气输配系统。

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