天然氣供應側能效管理研究與實踐

摘 要

摘要：介紹了國內外天然氣供應側能效管理研究與實踐的進展，提出了進一步研究與實踐的建議。關鍵詞：天然氣供應；供應側；能效管理Research and Practice of Energy Efficiency Manag
摘要：介紹了國內外天然氣供應側能效管理研究與實踐的進展，提出了進一步研究與實踐的建議。
關鍵詞：天然氣供應；供應側；能效管理
Research and Practice of Energy Efficiency Management in Natural Gas Supply Side
ZHANG Zaijun，PENG Zhijun，LIU Bo
Abstract：The progress in research and practice of energy efficiency management in natural gas supply side at home and abroad is introduced.Suggestions on further research and practice are made.
Key words：natural gas supply；supply side；energy efficiency management
1 概述
    “十一五”期間，中國城鎮天然氣得到了前所未有的發展，天然氣需求側高效利用已受到高度重視，并基本形成了較為成熟的制度和技術路線。而天然氣供應側能效管理的研究與實踐工作還處于起步階段，特別是實踐工作鮮有成熟的案例。筆者認為，燃氣運營商在天然氣供應側的能效管理方面具有很大的提升空間，同時也符合國家的能源利用政策，做好這項工作將對減少資源浪費、加快建設資源節約型、環境友好型社會具有實際的推動作用。
2 名詞定義與說明
2.1 天然氣供應側
    天然氣供應側是指從長輸管道起點站到終端用戶之間的天然氣管道及設施，主要包括長輸管道、壓氣站、門站、LNG氣化(調峰)站、CNG儲配站、高壓儲配站、調壓站、城市輸配管道等，這里不包括LNG加氣站、CNG加氣站，我們將其歸為終端用戶。
2.2 能效管理
   本文中的能效管理是指針對天然氣供應側采取的節能減排、提升運行管理效率的制度和技術措施。
    近年來，有關城鎮燃氣的國家標準規范及法規對天然氣供應側的能效管理作出了定性的規定，充分體現了政府對天然氣供應側能效管理工作的重視和引導，由于國內該方面的工作處于起步階段，尚無專項細則。現將部分條文摘錄如下：
    GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》6.1.2條中要求“城鎮燃氣輸配系統的設計應……經技術經濟比較后確定合理的方案。”其中“經濟”就包括節能與環保。
   GB 50494—2009《城鎮燃氣技術規范》第3.1.8條規定“城鎮燃氣設施的建設、運行維護和使用應能有效地利用能源和水資源。”
    《城鎮燃氣管理條例》(中華人民共和國國務院令第583號，2011年3月1日起施行)第3條規定“燃氣工作應當堅持統籌規劃、保障安全、確保供應、規范服務、節能高效的原則。”
    據上述條文可知，國家和行業對天然氣供應側的能效管理越來越重視。
3 國內天然氣供應側能效管理現狀
    目前國內關于天然氣供應側能效管理的研究主要處于理論階段，成熟實用的案例很少，主要集中在高壓天然氣壓力能和LNG冷能的利用技術。而系統地研究城鎮燃氣管網運營效率管理的成果還較少，缺乏系統化、可操作性的案例與經驗。
3.1 高壓天然氣壓力能、LNG冷能回收利用
    ① 高壓天然氣壓力能回收與利用研究
    文獻[1]對高壓天然氣壓力能的回收技術進行了研究，建立了天然氣管道壓力火用數學模型，介紹了氣波制冷機、膨脹機聯合制冷液化調峰流程，適用于門站或調壓站的天然氣膨脹制冷液化調峰流程，以及高壓天然氣壓力能用于廢舊橡膠粉碎的制冷流程。
