（制冷及低温工程专业论文）基于虚拟仪器对燃气管网系统动态负荷优化研究.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的发展，对能源的需求量越来越大，同时伴随着对环境的重视，对能源的 品质要求也逐渐提高。在所有能源中，天然气无疑是比较清洁的一种能源。“西气东输”工 程的建设，标志着我国天然气工业进入了迅速发展的阶段。随着燃气事业的发展和供气区域 的扩大，供气优化调度问题显得尤为重要。 为了保证燃气管网的运行安全，提高城市燃气管网供气系统的效率，改善其运行管理水 平和用户供气的质量，最大限度的扩大燃气用户数量及类型，提高管网的利用率，本文利用 美国国家仪器公司的虚拟测控平台l a b v w ( l a b o r a t o r yv i r t u a lh a s t r u m e me n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 。编制了一套燃气管网负荷的虚拟仪器动态监测、优化系统。在此平台上开发 的燃气管网负荷动态监测、优化系统软件能够实现全面及时采集到的燃气管网供燃气系统的 温度、压力、流量等参数，监测参数变化趋势，建立数据库存储数据，对燃气负荷、压力、 温度的上下限的调节控制，实现数据采集、数据监测、数据储存与越限报警等，从而了解各 种用户用气特点，及整个管网的负荷特点，并通过建立优化收益和预测数学模型研究如何尽 量使燃气管网在满负荷或接近满负荷状态下运行，即负荷曲线平稳，提高燃气管网系统利用 率，达到燃气管网系统的优化管理，节能高效的运行。 以上研究对解决燃气负荷的时变性和差异性等对燃气管网负荷的影响具有重要意义。 仿真软件采用虚拟仪器l a b y i e y 与数据库等编程语言编制，w i n d o w s 界面。 关健词西气东输；调峰；燃气负荷优化；l a b v l e w ：燃气管网 a b s t t a c t r e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o nl o a do fn a t u r a lg a sp i p e n e t w o r ks y s t e mi nl a b v i e we n v i r o n m e n t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t0 ft h en a t i o n a ie c o n o m y , t h ed e m a n do ft h ee n e r g yi sc r e a s i n g a tt h es a m et i m e ，b e c a u s ep e o p l ep a ym o r ea t l e n t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t ，t h er e q u i r e m e n t a b o u tq u a l i t yo ft h ee n e r g ye n h a n c e i na l lt h ee n e r g y , n a t u r a lg a su n d o u b t e d l yi st h e m o s tc l e a ne n e r g y t h ep r o j a c to f “n a t u r a lg a si nw e s ta r e at r a n s p o r t i n gt oe a s ta r e a i n d i c a t e dt h a to u rc o u n t r y sn a t u r a lg a si n d u s t r yw i l ld e v e l o pr a p i d l y t h eo p t i m i z a t i o no f n a t u r a lg a sp i p en e t w o r ks y s t e r nd e s i g ni sm e r yi m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n ta n du s a g e o fn a t u r a lg a s j no r d a rt oe n s u r et h en a t u r a lg a sp i p en e t w o r ks y s t e mo p e r a t es a f e l y , e n h a n c el h e e f f i c i e n c yo ft h en a t u r a lg a sp i p en e t w o r ks y s t e m t h el e v e lo fm a n a g e m e n ta n dq u a l i t yo f f e e d i n g ，e n l a r g et h en