天然气输送技术.pdf

天然气输送技术 西南石油学院 1 天然气粉道运行优化技术 1 . 1 天然气管道运行优化的概念 天然气管道运行优化是在管道系统结构和外部条件已定的情况下， 根据各时 间节点的气源供气条件和用户用气条件， 对管道系统的运行参数进行优化， 有效 地进行调度管理， 既满足气源条件和用户需求， 又使管道的运行费用最低， 达到 经济、 安全、 平稳输气之目的。 天然气管道系统的运行成本主要包括压缩机 站 的运行费用、管道的维护费用、工作人员的工资等等。其中， 压缩机 站的运 行成本中主要是指压缩机所消耗的燃气和电力成本。 天然气管道运行优化研究的 内容主要是压缩机 站的参数优化，压缩机的开/ 关组合以及其它一些工艺参 数的优化。 它和设计优化的根本区别是运行优化时管道结构己定， 而设计优化时 管道的结构是待定的。 1 . 2 天然气管道运行优化的签本原则 天然气管道运行优化的目标是总的压缩机运行费用最省， 包括压缩机的启动 费用、 燃料费用和亏损费用等。 其数学模型是一个混合整数非线性规划问 题， 其 约束条件包括一些等式约束和不等式约束。 该问 题的特点是非线性、 非连续、 带 整数变量，由于涉及压缩机的选择， 因此是一个组合优化问题。 对于组合优化问 题， 随着问 题规模的扩大， 其求解的难度与计算时间也逐渐增加。 用穷举法寻优 在实际操作中基本上是不现实的，因此，目 前都采用一些优化算法来进行求解。 如遗传算法、 模拟退火、 动态规划、 混合整数线性规划、 混合整数非线性规划等。 由于问 题的复杂性和实际问 题的工程特点， 因此， 天然气管道运行优化的基本原 则就是 1 根据具体情况建立合适的数学模型，选择适宜的优化目 标，并恰当地考 虑约束条件 2 优化的方法在现有技术条件下要能够在许可时间范围内易于求得最优解 或满意解; 3 优化后得到的结果必须是在工程上能够有效实施的。 1 . 3 天然气.道运行优化招解决的技术问 魔 目 前，天然气管道运行优化需解决的技术问题主要有压气站组合方案;压 缩机的运行参数; 管道和储气库的储气与调峰; 特殊工况下压力越站、 备用机组 启用等。从计算的复杂性理论来看，压缩机站优化问题属于 N P - c o m p l e t e N o n - d e t e r m i n i s t i c p o l y n o m i a l t i m e c o m p l e t e 问 题。 在天然气管道运行优化中， 除了压气站的运行优化比 较困难外， 管道和储气 库的优化也是一大难点。目 前研究较多的都是稳态优化， 瞬态优化相对较少。 在 瞬态优化时通常按照一定时间间隔分段进行研究， 在各个时间段内用稳态优化的 方法进行处理。 此外， 在一些特殊工况下还需要考虑压力越站， 这也是需要解决 的一个技术问题。 从下面各国对天然气管道运行优化的研究状况中也可以看出目 前的技术现 状。 在2 0 世纪8 0 年代，国外对天然气管道的运行优化进行大量的 研究， 但限于 当时的计算条件， 其优化的程度比较有限， 采用的方法多为数学规划类算法， 并 开始应用遗传算法来解决问题。 1 9 8 7 年， P e r c e l l 和R y a n , W i l s o n 等人、 A n g l a r d和D a v i d 都对天然气管 道的稳态优化进行了 研究。 W i l s o n等人还利用线性化技术将稳态优化问题简化 成一个线性规划的问题，而O s i a d a c z和B e l l 1 9 8 8 没有对问题进行线性化 简化， 直接考虑为非线性约束的非线性问题， 并采用了一种 “ 监控技术” 进行线 性搜索。 M a n t r i等人 1 9 8 7 研究了瞬态天然气管道系统的优化，其目 标是使 得各时间段输送天然气的费 用最小。 D u p o n t 和R a c h f o r d 1 9 8 7 研究了 随着时 间的变化， 用户需求也在变化的情况。 M a n t r i 等人与L u o n g o 等人 1 9 8 9 在研 究压缩机的开/ 关问题时都采用了动态规划技术。 M a r q u e s 1 9 8 5 则在动态仿真 器G A N E S I 基础上， 提出了一种通用的线优化方案。 