    文獻[2]研究了利用文丘里引射裝置以高壓天然氣引射低壓人工煤氣的案例，有效地解決了在城市天然氣轉換期間煤氣壓縮機運行方式存在的問題，可大幅度節省電耗，降低生產運營成本。每月可減少運營成本27.50×104元，同時文丘里引射裝置與原有儲罐可作為城市燃氣調峰裝置，又可減少增建調峰裝置的費用。
    文獻[3]對高壓天然氣調壓工藝冷能綜合利用技術進行了研究，在調壓工藝冷能的可用性分析基礎上，建立了調壓工藝冷能綜合利用的集成模型，提出了綜合利用的實施條件和解決措施。
    文獻[4]對城市門站壓力能回收設備研究應用進展情況進行了研究，可替代節流閥的天然氣調壓設備主要有透平膨脹機、渦流管2種。主要利用透平膨脹機輸出軸功發電和副產LNG；渦流管則回收壓力能用于加熱和副產LNG，并認為其具有良好的推廣應用前景。國內的案例則是中國石油管道公司華中輸氣公司利用渦流管加熱技術。文獻[5]對渦流管的原理和特性做了分析，并介紹了其在國內外天然氣領域的應用。
    文獻[6-7]提出利用天然氣壓力能制冷制備天然氣水合物用于調峰，給出了供氣流程設計，并進行了流程模擬和結果分析。
    ② LNG冷能利用的實踐
    文獻[8]介紹了位于廣東省佛山市順德區杏壇的國內首個投入商業運營的LNG冷能利用項目，是由佛山市順德區港華燃氣有限公司與華南理工大學天然氣利用研究中心共同開發的LNG衛星站冷能用于冷庫項目，2010年5月投產。該項目主要包括LNG氣化系統、低壓氨制冷循環系統和電壓縮氨制冷循環系統，其中電壓縮氨制冷循環系統用于LNG供量不足時的補充制冷。經技術經濟分析，該項目的靜態投資回收期(稅后)為4.1年，動態投資回收期(稅后)為5.12年。
    2010年7月12日，中國海洋石油總公司旗下的中海油能源發展股份有限公司石化分公司LNG冷能項目組牽頭研究的利用LNG冷能進行空氣分離的方法學在德國波恩召開的聯合國方法學審核理事會第44會議上獲得批準，方法學是將節能減排納入清潔發展機制(CDM)的一種國際通行的計算方法。同年8月，中國海洋石油總公司與美國空氣化工(中國)投資有限公司(AP公司)在福建莆田建成國內首個LNG冷能空分項目，并順利進行生產。
3.2 城鎮燃氣管網運營效率管理
    由于以前我國的城鎮燃氣事業發展較慢，天然氣被重視和大規模利用是在西氣東輸一線工程之后。文獻[9]對提升城鎮燃氣管網運營效率進行了研究，并提出了優化設計、加強建設質量監管、實施管網全過程安全管理、管網運行優化、搶險搶修、用戶結構優化、新材料和新技術推廣等7方面的對策。目前在城鎮燃氣管網運營效率管理方面還缺乏系統、成熟的經驗，筆者認為存在以下5個方面的問題。
   ① 規劃與設計
   由于城市改造與建設，燃氣規劃設計與實際的需求在具體部位存在較大的差異，且因素多、離散大，需要我們按照先進、全局和持續原則進行持續優化。這里我們必須考慮到大規模城市化的國情，如何實現整體的系統安全與減少局部的供應不足或過大導致的浪費，是具體規劃與設計工作的核心。
    其中天然氣發展“大躍進”問題一直存在，特別是LNG和CNG的利用問題。一些地方的利用途徑極不經濟，如氣源供應不穩定，涉及的上游產能和物流的不確定性，還有運輸里程遠超出經濟合理的范圍，導致天然氣終端價格處于高位，造成嚴重浪費和影響當地經濟。
   ② 建設與施工
   從項目管理角度出發，城鎮燃氣管網的建設與施工投資占其生命周期內投資的80%，是城鎮燃氣管網能效管理和安全運行的前提。建設與施工中的漏洞將帶來無法預計的損失，如因質量問題導致泄漏、爆炸等，嚴重威脅公共安全。
   ③ 運行與管理
   運行與管理的主體是燃氣企業，必須建立科學、實用的管理體系，實現資產效益最大化。目前我們主要是引進發達國家的管理經驗和技術，包括硬件等，導致相應的成本增大，我們必須加強運行與管理工作的基礎研究。
   ④ 管網優化
   管網優化是很局部性的工作，在管網形成之后或者外部用氣需求發生重大變化之后的效用很低。
   ⑤ 氣源供應與互換
   由于國內天然氣消費量快速增長，氣源供應安全保障體系的薄弱對社會經濟生活的沖擊巨大，每個冬季對大多數城鎮來說都是例行的“陣痛”。同時由于氣源的產地不同，還將帶來互換性、安全與經濟的問題。一旦出現氣源不可互換，將帶來巨大的損失和安全威脅。
