摘要：隨著能源緊缺壓力日益增大和人們環保意識的不斷提高，LNG中所蘊藏的冷能利用越來越受到關注，LNG用于城市燃氣調峰也越來越引起人們的重視。為此，介紹了蘇州市天然氣管網建設和運行情況、蘇州市天然氣調峰廠的方案選擇、工藝流程和裝置運行情況，并建議華東城市天然氣管網在工程建設的同時考慮LNG調峰和LNG冷能利用。
關鍵詞：蘇州市；液化天然氣(LNG)；城市；管網供氣；調峰；冷量利用
1 蘇州天然氣城市管網供氣現狀
目前華東寧滬沿線城市均由西氣東輸主管道供應天然氣，該管道設計壓力10MPa。天然氣到達蘇州的壓力為5.3MPa，經門站調壓后進入蘇州市管網。蘇州市高壓管網設計壓力2.5MPa，通常運行在2.0MPa左右。其他各市管網壓力不盡相同。
蘇州天然氣高壓管網工程2004年1月9日正式對外供氣，當年供氣量為5128×104m3，2008年計劃供氣量為6×108m3，以后將逐年增加。隨著用戶的發展，供氣量的不斷增加，及時采取有效措施，提高供氣中的調峰能力顯得尤為重要。蘇州天然氣管網公司要解決的調峰主要是小時調峰、日調峰和應急調峰[1]。蘇州現有天然氣管網總儲氣能力為24.7×104m3，小時調峰和日調峰現已可基本解決；應急調峰要求必須有一定的儲量，保證用戶停用、減量時有10h的緩沖的時間，以免造成重大損失。10h的儲量按高峰月中日供氣量計算為82×104m3，除現有管網可用調峰儲氣量24.7×104m3，還需增加調峰儲氣量58×104m3。
2 解決調峰問題的方法與措施
1) 調整合同中的交付容量系數。2003年簽訂供氣合同時，缺少天然氣供氣的經驗，選用的交付容量系數與實際有一定差距，需要在最大月與最小月系數比例不變的條件下把系數調整得更為合理。
2) 向上游爭取額外氣。在高峰供氣季節，氣量缺口較大，單靠擴大儲氣量很難解決問題，只能向上游追加計劃，爭取額外氣。
3) 發展季節性用戶，削峰填谷。
4) 擴大調峰儲氣量的方法選擇。目前常用擴大調峰儲氣量的方法為儲罐儲氣和管道儲氣。用儲罐儲氣需要58×104m3容量的儲罐，占地面積大，投資大，生產運行費用高，生產調度難；建高壓儲氣管道則因管道太長，規劃管位無法解決，江南土地稀缺，河、湖、塘、浜眾多，管道施工難度很大，也無法實施。
5) 建設液化天然氣(LNG)調峰廠。利用西氣液化、儲存解決調峰。LNG調峰廠占地少，投資省(2500萬元左右)，儲氣量大，只要增加低溫儲罐就可以增加儲量。建成后不僅可起到調峰作用，還可利用LNG能用槽車運送的特點，將天然氣供到周邊無管網地區，擴大天然氣供氣范圍。方案見圖1。
該輸配工藝有如下特點：一是LNG氣化后不進高壓管網，直接進入配氣管網，避免氣化后再加壓，且可有針對性地解決下游區域調峰；二是下游公司可根據自身情況，選擇是否建LNG調峰儲罐，可重點解決下游供氣的突出矛盾。應急調峰由蘇州天然氣管網公司與下游公司共同來完成(管網負責提供LNG，儲罐、氣化設施由下游公司解決)。
3 LNG用于城市管網調峰的最佳方案選擇
液化天然氣所采用的冷凍循環一般為以下3種：
1) 由數種單一冷凍組成的逐級冷凍循環。通常由丙烷、乙烯和甲烷組成的冷凍循環構成，冷凍溫度分別為-30℃、-70℃、-160℃。所需能耗最小，但其所需的壓縮機組及設備較多，操作復雜，維修不方便。
2) 混合冷凍劑冷凍循環。由逐級冷凍循環演變而來，以多組分混合物為冷凍劑，只需一臺混合冷劑壓縮機。混合冷劑的組成由原料氣組成、壓力、系統的物料平衡和熱量衡算而定。其所需機器、設備較少，但能耗比逐級冷凍循環高，一般用于基本負荷型。
3) 膨脹機制冷循環。直接利用有壓力的天然氣在膨脹機中等熵膨脹到下游輸送管道的壓力，而使天然氣液化。一般情況下膨脹機工藝的能耗最高，但由于城市管網供氣時有管道壓力差可以利用，因此幾乎不需要耗電，因而成為節能的工藝而被選擇[2]。
蘇州市液化天然氣調峰廠的液化工藝選定膨脹機制冷循環，其設計參數確定為：①原料天然氣進裝置壓力為5.0MPa；②中壓天然氣出裝置壓力為2.0MPa；③產品LNG出裝置壓力為0.4MPa；④裝置處理量為72×104m3/d，波動范圍為±20%；⑤液化率大于等于10%；⑥貯存能力為900m3。
原料天然氣經門站調壓至5MPa后進入裝置，在第Ⅰ組純化器中脫除水分和苯后分成兩股，一股作為膨脹氣流去冷箱主換熱器冷卻至-34℃后，進入透平膨脹機中絕熱膨脹至1.6MPa、-90℃，返回主換熱器復熱至常溫，再經透平膨脹機同軸帶動的增壓機增壓至2.0MPa左右，返回天然氣門站，進入蘇州市高壓供氣管網；另一股作為液化氣流進入純化器Ⅱ組中進一步脫除CO2，進入冷箱主換熱器中冷卻、冷凝成LNG，并由過冷器過冷后節流至0.4MPa，節流過程中產生的氣體依次在過冷器、主換熱器中復熱至常溫后返回天然氣門站，直接進入0.4MPa管道供氣。而產品LNG則在0.4MPa、-138℃狀態下進入貯存系統貯存和裝車外運。
