摘　要：天然氣省級管網(wǎng)是一個(gè)多氣源混輸系統(tǒng)，存在氣源多元化、壓力超高壓化、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)輸氣能力、接收能力、調(diào)峰與氣質(zhì)互換性方面的安全性問題。對這些安全性問題進(jìn)行分析，對提高系統(tǒng)安全性提出了建議。

關(guān)鍵詞：天然氣；  多氣源；  混輸；  中間管網(wǎng)；  省管網(wǎng)

Security Analysis of Natural Gas Mixed Transmission System with Multiple Gas Sources

Abstact：The provincial natural gas pipeline network iS a mixed transmission system with muhiple gas sources and characterized by diversification of gas sources，extra high pressure and complex network structure．Security issues on gas transmission capacity，reception capacity，peak-shaving and gas interchangeability may arise during the operation of the system．The security issues are analyzed，and the suggestions on how to improve the system security are proposed．

Keywords：natural gas；multiple gas sources；mixed transmission；intermediate pipeline network；provincial pipeline network

1　多氣源混輸?shù)母拍?/span>

隨著天然氣應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，國家層面的輸氣系統(tǒng)由中石油、中石化、中海油承擔(dān)的格局會出現(xiàn)變化，許多區(qū)域性的天然氣輸氣管網(wǎng)將由另外的投資主體建設(shè)和運(yùn)營。

基于中國天然氣氣源的具體現(xiàn)狀，天然氣氣源的多元化也是中國發(fā)展城鎮(zhèn)天然氣的必然選擇。中國很多省份都在建設(shè)覆蓋全省的天然氣輸氣干網(wǎng)，擬承擔(dān)向省級區(qū)域內(nèi)各地區(qū)天然氣用戶供氣的任務(wù)。這些省級天然氣管網(wǎng)的氣源必定會來自中石油、中石化或者中海油等氣源提供商，而這些氣源提供商所提供的天然氣種類并不完全一致，這就構(gòu)成了所謂的多氣源系統(tǒng)。區(qū)域性天然氣輸氣管網(wǎng)接收的天然氣不可能均從同一氣源點(diǎn)接入，因此會導(dǎo)致供給下游的天然氣組成發(fā)生變化，這就是所謂混輸?shù)母拍睢?/span>

多氣源混輸系統(tǒng)從管理體制、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)到燃?xì)饨M成都與常規(guī)的天然氣輸氣系統(tǒng)存在很大的差異，因此，其運(yùn)行過程中的安全性將需要特別重視。

2　多氣源混輸系統(tǒng)的特點(diǎn)

多氣源混輸系統(tǒng)與通常的長距離輸氣系統(tǒng)和城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)相比，有很多特點(diǎn)：

①管網(wǎng)系統(tǒng)將從城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的壓力級制向長距離輸氣系統(tǒng)的壓力級制轉(zhuǎn)變。對于城市天然氣管道，4.0MPa是壓力的最高級別，而多氣源混輸系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力甚至達(dá)到9.0MPa以上。

②管網(wǎng)形成的時(shí)間較長。多氣源管網(wǎng)的建設(shè)過程實(shí)際上是一個(gè)統(tǒng)一規(guī)劃、分期實(shí)施、局部調(diào)整的過程，從開始建設(shè)到系統(tǒng)完整建成并形成規(guī)劃的輸氣能力，周期較長。

③氣源種類的多元化。進(jìn)入多氣源管網(wǎng)的氣源將會是分期引入，例如未來有些省級天然氣管網(wǎng)將出現(xiàn)海上天然氣、陸地天然氣、進(jìn)口LNG三大種類聯(lián)供的局面，其管網(wǎng)的氣源點(diǎn)可能會超過10個(gè)^[1-2]。

3　多氣源混輸系統(tǒng)的安全性分析

多氣源混輸系統(tǒng)的安全性，除了常規(guī)意義上更為重視的結(jié)構(gòu)完整性之外，還會延伸到水力安全性、氣質(zhì)安全性等方面。

①管網(wǎng)輸氣能力的安全性

在傳統(tǒng)意義上，城市下游從上游獲取氣源，下游用戶(分輸站后的供氣區(qū)域)的用氣需求與管網(wǎng)的供氣能力基本一致需要得到保障，這可以通過在管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中對下游用戶的天然氣接收規(guī)律一致性進(jìn)行約束來實(shí)現(xiàn)，也就是說，對于下游用戶而言，其天然氣用氣需求的變化不均勻性盡量不要傳遞給上游天然氣管網(wǎng)，它必須按照上游天然氣管網(wǎng)所能提供的小時(shí)流量進(jìn)行接收。但對于多氣源混輸系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)實(shí)際上是中間管網(wǎng)，不是真正的上游，中間管網(wǎng)在輸氣能力不足的情況下所出現(xiàn)的供氣能力減少以及對局部分輸站輸氣能力的調(diào)整，是管網(wǎng)運(yùn)行過程中可能遇到的輸氣能力安全性問題。