u m b e ra n ds o r to ft h eu s er s w ed e s i g n av i r t u a li n s t r u m e n t m o n i t o r i n ga n do p t i m i z a t i o ns y s t e mi nt h ev i r t u a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lp l a t f o r m o f n a t i o n a ii n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n n a m e l yl a b v l e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h )i nl h i s s y s t e m a s e r i e s0 f p a r a m e t e r s s u c ha s t e m p e r a t u r e p r e s s u r e f l o wr a f ec a nb ec o l l e c t e da n d ad a t a b a s eh a sb e e nb u i l t w ec a n r e g u l a t ea n dc o n t r o lt h eu p p e ra n dl o w e ri i m _ lo fl h et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e f l o wr a t e t h r o u g hi tw ec a nk n o wa b o u tt h ec h a r a c t e r0 fa l ik i n d so fu s e r sa n dl h ew h o l en e t w o r k s m a n a g e m e n ta n do p t i m i z e dl o a da r er e a l i z e db yu s i n gt h i ss y s t e ma n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e io ff o r e c a s la n dt h eo p t i m i z a t i o n0 fl o a d a t h i sa l l o w sl h en a t u r a ig a sp i p en e t w o r k s y s t e r nt ob eo p e r a t e di nah i g h e r - e f f i c i e n ta n dm o r ee n e r c i y - s a v i n gs i t u a t i o n a i lt h i sr e s e a m hi sm e r yi m p o r t a n tf o rr e s o l v i n gt h ep r o b l e m0 fh o wt h ei o a dv a r i e t y w i t ht i m ea f f e c tt h en a t u r a lg a sp i p en e t w o r ks y s t e m av i r t u a li n s t r u m e n tm o n i t o r i n ga n do p t i m i z a t i o ns y s t e mi sd e s i g nb yl a b v i e wa n d d a t ab a s e i nw l n d o w se n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：n a t u r a lg a si nw e s ta r e at r a n s p o r t i n gt oe a s ta r e a ，p e a ks h a v i n g ，o p t i m i z a t i o n o fi o a d l a b v l e w n a t u r a ig a sp i p en e t w o r k i l 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 天然气作为一种优质的气体燃料，凭借其比人工煤气、液化石油气更清洁、快捷、高 效、安全的优势，且成本低廉，特别是其对环境保护的积极作用，已被世界各国广泛采用， 并越来越受到人们的关注。世界能源专家一致认为2 l 世纪是天然气的大发展的时代。 相比其他气体燃料，天然气具有一些优良的技术和经济特点“。如i 1 天然气是一种清洁的燃料。天然气代替煤、石油，可使废物排放量大幅度降低。天然 气的主要成分是甲烷，较之其他烃类燃料其碳氢比最小，因而完全燃烧性能更好，燃烧空 气需要量小，燃烧温度较低，烟气中c 0 2 ，n o x 产生量少。