摘要：隨著城市快速發(fā)展，居民生活和工業(yè)活動對天然氣需求越來越大。當(dāng)前城市燃?xì)鈿庠粗饕獮槎鄽庠垂?yīng)，城市燃?xì)馄髽I(yè)承擔(dān)著需求端和供應(yīng)系統(tǒng)雙向需求管理職責(zé)。采用仿真軟件，基于氣源組分?jǐn)?shù)據(jù)，燃?xì)馄髽I(yè)可優(yōu)化用氣調(diào)配方案，滿足不同用戶的用氣訴求，達(dá)到雙贏。

關(guān)鍵詞：城市燃?xì)猓欢鄽庠?；供?yīng)；仿真；雙贏

       在天然氣市場發(fā)展方面，縱觀主要發(fā)達(dá)國家天然氣市場發(fā)展歷史，天然氣市場在經(jīng)歷了基礎(chǔ)設(shè)施落后、消費容量有限的啟動期，相關(guān)工業(yè)快速發(fā)展、消費量迅速增長的發(fā)展期后，已逐步走向結(jié)構(gòu)合理、市場化程度高的成熟期階段。供應(yīng)鏈系統(tǒng)的建設(shè)是為了實現(xiàn)需求端與供應(yīng)端雙向協(xié)同的管理，用來幫助決策者實現(xiàn)上下游資源一體化配置。隨著低碳清潔能源的推廣應(yīng)用，天然氣電廠在城市燃?xì)夤?yīng)的比例越來越高，燃?xì)怆姀S對氣質(zhì)有較高的穩(wěn)定性需求，要求燃?xì)馊A白數(shù)的波動在一定范圍內(nèi)，越是大型燃?xì)鈾C組，對氣質(zhì)波動的范圍要求越精準(zhǔn)，而多氣源的氣質(zhì)品質(zhì)又參差不齊，因此對供氣的品質(zhì)開展質(zhì)量邊界控制研究就非常有必要，同時結(jié)合對多氣源調(diào)度方式進(jìn)行應(yīng)用研究，從而全方位的提高燃?xì)夤?yīng)的安全性。

多氣源調(diào)度方式是管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多氣源大型城市燃?xì)馄髽I(yè)關(guān)注的重點內(nèi)容。多氣源調(diào)度方式是通過主動配氣的方式控制好燃?xì)夤?yīng)的質(zhì)量邊界，從上游采購到中游輸配，以滿足下游燃?xì)庥脩羝髽I(yè)的需求。結(jié)合氣源采購、計量計價方式、庫存優(yōu)化、市場發(fā)展等方面，深度配合需求的周期性，提高企業(yè)的主動配氣能力，降低用戶用氣成本，從而最終提升燃?xì)馄髽I(yè)的經(jīng)營利潤。

       我國天然氣產(chǎn)業(yè)鏈包括氣源（上游）、儲運（中游）和分銷（下游）3個環(huán)節(jié)。氣源包括本土勘探開發(fā)生產(chǎn)的國產(chǎn)氣及通過管道進(jìn)口的管道進(jìn)口氣和海運進(jìn)口的 LNG，儲運環(huán)節(jié)包括干線管道、省內(nèi)管道、儲氣庫和 LNG 槽車及罐箱運輸，分銷環(huán)節(jié)包括城市配氣管網(wǎng)和加氣站等。天然氣產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵是產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)。各環(huán)節(jié)參與主體及運行和監(jiān)管方式的不同形成了我國天然氣產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展模式時間和空間上的差異。2022年4月國家管網(wǎng)開放服務(wù)及交易平臺正式開市，將進(jìn)一步提高油氣行業(yè)市場化程度。我國天然氣區(qū)域發(fā)展不平衡問題，包括天然氣資源稟賦的差異、天然氣消費水平的差異、儲運設(shè)施差異和省級天然氣管網(wǎng)運營模式差異等。在本地天然氣資源豐富的地區(qū)采用“一體化模式”，形成了“產(chǎn)、運、銷、儲”一體化運行的地面配套系統(tǒng)，實行天然氣產(chǎn)輸儲銷一體化運營。“自由競爭”模式，適用于沒有或僅有小規(guī)模上游生產(chǎn)區(qū)塊，也沒有統(tǒng)一的覆蓋全省的省管網(wǎng)公司的地區(qū)，以江蘇和山東為代表。這類地區(qū)省內(nèi)鏈接跨省長輸主干管道與城市配氣管網(wǎng)的中、高壓管道主要為國家主干管線在省內(nèi)的支干線和其他各種主體建設(shè)的管道，天然氣的價格由現(xiàn)貨或期貨交易形成，輸氣服務(wù)模式為區(qū)對區(qū)的實體交易模式確定運輸價格。

