城市天然氣供應系統(tǒng)可靠性的探討

摘 要

1 引言 近幾十年來，溫室氣體造成的溫室效應越來越明顯，給人類的生存環(huán)境帶來很大威脅。據有關評估表明，在溫室氣體的總體溫室效應中，二氧化碳約占63%，甲烷約占18%，氧化亞氮約占
1 引言
    近幾十年來，溫室氣體造成的溫室效應越來越明顯，給人類的生存環(huán)境帶來很大威脅。據有關評估表明，在溫室氣體的總體溫室效應中，二氧化碳約占63%，甲烷約占18%，氧化亞氮約占6%，氟化物約占13%[1]。顯然，化石能源的燃燒應用是主要的溫室效應源。目前，煤炭、石油和天然氣等化石能源仍然是主要的能源。天然氣的主要成分是甲烷，按相同熱量計，產生的溫室氣體約為煤炭的1/2，石油的2/3，故天然氣已成為人類的首選能源。
   全世界天然氣年消耗量約3萬億m3，占一次能源中的比重約占24%，我國天然氣年消耗量約800億m3，在一次能源中的比重約占4%。全球天然氣探明儲量約200萬億m3，我國天然氣探明可采儲量約6萬億m3。盡管天然氣年消耗量不斷增加，天然氣的儲采比反而逐年有所增加，這說明隨著天然氣地質勘探技術的進步，在相當長的時間內天然氣的供給量還是能滿足人類需要的。
    我國首條西氣東輸天然氣干線建成以來，許多城市用上了天然氣。這對于優(yōu)化我國城市燃氣的結構、促進節(jié)能減排的實施發(fā)揮了重要的作用。但是要看到，城市天然氣供應形勢也越來越嚴峻，2005年底及2009年11月中旬我國局部地區(qū)出現的“氣荒”就是突出的征兆[2]。近幾年來，國外跨國天然氣供應也出現過爭端，影響了供氣的保障，隨著我國天然氣進口量的增加，對此也應予以關注。因此，天然氣供應可靠性的問題已經提到議事日程上來。
   天然氣供應可靠性是一個系統(tǒng)性的問題，涉及到天然氣生產、儲運、應用的整個產業(yè)鏈。為了提高我國城市天然氣供應系統(tǒng)的可靠性，下面擬從天然氣的應急氣源、儲運系統(tǒng)可靠性、終端應用節(jié)氣與調峰等方面進行探討。鑒于學識所限，所談論點恐系管見，希同仁指正。
2 天然氣應急氣源的開發(fā)
    天然氣供應系統(tǒng)供需之間的不平衡是永遠存在的，但是供需之間數量相差太大而引發(fā)“氣荒”是要設法避免的。為了減少天然氣的供需差，提高產能彈性是一個重要的方向，單靠天然氣主氣源(天然氣礦井開采、地面凈化、集氣輸送)系統(tǒng)，要達到幾倍甚至十幾倍的產能彈性是很困難的，而且天然氣由上游輸送到用氣城市的響應時間比較長，因此要在中下游開發(fā)多種應急氣源。天然氣的主要成分是甲烷，應急氣源的首要條件是與天然氣主氣源有相近的燃燒特性。甲烷與其它可燃氣體的性質參見表1。不同地區(qū)或城市可根據天然氣的氣質特性、應急氣源的條件，從技術、經濟等綜合因素考慮，選用合適的應急氣源方案。
2.1 合成天然氣
    合成天然氣是以煤或石油為原料，先制成H2、CO、CO2原料氣，再合成天然氣。合成天然氣過程的主要反應為[3]：
   CO+3H2→CH4+H2O     △H=-205.15kJ/tool
   2CO+2H2→CH4+CO2   △H=-246.39kJ/mol
   CO2+4H2→CH4+2H2O   △H=-162.91kJ/mol
   甲烷化反應為放熱的反應，為提高合成甲烷的轉化率和熱效率，主要存在下述關鍵技術。
表1 城市燃氣主要可燃組分的物化性能與燃燒特性
 
甲烷
乙烷
丙烷
正丁烷
二甲醚
標況氣態(tài)高熱值/(MJ/m3)
39.85
70.35
100.90
133.14
63.16
相對密度
0.554
1.040
1.550
2.079
1.592