天然气基本不含硫，因而烟气 中s 0 2 排放量为0 。因为天然气具有无色、无味、无毒、无腐蚀性等优点目前已成为众多发 达国家的城市首选能源。1 2 天然气安全性好。由于天然气的密度比空气轻，即使不小心外泄，也会很快在空气中 挥发，不容易产生聚集，因此引发各类燃气事故的概率相对较小。同时，较之人工煤气， 或者油制气，天然气中不存在c o 等有毒成分。对人类健康的危害较小。天然气的爆炸极限 为( 5 1 5 ) 比人工煤气的爆炸极限( 6 5 3 6 5 ) 更窄。因而比其他燃气，天然气 要安全得多。 3 天然气是经济性较好的一次能源。在气体燃料中，自然界中只有天然气。其他诸如干 馏煤气和油制气，分别由固体燃料和液体燃料经热分解而来；液化石油气则是石油精炼过 程中的副产品。因此天然气是一次能源，而其他气体燃料都是经过加工的二次能源。按相 同热值计算，即在用户端得到相同热值的条件下，天然气等气体燃料之间的价格比为：天 然气：液化石油气：煤制气= l ：1 4 ：1 1 。而且天然气具有较高的燃烧率。例如对发电， 燃烧的热效率为：天然气5 0 ，煤4 0 4 4 ；对于工业锅炉：天然气9 0 ，煤6 0 6 5 。国外对日本核电站、煤电站、液化天然气轮机电站、液化天然气循环电站等统计，单 位发电量以液化天然气发电成本最低，且建设电站投资少，周期短。因而天然气在经济上 具有竞争优势。 4 天然气使用方便。天然气特别适合管道输送，管道输送天然气比输送石油更为便利， 并且运输成本较低。 5 天然气资源丰富。天然气资源比石油资源更为丰富，世界天然气资源储量约为5 0 0 万 亿岔。按目前生产水平，足可供持续生产i2 0 年。我国天然气资源丰富，1 9 9 4 年对我国的 重点油气盆地进行评估，总资源量为3 8 ( ) 4 万亿m j ，占世界天然气总资源量的1 l ，6 ，位 居世界第三位。根据近年对天然气储量的勘探，预测天然气资源量约为4 7 万亿群。随着勘 探技术的不断发展，还会有新的油气田不断勘探开发出来。因此鹿大力发展天然气输配利 用事业。 6 天然气用途广泛。可用于化工、发电、汽车燃料、工业、城市商业和民用等方面。而 且随着科学技术的发展，将不断开拓天然气这一清洁能源的利用空问，造福人类。 人类像2 0 世纪初从使用固体燃料向使用液体燃料转变那样，如今开始了从液体燃料向 气体燃料的过渡，从而使整个能源系统的效率和清洁性得到提高。据专家预测，在世界一 次能源消费结构中，石油所占的比重将由1 9 9 4 年的4 0 o 逐渐降低到2 0 l o 年的3 6 2 ， 而天然气将由2 1 1 提高到2 4 0 ，煤炭、可再生能源和其他能源将由3 8 8 增加到3 9 8 东南大学硕士学位论文 。与- 1 9 9 4 年相比，到2 0 1 0 年o e c d ( 经合组织) 对天然气的需求量将增加5 0 ，其中美国 增对天然气的需求量将增加3 8 西欧增加9 0 ；此外，独联体将增加4 8 o ，欧佩克国家 将增加1 倍，拉美地区将增加2 倍，东欧和中国将增加7 5 。”1 随着我国能源政策的调整，环境保护意识的加强。我国天然气需求量呈递增趋势，在 能源中所占比例也不断增加。如表1 、2 所示： 表1全国天然气消费需求预测 单位：亿立方米年。5 3 行业需求 2 0 0 0 矩2 0 0 5 焦2 0 1 0 年2 0 1 5 焦 2 0 2 0 芷 发电1 0 1 4 7 3 3 86 2 89 2 3 工业燃料 8 21 8 42 6 23 8 2 4 8 7 城市燃气6 21 6 93 2 06 1 78 4 8 合计2 5 76 4 51 1 2 11 8 5 02 5 1 7 表2天然气在中国能源总生产量中所占百分比 年份 原煤原油 天然气水电 1 9 7 87 0 32 3 72 93 1 1 9 8 06 9 42 3 83 0 3 8 1 9 8 57 2 82 0 92 04 3 1 9 9 07 4 21 9 o2 0 4 8 1 9 9 l7 4 11 9 22 04 7 1 9 9 27 4 31 8 9 2 04 8 1 9 9 37 4 01 8 72 o5 3 1 9 9 47 4 61 7 61 9 5 g 1 9 9 47 5 31 6 61 96 2 1 9 9 57 5 31 6 61 96 2 1 9 9 67 5 21 7 o2 o5 8 1 9 9 77 4 11 7 32 1 6 5 1 9 9 87 1 91 8 52 57 1 1 9 9 96 8 32 1 ，o3 17 6 2 0 0 06 6 62 1 8 3 48 2 2 0 0 16 8 02 0 23 48 4 注：表2 数据源自国家统计局 目前，我国把开发和利用天然气资源作为2 1 世纪优先发展的产业已规划出未来十年的 天然气工业发展战略，即到2 0 1 0 年，天然气年生产能力达到8 0 0 亿立方米，使天然气在我 国一次能源消费结构中的比重由目前的2 提高到8 左右。