4 國外天然氣供應側能效管理現狀
4.1 高壓天然氣壓力能回收
   美國、日本、伊朗等國家先后在20世紀80年代—90年代都進行了在門站、加壓站等通過膨脹機膨脹制冷發電，以回收管道壓力能的試驗，但由于技術和成本的原因而沒有推廣。
   美國州際天然氣協會和ICF國際集團下屬的能源與環境評估有限責任公司于2008年2月發布了長輸天然氣管道壓力能回收的報告，分析了3種回收途徑：壓縮機廢熱回收用于發電系統、透平膨脹機回收壓力能、透平進氣冷卻。結論是熱回收用于發電可行，但后兩者面臨技術和成本的瓶頸，無法大規模商業化。就地利用是一種較為可行的選擇。同時，美國、英國一些公司將膨脹機技術與其他技術聯合，如燃料電池，以回收調壓過程中的壓力能，研究工作取得了一定進展。
   從20世紀90年代開始，國外就嘗試將渦流管技術應用于天然氣工業，相繼取得了重要進展。在天然氣門站利用渦流管回收壓力能的方式主要用于加熱和副產LNG。美國Universal Vortex公司從1999年開始制造渦流管加熱器，截至2005年7月，已在美國、加拿大、法國、西班牙和澳大利亞推廣應用了700多套裝置。
    日本東京電力公司早在2001年就開始建設利用天然氣的壓差發電的發電站，采用高壓天然氣減壓發電“氣體直接膨脹方式”；同時，壓差發電還可利用液化天然氣在低溫下氣化時產生的膨脹能量來發電，即“冷熱發電”。
    俄羅斯利用高壓天然氣壓力能開發小型LNG生產裝置，已在列寧格勒州尼古立斯和貝鮑爾格配氣站上建設的小型LNG生產裝置，運行成熟，收效良好；美國天然氣技術研究所也開發出了此類的小型LNG生產裝置。
4.2 LNG冷能回收
    國外LNG冷能利用技術和應用已很成熟，主要方向是就近利用和以電能形式(主要為電池儲存)轉移利用。存在的問題是集約化程度低，導致LNG冷能綜合利用率只有20%～30%。
5 建議
    ① 建立“全資產管理”觀念與模式
    目前，國內關于城鎮燃氣供應側的管理使用的工具很多，如GIS、完整性管理等，尚沒有建立系統的資產管理模式，管理目標分散和獨立，應建立包括無形資產管理在內的、全過程、全方位的管理，這里稱為全資產管理。在電力領域，新加坡能源有限公司在資產管理方面具有豐富的經驗，并已經引入燃氣領域。國內有條件的城市燃氣運營商應加強這方面的研究與實踐，盡快建立適用于我們的全資產管理模式。
    ② 不同能源之間的整合
    在國外，城鎮能源供應商一般包含天然氣輸配和發電配電業務，能夠實現兩種能源以及中間環節能源(壓力能、熱能和冷能)的綜合利用，提高天然氣供應側的能效。這里必須說明的是國外有健全的制度支撐。現階段我們應在系統設計和建設時預留擴展空間，同時利用行業協會等平臺逐步實現跨界整合。
   ③ 發展智能氣網
   在能源領域，智能電網早在2005年就被提出，發展非常迅速，國內已引進并開始規模應用。智能氣網(Intelligent Gas Networks)概念也有人提出，即“巧妙的燃氣網格”(Smart Gas Grids)，通過信息技術實現實時負荷控制與調度的輸配網絡。奧地利能源研究所在一些燃氣和電力公司資助下開展智能氣網的研究，主要目標是建立智能氣網的愿景、確定和分析燃氣輸配管網中智能網格要素等。智能氣網對供應側實時運行管理提出了很高的要求，具有前瞻性，建議國內進行這方面的試驗性研究。
    ④ 分布式采集、轉換與利用
    城鎮燃氣供應側LNG冷能和高壓天然氣壓力能的利用必須堅持分布式采集、轉換與利用的原則，但是這必須得到不同能源供應商的協作，以及政府的產業配套政策。
   ⑤ 技術規范的修訂
   燃氣行業應引導相關研究，今后修訂標準規范應該結合實際情況逐步提出能效管理的具體標準，促進燃氣行業的可持續發展以及提升在節能減排中的作用。
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(本文作者：張再軍 彭知軍 劉波 深圳市燃氣集團股份有限公司 龍崗管道氣分公司 廣東深圳 518172)