15℃華白數/(MJ/m3)
50.76
65.39
76.83
87.53
47.45
火焰?zhèn)鞑ニ俣?span>(m/s)
0.38
0.43
0.42
0.38
0.50
相對于甲烷的燃燒勢
40.3
45.6
44.5
40.3
53.0
    ① 原料氣制造效率的提高，以降低原料的費用；
    ② 采用高活性的催化劑，以提高甲烷化的轉化速率；
    ③ 鎳系催化劑對原料氣凈化要求高，原料氣含硫量為0.5×10-6級；
    ④ 采用流化床合成甲烷，提高甲烷化的反應速度和反應熱的回收效率；
    ⑤ 流化床合成甲烷，催化劑易帶出而損失，應采用高效回收微球催化劑的技術。
    20世紀末，德國、美國、英國、日本進行過大量甲烷化研究[4、5]，我國城市燃氣領域為降低燃氣中的一氧化碳含量，也進行過大量部分甲烷化的研究，大連化學物理研究所、沈陽煤氣熱力研究設計院等單位研究過固定床甲烷化技術，中國市政工程華北設計研究院和大連理工大學、天津第一煤氣廠等單位曾進行過流化床甲烷化技術的研究，均取得了一定的工程數據與運行經驗[6]。上述關鍵技術已經基本突破，國外建成過日供數百萬m3級的合成天然氣裝置[7]，國內因天然氣發(fā)展的需要，已開工建設年供30億m3天然氣的大型合成天然氣工業(yè)裝置，還有幾個大型合成天然氣裝置正在規(guī)劃之中。煤和天然氣相比，由于單位熱量的價格較低，在煤礦附近建廠生產合成天然氣，其成本更低。但煤制天然氣作為應急氣源乃至調峰氣源的經濟性如何，還要看實際運行的結果。
2.2 二甲醚(DME)替代天然氣
    二甲醚可以由煤、石油為原料生產，煤、石油先經氣化制成CO+H2合成氣，然后合成為甲醇，再由甲醇脫水生成二甲醚，這即所謂間接法合成。其反應為[8]：
   2CO+4H2→2CH3OH    △H=-181.6kJ/molDME
2CH3+OH→CH3+OCH3+H2O △H=-23.4kJ/molDME
    據悉CO+H2一步法合成二甲醚的技術也已突破，
其反應為：
3CO+3H2→CH3OCH3+CO2 △H=-246.0kJ/molDME
    由表1可知，二甲醚的華白數與天然氣的華白數相差5%以內，燃燒勢相差也不太大，經過一定的技術處理后，與天然氣互換。我國二甲醚的生產技術已經成熟，已建成幾十套工業(yè)生產裝置，2010年產能可達1000萬t。如果采用一步法煤制二甲醚的路線，生產成本會更低。二甲醚用煤生產，價格受國際原油價格波動的影響小。另外，二甲醚可以在常溫下加壓液化儲存，儲存費用比天然氣液化儲存低。因此，二甲醚作為天然氣的替代氣源，經濟上比較可行[9、10]。目前存在的主要問題是二甲醚(尤其是液態(tài)二甲醚)對于城市燃氣儲配與應用設施中所采用的橡膠類密封材質有較強的溶解腐蝕作用。在這方面，國內的研究已經起步，耐二甲醚溶解腐蝕的材質已經初步選定，并且國內已有生產，但相關的系列制品有待開發(fā)。耐二甲醚介質溶解腐蝕材質及制品的使用壽命還需要考察，如果考察其自然壽命，所需時間太長?；诜磻獎恿W機理的加速腐蝕法預測壽命的時間短得多[11]，但還需要實際驗證，不斷總結經驗，制定標準，以規(guī)范檢測方法。
2.3 液化石油氣混空氣代用天然氣
    液化石油氣主要由丙烷、丁烷組成。由表1可知，單獨用液化石油氣作為天然氣的替代氣源，華白數相差太大，混以一定比例的空氣后，其性能與天然氣主成分甲烷比較接近(見表2)，實際上已有若干城市曾用液化石油氣混空氣作為向天然氣的過渡氣源。因此，用液化石油氣混空氣作為天然氣的應急氣源在技術上是可行的。由于液化石油氣在常溫下加壓儲存，比液化天然氣液化儲存便宜，即使液化石油氣的單位熱量價格比天然氣高一倍多，用液化石油氣混空氣作為天然氣的應急氣源，還是可取的，應急氣源主要是考慮社會效益。