②管網(wǎng)接收能力的安全性

作為中間管網(wǎng)，無疑將會接收多個(gè)氣源，這些氣源的歸屬不一定完全相同，每個(gè)氣源會按照相關(guān)約定向管網(wǎng)提供一定量的天然氣，這種情況在傳統(tǒng)的以枝狀管網(wǎng)模式輸氣并且為同一歸屬氣源的條件下，可以通過內(nèi)部調(diào)度進(jìn)行解決。但在多氣源混輸情況下，這種調(diào)度會變得比較復(fù)雜，有可能出現(xiàn)的情況是，氣源會面臨有氣輸不出的情形，也就是說，即使氣源有氣，管網(wǎng)也接收不了^[3]。主要原因是管網(wǎng)設(shè)計(jì)工況所考慮的氣源條件具有壓力和流量的雙重約束，一旦多氣源系統(tǒng)中任何一個(gè)氣源的雙重約束中有一個(gè)被打破，便會導(dǎo)致管網(wǎng)系統(tǒng)的水力工況惡化，而通常情況下，氣源條件并不是中問管網(wǎng)所能夠控制的。因此，管網(wǎng)接收能力的安全性問題會顯現(xiàn)出來。

③調(diào)峰安全性

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)夤芾項(xiàng)l例》，下游城鎮(zhèn)只負(fù)責(zé)小時(shí)調(diào)峰，日調(diào)峰和月調(diào)峰的任務(wù)由上游供應(yīng)商承擔(dān)。中間管網(wǎng)盡管不是嚴(yán)格意義上的上游，但相對于下游城鎮(zhèn)而言，仍然是上游，這在法定規(guī)則上會存在爭議，如何保障調(diào)峰的安全性問題會顯現(xiàn)出來。嚴(yán)格地說，中間管網(wǎng)必須具有滿足日高峰系數(shù)和月高峰系數(shù)的小時(shí)供氣能力，但實(shí)際上會存在一定的困難。

④氣質(zhì)安全性

一般情況下，天然氣的氣質(zhì)安全是通過氣質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)予以保障，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是GB 17820—2012《天然氣》，其規(guī)定了天然氣的技術(shù)指標(biāo)；另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是GB／T 13611—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴?，其?guī)定了作為燃?xì)獾奶烊粴夥诸悺?/span>

在多氣源混輸系統(tǒng)中，管網(wǎng)上游來氣相對復(fù)雜，這些氣源可能是按照天然氣的技術(shù)指標(biāo)(GB 17820—2012《天然氣》規(guī)定的)供給的，但并不一定都在城鎮(zhèn)燃?xì)獾念悇e及特性指標(biāo)(GB 13611—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴芬?guī)定的)中的某一個(gè)特性范圍內(nèi)。GB 17820—2012《天然氣》規(guī)定“考慮到天然氣是礦產(chǎn)資源的特殊屬性，在滿足國家有關(guān)安全衛(wèi)生等標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對于三個(gè)類別之外的天然氣，供需雙方可用合同或協(xié)議來確定其具體要求”。但在有中間管網(wǎng)的情況下，很難做到這一點(diǎn)。這將會導(dǎo)致各氣源的組成與燃燒特性參數(shù)存在一定差異。下游用戶多樣(居民、商業(yè)、汽車、電廠等)，現(xiàn)狀情況多樣(有些地方已經(jīng)有一定的應(yīng)用)，混輸氣源是否可以互換，是否會導(dǎo)致下游用戶燃燒與能效狀況惡化，直接關(guān)系到用戶用氣是否安全。

4　多氣源的互換性問題

燃?xì)饣Q性通常是用燃燒勢和華白數(shù)來衡量的。華白數(shù)是代表燃?xì)馓匦缘囊粋€(gè)參數(shù)，是衡量熱流量大小的特性指數(shù)。燃燒勢是燃?xì)馊紵俣戎笖?shù)，即反映燃?xì)馊紵鹧娈a(chǎn)生離焰、黃焰、回火和不完全燃燒的傾向性參數(shù)。

在多氣源混輸過程中，管網(wǎng)的氣質(zhì)參數(shù)不僅發(fā)生變化，而且各個(gè)時(shí)段也不盡相同，即使同一時(shí)段在整個(gè)管網(wǎng)范圍內(nèi)也是不一致的。因此，考察管網(wǎng)的氣質(zhì)變化規(guī)律實(shí)際上是考察每個(gè)分輸站的氣質(zhì)組成變化規(guī)律^[4]。