西部大开发是我国的一项重大 经济发展政策，“西气东输”又是西部大开发的一个重要组成部分，也是我国的一项重要能 源调整政策。因此努力发展、扩大天然气市场，提高天然气在能源消费中的比重不仅可以 优化能源结构、缓解能源运输压力，而且有利于改善和保护生态环境，提高人民生活质量， 2 第l 章绪论 对于实现我国能源、经济、环境的可持续发展具有重要的意义。”“。” 然而尽管近年来我国天然气工业发展速度明显加快，但天然气作为一次能源在消费领域 中所占的比例仍然过低，能源消费结构不尽合理，煤炭所占的比重过大，给环境保护带来了 十分不利的影响，制约了我国经济发展水平和人民生活水平的提高。同时天然气消费结构 也不尽合理，我国天然气有将近4 0 主要用于化工原料，中部地区占到6 0 以上，而国外 发达国家燃气只有1 0 用于化工原料，而其他9 0 主要用于工业、民用及发电等。 1 _ 2 课题的提出和意义 随着我国“西气东输”工程全面投入运行将西部丰富的天然气资源送到东部经济发 达地区，使我国城市燃气向以天然气气源为主导的方面转变。中国天然气资源主要分布于中 西部地区的鄂尔多斯、四j i i 、塔里木、柴达木和近海的东海、莺歌海、琼东南盆地。”。上述 七大气田天然气资源量为3 5 万亿m 。，可采资源量为7 万亿m 4 。而经济发达的东部及东南 沿海地区天然气资源相对贫乏，这一特点决定了要发展中国天然气工业必须实施“西气东 输”。面对“西气东输”所带来的巨大机遇和将要遇到的新问题，研究天然气输配优化是目 前当务之急，急需解决的课题。“ 在能源结构方面，天然气的供应会推动煤、电、气等能源供应的增长和互相替代。燃气 会尽可能多的代替煤，部分的替代汽、柴油用于车辆，也可能用于发电等。天然气供应量 和消费量以前所未有的速度增长消费领域不断扩大。因此，平衡输配将是目前急需解决的 问题。 在终端用户类型方面，随着我国能源政策的调整，以及“西气东输”的全面实施，在终 端用户的构成上会发生巨大的变化。燃气用户将由原来的以居民用气、公共建筑用气、工业 用气为主向包括采暖、空调用气、汽车燃料用气、发电及化工等多用户发展。2 0 0 2 年，全 国天然气产量中可供消费的天然气为2 8 9 亿m 。，在一次能源消费中占2 4 。其中化工用 气1 0 1 亿m 3 ，占3 8 8 4 ；工业燃料用气8 4 亿m 。占3 2 3 1 ：城市燃气用气6 2 亿m 3 ， 占2 3 8 5 ：发电用气1 3 亿m 3 ，占5 。到2 0 1 5 年，各种终端用户用气量的比例将为： 发电4 2 ，化工1 6 ，民用2 2 ，工业及其他2 0 。其中，城市燃气( 民用，工业及其 他) 占4 2 。用户的变化不仅直接引起负荷规律的变化，而且使得城市燃气调峰的问题目 益突出。与此同时，目前的由于用气量的不平衡导致天然气输送管网的利用率很低。季节不 平衡非常严重，最直接的后果是经济成本加大。因此科学台理地解决城市燃气季节调峰问题， 尽量开发和合理安排天然气用户，避免造成天然气使用方式的严重不合理，具有蘑大的现实 意义和经济意义。这是因为如果不采取有效的措施，必将造成夏季用气低谷时燃气供应量大 于需求量，而当冬季用气高峰时燃气供应量又无法满足用户的需要。因此，需要采取科学经 济的调峰手段，保证在安全平稳供气的前提下： 一、尽量使燃气管网保持在最高负荷或接近最高负荷的工况下运行，提高燃气管网系统 利用率，降低输气成本； 二、尽量减小冬夏季峰谷，使燃气公司获利最大，使用户费用支出达到最小，以提高经 济效益。 在2 1 世纪的今天，科学技术有了突飞猛进的发展，新世纪天然气供气系统的规划与调 度不应该停留在凭经验的低水平，要把先进的科学技术应用到天然气区域性的大系统中来， 利用先进的计算机虚拟仪器对燃气管网进行仿真，并利用线性规划、马尔可夫链等数学方法 对负荷进行经济目标优化和用户用气量预测的研究，就是基于这样一个目的的理论应用研 究，是提高燃气管网系统的管理水平，平衡输配、提高经济效益，是使燃气系统的管理科学 东南大学硕士学位论文 化的基础性的研究。本文在研究方法上开辟了新方向，有一定的理论意义，在工程上具有广 阔的应用前景。 1 3 国内外燃气管网系统负荷优化管理软件的研究 多年来管理人员仅凭经验对燃气管网进行管理，对整个管网的系统管理的经济效益方面 考虑甚少，使整个供气系统的管理处于盲目状态，造成能量的很大浪费。随着“西气东输” 工程的全面启动，使得燃气管网系统的规模不断扩大，供气量也日益上升，复杂性也随之提 高，因此依据经济效益和社会效益来管理供气系统是十分必要的。随着现代计算机技术的应 用，使得利用现代管理技术来管理城市燃气管网系统成为可能。 计算机仿真技术在输气管道系统中的应用具有十分广阔的前景。它己成为管道设计、生 产管理、教育培训等工作中的一个很重要的环节，为管道工业带来了巨大的社会效益和经济 效益。在管道仿真系统的运行过程中，影响其工况变化的因素很多，如流程切换、设备故障、 控制系统调节、用气量变化等。此外，对管道系统的仿真，只有将仿真模型及计算机技术密切 结合起来，才能有效地应用于实际生产过程。 天然气的开发利用离不开管道系统的输送。