摘要：燃氣輸送管道具有很大的儲存空間，利用燃氣管道儲氣能力為生產運營服務，通過調度的主動干預實現削峰填谷功能，緩解峰期的用氣壓力。本文通過對管儲分析，對管儲調峰的調度方式進行了說明，并對管儲調峰的優缺點進行了分析闡述。
關鍵詞：管儲；調峰；調度
1 管儲調峰應用背景介紹
隨著城鎮燃氣行業的蓬勃發展，氣源供應也越來越顯緊張。上游氣源供應商為產輸平穩，制定了各種條款制度來限制下游城鎮燃氣運營企業，基本上都對下游用戶的用氣總量和提氣速率做出了限定，要求下游城鎮燃氣企業最大年、季、月、日、小時提氣量、最大提氣速率等指標不能超過一定值。超提倍付已是上游對下游限制的慣用手法。針對各種超提(如瞬時提氣速率超額，日累計用量超額)處理，往往帶有懲罰性質，大多是成多倍價格額外收取費用。城鎮居民用氣具有自身特點，存在著日、季度的周期性變化，不可能保持平穩用氣。用戶的周期性不均衡用氣給城鎮燃氣運營企業帶來極大的難度。城鎮燃氣企業即使能保證年、月、日總量不超標，但也很難保證小時不超提，更保證不了瞬時不超提。城鎮燃氣運營企業為應對超提問題，常常出高價購買現貨。然而，城鎮燃氣向居民用戶的銷售價格基本是政府定價，不能隨便漲跌。大量的現貨購買會給城鎮燃氣運行企業帶來巨大的經濟負擔。很多用氣高峰時段，城鎮燃氣營運商都是高買低賣來為城鎮居民提供氣源的，這也是城鎮燃氣行業普遍效益不好的重要原因之一。由于預測購買現貨量往往與實際用戶需求量存在差距，經常出現現貨購買過多或過少問題。現貨購買多了用不了，還需額外增加保管費用；現貨購買少了，還需向上游氣源供應商超提，或者是限制下游用戶使用量，無論哪種方式，都會給企業造成一定的損失或負面影響。
超提倍付給下游城鎮燃氣營運企業帶來極大的商業難題。既要保證城鎮工商業居民的正常用氣，又不能超過上游氣源提供商的最大提氣要求，還要受照付不議合同的約束。如何滿足城鎮居民用戶對燃氣用氣高峰的需求，又盡量減少高價格購買的“現貨”。為降低現貨購買和超提給企業帶來的經濟損失，很多城鎮燃氣運營商都投資大量資金建設調峰站、儲氣庫、設置緩沖罐等方式來應對。燃氣管道尤其是壓力較高的燃氣管道，是城鎮燃氣企業所具有的最大存儲空間資源。合理利用管儲資源，將可大大減小企業現貨購買量，有效防止超提倍付現象發生，能為企業節省投資資金并帶來客觀經濟效益。
2 可用管儲量
2.1 管儲量計算
管道儲氣量跟管道的內徑大小、管道的長度、儲氣的壓力及溫度有關。一旦管網形成，管道的大小、長度均已確定，管儲主要跟壓力和溫度有關，如忽略溫度變化影響(假設管網溫度保持一致)，則管儲就跟管道的壓力有直接關系，管道運行壓力越高，管儲就越大。假設管道內徑為500mm，運行壓力為1.6MPa，管網全長100km，則管道內可容納的氣量約為31萬m3(標準狀態下理想氣體)。
Q=πr2L(P/P標)≈31萬m3
P=1.6×106Pa
P標=1.01325×105Pa
2.2 可用管儲量與可用調峰管儲量
管道儲量雖然巨大。但并非所有的管儲量都可利用，管道需要一定儲量的氣來維持管網運行，來滿足下游用戶最小壓力需求。可利用管儲是跟管道各點用戶用氣壓力有直接關系的，可利用管儲量往往受制于管網中不利點的壓力限制，以最不利點影響尤為明顯。最不利點不一定是管道運行過程中壓力最低點。
為便于計算及說明，先定義幾個參量：
P：管網中壓力：
Pλ：管網門站出口供氣壓力：
PλH：正常工況下管網門站出口最高允許供氣壓力；
PλL：正常工況下管網門站出口最低允許供氣壓力；
PN：管網中最不利點供氣壓力，N代表不利點；
PNH：管網中最不利點最高允許壓力；
PNHO：最不利工況下最不利點最高壓力；
PNL：最不利工況下最不利點維持正常運行最低允許壓力；
Q：標方氣量；
△Q：可用管儲量；
Qmax：最不利工況最大可用管儲量；
Q調：最不利工況可用調峰管儲；
可用管儲可以通過實驗方法測得。最不利工況管儲實驗測量方法如下：
關閉所有用戶，將管道壓力充至運行最高允許工況壓力值PλH，切斷門站供氣氣源，開啟所有用戶，直至出現有用戶(該用戶點為管網最不利點)壓力不能滿足需求時關閉所有用戶。通過統計各用戶此段時間內的用氣總量即為最不利狀態最大可用管儲Qmax。