此外， G o l d b e r g D a v i d E 1 9 8 5 还尝试了用遗传算法来优化控制天然气管道的运行。 在2 0 世纪9 0 年代， 随着计算条件的改善， 对天然气管道运行优化的 研究也 越来越多。 这一时期的研究内容繁多， 不仅有对各种算法的研究， 还对如何提高 优化的速度进行了研究; 既有研究稳态优化的， 也有研究瞬态优化的。 如W i l l i a m R . k a y 1 9 9 2 研究了天然气管网稳态时的最优运行压力值，并使得燃料费用最 少。 F u r e y 1 9 9 3 , O s i a d a c z 和S w i e r c z e w s k i 1 9 9 4 都 研究了 天然气管网的 动态优化控制技术。 澳大利亚的E r w i n S e k i r n j a k 1 9 9 6 在O M V 的天然气集输 系统中也进行了 稳态优化， 其采用的方法为序列线性规划。 J . O s i a d a c z A n d r z e j 1 9 9 8 将分级理论应用到天然气管网的不稳定流动中。T - P A z e v e d o P e r d i c o } 1 i s等 1 9 9 9 提出 一种两级方法，从空间和时间上对问 题进行分解，以 简化 问题。K i m 1 9 9 9 在研究稳态优化时，提出了一种近似算法，以快速求解复杂 网络。I a n C a m e r o n 1 9 9 9 则提出了一套天然气管道的稳态和瞬态模拟模型， 该模型可以同时处理稳态和瞬态问题。 在压缩机 站的相关研究中，F r a n k W L e t n i o w s k i 1 9 9 3 指出压缩机站 数学模型对整个输气管网的影响， 主要是作为管网模型的边界条件或者管网水力 方程的附加约束条件。T o m d J e n i c e k等人 1 9 9 5 指出在对压缩机站的局部稳 态优化时，可采取在线优化和基于模拟模型的离线优化两种方式。R i c h a r d G . C a r t e r 1 9 9 6 研究了一类比 较符合实际情况的有限非线性压缩机模型， 并可以 计算出精确解。 有些环境可以直接采用启发式方法来接近优化解， 这种情况可以 达到3 0 或更多的次优化。 M i c h a e l B r y a n t 1 9 9 7 在弗罗里达天然气输送 F G T 模拟工程项目中指出如果模型不能包含压缩机站绝大部分实际的功能性， 那么这 个模型就没有多大的实用性。 E . A n d r e w B o y d , R o g e r Z . R i o s - M e r c a d o 1 9 9 8 指出， 压缩机站优化的目 标函数往往是非凸、 非线性的， 约束条件中也有非线性 等式或不等式约束。 在天然气管道运行优化的研究中，既有研究优化算法的，也有研究其它优化 技术的，包括各种传统方法和现代的一些技术如专家系统等等。 R . G . C a r t e r 等 1 9 9 3 建议对系统进行细分，对不同级别的管网结构采用不同的求解方法。 A n d r z e j L e w a n d o w s k i 1 9 9 3 指出 采用并行计算技术有利于改善仿真模型的 特 性。 D a v i d C S h a w 1 9 9 4 建议在优化问 题研究中， 必须进行工程评价。 E . A n d r e w B o y d等人 1 9 9 7 研究了一个评价优化算法性能的边界程序法。J . J e l e n , H . G o l s h a n 1 9 9 8 指出 流体流动参数的精确性深刻地影响管道仿真过程。 A n d r z e j O s i a d a c z等人 1 9 9 8 对天然气管网中等温和非等温不稳定气体流动进行了比 较分析。S h a u n W r i g h t 等人 1 9 9 8 对管道运行优化的几种算法 包括M I L P , M I N L P , G A 和S A 等进行了分析和比较。