天然氣的運(yùn)輸方式及其特點
天然氣從油氣田井口到終端用戶的全過程稱為天然氣供應(yīng)鏈,這條供應(yīng)鏈所涉及的所有設(shè)施構(gòu)成的系統(tǒng)稱為天然氣供氣系統(tǒng)。一個完整的天然氣供氣系統(tǒng)通常主要由油氣田礦場集輸管網(wǎng)、長距離輸氣管道或管網(wǎng)、城市輸配氣管網(wǎng)、天然氣凈化處理廠、儲氣庫(地下儲氣庫或地面儲罐) 等幾個子系統(tǒng)構(gòu)成,在某些情況下還包括天然氣的非管道運(yùn)輸系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)既各有分工又相互連接成一個統(tǒng)一的一體化系統(tǒng),其總目標(biāo)是盡可能保證按質(zhì)、按量、
按時向用戶供氣,同時做到安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,以獲得最佳經(jīng)濟(jì)與社會效益。如果將天然氣的勘探開發(fā)、儲運(yùn)和銷售分別看成是天然氣供氣系統(tǒng)甚至整個天然氣工業(yè)的上、中、下游的話,則可以說,天然氣供氣系統(tǒng)或天然氣工業(yè)是上、中、下游一體化的,其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將影響一個國家或地區(qū)的天然氣供氣系統(tǒng)甚至整個天然氣工業(yè)的正常運(yùn)行和發(fā)展。由此可見,一個供氣系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行管理是一項巨大的系統(tǒng)工程,必須對其上、中、下游的各個環(huán)節(jié)統(tǒng)籌兼顧、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理,才能獲得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。天然氣供氣系統(tǒng)的一個突出特點是用氣量的時間不均衡,由此產(chǎn)生了該系統(tǒng)固有的一個關(guān)鍵問題———供氣調(diào)峰,所謂供氣調(diào)峰是指采取適當(dāng)?shù)拇胧┦固烊粴獾墓饬亢陀脷饬侩S時保持動態(tài)平衡。根據(jù)調(diào)峰周期的長短,可以將調(diào)峰分為季調(diào)峰、日調(diào)峰、小時調(diào)峰等幾種類型。為了解決調(diào)峰問題并提高供氣的可靠性,現(xiàn)代大型天然氣供氣系統(tǒng)一般都設(shè)有地下儲氣庫或其它設(shè)施作為調(diào)峰與應(yīng)急供氣的手段。
天然氣礦場集輸管網(wǎng)輸送的介質(zhì)是未經(jīng)凈化處理的油氣井產(chǎn)物,甚至有可能是直接從油井中產(chǎn)出的油、氣、水的多相混合物。天然氣礦場集輸管道(包括油氣水混輸管道) 具有輸送距離短、管徑小、在運(yùn)行壽命期內(nèi)壓力變化大等特點。長距離輸氣管道的任務(wù)是將凈化處理后的天然氣輸送到城市門站或大型工業(yè)用戶。天然氣城市輸配管網(wǎng)的任務(wù)是將來自長輸管道或其它氣源的天然氣輸送、分配到每個用戶。大城市的輸配氣管網(wǎng)的規(guī)模可能相當(dāng)大,以至于其建設(shè)工程量和投資可能會超過為它供氣的長
輸管道。這類管道的壓力等級和管徑范圍均較寬,超高壓配氣干線的壓力可達(dá)4 MPa ,而入戶管道的壓力不超過5 kPa ;配氣干線的直徑可達(dá)1 m 以上,而入戶管道的直徑一般只有20 mm〔1〕。
雖然礦場集輸和城市輸配也屬于天然氣運(yùn)輸?shù)姆懂?但由于這兩個環(huán)節(jié)幾乎只采用管道一種運(yùn)輸方式,故此處只討論天然氣的長距離運(yùn)輸。長距離運(yùn)輸是指將經(jīng)過凈化的商品天然氣以某種形式運(yùn)輸?shù)捷斉錃庀到y(tǒng)的接收站,其運(yùn)距一般超過100 km。
三、長距離輸氣管道
1 、 基本結(jié)構(gòu)〔1 、2〕
