天然气管网供应分布式供能系统的研究
郑克敏 葛志祥
摘要：本文通过对上海原人工煤气管网改造、转换和天然气管网及其规划的描述，提出燃气区域供应方式，进而论述了高级别压力天然气管网进入市中心城区和由较低压力区域管网抽气供应分布式供能系统的可行性，特别提出了抽气的估算方法，对节约压能、降低能耗提出了可行的供应方式。
关键词：天然气 高级别压力 市中心 低级别压力 抽气瞬间影响估算
一、前言
人类社会进入二十一世纪，随着全球经济的不断增长，能源的消耗越来越受到有远见的政治和经济学家的关注，全球能源短缺，能源供需矛盾突出，更成为大国竞争的焦点。
分布式供能系统为能源的梯级利用、提高能源综合利用率提供了有效途径。以天然气为一次能源的分布式供能系统，不仅能对天然气和电力起到削峰填谷，缓解电力供应紧张局面，增强天然气管网输送的经济性，而且增加建筑用电可靠性，减小了对市电的依赖。
很显然，分布式供能系统的优越性，决定了其发展的必要性，而对于为该系统提供一次能源的天然气管网，面临着高级别压力天然气管网尽可能多进入市中心城区，利用天然气区域管网的原有压力，减少压能损失的问题，以及从市区现有低级别压力管网抽取天然气，增压后供应分布式供能系统的问题，笔者拟着重对该两大问题进行研究，提供出具有可操作性的解决办法，以期最大限度地发展分布式供能系统，搞好能源综合利用，实现经济社会的可持续发展。
二、上海市天然气管网及其规划
1．原有人工煤气管网及其规划
上海城市煤气建立至今已有140年历史，原人工煤气管网为两级制压力，即中低压两级制，中压设计压力为0.1MPa，一般运行压力在0.02MPa以上，中压管的管材除DN1000和DN1200为钢管以外，一般都为铸铁管；而低压管设计压力为5kPa，运行压力一般在1200Pa至1500Pa，低压管的管材一般都为铸铁管。铸铁管的接口型式一般为机械接口，极少部分遗留至今的铸铁管接口型式尚存承插式接口 ，但随着天然气的到来，正在逐步改造之中。
由于历史的遗迹，原有人工煤气的两级制压力管网，比比皆是，特别是中心城区，更为普遍。由于投资和交通等原因，即使天然气到达地区，一下子更新的可能性也很小，相当部分地区是将天然气降压后进入原有中低压人工煤气管网，实现天然气的转换，以减少投资和交通影响所造成的压力。从技术经济上讲，全部更新改建原有人工煤气管网，也无此必要。因此，设计压力为0.1MPa和5kPa的管网会部分地长期存在。
2．规划天然气管网
根据上海市天然气管网的规划，拟在外环线埋设设计压力为1.6MPa的次高压A天然气管网，在中环线上埋设设计压力为0.8MPa的次高压B天然气管网，郊环线则已埋设了“西气东输”天然气经青浦白鹤门站降压后设计压力为6.4MPa的高压天然气管道。内环线及其内侧经改造或埋设了设计压力为0.4MPa的天然气管道，市中心城区目前一般都为设计压力为0.4MPa的天然气管网，且东海天然气管网与“西气东输”天然气管网在中心城区汇合。
显而易见，上海市天然气管网正在形成由郊环线设计压力为6.4MPa的高压天然气管道，通过逐级降压，逐步深入市区，最后汇集于市中心城区。从某种意义讲，浪费了压能，减少了天然气管网输送的经济性。
3．原人工煤气区域和新建区域天然气供应方式
原人工煤气管网和规划天然气管网如前所述，而这些区域管网的扩展则新区按中压直接到户供应和综合利用原人工煤气管网的原则，天然气转换和供应有如下几种方式：#p#分页标题#e#
⑴新建区域原则上按0.4MPa天然气管网直接供气，所谓的“中压到户直接供应”方式；
⑵利用原有人工煤气管内穿入聚乙烯塑料管，转变为设计压力为0.4MPa天然气管网，实现“中压到户直接供应”方式，用以转换原有燃气用户和发展新用户；
⑶充分利用原有人工煤气管网，考虑到原人工煤气管网设计压力仅为0.1MPa，故将设计压力为0.4MPa的天然气降压至0.1MPa，接入原人工煤气管网，仍按原人工煤气所谓“中低压两级制”管网供应方式。
4．对分布式供能系统供应方式的考虑
