一.   前言

调峰是大多数天然气供气系统必须面对的共同问题, 这一问题的根源就在于用气量在时间分布上的不均衡性。一般而言, 供气方应最大限度地满足用户所需要的用气量, 而不应该强求用户被动地接受其可提供的气量, 特别是在各种能源之间市场竟争激烈的情况下。为了保证按质、按量、按时向用户供气, 一方面在进行供气系统规划设计时就必须考虑设置适当的调峰设施(如地下储气库), 另一方面在管道运行过程中应根据调峰设施的设置情况及用气量的变化规律制定切实可行的调峰方案。此外, 在制定调峰方案时还应该考虑其经济性。

供气调峰过程对应供气系统的非稳态工况, 其物理过程与数学描述都比较复杂, 只有借助专门的动态模拟软件, 才能对其进行正确的分析和评价。西气东输管道系统的线路长, 拓扑结构复杂, 支线和分气点多, 压气站数量多, 用户数量和类型多, 用气量的变化规律复杂。这些因素将使得该供气系统的调峰过程相当复杂, 因而为其制定技术上可行、经济上合理的最佳调峰方案是运行管理中的难题, 以下从技术和经济两方面对几种典型的短期调峰方案进行综合分析、评价与优选, 在此基础上提出西气东输管道供气系统短期调峰的推荐方案。

二.   西气东输管道的模拟模型

采用TGNET模拟输气管道运行过程, 首先需要建立管道模拟模型。该模型的建立主要包括建立管道模型、确定边界条件和确定初始条件三部分。

1   建立管道模型

管道模型一般包括气源、管段、压气站、分气点、截止阀、调节阀以及单向阀等。该系统的管道模型包括1个气源、114节管段、11座压气站、11个分气点和11座压气站燃料供应点。考虑到该模型的目的是模拟西气东输管道的正常工况, 而截断阀、调节阀、清管器等设施在正常工况下可以看作纯粹的阻力元件, 且其阻力损失与管道沿程阻力损失相比完全可忽略不计, 故在模型中没有包括这些元件。对于离心压缩机, 由于TGNET只提供了简单驱动机和燃气轮机两种类型的驱动机, 而中宁和郑州两座压气站为电机驱动的离心压缩机, 因此对这两座站用简单驱动机代替电机驱动, 同时在该压气站的旁边加一小流量气源(流量等于简单驱动机的耗气量, 温度等于该压气站的进气温度)。由于TGNET不能模拟地下储气库的运行, 因此在进行调峰方案模拟时对地下储气库的运行过程做了简化处理, 在采气期间视为一气源。

2   确定边界条件

管道模型中需要确定边界条件的元件有外部调节器和压气站。按照调峰模拟问题的提法, 可以确定外部调节器的边界条件, 轮南采用最大出站压力控制, 其余均采用流量控制。对于压气站, 为了充分利用管道的输气能力, 均采用最大出站压力控制。

3   确定初始条件

初始条件是指管道在瞬态模拟起始时刻所处的状态。离线版TGNET允许从稳态初始条件或瞬态初始条件两种初始条件开始瞬态模拟, 即管道在某种工况下的稳态模拟结果或以前的某一次瞬态模拟结果。在TGNET的实际应用中, 为了方便起见, 通常取所研究的管道在瞬变开始之前的稳定状态为初始条件。由于研究调峰方案的需要, 现以10月16日至1月15日期间该管道系统的瞬态模拟结果作为高峰周(1月16日至1月22日)调峰过程模拟的初始条件。

三.   高峰周调峰方案分析^{〔1, 2〕}

1   高峰周用气量的变化规律

根据2000年西气东输工程可行性研究报告, 西气东输管道的用气高峰周一般发生在1月16日至1月22日。因为高峰周小时用气量波动比较大, 最大用气量为285.7×10⁴ m³/h, 高峰周总用气量的变化规律如图 1所示, 而该管道的平均设计流量为148×10⁴ m³/h, 用气量高出137.7×10⁴ m³/h, 为了满足用户需求, 这部分天然气需从储气库采出。

图  1  高峰周总用气量的变化规律

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2   制定高峰周调峰方案的方法

(1) 按照采气量12 h、24 h、168 h不变的原则, 以每12 h、24 h以及168 h用气缺口(总用气量高于管道设计输量的部分)平均值为基础, 粗略得到三个调峰方案。

(2) TGNET对上面得到的每一调峰方案进行模拟, 根据模拟结果(上海门站压力值)调整储气库的调峰方案, 直到满足用户用气需求和合同规定的压力要求(上海门站压力不低于4.0 MPa)。调整方法是, 如果某时段(上海门站)压力低于4.0 MPa, 就应增加该时段储气库的采气量, 如果某时段压力大于4.0 MPa, 就应减少该时段储气库的采气量。