在多氣源的情況下，盡管通過華白數(shù)和燃燒勢進(jìn)行約束的氣質(zhì)組成可能并沒有出現(xiàn)想像中的偏差，但如果這個(gè)區(qū)域的燃具設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)不合適，就會存在安全隱患。

另外，現(xiàn)代電廠中使用的燃燒設(shè)備(包括DLE燃燒器)，燃燒系統(tǒng)非常復(fù)雜，其運(yùn)行取決于燃?xì)饨M成和空氣比例，以保持低排放特性。短時(shí)間內(nèi)天然氣組成的較大變化，若超出設(shè)備初始調(diào)校所接受的范圍，或許對燃燒設(shè)備產(chǎn)生破壞性作用，導(dǎo)致排放量增大，壽命縮短，可靠性下降。

實(shí)際上，貧燃預(yù)混燃燒器與其他一些電站設(shè)備均可使用很寬范圍內(nèi)的各種不同燃料，如低熱值燃?xì)?、天然氣?/span>LNG等。但在設(shè)備安裝過程中，必須針對某一特定組成的燃?xì)膺M(jìn)行調(diào)校，即對應(yīng)的燃?xì)饨M成范圍較窄；若組成發(fā)生顯著變化，必須重新調(diào)節(jié)才能保持低排放和穩(wěn)定可靠地工作，調(diào)校過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)資金。

5　對多氣源混輸系統(tǒng)安全的建議

①對多氣源輸氣管網(wǎng)的水力模擬很重要，當(dāng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)基本確定時(shí)，必須確定上游氣源節(jié)點(diǎn)的壓力參數(shù)，以保證上游氣源進(jìn)入管網(wǎng)的可靠性。

②管網(wǎng)運(yùn)行過程中，為了保證管網(wǎng)的正常運(yùn)行，管網(wǎng)輸氣能力的變化是需要通過氣源壓力調(diào)整完成的，因此，對分輸站的壓力與流量監(jiān)控需要實(shí)時(shí)進(jìn)行，并需要一定的預(yù)測手段。

③GB 17820—2012《天然氣》關(guān)于天然氣技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定是一個(gè)非常寬泛的范圍，顯然，根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，中間管網(wǎng)公司不能對上游進(jìn)行約束，因此，應(yīng)制定標(biāo)準(zhǔn)對GB 17820—2012《天然氣》中的指標(biāo)性參數(shù)進(jìn)行約束，重要的指標(biāo)性參數(shù)應(yīng)該是華白數(shù)和燃燒勢，應(yīng)確定華白數(shù)和燃燒勢的范圍。比如，如果一種天然氣的高熱值處于熱值標(biāo)準(zhǔn)的低限但其中的CO2、N2等惰性氣體的含量很高，則其華白數(shù)的值便很低，應(yīng)該隨時(shí)關(guān)注。

④對于區(qū)域性天然氣用戶使用的家用燃具，可以要求生產(chǎn)廠商根據(jù)氣質(zhì)組成分析與預(yù)測結(jié)果，采用與之相適應(yīng)的基準(zhǔn)氣參數(shù)。即使對于多氣源天然氣管網(wǎng)供氣范圍內(nèi)的燃具做出了有別于國標(biāo)某一類別的天然氣的基準(zhǔn)氣要求，也并不一定能對所轄區(qū)域的所有燃具完全適用，因?yàn)槊總€(gè)區(qū)域的天然氣實(shí)際氣質(zhì)偏離基準(zhǔn)氣的程度不同，有的很大，有的很小。

⑤對于電廠用戶，應(yīng)根據(jù)水力模擬結(jié)果，告知電廠其主要?dú)庠唇M成以及可能面臨的組成波動(dòng)情況，甚至不同時(shí)期內(nèi)的組成。同時(shí)告知如不采取措施可能出現(xiàn)的后果。告知電廠規(guī)劃與建設(shè)部門，需采取足夠的應(yīng)對措施，由其向設(shè)備商、承建商提出技術(shù)要求，保證設(shè)備足夠應(yīng)對組成的變化。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳華麗，孫石磊．多氣源混輸管網(wǎng)下的供氣方案[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2011(5)：64-56．

[2]徐博．2020年前中國多氣源供應(yīng)格局展望[J]．天然氣工業(yè)，2012，32(8)：1-5．

[3]李文東，張磊，赫飚，等．長輸天然氣管網(wǎng)多氣源聯(lián)合調(diào)峰[J]．油氣儲運(yùn)，2010，29(4)：260-262．

[4]秦朝葵，吳之覲．多氣源天然氣的互換性問題[J]．天然氣工業(yè)，2009，29(12)：90-93．

本文作者：彭世尼  蔣星池

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院