通常天然气管道系统包括矿场集气管网、输 气干线和配气管网，它将采气( 集气) 、净气、储气、供气( 配气) 这些看似独立的工艺过程连接 成一个统一的整体。随着天然气开发规模和使用规模的不断增大，天然气管网系统也日趋庞 大和复杂。这一方面使得人们更难于了解和掌握管道系统的运行规律，分析和处理管道系统 的事故工况，论汪和提出合理的设计方案和运行方案；另一方面，由于管道系统的运行状况直 接影响着天然气的产、供、销之间的关系，因此人们对管道系统的设计、运行和管理水平的 要求越来越高。管道仿真技术正是为了满足现代管道的设计和管理要求而发展起来的。 所谓计算机仿真就是通过建立系统的模型，借助计算机对真实系统或设想进行分析论 证的一门综合性技术。 4 第1 章绪论 据进行管理和多种形式的输出。 加拿大n o v a c o r p 公司针对输气管道的具体特点，开发了一套输气管道系统稳态仿真软 件p c a s i m ，并于8 0 年代初投入使用。该软件可对包括压缩机、阀门等设各的复杂输气管 网和输气干线进行仿真。该软件的功能包括输气计算，加副线计算，敏感性分析，沿线压力、 温度计算，流量分配计算，压缩机参数计算等。意大利s n a m p r o g e t t i 公司开发了d t s ( d i s p a t c h i n gt u t o r i a ls y s t e m ) 软件用于气体管道系统的仿真。该软件可以采用离线方式运 行，也可以通过s c a d a 系统接口软件，以在线方式运行。可以由此制定设计方案，优化运 行方案和职工培训等。 此外，美国m o d i s e t t e a s s o c i a t e s 公司，a l l a m e r i c a n p i p e l i n e 公司等也开发出了有关的 仿真软件。其功能强大，能满足管道设计管理和职工培训的多种需要。 在国内，由于天然气的开发与利用是在8 0 年代末刚刚起步，比发达国家至少落后了3 0 年，西方发达国家无论是燃气工程技术水平。还是计算机水平，都远高于我国。然而，随着 我国实施“西气东输”工程，我国天然气事业飞速发展，加之计算机技术的不断发展，我国 的燃气行业开始向计算机化、自动化的方向发展。虽然在仿真软件方面与国外存在较大的差 距，但目前已经在这方面做了一些有益的工作。 西南石油学院储运教研室的李长俊和汪玉春，华北石油设计院工艺室的王元舂从1 9 9 8 年至今，通过多年的工作实践也开发出了一套气体管道系统仿真软件e g p n s ，并应用于分析 四川输气干线和川东输气管网，其仿真结果和功能达到国外离线软件的效果。 上海煤气管线所与华东师范大学合作研制成功用线性逼近法解压差方程进行管网系统 水力计算程序。 西南石油学院开发了g s a f l o w 天然气管网静、动态仿真软件，对由管道、调压阀、压 缩机、气田及众多气源和用户组成的环状系统和枝状管网进行了模拟，实现了天然气集、输、 配管网的静态仿真。实现了下述天然气管网的分析计算功能：1 、天然气管网的静态仿真；2 、 天然气管网运行状态分析；3 、天然气管网储气能力计算；4 、天然气管网动态仿真；5 、天 然气管网调峰方案分析。该程序是由c 语言编程实现的m s d o s 下的应用程序。另外还有 许多科技人员和研究机构利用数学方法提出计算管网的水力计算软件。 目前由于国外起步较早，开发经验丰富，其权威性我们不能否认。但是我们不能完全 依靠国外的这些软件，一是由于该类软件往往价格十分昂贵，但我们仅需要其中某些功能 时，完全购买这类软件无疑是一种浪费。二是国外的这些软件不一定正好符合我们的需要。 因此，我们应该加强这方面软件的研究与开发，集中人力和物力，生产真正我们自己的软 件。 1 4 课题的研究内容与目标 随着管道燃气事业的发展，燃气供应量急剧增加，燃气用户的类型也不断扩大，使燃气 管网负荷发生变化，保证供、用气量的平衡也越来越重要。如何统筹规划、布局、运行，以 使整个管网系统做到的安全、平稳操作运行是一个需要超前进行研究和规划的课题。从上一 节介绍的国内外关于燃气管网的软件可以看出，目前大多数软件都是针对于燃气管网的水力 和热力计算，对燃气管网负荷优化方面的仿真软件甚少。针对目前存在的问题，我们提出了 燃气管网负荷优化仿真方面的的研究课题。 研究内容主要如下： 一、在l a b 唧环境下编制虚拟燃气管网仿真系统，该系统主要完成以下功能： 1 、采用虚拟仪器模拟仿真出不同用户各自的小时、日、月用气负荷变化规律： 5 东南大学硕士学位论文 2 、计算出各用户燃气负荷及整个系统负荷； 3 、仿真出当用户参数改变时对其他用户的影响，以及对整个管网负荷曲线及压力曲线 的影响： 4 、天然气管网峰、谷负荷规律的研究： 5 、能任意增加管网中用户元素； 二、利用线性规划方法研究燃气负荷在各类用户中的分配使收益目标函数达到最优， 即燃气公司收益最大。同时使管网负荷曲线平缓，使燃气输配负荷在最大或接近最大均衡负 荷情况下运行。 三、利用马尔可夫链建立了燃气负荷预测理论。 