3   高峰周调峰方案的优选原则

输气管道系统调峰方案优化问题可以表述为, 在给定的调峰期内选择该系统的工艺运行方案, 使之满足各供气点的供气流量与合同供气压力要求, 并使得整个系统在这段时间内的运行费用最小。

在输气管道调峰过程的运行费用中, 与调峰方案有关的部分主要包括压气站中压缩机组的能耗费用及储气库的采气费用。

对于燃气驱动的压气站, TGNET可以直接计算出一段时间内压气站的燃料耗气, 因此, 可以按式(1)计算压气站的能耗费用。

式中  C_g———能耗费用, 元;

R———压气站的燃气消耗量, m³;

P_g———燃气价格, 元/m³。

对于电驱动的压气站, TGNET可以计算压气站内各压缩机的功率, 因此, 可以按式(2)计算压气站的能耗费用。

式中  C_e———压气站的能耗费用, 元;

P_e———电价, 元/(kW·h);

P———电机功率(按TGNET模拟的压气站功率取值);

η_e———电机效率。

从储气库中采气和管道来气的成本相差较大, 因为天然气注入、储存、采出的各个环节都需要一定的附加费用, 这些附加费用的总和可以统称为储气库的采气费用。对于采气费用, 参照陕京输气管道取0.528元/m³。每个调峰方案的总采气费用可以按式(3)计算。

式中  C_c———总采气费用, 元;

F_c———总采气量, m³。

4   高峰周调峰方案及模拟结果分析

根据以上制定高峰周储气库调峰方案的方法, 通过多次模拟和调整, 得到三个调峰方案, 即调峰方案1~方案3(见图 2~图 4)。现以高峰周调峰方案1的模拟结果来进行分析

图  2  调峰方案1

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图  3  调峰方案2

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图  4  调峰方案3

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(1) 高峰周调峰方案的模拟结果表明, 调峰方案1最大采气量为90×10⁴ m³/h, 高峰周累计采气量为6 768×10⁴ m³。

(2) 轮南气源供气量随时间的变化情况如图 5所示。模拟结果表明, 采气期间轮南气源的小时供气量在140.5×10⁴~153.5×10⁴ m³之间波动, 即日用气量在3 372×10⁴~3 684×10⁴ m³; 平均每小时供气量为147.5×10⁴ m³, 平均日用气量为3 540 ×10⁴ m³。稳态输气情况下, 气源的平均小时供气量为147.3×10⁴ m³, 日供气量为3 535×10⁴ m³。因此, 与稳态输气时相比, 采气期间日供气量的变化幅度为-4.6%~4.2%。

图  5  轮南气源供气量随时间的变化曲线

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(3) 上海门站压力随时间的变化曲线如图 6所示。由图 6可知, 上海门站压力的最高值为5.95 MPa, 最低值为4.02 MPa, 平均值为4.56 MPa, 波动幅度为-13.4%~30.4%。

图  6  上海门站压力随时间的变化曲线

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(4) 管道末端(郑州—上海)储气量的变化曲线如图 7所示。对图 7的数据分析可知, 郑州—上海管道储气量的变化趋势与上海门站的压力变化趋势是一致的。管道储气量增加的过程, 即为上海末站压力上升的过程; 管道储气量减少的过程, 即为上海末站压力减小的过程。管道储气量的最高值为6 612×10⁴ m³, 最小值为5 843×10⁴ m³。高峰周管道的可调用储气量为769×10⁴ m³。

图  7  管道末端(郑州—上海)储气量的变化曲线

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(5) 高峰周干线压缩机消耗的功率及费用统计见表 1。根据压缩机所消耗功率及燃气消耗, 按照式(2)和式(3)可计算出各压气站的能耗费用(电价为0.50元, 燃气价格为0.42元), 计算结果见表 1。各调峰方案的模拟结果见表 2。

表  1  总消耗功率及费用统计

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表  2  各调峰方案的模拟计算结果汇总

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分析表 2各调峰方案的模拟结果, 可得出以下结论。

(1) 采气量变化越频繁, 采气量与用气富裕量就越吻合, 上海末站压力波动越小, 末段可调用储气量就越小。调峰方案1对应的上海末站压力波动最小, 末段可调用储气量最小; 调峰方案3对应的上海末站压力波动最大, 末段可调用储气量最大。

(2) 采气量变化越频繁, 采气量与用气缺口就越吻合, 起点流量波动越小, 总采气量就越小。调峰方案1对应的储气库采气量最少, 调峰方案3对应的储气库采气量最大。

(3) 对应采气量大的方案, 气源的供气量较小, 压气站的费用较少; 对应采气量小的方案, 气源的供气量较大, 压气站的费用较大, 但对总费用起主要作用的因素还是采气量, 因此, 费用最省的方案仍是调峰方案1。