管網可用管儲不是固定值，其與環境溫度、用氣用戶數量、各用戶用氣量、用氣速率等多種因素均有關系，會隨著條件的變化而動態變化，此處不做贅述。
最不利工況下可用調峰管儲實驗測量方法如下：
管網門站入口一直維持最高工況供氣壓力PλH，所有用氣出口均開啟進行正常用氣，直至各用戶處壓力均降至穩定，達到動態平衡，此時最不利點的壓力為PNH0。此時開始記錄管網各出入口的入、出氣量，控制管網門站調節閥，逐漸緩慢降低供氣壓力，直至最不利點壓力降至最低允許供氣壓力PNL時停止記錄。根據統計結果，計算此段時間內出口氣量與入口氣量之差，差值就是可調峰管儲Q調。
實驗方法得到的數據往往比較真實，但一般情況下，管網很難具備實驗條件。在實際應用中可用儲量大多根據計算結果結合使用經驗進行估算。
2.3 可用管儲及可用調峰管儲的計算
靜態管儲是可以精確計算的，但工況下可用管儲量與多種因素有關，計算比較復雜，而且誤差較大。利用管網仿真軟件測算是一個比較快捷的方法，但往往與實際情況還是有一定的誤差。比較流行的作法還 與是利用長期的經驗數據進行估算。以下是利用理想氣體狀態方程推導計算可用管儲方法。
理想氣體狀態方程式：
pV=(m/M)RT=nRT
或pVm=p(V/n)=RT
式中p，V，T及n單位分別為Pa，m3，K及mol。Vm=V/n稱為氣體的摩爾體積，其單位為m3·mol-1。R=8.314510J·mol-1·K-1，稱為摩爾氣體常數。
可用管儲量△Q的計算：
△Q=∑Q出，(t1-t0)=∑Qλ，(t1-t0)=∫(V，P，f)dpdt≈(PλH-PλL)·V/P標；
Q出，(t1-t0)：t0至t1時段內管網用戶用氣量；
Qλ，(t1-t0)：t0至t1時段內管網門站供氣量；
由于受氣體粘度、管壁粗糙度等多種因素影響，管道氣體在流動過程中會存在一定的壓力損失，因此管網內各點最大允許壓降不一定相等。
可用調峰管儲的計算：
Q調=∫(V，P，t)dpdt≈(PH-PL)·V/P標；
△P=(PH-PL)；
△P：管網最大平均壓降；
PH：管網正常工況時平均最高壓力；
PL：管網正常工況時平均最低壓力；
從式中可看m可利用調峰管儲與△P有關，△P越大，可用管儲越大。
注：管網正常工況是指管網處于正常運行狀態，各出入口壓力、流量均達到動態平衡。
管網實際運行環境比較復雜，用戶用氣雖然具有一定的規律，但也常常處在動態變化之中，所以，管網中的不利點也會隨著管網的發展改造、用戶使用情況的變化而改變。只有在運行環境不變，管網用戶數量及用量均固定不變，△P、Qmax及Q調方可確定。不利點可用通過仿真計算或實地測來確定。
3 管儲調峰
管儲調峰就是利用管網中可利用調峰的管儲量在用戶用氣高峰期起到調峰作用，減少峰期臨時現貨購氣量，避免峰期氣量超提，降低商務成本。
雖然管網擁有巨大的可調峰管儲量，但不采取合理的調度方法是不能夠發揮管儲能力的。開發管儲資源，利用管儲進行調峰，與管網調度運行方式有巨大的關系。要想實現管儲凋峰就必須是整個管道的壓力波動起來，即使△P＞0。要充分發揮管儲調峰能力，就必須采用調度系統對管網適時的采取主動升壓與主動降壓機制。主動升壓、降壓均是通過對門站調壓器、調流閥的控制實現的。
主動升壓：在管網最低壓力和最低用量同時出現后主動控制各門站調壓器將壓力升高到最高允許值，及時回補充整個管網管儲直至管網各點壓力均處于最高允許值。
主動降壓限流：門站入口流量在達到最大允許值時，通過連鎖控制主動調節調流閥降壓，將流量保持在最大允許值。
主動流量調節：主動流量調節靠控制調節閥的開度來實現。在補充管存時刻初期主動調大開度，在補充結束期間主動關小開度；在用氣高峰出現前保壓不變，主動調節開度滿足供氣流量要求；在用氣量下降階段主動調低壓力同時保持開度，當用氣量持續下降，壓力調到最低允許值后主動調小開度。
4 管儲調峰調度策略
管儲是一個可循環利用的資源，管儲調峰分為峰期利用與谷期補充兩個階段。管儲調峰調度分為峰前保壓，峰期限流降壓，峰后保流，谷期升壓補充。
峰前保樂，是在用氣高峰來臨之前，通過控制門站調節閥實現門站出口壓力保持在最高限值，以保證管網在最不利工況出現時最不利點的工作壓力能保持在PNHO。