如前所述，中心城区一般为0.4MPa和0.1MPa管网，分布式供能系统的天然气供应大部分由这些管网抽取，造成了对这些管网过大的负荷压力，特别随着分布式供能系统的推广，这种压力会逐渐加大，可能使这些低级别压力管网无法承受。笔者认为，从可持续发展的角度出发，分布式供能系统对压力的需求，应尽可能实现高级别压力管网进入市中心，既节约天然气原有压能，最大限度地利用原有天然气输送压力，又能减小对低级别压力管网抽气供应的负荷压力。当然，某些地区由低级别压力管网抽气供应，也是在所难免的。
三、分布式供能系统对天然气管网的需求和问题
1．高级别压力天然气管道进入市中心和由低级别压力天然气管网直接抽气后升压应用与发展分布式供能系统的关系：
⑴便于就近发展分布式供能系统；
⑵减少压能损失，节约升压的能耗；
⑶减小管径，增大天然气输送能力，更有利于发展分布式供能系统；
⑷通过发展分布式供能系统，使电力和天然气削峰填谷和互补，提高供电可靠性。
2．高级别压力管道进入市中心存在的问题：
⑴我国现行技术标准原则上未承诺次高压B及以上高级别压力管道进入市中心城区；
⑵高级别压力天然气管发生事故，危及周边，提出无可实施的安全距离。
3．直接由低级别压力天然气管网抽气供应分布式供能系统存在的问题：
如前所述，市中心区域天然气管网可能是多种压力并存，不仅有低压（其运行压力1200~1500Pa），中压B（其运行压力0.02~0.1MPa），并有中压A（其运行压力0.1~0.4MPa），同时可能另有部分次高压B（其运行压力0.8MPa）管道，故对这不同压力管道抽气，存在着下列问题：
⑴由不同压力管网直接抽气可能对被抽气干管的压力和流量造成影响；
⑵分布式供能系统起动或停止时，可能对干管压力造成瞬间影响。
四、高级别压力天然气管道进入市中心的可行性
1．国内外技术标准的相关规定
1）我国国家标准《城镇燃气设计规范》（GB50028－93）2002年修订版，对于不大于1.6MPa的燃气管道，在符合规定间距的情况下，可在城镇中心城区或其附近地区埋设。
2）美国联邦法规49号192部分《气体管输最低安全标准》、美国国家标准ANSI/ASME B31.8和英国气体工程师学会标准IGE/TD/1，提出按强度设计系数来降低对距离的要求，容许1.6MPa的燃气管道敷设于市中心；香港则采取英国的做法。
2．国内外实例
国外1.6MPa或以上压力的天然气管道进入市中心的实例很多，这里就不列举了。国内目前的实际例子：#p#分页标题#e#
1）上海浦东地区杨高路是上海内环线，敷设有1.6MPa天然气管道；
2）北京三环路以内，1.6MPa以上管道也不少。
国内外长期实践证明，这些管道运行安全，也不因人口密度较高而造成事故或危害。
3．以天然气管道自身安全来保证周围建筑安全是合理和可操作的
1）我国多年来输气管道设计、建设的实践表明，由于我国人口众多，地面建筑物稠密，按安全距离进行管道设计建设，不仅选线难度大，而且即使保证了安全距离未必就能保证周围建筑物和居民的安全。例如，四川曾有管线爆破，距管道150～200米远的农舍因室内余火未尽，引爆着火。又如，上海武宁路DN300人工煤气中压埋地管泄漏，距该管道30米的街道办公室值班人员中毒。
2）加强管道的自身安全是对管道周围建筑物安全的重要保证。对于任何地区的管道仅就承受内压而言，应是安全可靠的。如果存在有可能造成管道损坏的不安全因素，就需采取一定的措施以保证管道的安全。据美国OPSR统计资料表明，处在较繁华的商业区、工业区、住宅区的管道外力事故是很低的，在这些地区主要采取降低管道应力的方法增加安全度，显然这种做法比采取安全距离适应性强，线路选择比较灵活，也较经济合理。
4．天然气管道自身安全的技术措施
1）设计时引入弹性理念，降低管道许用应力值，提高安全性；增加壁厚、提高防腐等级；减小管线上设置截断阀的距离；设置测压点和超压放散；引入安全监测和自动控制系统。
