城市天然氣儲存和調峰問題研究

肖貴福 曹偉武 嚴 平

（1.上海理工大學能源動力工程學院，上海 200093；2.上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620）

城市天然氣主要用于工業企業、集中采暖、居民用戶和公共設施。工業企業主要是天然氣發電廠、化工、冶金等用戶，用氣負荷相對均衡；集中采暖的用氣量隨氣溫、氣候等情況而變化，用氣負荷變化明顯；居民用戶和公共設施隨著每天生活時段的不同形成明顯的波動。城市中一年四季不同月份、每月中不同日期、每日中不同時段的天然氣消費量變化都很大[1]，然而作為天然氣供應體系的上游，氣田產氣在一定時期內是穩定的，因為氣田超負荷生產易造成邊底水入侵，加速地層能量消耗，縮短穩產期等非常不利的后果[2]。可見天然氣供氣與用氣系統的負荷是不匹配的，而這種供氣和用氣的不匹配必然引起天然氣儲存和調峰問題，因此，了解城市天然氣儲存的形式進而研究城市天然氣調峰方法是十分必要的。

1 天然氣儲存形式

1.1 地下儲氣庫

地下儲氣庫是當今世界上主要的天然氣儲氣方式，在世界天然氣儲存設施總容量中，地下儲氣庫的容量占90%以上。地下儲氣庫利用天然地質構造建造而成，主要有以下四種形式：利用含水多孔地層儲氣、利用衰竭的油氣田儲氣、利用鹽礦層建造儲氣庫儲氣（鹽穴儲氣庫）和利用廢棄巖穴儲氣。迄今為止，全世界約有560多座地下儲氣庫，總容積約為5100億立方米，可以用于調峰的氣量約為2500億立方米，其中衰竭油氣田儲氣庫430座，含水層儲氣庫82座，鹽穴儲氣庫45座。從經濟方面看，以利用衰竭油氣田建造儲氣庫為最優選擇，其單位有效庫容量的投資約為含水層儲氣庫的 50%～75%、鹽穴儲氣庫的 30%，其運行費用約為含水層儲氣庫的60%～75%、鹽穴儲氣庫的20%[3]。

地下儲氣庫在夏季城市用氣低谷期將管道輸送的過剩天然氣注入儲氣庫, 當冬季用氣高峰期時再將庫里存儲的天然氣輸出, 來滿足用戶因季節變化引起的用氣波動需求。地下儲氣庫儲氣具有維護簡單、運行費用低、安全可靠、儲氣量大等優點；缺點是要求合適的地質構造、建設投資大、建設周期長。世界各國的運行經驗表明，衰竭油氣田和含水層儲氣庫適用于季節調峰，鹽穴儲氣庫由于具有快注快采、一年可周轉多次的優點，更適用于短期調峰，但總體來看，地下儲氣庫的天然氣主要用于滿足季節性調峰需要，以及用作供氣系統發生事故時的應急儲備和國家的戰略儲備。

在世界560多座地下儲氣庫中，美國有386座，占全世界總數的70%，加拿大有38座，俄羅斯有22座[4]。我國的地下儲氣庫建設起步較晚，上世紀70年代在大慶油田才萌生利用衰竭油氣田來建設氣庫的想法，真正開始研究地下儲氣庫是在90年代初。目前我國主要有大慶油田的喇嘛甸北塊、大港油田的大張坨、板876及板中北高點等幾座地下儲氣庫[5]，這幾座儲氣庫遠遠不能滿足我國經濟發展的需要。隨著我國經濟的不斷發展，各地區的用氣量不斷擴大，我國需要建立更多與長輸管網配套的大中型地下儲氣庫群以滿足調峰、應急和戰略儲備的需要。

1.2 地上儲氣罐儲氣

儲氣罐是地上儲氣的主要設備，由各種鋼制的儲罐構成，目前是我國城鎮天然氣儲氣的首選。按儲氣罐承受的壓力不同，儲氣罐可分為低壓儲氣罐和高壓儲氣罐兩大類。由于我國城鎮燃氣系統主要使用中高壓管網，因而從經濟方面考慮，我國主要采用高壓儲氣罐。高壓儲罐鋪設在地面上，需要占用大量土地,且儲氣罐的壓力較高,因自動控制及消防等輔助設施的要求需要經常檢查，運行管理比較復雜且造價高。按外形特點不同，儲氣罐可分為圓筒形罐和球形罐兩種，相對于圓筒形，球形儲氣罐具有受力均勻、相同容積下耗材較少等特點，但其制造工藝較復雜，對技術和材料屬性要求更高[6]。