R i c h a r d G . C a r t e r 1 9 9 8 介绍了动 态规t 11i 算法在输气管道中的 应用。 S t . L o u i s , M i s s o u r i 1 9 9 9 介绍了 哥伦比 亚气天然气输送公司控制的美国东北部的一条长1 2 , 5 0 0 英里的天然气管道运行 状况。 W o r t h i n g t o n 等人 1 9 9 9 探讨了 在天然气管道的运行中由于压缩机的能 耗而产生的边际成本对管道运行和经济效应的影响。S u m i n g W u 等 1 9 9 9 在研 究稳态天然气管网的压缩机燃料消耗最省的问题中， 根据实际管网的具体结构特 征， 提出了 一种网 络简化技术， 可降 低问 题的复杂度。 C h i - K i S u n 等人 1 9 9 7 将模糊专家系统用于优化天然气管道的运行。 V a r a n o n 等人 1 9 9 9 研究的一种 混合智能系统可作为决策支持工具来帮助天然气管道调度员更好地运行管道。 A n d e r s 1 9 9 9 介绍了专家系统在田纳西州天然气管道上的应用。 此外，还有其它一些相关研究。7 . ‘ V o s t r y 等人 1 9 9 4 在研究天然气输送 的优化控制问题时，不仅考虑了长期优化控制，还考虑了短期的优化控制。 M i c h e l l e C o o k , B e t h E d m o n d s 1 9 9 6 采用可变状态模拟技术对储气库进行优 化。 L a i r d等人将集成模拟和S C A D A 系统重现不稳定历史数据的技术应用于位于 加拿大中南部的温尼伯湖的一个天然气输送公司的实际运行中。 R . K u r z , K b r u n 1 9 9 8 指出燃气轮机驱动压缩机组的现场试验会带来测量的不确定性。 L a w r e n c 。 等 1 9 9 9 介绍了 美国P r a x a i r公司在其天然气管网中应用闭环控制 技术的经验。 在 2 1 世纪初叶， 针对天然气管道运行优化的复杂性， 人们研究了 一些简化 技术以降低求解的难度。此外，还继续研究了专家系统的应用技术。 2 0 0 0 年， G a n e s h 对压缩机的选择进行了研究。 S u m i n g W u 等人研究了稳态优 化。 C h i K i S u n等人介绍了一个含有专家系统和数学模型在内的综合决策支持 系统的开发经验。V . U r a i k u l a等人也将专家系统技术用于优化天然气管道的运 行。 A n d e r s T . J o h n s o n 等人则将一个专家系统和管道模拟器结合在一起，以提 高天然气管道运行的 效率，降 低成本。 H e n r y H . R i c h f o r d 等人提出一种控制瞬. 态过程中管道容量的新算法。 M a r c o H o o g w e r f等人介绍了利用地下储气库调峰 来优化天然气管网系统G a s u n i e 运行的经验。C h r i s t i a n K e l l i n g 等人讨论了 针 对技术约束和合同规定进行技术性瞬态优化的问题。B i l l B r o o k s b a n k 等人论述 了 如何将输气管道控制与管理、 环境意识和市场观念相结合的问 题。S u m i n g W u 等人利用图形技术开发了一项网络简化技术。 R o g e r等也对管网简化技术进行了 研究。S a m讨论了如何使预测器自 动回答天然气管道日常运行时的一些问题。 S u s a n B a c h m a n 提出了一个在管道模拟中需要实际面对的问 题在各种模型和需 要的条件中，是否越精确越好并做了回答。英国的T o n y 研究了如何预测天然 气的短期需求的一些问题，并介绍了一些用于天然气需求预测的方法。 R . G . C a r t e r等从数学角度研究了 噪声 优化的一些算法， 并将这些算法应用在天 然气管道的优化运行上。 S e o n g b a e 等提出了一种启发式方法用于求解稳态优化。 2 0 0 1 年， R i c h a r d C a r t e r等人回 顾了 在天然气管道 网 优化运行研究中 由于计算和数学方法的进步而取得的一些成果及目 前的研究存在的一些问题。 