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城市燃气技术、设备的发展与产业化

日期:2007-12-28    来源:中燃网  作者:中燃网

国际燃气网

2007
12/28
13:27
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关键词: 城市燃气 技术

    一、燃气技术发展的基础

  天然气是二十一世纪的主要能源。我国在上世纪末,以陕气进京为代表,拉开了城市大规模利用天然气的序幕。“西气东输”、近海天然气的利用、“俄气南输”和进口液化天然气等项目,将开始根本改变我国城市燃气发展的面貌。天然气到来之后,由于供气规模和对象的变化,与天然气到来之前有本质的区别,涉及的技术问题也更为广泛。天然气到来之后,我国城市燃气的发展也开始逐步走上与世界各国城市燃气相同的发展道路,科技进步也有了共同点,有了坚实的基础。这些,将大大推动燃气设备的产业化发展速度,使我国城市燃气的发展发生质的飞跃,在完成向城市清洁能源战略转移中大大向前迈进一步,对改善城市大气污染和生态环境起到良好的作用,技术上也将取得更大的进步。

  从世界城市燃气科技发展的规律看,燃气的利用规模决定着行业的技术水平,天然气到来后,燃气的主要用户均已从民用转向工业,工业成为主要供气对象,且统一在一个整体的供气网络中;燃气在城市一次能源中所占的比重也将成为燃气发展水平的重要标志,供气网络的单位长度输气量将成为技术水平的重要指标,并逐步做到与先进国家进行比较,从而可以使差距定量化。  我国城市燃气的发展,对民用户来说,已经取得了很大的成绩,特别是上世纪九十年代以来的发展十分迅速,对城市居民因烧煤造成的大气污染已得到了很好的解决和改进。从建设部综合财务司“中国城市建设统计年报”的数据看,2001年城市燃气总销售量为1006,96× 1012KJ,比2000年的1000,91×1012KJ仅增加0.6%,约相当于天然气283亿m3,为世界燃气总消费量的1%强(1999年世界天然气的总消费量为2399,4×109m3)。2001年城市燃气总销售量中,人工气占19.9%,LPG占44.9%,天然气占35.2%;按用气人口数计:人工气占20.4%,LPG占65.0%,天然气占14.6%。总用气人口达到21350.82万人,管长达到100479.15Km。

  从统计数据看,也出现了一些难以置信的现象,如2001年与2000年相比,人工气与LPG的总销售量在下降,人工气下降了10.1%,LPG下降了 6.7%,天然气上升了21.4%;但从用气人口计,人工气增加了10.25%,LPG增加了13.0%,天然气增加了21.1%,总用气人口2001年比2000年增加了3718.77万人,其中人工气增加404.6万人,LPG增加2768.36万人,天然气增加545.77万人。管长增加 11021.15Km(2000年管长为89458 Km)。如果统计无误的话,在气量增加不多的情况下,一年中用气人口增加3718万人,是我国城市燃气历史上从未有过的发展速度,也为今后的发展奠定了良好的基础。

  从国际发展天然气工业的经验看,天然气从气田到市场需要由投资很大的基础设施来保证。没有基础设施建设就没有市场,因此,基础设施建设已成为发展天然气的“瓶颈”。天然气“链”包括五个环节,即天然气的开采与生产,贮存,长输管线,配气管网和应用。这五个环节缺一不可。世界燃气工业科学技术的发展与进步始终是围绕着这五个环节在进行,各有其自身的科技发展规律和研究方向。我国在煤制气阶段,这五个环节是统一在城市燃气的小系统内且由城市统一管理。在天然气时代,则应由涉及上、中、下游的各个部门分工合作,在管理体制上,则是通过商业合同与法律运作。只有职责分明,各司其职才能保证安全运行。从各国技术发展的规律来看,不能以煤制气阶段取得的经验来解决天然气发展中的问题,也不能以计划经济时期的统一模式来处理市场经济条件下天然气发展中的问题。

  天然气发展中的首要问题是经济问题,技术的发展应以经济效益为前提,天然气富裕程度不同的国家,城市燃气的供气政策应按优化利用能源的方针来制定。多种气源,因地制宜,合理利用应是我国城市燃气发展的长期方针。这也是各国发展的共同道路。