利用该虚拟软件系统，输配收益优化模型和用马尔可夫链建立的预测理论，可以了解各 种用户用气特点，及整个管网的负荷特点，研究如何尽量使燃气管网在满负荷或接近满负荷 状态下运行，负荷曲线平稳提高燃气系统利用率，同时对燃气负荷进行预测，提高燃气管 网系统的优化管理。 6 第2 章燃气负荷特点分析 第2 章燃气负荷特点分析 2 1 - 引言 本文管网的优化研究主要是针对管网负荷的优化。随着我国燃气事业的不断发展，燃气 用户类型发生的重大变化，使燃气管网负荷有了新的特点，因此分析各种不同用户依赖于时 间的用气负荷曲线，对于优化管网负荷就有很重要的意义。 2 2 燃气负荷的定义及分类 2 2 1 燃气负荷的定义 负荷是一种很广泛的概念“1 。燃气系统终端用户对燃气的需用气量形成燃气系统最基本 的负荷，即燃气用气负荷，简称燃气负荷。用户对燃气的需用不只是一个在一定时间段内的 某一用气数量，而且具有随时问变化的形态。从燃气工程技术系统角度，可以将终端用户对 燃气一个时间段内的需用量以及用气量随时间的变化统称为燃气负荷。 按生产和生活需用燃气用途的不同，可将燃气负荷区分为狭义的城市燃气负荷，广义的 城市燃气负荷和系统燃气负荷。 狭义的城市燃气负荷概念包括居民生活用气量、商业用气量、工业用气量、采暖和空调 用气量、燃气汽车用气量以及其他用气量。广义的城市燃气负荷概念，除了包括上述以外， 还包括集中发电动力用气量。将广义城市燃气负荷加上作为原料的化工用气量则构成系统燃 气负荷( 或燃气系统负荷) 。可见一定的燃气负荷概念相应的对应于一定的燃气系统的作用 范围。 最常用的燃气负荷的数据是其在一个时间段内的燃气总量、幅值按时间序列变化。 2 2 2 燃气负荷分类 燃气负荷按照用户类型分类，可分为： 1 居民生活用气负荷。指居民用于炊事、生活用热水的用气负荷。 2 商业及公共建筑用气负荷。指商业用户、宾馆、餐饮、职工食堂、幼儿园、托儿所、 医院、理发店、浴室、洗衣房、机关、学校和科研机关等的用气负荷。 3 工业企业生产用气负荷。即在工业企业生产原料和生产过程中作为燃料的用气。 4 采暖通风和空调用气负荷。 5 燃气汽车用气负荷。燃气汽车是近几年来大力提倡的一种燃气应用领域。其使用量有 望得到显著的增长。 6 发电用气负荷。发电用气一般由长输管线直接供气。 燃气负荷按累计时间分为；年用气量、月用气量、日用气量、小时用气量以及某些研究 中采用的以五分钟为计量单位的用气量，将其作为瞬间用气量。对不同的用气量有不同的单 位。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 研究燃气负荷的意义 在任何工程技术中，负荷都是最基础的性的数据，燃气负荷也不例外。城市燃气在总 供气量规模变大的同时用气用户类型也发生了变化。城市燃气不会局限于以居民生活用气为 主，而是在居民生活用气普及率提高的同时，拓展车辆、采暖、制冷、商业、和工业领域的 应用。在传统的城市燃气应用范围之外，扩展发电以至作为化工原料的应用，使用气结构发 生变化。城市各类燃气用户的需用工况，即变化规律是不均匀的。随着月、日、时而变化( 如 图2 一l ，图2 - - 2 ，图2 3 所示) “，而气源的生产一般是均匀的。这是规划、设计城市燃 气输配工程时必须认清和考虑的一个重要特点。各类用户的用气存在不均匀性是因为受到很 多因素的影响，如气候条件、居民生活习惯及生活水平、用户结构、流动人口状况、居民生 活水平、机关和工业企业的工作班次，建筑物和车间内用气设备情况等。在燃气系统中，燃 气负荷数据即负荷大小和负荷的变化形态对城市规划、管网设计中的设施和储、用气设备数 量及容量的确定、运行与调度等工程技术分析都有根本意义“”“。 栏 斌 曾 ， 下 4 8髭 妫t 2 0 1 4 4 时间，h 图2 一l 城市燃气小时负荷曲线 a 十n c i 图2 2 城市燃气日负荷曲线 1 6 8 第2 章燃气负荷特点分析 稼 g 噶 撂 碰 母 l皇3456毽- 势olll 堂 时间，月 图2 3 城市燃气月负荷曲线 对闻d 图2 4 全年日负荷曲线 2 4 按时间累计不同负荷特点分析“9 2 4 1 月用气工况 月用气工况的主要影响因素是气候条件，气温较低的月份用气量较大，气温较高的月份 用气量较小，当有采暖用气时，这种差别刚更大，由图2 3 町以看出，以月为时问单位的 用气负荷，呈现出明显的趋势性和以年为周期的周期性及一定的随机性。 2 4 2 日用气工况 影响日用气工况的因素很多，如居民生活习惯、工业企业工作班次、节假日、气候条 件、室外温度等。为了分析日用气量负荷的变化规律，需要确定分析和研究的日负荷范围， 从而得到长期的变化趋势和短期的变化趋势。 观察全年的日负荷曲线图2 4 可知： 1 全年日用气负荷受季节性温度变化的影响，具有温度低用气量大，温度高用气量小 的确定性变化规律。用气负荷曲线呈明显的鞍形曲线形状。且冬夏季用气量差别越 大，用气量季节性比例越大，峰谷越明显。 2 观察一个月内的负荷曲线或一周内用气负荷的变化可以看出短期的变化规律主要 受包括室外气温、人们的社会、经济生活等诸多随机因素的影响：由于生活水平的 提高和生活观念的改变，传统在周末改善生活而使用气负荷加大的现象基本不存 9 东南大学硕士学位论文 在，但周末会友、聚会等活动仍使周末的用气负荷略有增加。 