M i c h a e l L . W h e e l e r 和 R a y S . W h a l e y 开 发了 一套启 发式规 则用于 在 模型中自 动控制压缩和储气设施的模拟， 以模仿天然气管理员的方式来运行德克萨斯州东 部管道。R i o s - M e r c a d 。等人研究了环状天然气管网稳态的燃料费用最省问题。 U l l i P i e t s c h等研究了一种管道瞬态优化数学模型在一条新建的管道 V e c t o r 管道 上的应用情况。 韩国的S e u n g y o n g C h a n g 针对其国内天然气输送的实际情 况，开发了一套适应韩国国 情的优化程序 G N A P V e r s i o n 1 . 0 ， 可对复杂管网 中的 不稳定气体流动进行分析。 P a u l 等介绍了W i l l i a m s G a s P i p e l i n 。 公司的 天然气负荷预测系统 L F S o J e r r y 和J a s o n 博士比较了管道流动模型中的瞬态 模型和S S S S u c c e s s i o n - o f - S t e a d y 模型在不同 情况和不同目 的下的适应性。 L e o R o b l e s介绍了墨西哥的第一条私人拥有的天然气管道 E n e r g i a M a y a k a n上 运行模拟系统的经验。D o n a l d讨论了管道中可压缩流体特别是天然气的流动方 程及其在天然气工业中的应用。 李波用两级递阶优化方法研究了 管网输配气运行 方案的优化问 题。 唐建峰等研究了天然气管道末段储气能力的问 题， 其建立的模 型是稳态流动。 2 0 0 2 年， N 6 s t o r M a r t i n e z - R o m e r 。 等人讨论了 天然气 管网 优化 运行方 程的 敏感性分析， 以及基于S t o n e r 方法的G a s N e t 软件在求解方程组中的一些技术问 题。 D i a n a C o b o s - Z a l e t a 和R o g e r Z . R i o s - M e r c a d 。 讨 论了 一 类 天 然气 管网 的 燃料耗费最小的优化问题。V i l l a l o b o s等提出用简单易处理的近似函数来代替 真实的成本函数。 1 . 4 天然气份道运行优化技术思路 1 . 4 . 1 稳态工况下天然气管道运行优化 1 根据管道结构建立稳态工况下的天然气管道运行费用最省的目 标函数 2 确定并分析约束条件。可按等式约束和不等式约束、线性和非线性约束 进行研究; 3 算法筛选研究及求解。根据具体模型的特点，选择研究一种最适合的算 法来求解; 4 验证结果的合理性。 可用T G K E T / S T O K E R 软件和优化计算中相同的原始参 数，核算输气管道的运行状态和运行参数。 1 . 4 . 2 非稳态工况下天然气管道运行优化 在非稳态工况下可在稳态的基础上考虑流量随时间的变化， 根据其波动特点 按照一定时间间隔划分成多个时间段， 在每个时间段内管道内流动状况视为稳态 流动，并用稳态优化的方法进行求解。 1 ， 4 . 3 天然气份道运行优化控制技术 天然气管道运行优化控制技术分离线和在线两种。 离线控制技术需要对管道进行数据检测， 然后在室内通过运行优化软件进行 计算， 得出优化后的天然气运行操作参数， 再通过人工或其它方式反馈到系统中 去。 一般， 各国在天然气管道运行优化技术的研究初期， 都采用了离线控制技术。 在线控制技术是天然气管道伴随建设了一套自 动控制系统，如S C A D A 系统， 在管道运行的全过程中实施了一定步长的数据采集、 传输、 处理和控制程序， 管 输天然气的状态参数和流动参数一旦发生变化， 系统将实时做出相应的反应， 达 到优化运行的目的。 无论是在线控制还是离线控制， 都要求数据采集仪器仪表精度高、 灵敏度高， 同时，要求操作人员具有较高的专业水平和能力。 1 . 5 天然气甘道运行优化技术实际应用状况 下面是部分管道系统利用运行优化技术后的一些实际效果。 