表2 液化石油氣(50%丙烷+50%丁烷)用作天然氣應急氣源時摻混空氣的比例
 
40
42
44
46
48
50
15℃華白數/(MJ/m3)
54.55
53.02
51.48
49.92
48.34
46.75
與甲烷華白數之比
1.075
1.044
1.014
0.983
0.952
0.921
表3 重油循環(huán)式熱裂解燃氣的性質
 
重油循環(huán)式熱裂解氣組分體積分數(%)
循環(huán)初期
循環(huán)中期
循環(huán)后期
重油循環(huán)式熱裂解制氣組成
CO2體積分數(%)
7.6
3.8
2.2
C3H6體積分數(%)
3.8
6.4
8.8
C2H4體積分數(%)
12.7
20.4
24.0
O2體積分數(%)
1.3
20.4
24.0
CO體積分數(%)
13.8
8.0
5.2
H2體積分數(%)
28.1
22.5
20.1
C2H6體積分數(%)
0
0
0.8
CH4體積分數(%)
28.1
37.3
36.1
N2體積分數(%)
4.6
O.4
2.0
生成燃氣性質
15℃高熱值/(MJ/m3)
26.69
35.73
39.55
生成氣相對密度
0.66
0.66
0.69
華白數/(MJ/m3)
32_87
44.0l
47.60
2.4 重油制代用天然氣
   重油為原料制造人工煤氣，國內外曾經盛行一時。表3為采用重油循環(huán)式熱裂解生成燃氣的組成與性質[12]。由表可知，生成燃氣的熱值范圍較寬，調節(jié)熱解過程的溫度即可調節(jié)生成氣的華白數，可以符合天然氣的華白數范圍。重油儲存方便，制氣裝置啟動快，重油熱解生成燃氣也可用作天然氣的應急氣源甚至調峰氣源。
3 天然氣儲運系統(tǒng)的可靠性
   干線輸氣管道供氣滿足不了用戶的需求原因除氣源以外有兩個，一是儲配系統(tǒng)出現故障，二是因氣候條件變化使需求量超過計劃量。為提高天然氣供應可靠性，重要措施之一是提高天然氣儲運系統(tǒng)的可靠性。
3.1 提高設施的可靠性
   首先是加快調峰、儲備設施的建設。一方面是在干管管網建設的同時，要利用各地廢棄油氣田或地下巖洞，沿干管建立大型地下貯氣庫，實施儲備與調峰，并逐步納入國家天然氣的儲備體系。另一方面是鼓勵有能力的下游企業(yè)建設城市調峰、儲備設施，形成城市日常性調峰儲備能力，作為城市季節(jié)性調峰的補充。
3.2 提高管道系統(tǒng)的可靠性
    為了應對氣象變化和意外事故，應加強天然氣管道系統(tǒng)可靠性的研究。在這方面，前蘇聯曾進行過大量研究，提出了干線輸氣管道可靠性的指標，建立了單元和節(jié)點的可靠性模型，詳細研究了可靠性指標的計算方法，對大型天然氣輸氣干線進行了實際計算，并提出了一系列關于天然氣長輸管道系統(tǒng)的單元和節(jié)點可靠性、干線輸氣管道可靠性、供氣系統(tǒng)可靠性和壽命等問題的研究方向[13]。國內對于管道的可靠性也進行過研究。20世紀80年代，有關學者率先將可靠性理論引進到城市燃氣管道可靠性領域來，根據燃氣管網中各部件的失效機理服從統(tǒng)計與概率分布的特征，建立燃氣管網供氣能力的數學模型，并對支狀燃氣管網和環(huán)狀燃氣管網的可靠度進行了計算[14、15]。近年來，“十一五”國家課題中為了提升市政基礎設施的功能，對城鎮(zhèn)燃氣管道的安全評價方法進行了研究，主要是采用故障樹分析法對城市燃氣管道進行安全評估[16、17]。
3.3 加強短期預測，提高調度水平