2）全过程控制施工质量。明确责任制，加强旁站全过程质量监督；对于诸如接头和非焊接连接等部分实行三级质量监督，强化过程控制，切实抓好质量，确保系统安全。
3）引入现代化科学管理理念。建立巡视制度，责任到人，利用先进的科学检漏设备和手段，把事故隐患及时消除；制订事故紧急处置预案，尽可能减少事故造成的后果。
5．高级别压力天然气管道进入市中心势在必行
综上所述，国内外技术标准也为此作了认可，国内外也已有了长期的实践经验，技术发展使确保管道自身安全成为可能，以及节约压能、降低电耗和经济合理地发展分布式供能系统的需要，高级别压力天然气管道进入市中心不仅应该，而且必须。
五、低级别压力天然气管网直接抽气的可能性
1、 中、高压天然气管网运行压力规定
本市现有天然气管网燃气运行压力P分为7级（单位MPa），即
中压运行压力：0.02≤P≤0.1（原人工煤气转换为天然气管网系统）和
0.1＜P≤0.4
次高压运行压力：0.4＜P≤0.8和0.8＜P≤1.6
高压运行压力：1.6＜P≤2.5、1.6＜P≤4.0和3.3＜P≤6.0
（3.3MPa是为满足燃气电厂运行而定的压力）
中压管网常作为配气系统，次高压、高压管网常作为输气系统。
2、 国内外用户在天然气管网上抽气分析
目前，本市典型的通过增压设备直接从天然气管网上抽气的较大用户为浦东机场的分布式供能系统。浦东机场用气接自2.5MPa管网，由于2.5MPa管网日常运行压力偏低，故在设备前增加1座1.2MPa增至1.8MPa的增压机，设计流量4000m3/h左右。进浦东机场的专用2.5MPa管道长度5km左右，由日常运行状况看，增压机对管网正常输气无影响。
国外也有类似增压抽气用户，从实际运行情况看，基本不影响管网正常运行。在某些国家，对于不同的增压抽气用户，需进行管网模型测试，以确保管网正常可靠运行。#p#分页标题#e#
一般而言，国外的各级用气管道均可进入各类用气区域，只是其管道设计、验收都必须按照该区域的管道压力设计系数和试压验收规定进行。因此，只要管网条件允许，用户一般都直接从其相应的管网压力级制上接气，不需进行增压。
3、 抽气对管网可能产生的影响和压降估算
⑴管网影响分析
通常情况，管网的配气系统的天然气流态考虑是稳态流，输气系统则为非稳态和瞬态。由于管网配气系统上用户相对较密集，增压设备启动时的瞬时抽气可能对周边用户会产生一定影响，因此，需特别重视增压设备启动后可能产生的后果；对管网输气系统而言，由于其管网本身具有一定的调峰储气功能，管网压力较高，用户和各站点一般相距较远，增压抽气基本还是可操作的。
⑵抽气后的压降估算
启动瞬时的抽气，可能使局部管段的气体流态从稳态变为非稳态，造成压力突降。由于管网情况错综复杂，压力影响难以直接判定。为慎重起见，以距抽气处最近用户为标准，选取相应管段为抽气管段，通过压降测算初步估算抽气对最近用户用气的影响。具体测算公式如下：
P
末=P
起-
其中：
P末——压力突降后抽气管段的平均压力（0.1MPa）
P起 ————抽气前抽气管段的平均压力（0.1MPa）
P 0 ——标准大气压，取1（0.1MPa）
Q抽——启动瞬时抽气量（m3）
Q支——用户管（至增压设备）每百米每0.1MPa压降的抽气量（m3）
Q1 ——干管每百米每0.1MPa压降的抽气量（m3）
Q2 ——干管每百米每0.1MPa压降的抽气量（m3）
l支 ——用气管接出点与最近用户的距离（m）
l近 ——用户管（至增压设备）长度（m）
各类管道每百米每0.1MPa压降时的参考抽气量
每百米每0.1MPa压降的抽气量 单位：立方米
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DN200
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DN300
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DN500