澳大利亚石油天然气公司O M V的天然气集输系统，在 1 9 7 1- 1 9 7 3 年间采用 纯线性规划 L P 和混合整数规划 M I P 进行优化。当时的计算条件在计算 5 个离散变量时需要一个小时。经过优化器的优化后，系统中燃料天然气可节约 5 -3 0 。弗罗里达天然气输送管网系统长约 8 5 0 k m , 2 2 0 6 5 k W的输送 功率，日 送气量约 1 6 7 4 4 M 3 / d 。 这条输气管道不象北美地区其它的输气管道， 该系统送气高峰在夏季。1 9 9 7年，该系统用优化技术对运行进行了优化，结果 表明能更好地操作管道，同时还能兼顾天然气输送公司和顾客的利益。 德州东部输气公司 T e x a s E a s t e r n T r a n s m i s s i o n C o r p o r a t i o n , 简称T E T C O 的管道系统大约有近 1 5 6 1 k m 长的管道，包括7 4 个压缩机站。该系统从靠近麦 卡伦 德州南部的一个城市的墨西哥边界，延伸到纽约州的S t a t e n岛。1 9 9 8 年的研究表明，在 T E T C O的管道系统中 采用运行优化技术后，每年要节约 3 0 0 万美元的费用。 而采用同样的技术， 在美国C G T C o l u m b i a G u l f T r a n s m i s s i o n 的管道上每年则要节约4 0 0 万美元。 1 9 9 7. 1 9 9 8年， C o l u m b i a ’ G a s T r a n s m i s s i o n C o r p o r a t i o n T C O 研究的 运行优化技术在其管道上成功应用，结果使得压缩机的燃料消耗降低了 1 3 , 相当于每年节省了大约6 0 0 万美元， 同时由于减少了压缩机的维护， 间接地节省 了3 4 万美元的开销。 1 9 9 8 年夏季 C N G T r a n s m i s s i o n公司在T L - 4 0 0 管道上使用了优化器，结果 表明运行效果良 好， 并节约了压缩机站所消耗的燃气量。 在其中一压气站上燃气 消耗节省了7 . 6 8 ，而在另外两个压气站上则分别节省了1 8 . 7 8 和1 3 . 3 3 . 1 . 6 天然气管道运行优化的技术难点和发展方向 从前面的论述中， 可以看出天然气管道系统运行优化研究的难点和发展方向 为 1 适合各种工况的运行优化模型; 2 优化方法研究; 3 复杂天然气管道系统的工况模拟; 4 天然气管道系统复杂工况的处理方案，其中也包括瞬态优化的方案; 5 基于储气、调峰和气价变化的运行优化调度方案研究。 2 液化天然气 L N G 的翰送、接收与气化 2 . 1 L N G 的翰送方法 1 关于L N G 的运输，概括地说，分为陆上运输和海运; 2 陆上运输包括公路输送、铁路输送和管道输送; 3 L N G 的海运主要是使用L N G 船 油轮 进行运输。国外 如法国 和日 本 L N G 船的设计、制造、安全等已 有完整的 规范。 2 . 2 液化天然气的接收与气化 L N G 接收站的主要功能有是 L N G 接收、 储存和气化。 L N G 接收站通常包括码 头和接收站二部分。因L N G 运输船进港时， 常用驳船拖入和系泊，因此， 码头的 选择应充分考虑当地的海流、 波浪、 风速、 雷暴及雨雾等情况， 应保证作业的顺 利实施。L N G 运输船要求在 1 2 h内卸空，在泊位上的时间为2 4 h o L N G 接受终 端工艺方案可分为直接输出式和再冷凝式两种， 主要区别在于根据终端用户压力 要求不同，在流程中是否设有再冷凝器等设备。 L N G 接受终端一般由L N G 卸船、 储存、 再气化/ 外输、 蒸发气处理、 防真空补 气和火炬/ 放空 6部分工艺系统 有的终端还有冷量利用系统 组成。L N G的卸船 系统由 卸料臂、卸船管道、 蒸发气回流臂、L N G 取样器、蒸发气回流管道及L N G 循环保冷管道组成。 L N G 运输船靠泊码头后， 经码头上卸料臂将船上L N G 输出管 道与岸上卸船管道连接起来， 由船上储罐内的输送泵 潜液泵 将L N G 输送到终端 的储罐内。 