深圳市天然氣電廠用戶相對于一般燃?xì)庥脩魜碚f，耗氣量極大，對燃?xì)獠粌H有熱值要求，還有壓力要求，對于城市燃?xì)馄髽I(yè)而言，向上游申報，向下游配氣都需要在規(guī)定時間內(nèi)做到信息傳送準(zhǔn)確無誤。深圳市燃?xì)怆姀S機組開啟時和不開啟時，對每日總需求負(fù)荷量的影響是巨大的。把總需求分為城市燃?xì)庥脩艉碗姀S用戶，城市燃?xì)獍司用裼脩艉鸵恍┐笮⌒凸ど逃脩?，?dāng)電廠開機運行時，當(dāng)日耗氣量可能甚至是城市燃?xì)庥脩糌?fù)荷數(shù)的數(shù)倍，同時由于電廠開啟受電力現(xiàn)貨市場影響，難以確定發(fā)電計劃，這將導(dǎo)致深圳市燃?xì)饪傌?fù)荷每日會有巨大的波動。

基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及互換性判定方法分析，以管道西二氣為基準(zhǔn)氣，LNG氣源替換或多種氣源混合（包括迭福BOG）供應(yīng)可滿足城市燃?xì)庥脩魧θA白數(shù)的范圍要求（45.66 MJ/m³-54.77 MJ/m³）。而電廠用戶對氣質(zhì)要求更為嚴(yán)格，如表1所示，深圳燃?xì)饽壳肮?yīng)的電廠機組要求天然氣的華白數(shù)和熱值等成分指標(biāo)偏差均不能超過±5%。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，所有燃?xì)怆姀S高負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，電廠當(dāng)日用氣量占比最高達(dá)到當(dāng)日總負(fù)荷氣量的80%。根據(jù)2021年用戶用氣數(shù)據(jù)，電廠用氣量占全年供氣總量46%，考慮到電廠不是每日用氣，可以發(fā)現(xiàn)電廠用氣對總負(fù)荷量產(chǎn)生較大的擾動。

表1深圳燃?xì)夤?yīng)的電廠裝機及供氣要求情況

在上游氣源單位供氣能力可完全滿足下游用戶需求的前提下，考慮到每日氣量變化較大，增加了氣量平衡工作的難度。利用管網(wǎng)模擬仿真技術(shù)，針對電廠開啟情況和氣源日指定量情況進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化供氣方案，確保當(dāng)日指定氣源計劃滿足電廠及城燃用戶用氣量需求的同時，保障電廠用戶熱值和供氣壓力要求。未來隨著國家管網(wǎng)開放服務(wù)及交易平臺上線及相關(guān)制度不斷完善，城市燃?xì)廨斉洳少弻⒆兊酶屿`活，中間流轉(zhuǎn)流程更加簡化有利于降低運營成本，增加經(jīng)濟效益。

      消減峰谷差是保證天然氣平穩(wěn)供應(yīng)和改善民生、環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟穩(wěn)定、健康、有序發(fā)展的重要手段。為解決越來越大的城市燃?xì)夥骞炔?，可采用建設(shè)LNG調(diào)峰儲備站對城市燃?xì)膺M(jìn)行季節(jié)調(diào)峰和應(yīng)急儲備。

3.1 多氣源調(diào)峰和應(yīng)急保障研究

根據(jù)2021年深圳市管道天然氣月供氣量分析，夏季電廠用戶用氣量增加，夏季月供氣量相比冬季最高相差4485*10^4m³。圖1分別選取了2021年夏季及冬季某日城市燃?xì)庥脩粜r用氣曲線，冬季小時用氣峰谷較為明顯，峰谷差為17.5*10^4m³。為了有效調(diào)峰，提高氣源應(yīng)急保障能力，深圳市先后引進(jìn)了廣東大鵬LNG（通過安托山門站及坪山門站輸送，以下簡稱“大鵬LNG”）、中海石油深圳LNG（通過迭福門站輸送，以下簡稱“迭福LNG”）和深圳市華安天然氣應(yīng)急儲備庫（以下簡稱“華安LNG”）3個LNG氣源。