  从各国的统计资料可知,城市配气管网的建设是培育燃气市场中投资最大的部分,配气管网(网状部分)与长输管线的长度比,美国为75.3%:24.7%;法国为83.36%:16.64%;前苏联为85.9%:14.1%;澳大利亚为82.7%:17.3%;伊朗为83.3%:16.7%。城市配气管网因调峰等原因,设备与管道的利用率低于长输管线,城市管道的敷设费用高于长输管线,安全保障的建设费用也很高,但气价又受其它替代能源的限制。法国的经验描述为:输配管网,前期投入大,建设期长,资金返回慢,还款期长。没有单一买方承诺长期购买。由于这一原因,发达国家如日本,民用户用气中LPG至今仍占 52%,发展中国家如马来西亚,天然气资源丰富,但民用气仅占总用气量的0.07%,绝大多数居民均是使用LPG,目的都是为了使能源的利用取得最佳的经济效益。

  当今世界燃气工业的发展正处在大变革和大发展时期,气源离市场的距离越来越远,能源输送的基础设施建设也在采用多种方式, LNG就是方式之一,GTL(转化液体燃料)则又是另一种方式,涉及的技术因素很多,因此,追踪国际上燃气工业发展的动向和经验,对指导我国燃气工业的发展有很大的意义。燃气工业的发展与各国的经济发展水平也有密切的关系,发展中国家与发达国家的发展道路也不同。我国城市天然气的利用刚起步,技术上与发达国家相比差距甚大,加上技术发展资金短缺,投入不足,尚未建成一支强有力的科研队伍,与发展的需要甚不适应,燃气企业的亏损还远未解决,配套设备依赖进口,产业化的程度很低,因此,只能围绕天然气的发展和利用,选择生产实践中的急需课题,按“有所为,有所不为”的原则,重点开展科研活动,务求实效,同时,加强国外先进技术的消化吸收,保证安全供气,降低供气成本。

    二、技术、设备开发的主要方向

    1、燃气气源

  任何一种城市燃气,在运行过程中的组分均可能会有变化,天然气也不例外,根据气田的产气状况,国际上天然气有两个标准(即H类和L类),每一标准均有其自身的互换范围,但对商品的天然气,还必须研究每类天然气在运行中组分的允许变化范围。商品天然气组分的允许波动范围应小于燃气分类中的波动范围。如对标准中的某类天然气,应规定天然气的华白数不应低于和不应高于的数值。从计费的角度看,还应规定天然气热值的最低值和最高值。热值降低,会影响消费者的利益,提高热值又会使经营者蒙受经济上的损失。我国天然气标准中仅规定热值>31.4MJ/m3,显然不能满足运行中对商品天然气的要求。当各种气源的天然气需要混配时,尤应注意到燃气组分的变化。此外,天然气中的H2s含量、总S含量、Cl含量、烃露点、水露点、氧含量、CO2含量、N2含量以及供气压力和标准测试方法等均应有所规定,以便作为签订“照付不议”合同时的主要内容之一,使“照付不议”合同的内容符合国际惯例。

  世界上液化天然气(LNG)的发展方兴未艾,我国也正在起步,涉及LNG链中的三个环节,即液化、储存和再气化的技术经济问题也将提到日程上来。

  城市燃气与气源有关的设备产业化问题有:
  ① 连续快速测定燃气组分、热值和华白数的仪器仪表开发。
  ② 不同工作原理且适用于不同压力的大流量计量装置的开发。
  ③ 天然气液化、贮存、运输再气化、加氮等设备的开发。
  ④ 智能与遥控仪表设备的开发等。
  ⑤ LNG卫星厂的整套设备开发。
    2、输配与输气

  20世纪二十年代,美国因西南和中部地区的天然气资源开始兴建长输管线。五十年代,从加拿大到美国开始兴建跨国长输管线。六十年代,欧洲因荷兰格罗宁根气田的开发,开始形成连接荷兰、比利时、德国、法国和意大利的长输管线,后来,又引进俄罗斯等国的天然气,形成了欧洲的供气网络。世界正在建设 33000Km的输气管道。日本则依赖进口LNG和LPG发展本国的城市燃气。如上所述城市配气管网建设的工作量最大,也最贴近市场,需要大量设施来保证,如管道、阀门、调压、计量、施工、运行、维修、检漏和遥控系统等,涉及的计算机软件也很多。为了平衡用气的季节波动,必须具有完善的调峰设施。 1998年世界地下气库的总量有600座,其中:美国、加拿大448座,西欧78座、东欧和前苏联68座、日本和澳大利亚7座,工作燃气能力(WGC)总量为308×109m3,总容量为585×109m3,工作燃气贮存的能力相当世界年耗气量的14%。此外以LNG作为短期调峰的厂有73座,其中欧洲9座、南亚1座、澳大利亚2座、北美60座,南美1座。液化周期为150-300日/年,气化周期为5-20 日/年。还有为数众多的LPG调峰厂。我国在许多方面几乎还是空白。