随着L N G 不断输出， 船上储罐内气相压力逐渐下降， 为维持其值一定， 将岸上储罐内一部分蒸发气加压后经回流管道及回流臂送至船上储罐内。 L N G 卸 船管道一般采用双母管式设计。 卸船时两根母管同时工作， 各承担5 0 的输送量。 当一根母管出现故障时， 另一根母管仍可工作， 不致使卸船中断。 在非卸船期间， 双母管可使卸船管道构成一个循环，便于对母管进行循环保冷， 使其保持低温， 减少因管道漏热使 L N G蒸发量增加。通常，由岸上储罐输送泵出口分出一部分 L N G 来冷却需保冷的管道，再经循环保冷管道返回罐内。 每次卸船前还需用船上 L N G 对卸料臂等预冷，预冷完毕后再将卸船量逐步增加至正常输量。 卸船管道上配有取样器， 在每次卸船前取样并分析L N G 的组成、 密度及热值。 L N G的储存系统由低温储罐、附属管道及控制仪表组成。L N G低温储罐采用 绝热保冷设计。 由于有外界热量或其它能量导入， 例如储罐绝热层、 附属管件等 的漏热、储罐内 压力变化及输送泵的散热等，故会引起储罐内少量L N G 的蒸发。 正常运行时，罐内L N G的日蒸发率约为 0 . 0 6 -0 . 0 8 。卸船时，由于船上储罐 内输送泵运行时散热、 船上储罐与终端储罐的压差、 卸料臂漏热及L N G 液体与 蒸 发气的置换等， 蒸发气量可数倍增加。 为了最大程度减少卸船时的蒸发气量， 应 尽量提高此时储罐内的压力。 蒸发气中含有更多的易挥发成分，如N , C H 」 等。 例如，当L N G中N z 含量约 1 m o l 时，蒸发气中N _ 含量可达 2 0 ，故其热值远低于终端外输气。 通常， 可 采用向蒸发气中加入丙烷或与外输气混合的方式以满足用户对这种燃料气的热 值要求。一般说来，接收终端至少应有2 个等容积的储罐。 L N G的再气化与外输系统包括 L N G储罐内输送泵 潜液泵 、储罐外低/ 高压 外输泵、 开架式水淋蒸发器、 浸没燃烧式蒸发器及计量设施等。 储罐内L N G 经罐 内输送泵加压后进入再冷凝器， 使来自 储罐顶部的蒸发气液化。 从再冷凝器中流 出的L N G 可根据不同用户要求， 分别加压至不同压力。 高压水淋蒸发器也配有浸 没燃烧式蒸发器备用。 再气化后的高、 低压天然气 外输气 经计量设施分别计量 后输往用户。 为保证罐内输送泵、罐外低压和高压外输泵正常运行， 泵出口均设有回流管 道。当L N G 输送量变化时，可利用回流管道调节流量。 在停止输出时， 可利用回 流管道打循环，以保证泵处于低温状态。 蒸发气处理系统包括蒸发气冷却器、 分液罐、 压缩机及再冷凝器等。 此系统 应保证L N G 储罐在一定压力范围内正常工作。储罐的压力取决于罐内气相 蒸发 气 的压力。当储罐处于不同工作状态，其蒸发气量均有较大差别，如不适当处 理， 就无法控制气相压力。 因此， 储罐中应设置压力开关，并分别设定几个等级 的超压值及欠压值， 当压力超过或低于各级设定值时， 蒸发气处理系统按照压力 开关进行相应动作，以控制储罐气相压力。 在低温下运行的蒸发气压缩机，对入口温度通常有一定限制。 往复式压缩机 一般要求为一 8 0 - 1 6 0 0C ,离心式压缩机为一 1 2 0 -- 1 6 0 C。为保证入口 温度不超 限 主要是防止超过上限 ， 故要求在压缩机入口设蒸发气冷却器， 利用L N G 的冷 量保证入口 温度低于上限。 为防止L N G 储罐在运行中产生真空， 在流程中配有防真空补气系统。 补气的 气源通常为蒸发器出口管汇引出的天然气。 有些储罐也采取安全阀直接连通大气 的做法， 当储罐产生真空时， 大气可直接由阀 进入罐内 补气。 当L N G 储罐内气相 空间超压， 蒸发气压缩机不能控制且压力超过泄放阀设定值时， 罐内多余蒸发气 将通过泄放阀进入火炬中烧掉。 当发生诸如翻滚现象等事故时， 大量气体不能及 时烧掉，则必须采取放空措施排泄。 2 . 3 L N G接收与气化技术的发展方向 为了充分利用国际国内两种资源，我国已经制订了大规模进口国外天然气、 特别是沿海地区L N G 的进口计划。 