圖1城市燃?xì)庥脩舳炯跋募拘r用氣量曲線

（來源于深圳燃?xì)膺\營數(shù)據(jù)）

LNG氣源的引進(jìn)在發(fā)揮應(yīng)急調(diào)峰作用的同時給調(diào)度運行帶來新的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在調(diào)峰方案的科學(xué)制定及電廠供氣的安全保障兩個方面。在制定調(diào)峰方案時需對調(diào)峰量及調(diào)峰氣源啟閉時間進(jìn)行精確計算，在保障管網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的同時，確保向上游氣源供應(yīng)商申報采購量的準(zhǔn)確性。對于電廠用LNG氣源的引進(jìn)在發(fā)揮應(yīng)急調(diào)峰作用的同時給調(diào)度運行帶來新的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在調(diào)峰方案的科學(xué)制定及電廠供氣的安全保障兩個方面。在制定調(diào)峰方案時需對調(diào)峰量及調(diào)峰氣源啟閉時間進(jìn)行精確計算，在保障管網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的同時，確保向上游氣源供應(yīng)商申報采購量的準(zhǔn)確性。對于電廠用戶，燃?xì)廨啓C機組對燃?xì)馄焚|(zhì)的要求較為嚴(yán)格，氣源調(diào)度時需重點關(guān)注氣質(zhì)的穩(wěn)定性問題。如果供應(yīng)電廠的燃?xì)馄焚|(zhì)達(dá)不到機組運行要求，將會影響其正常運行，嚴(yán)重時將會導(dǎo)致機組停機，造成供電事故。深圳市燃?xì)怆姀S裝機機組有9E、9F和6FA這3種類型，不同類型機組對燃?xì)夥€(wěn)定性要求各異。而深圳市天然氣氣源共有4種，如表2所示。為了保障電廠機組的安全運行，多種LNG如何進(jìn)行調(diào)配，新氣源對既有氣源能否互換，是多LNG氣源調(diào)度中需考慮的問題。

表2 深圳市天然氣氣源與產(chǎn)地

3.2 多氣源質(zhì)量邊界控制研究

目前國內(nèi)外大型燃?xì)夤疽巡捎霉芫W(wǎng)模擬仿真技術(shù)，通過真實系統(tǒng)的模型進(jìn)行實際系統(tǒng)的計算分析和處理，計算出未來不同條件下的管網(wǎng)運行情況，以及參數(shù)條件變化后系統(tǒng)可能發(fā)生的變化。仿真技術(shù)應(yīng)用于城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)，根據(jù)模擬的工況合理設(shè)置計算條件，可模擬實際管網(wǎng)的運行狀況。目前在國際上應(yīng)用較為廣泛的有TGNET、SPS、Win Flow、Win Tran、PCASIM、Synergi Gas等等，能對燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)模擬計算，用于新管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計、舊管網(wǎng)的改造、短時期內(nèi)的前景預(yù)測和風(fēng)險預(yù)案制定、輸配優(yōu)化、應(yīng)急調(diào)度等。

深圳市目前共有4種天然氣氣源，通過高壓管網(wǎng)供應(yīng)5座電廠，經(jīng)次高壓管網(wǎng)供207萬城市用戶。多氣源、多用戶的供氣格局下，管網(wǎng)仿真技術(shù)在優(yōu)化調(diào)度方面發(fā)揮重要作用。利用仿真系統(tǒng)可模擬氣源、管道、閥門、調(diào)壓站等事故工況，為失效模式下的供氣保障方案提供決策支持；實時抓取SCADA系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，預(yù)測高峰時段和調(diào)峰量，輔助調(diào)度員進(jìn)行調(diào)峰；實時分析電廠用戶端天然氣的組分和物性參數(shù)（熱值、華白數(shù)等）的變化并進(jìn)行預(yù)警，避免因天然氣組分的變化造成電廠供氣風(fēng)險。管網(wǎng)模擬仿真計算能夠通過給氣源設(shè)置不同的組分，來計算下游用戶的用氣組分變化，熱值變化。