一條長距離輸氣管道一般由輸氣管段、首站、壓氣站、中間氣體接收站、中間氣體分輸站、末站、清管站、干線截斷閥室、線路上各種障礙(水域、鐵路、地質(zhì)障礙等) 的穿跨越段等部分組成。
首站的主要功能是對進(jìn)入管道的天然氣進(jìn)行分離、調(diào)壓和計量,同時還具有氣質(zhì)檢測控制和發(fā)送清管球的功能。如果輸氣管道需要加壓輸送,則在大多數(shù)情況下首站同時也是一個壓氣站。
中間氣體接收站的主要功能是收集來自支線或管道沿線氣源的天然氣,中間分輸站的主要功能是向管道沿線的支線或用戶供氣。在中間接收站或分輸站通常設(shè)有天然氣調(diào)壓和計量裝置,某些接收站或分輸站同時也是壓氣站。
壓氣站是輸氣管道的心臟,其功能是給氣體增壓以維持所要求的輸氣流量,一般情況下,兩個壓氣站的間距在100~400 km 之間。壓氣站的主要設(shè)備是輸氣壓縮機(jī)組,包括氣體壓縮機(jī)(離心式或往復(fù)式) 和與之配套的原動機(jī)。離心壓縮機(jī)采用燃?xì)廨啓C(jī)或電機(jī)驅(qū)動,往復(fù)壓縮機(jī)通常采用天然氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動?,F(xiàn)代輸氣管道大多采用燃?xì)廨啓C(jī)—離心壓縮機(jī)組,在同一個壓氣站內(nèi)通常設(shè)置多套輸氣壓縮機(jī)組,它們既可以并聯(lián)也可以串聯(lián)。由于輸氣管道的壓氣站一般在較低壓比(出站壓力與進(jìn)站壓力之比稱為壓氣站的壓比,我國輸氣管道設(shè)計規(guī)范推薦其取值范圍為1. 2~1. 5) 下運(yùn)行,因此絕大多數(shù)壓氣站都采用并聯(lián)方式。為了便于調(diào)節(jié)輸氣管道的流量和壓力,大多數(shù)輸氣壓縮機(jī)都可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。
清管站的主要功能是發(fā)送、接收清管器,它可以與其它站場合建在一起,也可單獨(dú)建站,定期清除管道中的雜物(如水、液態(tài)烴、機(jī)械雜質(zhì)和鐵銹等) 。清管站的間距一般為100~150 km。
若輸氣管道末站直接向城市輸配氣管網(wǎng)供氣,則被稱之為城市門站。末站具有分離、調(diào)壓、計量的功能,有時還兼有為城市供氣系統(tǒng)配氣的功能。干線截斷閥室是為了及時進(jìn)行事故搶修、防止
事故擴(kuò)大而設(shè)置的。根據(jù)管道所經(jīng)過地段的地區(qū)等級不同(根據(jù)人口和建筑物密度等因素,可以將管道經(jīng)過地區(qū)劃分為4 個等級) ,干線截斷閥室的間距在8~32 km 之間。此外還應(yīng)在管道穿跨越段兩側(cè)設(shè)置干線截斷閥。
為滿足調(diào)峰和應(yīng)急供氣的需要,在輸氣管道終點附近通常建有配套的地下儲氣庫或地面儲氣站。地下儲氣庫主要用于季調(diào)峰和應(yīng)急供氣,地面儲氣站一般只用于日調(diào)峰和小時調(diào)峰。由于天然氣具有可壓縮性,因此輸氣管道末段也具有一定的儲氣調(diào)
峰能力,在大多數(shù)情況下可以用其取代地面儲氣站。
2 、主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特點
天然氣本身的固有特性決定了管道是其最合適的運(yùn)輸方式,它適用于整個天然氣供應(yīng)鏈上的每一個運(yùn)輸環(huán)節(jié)。作為連接氣源和輸配氣系統(tǒng)的紐帶,長距離輸氣管道具有距離長(一般從幾百公里到幾千公里) 、管徑大(一般在400 mm 以上) 、輸量大、輸
送壓力高(一般高于4 MPa) 、可以連續(xù)運(yùn)行、投資規(guī)模大等主要特點。
輸氣管道的輸送能力與管道直徑的2. 5 次方成正比,因此,增大管徑是提高管道輸送能力的最有效措施。例如,一條直徑為1 420 mm、輸送壓力為7. 5 MPa的輸氣管道,相當(dāng)于3 條直徑為1 000 mm、輸送壓力為5. 5 MPa 的管道,但前者可以節(jié)省鋼材19 % ,節(jié)省投資35 %。
