劉燕 杜學平

北京市燃氣集團有限責任公司

基于管網(wǎng)負荷曲線確定LNG應急儲備規(guī)模

劉燕 杜學平

北京市燃氣集團有限責任公司

實施LNG應急儲備對于我國北方特大型城市應對極端寒冷天氣導致的“氣荒”具有重要意義,而儲備設施的合理規(guī)模如何確定是值得探討的一個重要問題。為此,通過將天然氣管網(wǎng)時序負荷曲線轉化為負荷持續(xù)曲線(將日負荷曲線按大小順序重新排列得到),分析了冬季用氣高峰時段的天然氣管網(wǎng)負荷特性,利用數(shù)值擬合得到的5次多項式方程導出了冬季缺口氣量計算式,進而解決了已有LNG應急儲備與管網(wǎng)負荷的匹配問題以及規(guī)劃階段LNG應急儲備規(guī)模的確定問題,為大型LNG儲備設施的規(guī)劃提供了依據(jù)。

城市天然氣 應急儲備 規(guī)模 負荷持續(xù)曲線 時序負荷曲線 LNG 儲氣調峰 補充氣源

2009年11月初,全國普降大雪導致低溫惡劣天氣,受此影響,我國天然氣供應局勢趨于緊張,部分城市和地區(qū)出現(xiàn)了無氣可加的“氣荒”現(xiàn)象[1-2]。雖然北京市天然氣供應在這次“氣荒”中相對平穩(wěn),但是隨著天然氣管網(wǎng)負荷的進一步增大,極端寒冷天氣導致的天然氣供氣緊張局面有可能再度出現(xiàn)。加緊實施LNG應急儲備規(guī)劃,對于保障北京市的天然氣供應具有重要意義[3-5]。為此,著重探討了LNG應急儲備規(guī)模的確定及已有LNG儲備與天然氣管網(wǎng)負荷的匹配問題。

1 天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線

傳統(tǒng)的天然氣管網(wǎng)負荷曲線是將天然氣輸配系統(tǒng)1年內的日負荷量按時間順序排列后得到的曲線[6],也稱時序負荷曲線。圖1為北京市2007年4月1日至2010年3月31日的天然氣管網(wǎng)時序負荷曲線。

實施LNG應急儲備主要是為了解決用氣高峰時段供氣不足的問題。利用天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線(Load Duration Curve,LDC)可以突出顯示用氣高峰的持續(xù)時間和管網(wǎng)負荷大小等信息。天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線是將時序負荷曲線按照大小順序重新排列后得到的曲線,它包含了最大負荷、最小負荷、負荷累積持續(xù)時間及負荷出現(xiàn)的概率等大量信息[7-8]。圖2為北京市2007年4月1日至2010年3月31日的天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線。

圖1 北京市2007年4月1日至2010年3月31日的天然氣管網(wǎng)時序負荷曲線圖

‘圖2 北京市2007年4月1日至2010年3月31日的天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線

2 冬季用氣總量

由圖2可知同一地區(qū)的天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線具有相似性,為了研究極端天氣條件下的天然氣管網(wǎng)負荷特性,現(xiàn)取北京市2009年4月1日至2010年3月31日的天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線,將夏季負荷截去后,留下冬季高峰用氣時段150 d的負荷曲線,如圖3所示。對圖3中散點進行數(shù)值擬合得到擬合多項式[6]:

圖3 冬季高峰用氣時段天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線擬合圖

式中y為天然氣管網(wǎng)的日負荷量,104m3;x為持續(xù)時間,d;p0、p1、p2、p3、p4、p5為常量,其值分別為5 095.979 401 330 942、-37.733 859 252 413、0.431 399 036 939、-0.006 008 097 427、0.000 066 578 406和-0.000 000 290 962。

式(1)具有便于積分的特點[6],這150 d的累計氣量(即圖3中曲線與x、y軸之間所圍成的面積)可表示為:

式中f(x)=y,日負荷y是關于橫坐標x(負荷持續(xù)時間)的函數(shù);dx為“負荷持續(xù)時間x”的微元;Q為用氣高峰期(150 d)的天然氣管網(wǎng)總負荷量,104m3。

3 冬季缺口氣量

圖4為冬季缺口氣量示意圖。用qmax表示北京市上游供氣管網(wǎng)的最大日負荷,用t表示極端寒冷天氣導致北京市天然氣管網(wǎng)負荷需求大于上游供氣能力的天數(shù),根據(jù)天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線的幾何意義,則冬季缺口氣量為圖4中陰影部分的面積,其表達式為:

式中Qt為冬季缺口氣量,104m3;f(t)=qmax為上游供氣管網(wǎng)的最大日負荷,104m3,也就是直線x=t和曲線y=f(x)交點的縱坐標值。

圖4 冬季缺口量示意圖

4 已有LNG儲備與上游供應能力的匹配

將x=t代入式(1),則有:

f(t)=p5t5+p4t4+p3t3+p2t2+p1t+p0(4)

假設已有LN G應急儲備規(guī)模為Qm,由式(3)得到已有LNG應急儲備可以滿足的最大冬季缺口氣量為:

將式(1)的f(x)和式(4)的f(t)代入式(5),則有:

現(xiàn)階段北京市的LNG應急儲備設施為1座幾何容積為16×104m3的LNG儲罐(一期),其有效儲氣容積為7 000×104m3。當Qm為7 000×104m3時,式(6)在區(qū)間[0,149]的根為23,此時f(t0)為4 481× 104m3,其數(shù)學意義為:若2009—2010年冬季北京市上游天然氣管網(wǎng)供氣量有限,由1座有效氣量為7 000 ×104m3的LNG應急儲罐補充供氣缺口,那么天然氣管網(wǎng)日負荷超過4 481×104m3的缺口氣量由LNG儲罐提供,則LNG儲罐最多能供應23 d,剛好彌補缺口氣量;若上游天然氣管網(wǎng)最大日供氣量小于4 481×104m3,則LNG儲罐只能彌補部分缺口氣量;若上游天然氣管網(wǎng)最大日供氣量大于4 481×104m3,則LNG儲罐能完全彌補缺口氣量,且冬季用氣高峰結束后LNG仍有剩余。

5 規(guī)劃階段LNG儲備規(guī)模的確定

假設預測得到的天然氣管網(wǎng)負荷持續(xù)曲線為f(x)=y,同時上游供氣管網(wǎng)的最大日負荷為qmax,即qmax=f(x),將qmax代入式(4),則有:

上游供氣管網(wǎng)最大日供氣能力qmax是已知量,那么式(7)在有效區(qū)間上的根為t0,其數(shù)學意義為出現(xiàn)天然氣管網(wǎng)負荷需求量大于上游供氣管網(wǎng)最大日供氣能力的天數(shù)。將t0代入式(3),則有:

由式(8)可知:①若北京上游供氣管網(wǎng)的最大日供氣能力qmax為4 000×104m3,求得式(7)的根t0為42 (即有42 d天然氣管網(wǎng)負荷需求大于4 000×104m3),將t0代入式(8)得到Qt為21 000×104m3,表明需要3座有效儲氣容積為7 000×104m3的LNG儲罐來彌補用氣缺口氣量。②若北京上游供氣管網(wǎng)的最大日供氣能力qmax為3 600×104m3,則有71 d不能完全滿足用氣需求,累計用氣缺口氣量約42 000×104m3,表明需要6座LNG儲罐(每座LNG儲罐的有效儲氣容積為7 000×104m3,并假設LNG均來自夏季用氣低谷的存儲量)來彌補用氣缺口氣量。

6 結束語

利用北京市2009年至2010年冬季的天然氣管網(wǎng)日負荷數(shù)據(jù),分析了已有的LNG儲備規(guī)模與上游天然氣管網(wǎng)供應能力的匹配問題及規(guī)劃階段LNG儲備規(guī)模的確定問題,該方法今后也可用于分析LNG儲氣設施的利用效率和供應能力等問題。由于北京市天然氣管網(wǎng)負荷仍然處在快速發(fā)展期,未來管網(wǎng)負荷仍有較大變化,所得計算結果只作為計算方法的算例,規(guī)劃調整以及LNG投運后的實際情況,要根據(jù)所在年份的天然氣管網(wǎng)負荷預測結果重新測算。

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(修改回稿日期 2011-03-09 編輯 何 明)

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.022

劉燕等.基于管網(wǎng)負荷曲線確定LNG應急儲備規(guī)模.天然氣工業(yè),2011,31(5):84-86.

劉燕,女,1962年生,教授級高級工程師,博士;主要從事燃氣技術的研究與管理工作,現(xiàn)任北京市燃氣集團有限責任公司副總工程師。地址:(100035)北京市西城區(qū)西直門南小街22號。電話:(010)66205526,18611376620。E-mail:liuyan@bjgas. com