建成儲氣罐群后，在用氣高峰時，管網天然氣供氣量小于需求量，則將儲氣罐內儲存的天然氣輸入管網，天然氣的供應量增加，達到供需平衡；在用氣低谷時，管網天然氣供氣量大于需求量，則將管網中多余的天然氣輸入儲氣罐內，以備高峰時使用。由于儲氣罐容量相對較小，所以儲氣罐主要用于城市配氣系統的日或小時調峰供氣。

1.3 管道儲氣

（1）輸氣管道末段儲氣

輸氣管道末段儲氣是指利用最后一座壓氣站到城市門站之間的管道末段儲存天然氣或選用一定直徑的若干管束埋于地下形成儲氣設施。顯然管道末段的起、終點壓力決定了末段儲氣能力的強弱，管道末段儲氣能力越大，越有利于調峰[7]。管道儲氣設施與球形儲氣罐相比，具有運行壓力高，埋地更安全，建造費用低等特點，管道儲氣設施的占地面積較大，可儲氣量卻相對較小，這是導致目前世界上已建造并投入使用的管道末段儲氣較少的主要原因。輸氣管道末段儲氣往往用作城鎮的日或小時調峰用氣[8]。

（2）城市高壓管網儲氣

城市輸氣管道自身具有一定的容積，在輸氣過程中，由于壓力原因，管存量是不可忽視的。當上游氣源中斷或設備發生故障時，可以利用城市管道里的余壓來驅動天然氣分輸到用戶。其優點是調峰方式簡單，易操作，缺點是管道儲氣量有限，調峰時間短。由于城市燃氣管網系統的管徑及設備均以月最大小時流量為設計依據，因此管網輸氣能力富余量非常大，有利于解決小時調峰問題，并且利用城市高壓管網調峰有利于接收不同氣源的天然氣，平衡輸氣系統工況。城市高壓管網儲氣與長輸管道末段儲氣的原理相似，但前者比后者更接近用戶，能夠更及時快捷地響應用氣的波動。城市高壓管網也適用于城鎮的日或小時調峰用氣。

1.4 LNG儲氣

液化天然氣(liguefied natural gas，簡稱LNG)是將天然氣經過凈化處理后液化成 LNG，便于儲存和遠距離運輸。目前，LNG 已成為無法使用管輸供氣區域的主要氣源或過渡氣源，也是許多使用管輸天然氣供氣城市的補充氣源和調峰應急氣源，儲存LNG是我國各大城市為保障天然氣日常供應的非常重要的儲氣方式。

LNG調峰站的調峰方式是：在城市天然氣用氣高峰時開始工作，啟動LNG氣化器，將LNG氣化后送入管網；在城市天然氣用氣低谷時，LNG調峰站停止供氣，管網的富裕天然氣進入液化站，液化后進入LNG調峰站，調峰站也可通過其他途徑補充LNG。LNG儲氣調峰與傳統的高壓儲氣罐調峰有較大的區別[9]。LNG氣源靈活性強、可調能力大、可靠性好，而且資源來源多元化，不僅適用季節調峰、也適用于日或小時調峰，并且可以根據供氣調峰和應急供氣的需要建立LNG調峰站，但LNG調峰涉及到LNG運輸船、接收站、運輸車和氣化裝置等一系列其他技術裝備，需要投入較大的資金和技術力量進行研究開發。

目前，美國擁有113座LNG設施，其中包括5座LNG海上終端，57座調峰型LNG裝置、39座LNG儲存裝置和12座LNG終端利用裝置。我國由于早期缺乏資金和技術，在 LNG儲氣調峰方面起步比較晚，近幾年隨著經濟的快速增長，天然氣消費量迅速上升，LNG運輸與儲存大量出現，我國正逐步吸收國外在LNG儲氣調峰方面的經驗，已經取得了較大的進步。北京、上海、哈爾濱、廣州和武漢等城市都建立了LNG儲存調峰基地，沿海蘇州、深圳等城市也建立了LNG接收站、氣化站等配套設施，相信不久的將來，我國許多大城市會多增加一種天然氣儲氣方式，以保障天然氣的供應。