長距離輸氣管道的輸送成本在很大程度上取決于其輸送能力和輸送距離。一般而言,在距離一定的條件下,管道輸送能力越大,其滿負(fù)荷運(yùn)行的輸送成本就越低。在滿負(fù)荷運(yùn)行的前提下,輸氣管道的最大經(jīng)濟(jì)輸送距離與輸送能力密切相關(guān),輸送能力越大,最大經(jīng)濟(jì)輸送距離就越長。因此輸氣管道特別適用于大運(yùn)量的天然氣運(yùn)輸。隨著運(yùn)量減小,輸氣管道的最大經(jīng)濟(jì)輸送距離可能小于實際運(yùn)輸距離,此時采用CNG或LNG散裝運(yùn)輸方式有可能比管道運(yùn)輸更經(jīng)濟(jì)。輸氣管道的運(yùn)行能耗是輸氣成本的組成部分。假設(shè)每座壓氣站的輸氣壓縮機(jī)組均采用管道本身輸送的天然氣作為能源,則一條5 000 km 的輸氣管道的燃?xì)庀牧康臄?shù)量級為輸氣量的10 % ,對于長度為250~500 km 的管道,相應(yīng)的數(shù)量級為1 %〔3〕。
3 、 發(fā)展概況
現(xiàn)代意義上的輸氣管道已有近120 年的發(fā)展歷史。在北美、蘇聯(lián)和歐洲,天然氣管道已連成地區(qū)性、全國性乃至跨國性大型供氣系統(tǒng),全球輸氣管道總長度超過140 ×104 km ,其中直徑1 m 以上的管道超過12 ×104 km。20 世紀(jì)70 、80 年代是全球輸氣管道建設(shè)高峰期,世界上幾條最著名的輸氣管道幾乎都是這一時期建成的,如橫穿地中海的阿爾及利亞至意大利輸氣管道、西西伯利亞至蘇聯(lián)中央地區(qū)的輸氣走廊(包括6 條管徑為1 420 mm 的管道,總長度約2 ×104 km ,總輸氣能力達(dá)到2 000 ×108m3/ a) 、美國和加拿大合建的阿拉斯加公路輸氣系統(tǒng)一期工程等。本世紀(jì)已建成的最著名的輸氣管道是加拿大至美國的聯(lián)盟管道,全長2 988 km ,在沿線不同的管段上分別采用914 mm 和1 067 mm 兩種管徑,設(shè)計壓力為12 MPa ,目前的年輸氣能力約為130 ×108 m3 。這條管道的一個突出特點是輸送富氣,即乙烷、丙烷等重?zé)N組分含量較高的天然氣。
1963 年,我國建成第一條輸氣管道———巴渝管道。直到20 世紀(jì)80 年代中期,我國的輸氣管道還主要分布在川渝地區(qū)。自90 年代以后,我國天然氣管道的發(fā)展步伐顯著加快,相繼建成了陜京輸氣管道、南海崖13 - 1 氣田至香港輸氣管道、澀寧蘭輸氣管道、東海平湖氣田至上海輸氣管道。目前,我國的輸氣管道建設(shè)已進(jìn)入一個快速發(fā)展期,多條長距離、大口徑輸氣管道(包括從俄羅斯引進(jìn)天然氣的跨國管道) 已經(jīng)或即將開工建設(shè),其中正在建設(shè)的西氣東輸管道,是一項世界級大型管道工程,該管道西起塔里木盆地的輪南首站,東至上海白鶴鎮(zhèn)的末站,全長為4 000 km ,管徑為1 016 mm ,設(shè)計壓力10 MPa ,設(shè)計輸氣能力為120 ×108 m3/ a ,將來可以根據(jù)輸量增長情況提高到200 ×108 m3/ a 。該管道的預(yù)算投資為435 ×108 元人民幣,如果加上與之配套的氣田及城市輸配氣系統(tǒng),則整個西氣東輸工程的投資預(yù)算高達(dá)1 200 ×108 元。預(yù)計到2020 年左右全國將形成多個大型地區(qū)性輸氣管網(wǎng),從現(xiàn)在開始的10~20 年將是我國輸氣管道建設(shè)的高峰期。
近幾十年,長距離輸氣管道的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
(1) 平均運(yùn)距增大。目前世界上最長的單根輸氣管道是俄羅斯的亞馬爾管道,全長4 451 km。
(2) 輸氣管道的最大口徑可達(dá)1 420 mm。
(3) 高壓力。目前陸上輸氣管道的最高設(shè)計壓力為12 MPa ,海底輸氣管道為21 MPa 。
(4) 自動化遙控。目前普遍采用SCADA 系統(tǒng)對輸氣管道或管網(wǎng)實施集散控制。