  2001年,我国城市燃气管道总长100479.15Km,其中人工气50114.06Km,天然气39556.22 Km,LPG10808.87 Km。天然气大规模供应后,由人工气向天然气转换的工作量也很大,涉及设备产业化的项目也最多,主要有:
(1)管材方面,如PE管、钢管、球铁管、铜管等新管材。
(2)钢管材的防腐设施。
(3)管道的施工、维修和更新改造的技术和设备。
(4)具有监控和安全系统的高性能调压装置,满足各类用户和网络工作压力要求的调压装置等,
(5)高可靠性阀门装置。
(6)适应不同计量需要的中小型流量计。
(7)储气设备的开发;不同用途调峰设备的开发。
(8)设计、运行和管理技术开发,如城市燃气设计、运行数据库的建设及软件开发等。
(9)自动查表和收费系统。
(10)完善SCADA和GIS系统。
(11)城市燃气信息化系统建设。
(12)技术经济计算中各类计算机软件的开发。

    3、燃气的应用

  发展城市燃气的目的最终在于应用,燃气的优越性也只有通过广泛而有效的应用才能体现出来。从技术进步的角度看,在目前我国城市燃气的发展水平下,燃气的应用技术与国外的差距最小。在市场经济的条件下,越是和消费者直接有关的技术,竞争越是激烈,因而与国外的差距越小,或是越易缩小。但是,应用技术的进步,又依赖于城市燃气的发展。长期以来,由于我国的气源供应不足,影响了应用技术的发展,停留在生活炊事用气和少量热水供应的阶段。

  当今世界燃气应用技术的研究围绕着两个目标进行。一是国际上把天然气看作是一种升水燃料或加价燃料(Premium fuel),经济学中,把商品价格高于原定价格或超过一般水平,其高出部分叫做加价或升水,也即天然气是一种高品位可升值的燃料。因此,在天然气的应用中应充分发挥它的高使用价值(High uses of gas)。二是燃气的应用技术应减少污染物的排放量,从大范围来看,污染物的排放要考虑对臭氧层破坏的潜力(ODP—Ozone depletion potential)和对全球变暖的潜力(GWP—Global warming potential)。天然气的主要成分为CH4,碳氢比小,燃烧后产生的温室气体量CO2也小,但CH4本身就是一种温室气体,不能直接向大气排放。从小范围看,则主要是减少TSP、SO2和NOx的排放量。天然气在应用中有明显的优点,但对减少NOx的排放量还有待研究。涉及设备产业化的项目有:

① 21世纪的低污染新型燃具。
② 燃气采暖与空调设备。
③ 小型冷、热、电联产装置。
④ 压缩天然气汽车(CNG)及加气站配套设备。
⑤ 燃具及小型燃气表的智能化。

    4、安全设施

  随着城市燃气的发展,供气范围的不断扩大,用户的增加,安全问题日益突出,事故也屡有发生。虽然世界各国均不断有燃气爆炸、中毒等伤亡事故发生的报导,但程度上有很大的差异。我国的燃气事故是较多的。据上海燃气管理处的不完全统计,1999年上海因燃气泄漏造成的死亡人数为106人,2000年有所下降,但仍有102人死于燃气中毒和窒息,且已成为继公交、工伤之后的第三伤亡事故。
安全问题是从事故开始认识的,但安全与事故是两个概念,事故是不安全因素造成的最后结果,而安全则有更广泛的概念。燃气事故的危险性(Risk)来源于易燃、易爆和高压输送。国际上事故的度量常按国际劳动组织(ILO)提出的失去工作日事故(Lost time accidents—简称LTAS)表示。事故的危险性R=P×M,式中P表示事故的频率(Frequency),M表示事故的严重程度(Severity rate)。对管道燃气,事故频率常以失去的工作日与系统的管长表示,实际上,不仅管长影响LTA,维修系统与施工系统也有影响。至于事故的严重程度还应考虑到许多潜在的因素,如人口密度,建筑物等。从而产生了危险性管理的概念(Risk management),我国常称的安全管理,实质上即危险性的倒数。危险性管理是系统使用管理政策、程序和方法,以保护工作人员,人民群众,环境和公司财产达到可接受的程度。危险性管理还包括系统地评估潜在的危险,并提出危险控制的过程(重点在漏气的检查)。危险性管理的规程与法规,各国不完全相同,它与该国供气的历史有关,供气历史越长,各公司自身的规定就越多、越详细。至于政府的规程,常包括检漏、阴极保护、加臭、群众有举报事故的责任等,各国均有法律,但详细程度不同。也包括事故后的处理等内容。