由此需对L N G 的接收与气化方面展开如下研究 1 L N G 进出口 相关贸易法规及规范的制定; 2 L N G 接收工艺技术的研究; 3 L N G的 液化技术研究; 4 L N G相关的低温材料及设备的研制; 5 L N G冷量的综合利用技术的研究; 6 L N G气化技术及其相关设备的研制; 7 L N G 系统与城市配气系统以及长距离输气干线系统的统一调度技术。 3 城市天然气的调峰技术 在输气管道的实际运行中，由于气田生产工况和下游用户工况的变化， 使得 输气管道的运行工况可能偏离设计工况。 对于一个设计合理的天然气输配系统来 说， 为了平衡供气和用气之间的这种固有矛盾， 常常需建设一定的储气设施，以 满足用气需求。 3 . 1 调峰方法概述 城市燃气用气量不断变化， 有月不均匀性、日 不均匀性和时不均匀性， 但气 源的供应量不可能完全按用气量的变化而随时改变，供气与用气经常发生不平 衡。 为了保证按用户的要求不间断的供气， 必须考虑生产与使用的平衡问题。 解 决用气和供气之间不平衡的称为调峰，调峰的途径有 1 改变气源的生产能力和设置机动气源; 2 利用缓冲用户和发挥调度的作用; 3 利用各种储气设施。 气体储存根据储存方式可分为 地下储存、储气罐储存、液态或固态储存以 及输气管道末段储存等。 3 . 2 长翰份道的储气与调峰能力 管道末段调峰是指当管输气量大于用户需求时， 将多余的气储存在管道末段 中 而当末站出口的气量小于用户需求时， 则不足的气由储存在管道末段的天然 气来补充。管道末段的储气与调峰能力取决于末段的储气量。 除了管道末段具有储气能力外， 其它管段实际上也具有储气能力。输气管道 其它各段起点压缩机的出口压力和进口压力也可以在一定的范围内波动，因此， 输气管道各中间站站间管道实际上也有一定的储气能力。 当各段管道 包括输气 管道末段 的起、 终点压力都达到各自的上限时， 整个输气管道具有最大的储气 能力。 对于一条已知的输气管道， 当考虑各站间输气管道的储气能力时可以有效的 增加系统本身的调峰能力。 输气管道的调峰储气能力需要根据用户的用气工况和输气管道的实际运行 工况， 通过输气管道系统的模拟来最终确定。 考虑输气管道各站间管道储气能力 的天然气管道系统对系统的监测和控制将提出更高的要求。 3 . 3 储气.与离压储气份束储气 各种储气设施的主要作用就是在用气量小于供气量时，将多余气体储存起 来， 以弥补用气量大于供气量时的不足。 储气罐与高压储气管束储气主要用于解 决小时用气不平衡。 根据储气压力.储气罐储气可分为低压储气和高压储气。 低压气罐的特点是它的储罐几何容积能在一定范围内变化。 在高压储气罐中燃气的储存原理与低压储气罐有所不同， 其几何容积固定不 变， 而是靠改变其中燃气的压力来改变其储气量的， 故称定容储罐。 高压管束储 气是将一组或几组钢管埋于地下， 对管内储存的天然气加以高压， 利用气体的可 压缩性及其在不同压力的压缩系数的不同进行储气。 高压管束实质上也是一种高 压储气罐。 3 . 4 3 . 4 . 1 地下储气库的季节性调峰 概述 地下储气库的容量大， 储气压力高，储气成本最低 要储存方式和手段。 在世界天然气储存设施总容量中 是当今世界天然气的主 地下储气库的容量占9 0 9 E 以上。 地下储气库的主要作用有 1 调节供气不均匀性; 2 提高供气的可靠性和连续性 3 能使输配气公司充分利用输配设施的能力，提高管道利用系数和输气效 率，保证输配气系统正常运转，降低输气成本和输气系统的投资费用; 4 在新的石油和凝析油开采区，能保存暂时不可利用的石油气;对老采油 区，有助于提高原油采收率; 5 能为国家和石油公司提供原料和燃料的战略储备。 3 . 4 . 2 地下储气库技术研究现状 1 9 1 5 年加拿大利用枯竭气藏建成世界上第一个地下储气库， 目 前全世界共建 成地下储气库5 0 0 多个，几乎全部集中 在工业发达国家。到上世纪9 0 年代末， 世界地下储气库的总容量己经达到 5 . 0 X 1 0 “ m 。在美国和加拿大，地下储气库 早已经成为天然气工业的基础设施，是冬季取暖用气的主要来源之一。 美国第一个地下储气库建于 1 9 1 6年，其大力发展地下储气库的时期是上世 纪7 0 - - 8 0 年代，到1 9 8 8 年，全国2 7 个州拥有地下储气库达到3 9 3 个，占世界 总数的8 0 左右。