峰期控壓限流，是為防止門站從上游超提，引起商務損失而采取的調度方法。控壓是控制門站出口壓力不低于PλH，限流是通過控制門站調流閥來限制提氣量不超過最大商務允許量。通過控壓限流就可實現利用管儲調峰的功能。實際操作中往往利用SCADA系統結合在線仿真軟件進行調度控制，這樣可以根據實際工況確定當時最不利點壓力流量，最大限度的增大管網△P，從而更為有效的利用管儲資源。
谷期升壓補充，是在用氣低谷時期，通過控制門站壓力調節閥主動升壓補充管儲，實際操作中往往稱之為管網憋壓。
一日存在多個用氣高峰，均可使用管存量進行調節或部分調節。在用氣高峰時可用于調峰的管儲不能滿足用戶需求時，就必須啟用調峰站、儲氣庫對管網進行補充。
管儲調峰調度過程可參照表1和表2。
5 提升管儲利用能力的方法
面對管網具有如此龐大的存儲空間，如不能充分利用，實在是巨大的資源浪費。如何能深度利用管儲資源呢？方法是有的，只要采取適當的方法，增大管網△P即可。增大△P方法有以下幾種：
(1) 提升整個管網最高運行壓力。本方法是提高PH來實現△P增大。整體升高供氣壓力是有效提高可用管儲的最佳方案。但整體升高供氣壓力需要考慮管網是否能夠承受升高后的壓力，能否確保整體管網處在安全狀態。提升管網整體壓力需要認真對待，謹慎進行。
(2) 對管網進行局部改造，主要是改造各不利點，提升管網整體壓降承受能力。如采取擴大局部片區的管徑以增加對該區域的供氣能力。也可根據實際情況分片區按不同等級提升各片區管網壓力。
(3) 不利片區增加臨時供氣設施，或設立小型緩沖儲罐或建立小的臨時加壓站或調峰站。
(4) 多支線連接，讓管網形成網狀結構。管道互聯互通形成環、網能夠大大提升管道供氣調節能力。道理很簡單，形成環或網時，對片區就相當于多了幾個供氣源頭，對單個用戶就相當于增加了緩沖空間。
(5) 管路上增加在線加壓泵。增加增壓泵是提升下游用氣壓力的最好方法，此處所提的增壓泵不是非常巨大的增壓泵，而是小量在線增壓。增壓泵也不是經常開啟，而是根據管網實際運行情況，統一調度管理的。如果需要對此處下游用戶局部提升壓力，可以在用氣高峰時擴大管儲利用能力，既有效降低整個管網的供氣壓力，就開啟升壓泵。
(6) 管網設置多個門站或調壓站。增加門站，采用多個氣源供氣是解決整個管網供氣能力的最優方案。但門站建設運營管理費用較高，多氣源供氣增加了企業投資和運營成本。
(7) 在設計建設或管網改造時有意放大管徑增大管容空間。增加管網長度，盡可能的增加管道長度。在有條件的地方埋設副管來增大管容空間。在壓力不利點放大管徑或增加副管或設置緩沖罐。有條件的盡量使壓力不利點與管網連接成環或網狀結構，形成多點互聯互通。增加管道儲氣量尤其是高壓、次高壓管網儲氣量管儲提升效果更為明顯。
6 結語
使用管存調峰，可有效減少LNG調峰站的建設數量，節省大量的投資和管理維護人員。利用管儲調峰，可有效發揮管儲資源潛力，最大限度的均衡日用氣量，減少高峰時刻過流超提引起的商務問題。
要實現管儲調峰功能，各門站、調壓站必須具有調節閥(壓力、流量調節閥)，調節閥必須實現聯網綜合控制。如門站、調壓站沒有調節閥，則必須對門站、調壓站進行改造，安裝調節閥。利用管儲調峰，調度方案實現較為復雜，程序控制繁瑣，調控區域多，綜合調度復雜，對SCADA采集數據的實時性、可靠性要求較高，要求SCADA控制系統邏輯運算能力較強，連鎖控制機制復雜，需要管網仿真系統支持。需要對整個管網進行通調統配，很少有可借鑒的案例。系統需要一定的時間修正調配方案，對調度管理人員水平要求較高。調壓、調流設備控制邏輯相對較為復雜，需要大量的統計和預測信息以及大量的測量數據。
利用管儲調峰還處于摸索階段，沒有成熟的經驗呵以借鑒。隨著經驗的積累，管儲調峰必然會得到廣泛應用，并為燃氣運營企業帶來巨大的經濟效益。
參考文獻
1 姜正侯.燃氣工程技術手冊.上海：同濟大學出版社
2 劉芙蓉，楊珊璧.熱工理論基礎.中國建筑工業出版社，2009
3 余敏主編.管道供氣、管網輸配企業管理與經營實務.北京：化學工業出版社，2008
(本文作者：鐘震 深圳市燃氣集團股份有限公司天然氣工程建設分公司 518054)
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