  燃气的危险性,包括事故和对环境的污染(CH4),常由漏气所造成。一个燃气系统不可能完全不漏气,但不允许造成事故的漏气。围绕漏气问题,在国际上做过很多的研究工作,如分析管道失效的漏气原因大致为:施工安装缺陷52.8%,设备缺陷8.3%,管材缺陷11.1%,腐蚀5.6%,运行错误5.5%,其它16.7%%等。又如,阀门寿命通常比在相同条件下的管道寿命要低2—2.5倍等。涉及安全问题的设备产业化内容很多,主要有:

① 高精度巡视检漏仪器的开发。
② 发展连续监测系统,对CO,CO2,NOx和SO2进行连续监测。包括连续排放监控系统(CEMS)和预测排放监控系统(PEMS)等。
③ 加臭配套设施。
④ 家庭安全报警系统及安全设备的开发。

    三、对燃气设备产业化的建议

  综上所述,城市燃气是一个新技术、新产品和新设备开发的大市场,是一个新的经济增长点。过去,不少部门和厂家在新技术、新产品和新设备的开发中做出了贡献,取得了很好的经济效益,但也有一些厂家取得的效益不够理想。因此,研究成功的经验和失败的教训是十分必要的。最主要的一点是在确定新技术、新产品和新设备开发时,应先做好可行性研究。厂家自己做一些调查研究,不掌握国内外全面情况,仓促决策而造成失误的例子很多。在开发中,特别要注意以下几个问题。

    1、我国城市燃气发展的趋势和特点。我国是多气源的国家,与不少国家是单一天然气气源的不同。每种气源在一定的历史阶段对产品有不同的要求。要明确气源变化对产品市场的影响。

    2、研究每种新技术、新产品、新设备在市场中所处的地位和需求量。要弄清供需关系,分析是短期产品还是长期产品;那些技术是要逐步淘汰的,那些是正在发展的;那些技术是超前的,那些是滞后的。研究国外技术、产品和设备的发展时,要研究多个国家,并注意各个国家的特点和在世界上的地位。

    3、要研究每种新技术、新产品和新设备的标准,在我国已加入WTO后,特别要注意贸易技术壁垒协议(TBT协议)中的要点,不论国内有无相应的标准,均应掌握国内外的标准,尤其是技术先进国家的标准。要分析国外标准中的参数是否和我国的规范、标准相符合?和我国的气源特点、压力级别是否相配套?

    4、如为用户直接服务的产品,则应研究我国用户的使用特点和居住、厨房等条件,有无排烟设施等。国外的建筑物均有完善的排烟系统,而我国往往没有,致使许多燃气应用产品受到限制。勉强推广使用,就会造成安全事故。

    5、要研究并注意燃气与其它能源的替代关系。其中特别与电力和燃料油的比价。国际上,当前燃气与电力、燃料油的竞争十分激烈,其中有重要的内在规律。

    6、要研究产品的技术诀窍及其耐久性、可靠性和寿命期。产品应有自己的特色。

    7、确定我国产品的合理市场价格。

    8、做好风险性分析,弄清各种因素对产品市场的影响。

    9、建立健全的质量保证体系。
  城市燃气带有公用事业性质,在计划经济时期还具有垄断性,几年来改革步伐缓慢,竞争机制尚未建立。在城市燃气的发展中,建立内生能力(Endogenous capacity)十分重要。内生能力是指国家、部门和个人作出合理的和相对独立的决策能力。内生能力是1976年联合国会议对科学技术发展所提出的概念,它适用于所有的发展领域,且是发展的一个最重要的方法,因此,如同其它发展部门一样,我国的燃气工业也需要建立内生能力。当内生能力达到一定水平时,我国燃气设备的产业化必将达到一个新的水平。

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