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DN700
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DN800
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可抽气量Q
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3.2
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7.1
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19.6
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38.5
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50.2
|
#p#分页标题#e#
举例：
a、 在0.4 MPa压力级制管网上，如用户增压设备启动时瞬时抽气量为7m3，增压设备距抽气干管的距离l支为50m，支管管径为DN200，干管管径为DN300，支管接出点距最近用户的距离l近为100m，抽气前抽气管段的平均压力为0.3 MPa，抽气后抽气管段的平均压力测算为：
P
末=3-
P末=2.56(0.1MPa)
抽气后抽气管段的平均压力大于0.1 MPa，抽气后对周遍用户无影响。
b、 在0.1 MPa压力级制管网上，如用户增压设备启动时瞬时抽气量为7m3，增压设备距抽气干管的距离l支为50m，支管管径为DN200，干管管径为DN300，支管接出点距最近用户的距离l近为100m，抽气前抽气管段的平均压力为0.04MPa，抽气后抽气管段的平均压力测算为：
P
末=0.4-
P末=-0.04(0.1MPa)
抽气对周遍用户将产生影响。
4、 建议
由此，低级别压力天然气管网抽气是可行的，但为确保系统的安全可靠，特建议如下：
1) 在用户申请用气时，燃气管网规划部门需深入了解增压设备使用特性，根据管网平时运行工况，测算增压设备启动瞬时可能对管网造成的压力影响。增压设备启动瞬时时间宜以管网气源点距增压设备的距离来确定。
2) 燃气管网规划部门需依据燃气设备的最大用量，对设备正常运行后的燃气管网进行水力计算，以确认管网压力可保证管网上所有用户的正常用气。
3) 规划部门应熟知燃气管网运行情况，包括周边调压站设计能力和当前达到的负荷情况，管网当前的压力工况等，以确保计算工作可靠、可信。
4) 在可能的情况下，用户支管应尽可能长，以减小增压设备用气对管网的影响。
5) 当按前述估算方法，结果不能满足要求，宜采取下列应对措施：
a、 增压机前设置一个缓冲罐，以稳定干管压力；
b、 增压机前后设置旁通管；
c、 增压机后和被抽气干管连接旁通管；
d、 增压机前设置自控系统，使初始抽气过程缓慢，升压也缓慢。
#p#分页标题#e#六、结论
国内外技术标准和实践，都向我们展示了，只要提高天然气管道的自身安全，高级别压力天然气管网进入市中心是可行的；经过前述对低级别管网抽气的论述，和四川等地CNG加气站由0.1MPa或0.4MPa管网抽气的实践，由低级别压力天然气管网抽气是完全可行的。
由于高级别压力的天然气管网进入市中心，市中心地区高级别压力天然气管和低级别压力天然气管，两者必居其一，可以比较灵活地利用区域管网压力发展分布式供能系统，既节约压能，又降低电耗，更能提高能源的综合利用率。
参考文献：
1、 国家标准《城镇燃气设计规范》（GB50028－93）（2002年修订版）
2、 美国联邦法规49号192部分《气体管输最低安全标准》
3、 美国ANSI/ASME B31.8《输气和配气系统》
4、 英国气体工程师学会标准IGE/TD/1