    如同任何事件的發(fā)生一樣，天然氣供銷差的變化也是有一定預兆的，城市燃氣負荷預測的及時與準確對于“氣荒”的緩解有著重要的作用。國內有的學者對于城市燃氣負荷的長期、中期、短期預測技術進行了大量研究，取得了可喜的進展，在若干城市已經實際應用[18]。德國在貫徹歐洲議會和理事會保障安全節(jié)能的天然氣供應的法規(guī)時，要求各城市燃氣上報未來3天的用氣量預測誤差控制在5%以內。此舉促進了燃氣預測方案的發(fā)展，對國內燃氣的預測工作有借鑒意義[19]。國內某城市的燃氣用氣量經德國慕達燃氣預測系統(tǒng)的分析，在給出了1年的用氣量和天氣數據的前提下，7天內的預測誤差為1.75%，實際值和預測值的對比曲線見圖1。如能利用燃氣負荷預測技術對于氣象干擾的影響能準確的預測，加上及時的調度，對于天然氣供應系統(tǒng)“氣荒”的避免將具有重要的意義。
4 調峰型天然氣用戶的建設
所謂調峰型天然氣用戶是指有利于天然氣削峰填谷的終端用戶和能應急臨時停產的特殊工業(yè)用戶。下面主要討論前一種調峰型天然氣用戶。
    隨著人民生活水平的提高，電空調使用越來越多，導致夏季供電負荷很高。但燃氣和電力負荷峰谷剛好相反，冬季負荷高，夏季負荷低，二者存在很強的互補性。如果能夠均衡發(fā)展電力和燃氣，相互達到一個削峰填谷的作用，無論對于電力、燃氣企業(yè)，還是我國能源的綜合利用都是大有益處的。采用燃氣熱泵式制冷、制熱與供應生活熱水裝置，夏天代替電力空調，冬天代替鍋爐供熱，平時提供生活熱水，使得夏季也有較高的天然氣負荷，減少冬夏兩季燃氣負荷的峰谷差，降低燃氣產供成本，同時燃氣空調的推廣也減輕電網的夏季電力高峰負荷，使得全年電力負荷峰谷差減小，推廣燃氣空調具有削峰填谷的作用。另一方面，采用燃氣熱泵式制冷、制熱與供應生活熱水裝置，比直接燃燒供熱和供應生活熱水的效率約提高40%，可以節(jié)約相應的燃氣用量和減少相應的二氧化碳排放量。
    據統(tǒng)計，如果中國一半的電空調市場由燃氣空調替代，相當于有32.13GW的尖峰用電負荷被削減下來，各地區(qū)的電力緊張現象則可緩解[20]。同時，從平衡燃氣低谷的角度上看，32.13GW的用電負荷轉變成燃氣空調制冷，相當于每日解決了3000×104m3的天然氣用量。我國現在78%左右的電力來自于火力發(fā)電，在火力發(fā)電約30%轉換效率的情況下，獲得電能的代價是巨大的，約70%的一次能源就要浪費掉，而火力發(fā)電使用的燃煤又是污染環(huán)境的最大因素。這樣采用燃氣空調部分替代電力空調，既可以填補夏季天然氣利用的低谷，又可以有效地避免夏季電力高峰的出現，從而起到環(huán)保、節(jié)能、優(yōu)化能源結構的三重效果，具有重大的社會經濟效益。因此，適當限制電空調的使用量，按照合理的比例轉換電空調為燃氣空調，加快燃氣空調的發(fā)展速度是今后能源合理利用的方向，采用燃氣空調是解決電力危機、平衡電力和燃氣能源的最佳途徑之一。
5 結語
    (1) 上述這些方法各有所長，相互具有互補性。若能將其集成用于城市燃氣供應系統(tǒng)，必將有益于城市燃氣供應系統(tǒng)可靠性的提高，減少“氣荒”的出現次數，減輕“氣荒”的影響程度。
   (2) 上述分析主要側重技術上的定性分析，各種方法是否適用與當地的條件有關，有待進行詳細的定量分析。
   (3) 各種方法有的已經成熟，有的還需進行試驗或示范，尤其是經濟性的評價更需要深入研究，維修成本較高的設施還需進行全壽命周期成本的研究。
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(本文作者：項友謙 高文學 王啟 趙自軍 中國市政工程華北設計研究總院燃氣技術研究院 300384)