从上世纪9 0 年代到现在，美国又新建了 近5 0 个地下储气库， 使得其储气库总容量达到近2 . 5 X 1 0 “ m ‘ 的水平。地下储气库储存的天然气满足 了美国全年天然气总需求量的1 / 3 e 欧洲各国把地下储气库的建设作为天然气市场发展总规划的一个不可或缺 的部分。 为解决城市天然气季节性调峰的问题， 在输气干线沿线大城市附近建造 有容积大小不等的各种地下储气库。 近几年来， 欧洲各国都制定了发展地下储气 库的规划。 前苏联地下储气库的建设起步较晚， 但发展很快。从 1 9 5 8年建成第一个地 下储气库以来到上世纪末，俄国的地下储气库的有效储气量已经达到 5 . O X 1 0 0 5 . 5 X 1 0 0 m ‘ 的规模。 1 9 7 5 年我国建造了第一座地下储气库大庆喇嘛甸油田储气库。 该储气库 承担着大庆地区下游产业冬季补气供气任务。 2 0 0 0 年在天津市大港油田 建成了大张沱地下储气库。 该储气库位于天津市大 港区，距天津市约5 0 k m ，是我国自 行设计、兴建的国内第一座城市季节性调峰 地下储气库，2 0 0 0 年和2 0 0 1 年已成功建成的大张沱一期、二期 板8 7 6 储气 库工程， 库容量分别为1 7 . 8 X1 0 “ m 和4 . 6 5 X 1 0 m ，其运行结果均达到设计指 标，近两年已成功地为北京调峰供气。 2 0 世纪7 0 年代，国外开始应用数值模拟研究地下储气库从建造到整个注采 过程，美国、德国、丹麦、意大利等国家根据不同 类型储气库和不同流动过程、 地质地层以及气体种类的差异性， 提出了相应的数学模型， 为储气库的实际运行 提供了理论依据。 基本数学模型包括 三维气流模型、 三维气水置换模型、三维气体混合模型 和二维气油混合模型。 1 9 7 5 年意大利在利用明勒比奥枯竭气田建造地下储气库时， 在储气库设计阶 段，采用了三维气流数学模型。 2 0 世纪8 0 年代，法国一家公司在利用含水层建立地下储气库时，采用三维 气水置换模型模拟了在该含水层各点上储气库压力的变化情况。 2 0 世纪9 0 年代，从经济分析的角度，美国、法国、德国和丹麦开始采用三 维气体混合模型来分析混气现象。1 9 8 8年，丹麦丹斯克石油天然气公司在丹麦 南部利用地下含水层建造储气库时， 通过数值模拟， 分析了以氮气作为垫层气时， 天然气与氮气可能发生的混合问题。 3 . 5 液化天然气 L N G 的储存与调峰 由于液化天然气的可燃性和超低温储存，因此对储存设施 储罐 有很高的 要求。 液化天然气储罐可分为地面储罐和地下储罐。 迄今应用广泛的是地面圆筒 型双层壁储罐。 地下储罐的投资比较大， 仅用在人口 较密集的地区。 地面圆筒型 双层壁储罐由内罐、外罐和中间填充的绝热材料构成。 地下储罐除罐顶外， 储罐的大部分 最高液面 在地面以下， 罐体座落在开 挖的不透水稳定地层之上。 地下储罐主要采用钢筋混凝土外罐， 为防止周围土壤 冻结，在罐底和罐壁处设置加热器。 天然气液化后的常压低温储存比较安全， 负荷调节范围 广， 适于调节各种情 况 月、日、时的供气与用气之间的不平衡。 用气高峰时， 将液化天然气再气 化，即可供气。 3 . 6 天然气的其它储存方式 主要有两种天然气在低温液化石油气溶液中储存和固态储存。 天然气可以溶解在丁烷、 丙烷或这两种混合物的溶剂中， 而且溶解度随着压力的 增加和温度的降低而提高。 天然气固态储存就是将天然气、主要是甲烷在一定温度、压力条件下， 转变 为固体的水合物，储存于钢制储罐中。 3 . 7 储气调峰技术的发展方向 天然气的储存与调峰技术方面可展开以下几方面的研究，以适应我国天然气 工业的发展需要。 1 国外有关方面技术的调研、消化与吸收; 2 在天然气储存方面，主要是储存材料、储存设备以及非常规储存方式如 固态储存等方面的研究; 3 如何充分利用长距离输气干线的储气调峰能力，因此需要一套正确合理 分析输气干线储气能力的方法和技术， 以及为了充分利用管道储气调峰能力所必 须的管道动态仿真、监测与自 动控制技术; 4 储气调峰负荷 短期、中长期负荷的预测模拟技术