3 在特殊的日子，如节假日。如春节等用气负荷将明显增加。 因此日用气负荷工况呈现有规则的曲线形状并同时有较强的随机性。 2 4 3 小时用气工况 城市各类用户的小时用气工况各不相同，其中居民生活用气和公共建筑用户的用气小时 不均匀性最为明显，该类用户用气呈现出每日有三个高峰期，其负荷曲线的形状与居民生活 习惯、用气户数、及职业类别等因素有关。工业用户小时负荷在用气期间相对平稳。 2 5 不同用户类型负荷特点分析。 2 5 1 民用负荷特点分析 居民用户是城市供气的基本对象，也是必须保证连续稳定供气的用户。居民生活用气主 要用于炊事和日常生活用热水。居民用户用气量具有以下特点： l 、 居民年用气量。其有逐年增长的趋势性。随着我国城市人口的增加，人民生活 水平的提高，生活用燃气具的增加，加之“西气东输”的全面实施，燃气气源 得到充分的供应，燃气价格也趋于合理，使居民生活用户用气量呈递增趋势。 一般在工程周期的初期约3 5 年内增长较快，以后逐渐减小增幅，进而趋于 平稳。 2 、 居民月用气量，咀1 2 个月为周期呈周期性变化。影响居民生活月用气不均匀 性的主要因素是气候条件。冬季气温低，水温也低，使用热水较多，故制备食 品和热水的用气量较多。反之，夏季用气量则降低。由于环境温度、气候条件、 生活习惯等因素的影响，北方城市在冬季用气量最大，夏季次之，春秋季最小： 南方城市则相反，夏季用气量最大，冬季次之，春秋季最小。如图2 4 所示某 城市月用气负荷变化曲线，可明显看出上述规律性。 3 、 居民生活日用气量，在5 个工作日和两个休息日略有不同，在一个月内以7 天 为周期变化。 4 、 居民小时用气量，受气候条件、环境温度、作息时间、生活习惯、用户职业等 因素的影响特别大。一天之中随时问不同，用气量有较大的波动，在我国一般 在一日三餐( 早上、中午、晚上) 时出现用气高峰，尤其以晚上七八点时出现 一日中最高用气量，而且时问比较长。在上午、下午、深夜出现三个低谷。其 负荷变化曲线如图2 6 所示。 第2 章燃气负荷特点分析 1 0 5 1 0 0 9 - 5 坦9 0 g 8 5 皿 8 。 7 5 7 0 1 2 1 0 龌e 督6 4 2 o 681 0 时间月 图2 5 居民用燃气月负荷曲线 2 5 2 工业负荷特点分析 时间h 图2 6 居民用燃气小时负荷曲线 城市燃气工业用户主要指不适于自建气源、耗气量不太高的工业企业生产用气：城市工 业生产用燃料，应提倡使用天然气，以天然气替换燃煤、燃油，有利于改善城市环境质量。 在工业企业用户中，应优先考虑供应在工艺上使用燃气后，可使产品产量和质量有很大提高、 用气量又不太大、而自建煤气站又不经济的工业企业。在某些工业生产上使用燃气，能提高 产品产量、质量，收到明显的经济效果。由于气体燃料洁净、稳定、燃烧完全、火焰容易控 制，因此在许多工业中起着比电热和其他燃料更为优越、甚至无法代替的作用。此外使用燃 气便于实现产品加工自动化，改善劳动强度、提高劳动生产率。 城市工业的用气量不均匀要取决于生产工艺的性质、产品类型、生产季节、工厂作息 时间、生产班次等多种因素影响，一般呈现一定的趋势性，或以月、星期、日或者某一时段 为周期规律变化。连续生产的大工业企业以及工业炉窑用气比较均匀，夏季由丁j 室外气温及 水温较高，工业用户的用气量也会有所下降，但幅度不大。故可视为均匀供气。对整个工业 企业总的来说用气量变化幅度较小，所以工业企业用气量在城市用气量中占有一定的比例， 将有利于平衡城市燃气使用的不均匀性，减少燃气储存容量。 东南大学硕士学位论文 垣 苫 5 0 柱柏 3 0 田 2 0 1 0 时间h 2 0 图2 7 工业用燃气小时负荷曲线 0123456789 1 0 1 1 1 2 时间月 图2 8i l k 用燃气月负荷曲线 2 5 3 公共建筑负荷特点分析 公共建筑用户和城市居民用户一样是城市燃气供应的基本用户，公基建筑用户包括职工 食堂、饮食业、幼儿园、托儿所、医院、旅馆、理发店、浴室、洗衣房、机关、学校和科研 机关等，燃气主要用于炊事和热水。对于科研机关。燃气还用于实验室。它的用气量与城市 的经济发展状况、居民生活水平、第三产业的发展水平等冈素密切相关，其用气负荷曲线与 居民用气基本相似。但它受作息时间的影响更为明显。 1 2 1 0 堰8 蓄6 4 2 时间h 图2 9 公共建筑用燃气小时负荷曲线 1 2 鼬帖拈拍侣 第2 章燃气负荷特点分析 堰 娃 霸 1 时间月 图2 1 0 公共建筑用燃气月负荷曲线 2 5 4 建筑物冬季采暖负荷特点分析 冬季采暖用户为季节性用户，而且随着人们环保意识的增强。冬季采暖用燃气用气量不 断增加。采暖用天然气用气负荷特点有： 1 、年用气量呈逐年增加的趋势，其增长幅度受经济增长速度、天然气工程建设，天 然气市场发育状况、用户经济能力、环保政策的实施等因素的影响。 2 、月用气量，呈以1 2 个月为周期的变化规律，由于各地气候条件的差异，采暖期一般 1 7 个月不等。