相對于傳統(tǒng)的氣源互換性與氣體質(zhì)量邊界的研究，管網(wǎng)的模擬仿真技術(shù)能夠得到更加精確的結(jié)果，在確定氣源組分的情況下，計算出管網(wǎng)中每1個用戶的用氣組分的變化和熱值的變化，同時也能夠查看用氣壓力變化和溫度的變化。通過這些仿真技術(shù)，能夠在滿足下游用戶需求的情況下，靈活運用上游的采購策略，優(yōu)化氣源采購方案。

深圳燃?xì)?017年引進(jìn)Synergi Gas仿真軟件，應(yīng)用于日常供氣方案的仿真模擬。通過定義氣源氣質(zhì)組分，可以模擬不同來源的氣源混合供應(yīng)情況，模擬計算電廠用戶端熱值變化。如圖2所示，根據(jù)當(dāng)日色譜儀采集的組分值數(shù)據(jù)，對坪山門站大鵬氣進(jìn)行組分定義。

圖2氣源組分賦值

對各門站定義氣源組分后，可以進(jìn)行水力計算，并查看仿真模擬結(jié)果。圖3為仿真軟件計算出的某電廠高熱值及低熱值曲線圖，可以看出當(dāng)日不同氣源混供至該電廠引起的熱值變化情況，通過分析其波動值可判定是否滿足機組運行要求。

圖3某電廠的高熱值和低熱值變化

目前深圳燃?xì)鈿庠磾?shù)量有4個，氣源接收的門站供應(yīng)能力大于下游用氣的負(fù)荷能力，具有較大的調(diào)節(jié)空間。同時由于各氣源組分熱值不同，計價方式也不同，這體現(xiàn)在氣源端和用戶端。有些氣源為熱值計價，有些氣源為體積計價，電廠用戶普遍采用熱值計價，普通居民及工商用戶普遍采用的是體積計價方式。

我們可以通過結(jié)合模擬仿真的計算工具，得到每1個用戶的氣體組份來源，來達(dá)到這些該目的。如表3所示為不同氣源組分組成表。

表3不同氣源組分組成表

圖4氣源供應(yīng)的范圍顯示

如圖4所示，為深圳燃?xì)鈿庠垂?yīng)范圍示意圖。求雨嶺門站的氣源為西二線氣；坪山門站的氣源為大鵬LNG。利用Synergi Gas分析西二氣與大鵬LNG混合供氣壓力及熱值變化情況，并優(yōu)化供氣方案。分析結(jié)果顯示，兩種氣源同時向高壓管網(wǎng)供氣時，鈺湖電廠和華電電廠的熱值波動較大，開機期間超過5%，不滿足要求。進(jìn)一步優(yōu)化供氣方案，將西二線氣經(jīng)求雨嶺門站調(diào)壓供應(yīng)城燃用戶，不向高壓管網(wǎng)供氣，結(jié)果顯示，各電廠壓力均穩(wěn)定，且熱值波動均不超過5%，滿足開機要求。除了通過門站控制供氣來源外，還可以通過開閉關(guān)鍵位置閥門調(diào)節(jié)氣源流量，來測算下游用戶的壓力、熱值和流量的變化，并對比篩選出對企業(yè)供氣、用戶用氣都達(dá)到滿意的最優(yōu)的供氣方案。

深圳燃?xì)庖环矫嫘枰龊蒙嫌喂艿罋庠磁c進(jìn)口LNG資源的有序調(diào)配，保證天然氣正常供應(yīng)；另一方面由于氣源供應(yīng)來源多等原因，通過科學(xué)合理地平衡供氣壓力穩(wěn)定與供氣熱值波動之間的關(guān)系，采取主動配氣方案，同時滿足企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展和用戶用氣滿意的雙向訴求。

考慮到上游氣源供應(yīng)情況，設(shè)定管網(wǎng)中氣源供給端的最低供應(yīng)量和最高供應(yīng)量，通過仿真模擬，篩選出在滿足管網(wǎng)不超壓的前提下，同時滿足所有用戶用氣量和交付期限的方案，結(jié)合各個氣源的壓力和熱值波動，可以得到滿足各邊界條件下的最優(yōu)輸氣方案，根據(jù)選擇結(jié)果，指導(dǎo)上游氣源采購（如圖5所示）。