裝置于2007年11月1日正式開車試運行，開車運行一次成功，運行和考核證明：本裝置運行可靠，操作方便，能耗省，操作彈性大，適應性強。在供氣管道壓力波動大的情況下，裝置仍能正常運轉。為適應城市供氣的要求，裝置可在半負荷狀態下運行。在管道壓力正常、裝置處于設計工況下，液化率大于等于10%，每天液化天然氣產量可達9×104m3。
由此可知：在城市管網供氣中具有管道壓力差可以利用的場合，調峰型液化天然氣裝置選擇透平膨脹機制冷循環最為合理，具有節能、環保的典型功效和投資省、運行成本低、經濟效益和社會效益高的特點。
4 對華東城市天然氣管網建設的建議
4.1 城市供氣管網特點
1) 天然氣輸配公司將油氣田采集的天然氣集中處理凈化后，通過壓縮機將天然氣升壓至4～10MPa，經輸氣主管線送到沿線各城市。在各城市的天然氣門站中，經調壓器等減壓裝置將天然氣分級降壓至2.5～4MPa后輸入城市輸配主干線，再根據不同區域用戶的使用壓力要求經區域調壓裝置再將天然氣壓力調至0.002～0.4MPa。
2) 各城市天然氣使用量都較大。蘇州市2008年計劃供應量為6×108m3，南京市為3.5×108m3，但供應量仍不能滿足城市飛速發展的需要。
3) 冬季、夏季用氣量相差大。以蘇州為例，夏季用氣量最少時僅120×104m3/d，而冬季用氣量大時可達240×104m3/d，冬夏季的峰谷差達到2倍。據統計北京的冬夏季峰谷差接近8倍。
4.2 LNG調峰建議
綜上所述可以看出，通過調壓裝置降壓大大浪費了能源，且降壓后氣體溫度降至0℃以下，會對建筑造成不良影響。城市供氣季節性調峰數量很大，單一靠天然氣輸配公司增加指標已經很難，利用管容調峰已無法滿足。為了保證城市正常供氣，建議有條件的城市門站建設與之相匹配的調峰型LNG裝置。該裝置利用輸氣主管線與城市輸配主管線之間的壓力差，采用透平膨脹機制冷工藝，除操作方便、適應性強外，更具有顯著的節能效果。
4.3 LNG冷能利用建議
海上液化天然氣由LNG運輸船卸至LNG接收站的貯罐內，供應客戶時一般用LNG泵增壓至所需壓力，并汽化為常溫氣體后進入管道輸送至所需地點。此過程可釋放大量冷能，回收這部分冷能，具有可觀的經濟效益和社會效益[3]。冷能利用主要有直接利用和間接利用兩種：
4.3.1 直接法
1) 利用LNG冷能發電(包括直接膨脹法、二冷媒體法、聯合法、混合媒體法、氣體動力循環法、燃氣輪機利用法)
2) 空氣分離
3) 冷凍倉庫
4) 制造液態二氧化碳
4.3.2 間接法
包括利用空氣分離后的液氮、液氧、液氬來進行低溫粉碎、拎凍干燥、水及污染物處理和速凍食品等。
華東地區由于經濟發展的需要，所需液氮、液氧、液氬數額巨大，盡管滬寧一帶空分液體設備眾多，但仍出現供應緊張的情況。由于氧氮沸點分別為-183℃和-196℃，空氣液化所需溫度較低。隨著溫度降低其消耗的電能將急劇增加，要求的功將快速增加，機械效率將很低。因此選擇利用LNG冷能的工藝過程應充分利用其-160℃的低溫。LNG冷能的利用建議首選空氣分離和液化。
常用的空氣分離法是將空氣液化，通過氟利昂冷凍機、透平膨脹機進行空氣的液化和分離，制成液態的氮氣、氧氣、氬氣等。而LNG冷熱能用于空氣分離則是通過循環氮氣的冷卻來實現(見圖2)。一般來說，生產10×104m3的液態氣體大約需要650×104kJ的冷卻能。利用LNG的冷熱能，循環氮氣壓縮機可小型化；因不需要冷凍機，建設費用也可相應減少；此外，LNG作為空氣分離裝置的預冷劑，生產液氬的空分裝置中，利用其冷能冷卻和液化由下塔抽出經過復熱的循環氮，可以省去氟利昂制冷機以及氮透平膨脹機組，使產品能耗平均降低0.5kwh/m3，裝置的投資費用可減少10%左右，生產成本降低20%～30%。
5 展望
由于能源緊缺和人們環保意識的不斷提高，利用城市天然氣管網壓力差來液化天然氣進行調峰、LNG中所蘊藏的冷熱能利用會越來越快地提到議事日程。一些較成熟的工藝裝置在投入實際運行。期待在不久的將來，LNG調峰和冷能的利用會更好地服務于社會，創造更多的財富。
參考文獻
[1] 錢建榮，顧金明，李克錦.如何解決蘇州天然氣管網供氣中的調峰問題[J].江蘇燃氣，2008(2)：25-27.
[2] 王志國，王竹筠，劉曉燕，等.天然氣深冷分離裝置的經濟分析模型及應用[J].石油與天然氣化工，2008，37(3)：182-185.
[3] 顧安忠，王坤.液化天然氣冷量利用技術及經濟分析[R].上海：上海交通大學制冷與低溫工程研究所，2002.
(本文作者：李克錦1 顧金明2 1.蘇州華峰液化天然氣有限公司；2.蘇州天然氣管網有限公司)
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