綜上所述，天然氣儲存形式的各有特點：地下儲氣庫儲氣容量大，安全可靠性高，適用于季節性調峰，必要時可用LNG終端作補充；高壓管道和儲氣罐輸氣調節靈活、操作簡便，是目前解決城市燃氣日或小時調峰的主要方式。對于月高峰用氣量大的城市，應大力發展LNG儲氣、洞穴儲氣等可以快采快注且外輸量相對較大的方式，與季節型儲氣庫聯合起來滿足要求；對于城市時調峰，應主要依靠日調峰設施及管道末端儲氣、城市高壓管網儲氣等方式共同完成。

2 城市天然氣調峰的新問題

2.1 天然氣需求量大、增長快

隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提高，生產和生活用電用氣量迅速增長，尤其是我國許多城市正用綠色安全的天然氣逐步取代城市煤氣以降低污染，因此，我國天然氣的需求量非常大，增長也非常快。以上海為例，2009年全年天然氣用量將近33億立方米，2010年為45億立方米，2011年增至70億立方米，天然氣供應量平均每年增長20%，供應總量和增長速度均直線上升。根據上海市燃氣發展“十二五”規劃，至 2014底，上海天然氣市場規模將達到 100億立方米。又如蘇州市2008年天然氣供應量為6億立方米，南京市為3.5億立方米[10]，但我國天然氣供應量遠不能滿足城市飛速發展的需要[11]。

2.2 天然氣調峰能力滯后

目前多數城市儲存天然氣的主要方式是采用儲氣罐和管道儲氣，而建設儲氣罐和高壓管道需要投入較多的資金和技術，因此，我國城市天然氣調峰設施發展緩慢，調峰能力不足，這也是我國局部地區冬季易出現用氣緊張的主要原因，嚴重的地區甚至會發生“氣荒”。2010年，上海天然氣消費結構中，電力、化工、冶金等大用戶用氣量約占天然氣消費總量的44%，居民（含中小工商業）用氣約占52%，用氣特性與電力同步，呈現夏、冬雙高峰，氣電平衡矛盾突出，因此天然氣調峰量大，調峰要求高。據估計到2020年，上海用氣高峰月需要的日調峰量將達到1500萬立方米，而目前上海的調峰能力僅為180萬立方米，存在很大的缺口。此外不少城市冬、夏季用氣量相差大[12]，以蘇州為例，夏季用氣量最少時每天僅120萬立方米，而冬季用氣量大時每天可達240萬立方米，冬、夏季的峰谷差達到2倍；北京的冬、夏季用氣量的峰谷差接近8倍，這都給調峰帶來較大的壓力。

2.3 天然氣儲存與調峰方式單一

我國許多城市天然氣儲存和調峰方式單一，這與我國東西部的經濟發展不均衡、天然氣資源分布不均衡有密切的關系。由于我國的大型氣田集中在西部，而消費地集中在東部，東、西部之間通過一條長達數千公里的天然氣主干管網輸送，如此長距離的天然氣管網，沿途經過很多城市，而各個城市之間又有供氣優先權，往往會先保證大城市供應，因此供氣會出現尷尬的局面，由于缺乏資金和技術力量，一些城市沒有實力建立高壓儲氣罐和LNG儲氣設施，天然氣儲存和調峰方式就比較單一。如寶雞市現有供氣氣源唯有陜北靖邊氣田，可是陜北靖邊氣田供氣包括北京、天津和西安等大城市，當供氣緊張時氣源方首先保證北京的供氣，然后是天津、西安等城市，寶雞市的供氣會處于一種很尷尬的局面[13]。又如我國西氣東輸工程供應著沿線許多城市的天然氣，西安、洛陽、南京和上海等城市的天然氣供應均依靠西氣東輸主干管道，每年冬季寒潮來襲，天然氣需求急劇增加，許多城市沒有額外的天然氣供應措施，易面臨“氣荒”的考驗。

3 應對措施

3.1 上游氣田在安全的前提下盡量提高產量

天然氣是我國能源市場中最具開發潛力的能源之一，應當投入資金和技術在開采方法上進行研究和創新，不斷提高天然氣開采效率，進而提高天然氣的產量。我國許多城市天然氣需求總量呈階梯形增長，增長速度非常快，只有通過提高上游氣田的天然氣產量，天然氣用戶的需求才能滿足，才可能通過天然氣的儲備設施，如地下儲氣庫、儲氣罐等，把多余的天然氣儲存起來，用作調峰儲備。