圖5分配優(yōu)化方案形成流程

3.4  多氣源仿真模擬研究

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，作為南方城市的深圳市相比國內(nèi)北方城市的調(diào)峰系數(shù)要小很多，燃?xì)庠?、日、小時最大不均勻系數(shù)分別為1.35、1.108、1.6，最大日用氣量為全年平均日用氣量的1.496倍。為了平衡氣量調(diào)度，深圳燃?xì)饫肔NG氣源進(jìn)行調(diào)峰，但同時需精確計算LNG氣源調(diào)峰量及調(diào)峰時間，合理制定LNG氣源采購計劃及調(diào)峰方案。以小時調(diào)峰為例，為保障次高壓管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，次高壓管網(wǎng)壓力需保障不低于1.1MPa。通過下游需求量計算出次高壓管網(wǎng)上羅芳調(diào)壓站壓力曲線，進(jìn)站壓力在10:00～15:00及17:45～23:40兩個高峰時段內(nèi)低于1.1MPa，不滿足輸配要求，此時計劃采用大鵬LNG進(jìn)行調(diào)峰。

通過仿真分析，在9:20～13:00、17:50～21:00及22:00～23:10啟用LNG氣源，供應(yīng)天然氣25.5*10^4m³/日，可保障次高壓管網(wǎng)所有調(diào)壓站壓力始終高于1.1MPa。

當(dāng)日，依據(jù)仿真計算結(jié)果供應(yīng)LNG氣源，保障了管網(wǎng)的穩(wěn)定供氣。經(jīng)對比，當(dāng)日羅芳調(diào)壓站進(jìn)站壓力實測曲線與仿真壓力曲線吻合，如圖6所示。

圖6羅芳調(diào)壓站進(jìn)站壓力實測與仿真壓力曲線

因此，在研究多氣源對電廠機組的互換性影響時，在華白數(shù)波動滿足要求的前提下，利用仿真系統(tǒng)實時抓取系統(tǒng)采集的組分?jǐn)?shù)據(jù)，分析電廠端天然氣的熱值波動情況，提前進(jìn)行預(yù)警。由圖4可知，東部區(qū)域華電電廠面臨大鵬LNG、迭福LNG、華安LNG及西二氣4個氣源混合供應(yīng)的復(fù)雜工況。仿真研究顯示，西二氣與LNG氣源供華電的混氣熱值波動高達(dá)7.14%，如圖7所示。需采取措施進(jìn)行調(diào)整來避免出現(xiàn)電廠因氣質(zhì)波動引發(fā)跳機繼而危及電網(wǎng)安全的事件出現(xiàn)，控制氣源的質(zhì)量安全邊界就是要控制好進(jìn)入管網(wǎng)的氣質(zhì)品。例如，通過閥門隔離氣源分段供氣，通過在接收站氣化時控制進(jìn)入汽化器的液態(tài)LNG，以及通過多匯管控制混合不同氣質(zhì)的管輸天然氣等綜合措施來保障電廠端的天然氣熱值波動小于±5%。

圖7西二氣與LNG混供電廠高熱值曲線示意圖

3.5 多氣源互換性分析研究

深圳市主要的天然氣氣源的組分及熱值、華白數(shù)情況如表4所示，迭福BOG是來源于迭福LNG接收站的閃蒸汽。我國參照國際燃?xì)饴?lián)盟（IGU）根據(jù)互換性概念利用華白數(shù)和燃燒勢對燃?xì)獾姆诸惙椒C布了GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴贰?/p>

表4  天然氣氣源的組分及物性（mol %）

       國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)的成立促進(jìn)了城市燃?xì)馄髽I(yè)與不同用戶等市場主體參與天然氣交易頻率，同時也為燃?xì)馄髽I(yè)帶來了開展氣源供應(yīng)及氣源調(diào)度挑戰(zhàn)。當(dāng)前，多氣源供應(yīng)已經(jīng)成為城市燃?xì)膺\營常態(tài)，管網(wǎng)的互連互通也逐步形成，在如何更好地發(fā)揮燃?xì)馄髽I(yè)中流砥柱的中間力量上，應(yīng)積極尋求上游與燃?xì)馄髽I(yè)、燃?xì)馄髽I(yè)與下游之間的雙向奔赴。為進(jìn)一步加大上游氣源供應(yīng)的靈活性和下游不同用戶用氣需求的滿意度，通過開展管網(wǎng)仿真技術(shù)，基于氣源組分?jǐn)?shù)據(jù)，針對不同氣源組分開展了模擬研究，滿足不同用戶的用氣訴求為實現(xiàn)上述目標(biāo)提供了可供參考的依據(jù)。