3.2 建立多元化的天然氣儲備設施，提高調峰能力

為保證供氣的經濟、安全，應根據城市自身情況因地制宜發展各種調峰設施，上游氣田輸送的天然氣在供氣充足時輸入城市各種天然氣儲備設施，在供氣緊張時輸出，保障城市天然氣的供應，提高城市天然氣的調峰能力。對于建設地下儲氣庫不應局限于衰竭油氣田、鹽穴庫，還應積極考慮含水層、人造洞穴等形式；對于環保安全的LNG儲氣調峰方式，應給予充分重視，利用LNG儲氣的優勢，適度建立LNG儲氣設施[14]。

3.3 節能、高效地利用天然氣

城市天然氣用作民用燃料和鍋爐燃料，解決了環境保護問題，但其熱能利用效率不高，是不經濟的天然氣利用方式。雖然目前供居民日常生活的天然氣不得不使用，但隨著電磁爐的普及，天然氣爐灶將逐步被代替。更重要的事工業性用氣的充分利用，如燃氣蒸汽聯合循環，將天然氣燃燒產生高溫煙氣，先進入燃氣輪機發電，然后再加熱余熱鍋爐產生高壓蒸汽，用作蒸汽輪機發電，形成燃氣輪機和蒸汽輪機聯合發電，兩者效率總和可達 60%以上，如果將余熱鍋爐排煙的熱能回收制冷，能量利用效率會更高[15]。開發高效、節能的天然氣利用方式，是保障我國能源供應的重要組成部分。

3.4 積極利用經濟杠桿，采取合理價格，提高天然氣儲氣能力

我國城市儲存天然氣的主要方式是利用儲氣罐儲氣和管道儲氣，建立天然氣儲備設施需要投入較多的資金和技術力量，導致下游對建立天然氣儲備的積極性不高，應利用經濟杠桿，采取合理價格，促進下游天然氣儲備設施的發展。以美國為例，美國冬季氣價是夏季天然氣價格的三倍，燃氣銷售商可以通過天然氣儲備實現套利，在這種“峰谷氣價”的設置下，下游對建立天然氣儲備設施積極性將大幅度提高。因此我國應該改革天然氣的定價機制，提高下游建立天然氣儲氣設施的積極性，進而提高我國許多城市的天然氣調峰能力，減少部分地區用氣緊張局面的發生。

3.5 采購LNG，開發國際氣田

我國是天然氣資源緊缺的國家，但天然氣用量缺迅速上升，因此引進天然氣是必然途徑。我國從俄羅斯、中東各國引進天然氣，從東南亞引進 LNG，在中東投資開發石油天然氣資源以解決國內天然氣供氣不足的困境，以此同時，我國應不斷研究相關設施和技術，如LNG運輸船、LNG運輸車、LNG儲存罐、LNG氣化器等。近年來，隨著世界天然氣產業的迅猛發展，LNG已成為國際天然氣貿易的重要部分，到2020年，全球LNG貿易量將達天然氣總貿易量的40%。世界LNG應用技術的發展經歷了六十多年的歷史，形成了從液化、儲存、運輸、氣化到終端利用的一整套完整的工藝技術和裝備，技術水平非常成熟。我國天然氣資源滿足不了我國旺盛的天然氣需求，因此采購世界各地的天然氣資源，開發國際氣田，對于保障我國天然氣供應是十分必要的。

3.6 建立區域天然氣主干管網，進而構建全國天然氣主干管網

為了保障天然氣供應，必須規劃建設科學、高效的輸配管網。目前長三角地區正在構建區域天然氣主干管網，把上海天然氣主干管網向北延伸，與江蘇的管網相連，向西南延伸與浙江的管網相通，盤活長江三角洲的天然氣主干管網資源，以便在事故工況下，互通有無，互惠互利，提高區域供氣安全性；象冀寧聯絡線工程把國內兩條最大的輸氣管道——西氣東輸管道和陜氣進京管道連接起來，還能向華東、華北地區供氣，形成靖邊、南京、河北區域天然氣供應管網[16]。這種局域性天然氣供應管網對保障城市天然氣供應安全具有很強的作用。

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