采暖期刚开始时，用气量从零变化至初始值，以后逐渐七升，达到相对稳 定的状态维持一段时问，然后逐渐下降，至采暖期结束时再变为零。 3 、日用气量，呈现规律性、随机性的变化规律。由于采暖负荷主要与室外气温、湿度、 太阳辐射、风速等气象因素有关，其中影响最大的是气温故在一个采暖期内，采暖初期和 末期用气量较小，中期用气量较大。用气量与室外气温的变化呈定的函数关系。同时，因 影响因素较多且有一些不确定性，故日用气量存在一定的随机性。采暖期间，采暖用气的日 不均匀性变化不大。 4 、小时用气量具有趋势性、随机性和咀2 4 小时为周期的变化规律。室外气温在一天内 是变化的，尤其是昼夜温差，导致小时用气量随室外温度升高和降低而变化，同时还可能出 现随机性波动。 8 5 盎4 负3 荷 2 时间h 图2 一1 1 采暖用燃气小时负荷曲线 1 3 东南大学硕士学位论文 2 5 5 夏季空调负荷特点分析。“。 随着空调拥有量的不断上升，导致电力供需矛盾不断加大，北京、上海、广东等地近 年夏季电力负荷中空调用电均占3 5 以上。而燃气的负荷低谷却在夏季。燃气空调是一种 稳定的天然气消耗设备，用气高峰在夏季。城市电力、燃气需求峰谷具有良好的互补性，所 以燃气空调不仅能够削减电力高峰负荷，减少电力投资亦能对燃气起到填谷的作用，缓解 燃气消费的季节性不平衡问题提高燃气管网的利用率。同时大量的应用燃气空调。可以有 效改善城市大气环境品质抑止全球气候变暖。 目前燃气空调的最佳方式是实现天然气能源的梯级利用和综合利用提高一次能源利 用率，溴化锂直燃机在一段时期内是燃气空调的主流机型。相比于电力卒调。它不仅不会带 来大气污染，温室气体排放和加大供电峰谷差等严重的负面影响，而且在现在煤炭价格不断 上涨，峰谷电差价将拉大到国际上比较通行的5 5 ：1 ，电价将大幅提高峰价，谷价维持不 变或略有降低的情况下采用电力空调在经济上相比于燃气空调越来越没有竞争力，因此天 然气作为空调的主要能源是是今后发展的必然趋势。1 空调用燃气负荷的变化规律及其影响 因素与采暖基本相似，不同的是其用气量高峰出现在酷暑时期。 从图2 - 1 2 我们可以看出直燃机月负荷曲线与电力曲线具有明显的互补性，同时直燃 机用气高峰期出现在夏季同时也是燃气用气的低符，因此使用直燃机可阱减少季节调峰，这 将因减少调峰成本而带来一定的经济，效益。 耘 鹱 袄 厂 、 u k u 1 月 瞻璃，曩 ”月 图2 1 2 直燃机用燃气月负荷曲线 2 5 6 汽车燃料用气负荷特点分析 随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，汽车的数量与日俱增。据我国环保 部门提供的数据，在北京、上二海、广州等大城市，机动车对c o 、 t c 、n o x 的贡献率已经超过 5 0 ，有的已达到9 0 以上。这意味着控制汽车排气污染已经成为十分急迫的问题。相比其他 形式的汽车燃料如汽油、柴油和l p g 液化石油气) 、酬g 压缩天然气) ，以液化天然气( l n g ) 、 压缩天然气( c n g ) 和吸附天然气( h n g ) 方式储存天然气作为汽车燃料具有价格低、充装量 大、行驶里程长、对环境造成的压力较小等优点。“ 与汽油相比天然气汽车尾气中，在效率相同情况下，c o 减少9 7 ，0 0 2 减少2 4 。1 1 c 减 少7 2 ，n o x 减少3 9 s o 。减少9 0 0 s 活性( 以公斤公里计) 仅为优质汽油的2 9 6 、柴油 的2 0 ，苯污染为汽、柴油的3 以r 。其排放标准甚至低于美国c a _ , f t ( 清洁空气法修正 案) 1 9 9 0 年要求推行的新配方汽油排放指标。同时汽车噪音亦可降低4 0 。“ 1 4 第2 章燃气负荷特点分析 在价格方面，天然气汽车与汽油汽车相比较，可节省燃料费用近一半，如表2 3 所示。 若将汽油车改装为双燃料汽车所需费用为4 0 0 0 8 0 0 0 元辆，正常运行情况下，一年时间即 可收回改装费用。因此随着国家清洁汽车行动步伐加快，用清洁燃料取代汽、柴油大力发展 天然气汽车是燃料结构调整的发展趋势。1 表2 - - 3 典型的汽油、l p g 、天然气汽车( 以公交车为例) 运行价格比较表。“ 立 燃料类单位价油耗每 日行单车日耗单车日单车年每万 种 理| 格量 l o o k m 驶里燃料节约节约费 辆年 燃料消程用节约 耗 公汽油 3 3 元几 1 o o l3 1 5 l2 0 0 k m2 0 7 9 元 以3 3 0 交天计 生 l p g 2 0 元l1 i o l3 4 6 5 l2 0 0 k m1 3 8 6 元6 9 3 元2 3 万2 3 亿 一 兀兀 天然气1 9 元m 3 0 9 1 m 32 8 7 m 32 0 0 k m1 0 9 1 元9 8 8 元3 3 万3 3 亿 一 兀 兀 出汽油3 5 元几1 o o li o l3 0 0 k m1 0 5 元 以3 3 0 租 天计 车l p g 2 0 元几 1 i o l1 1 l 3 0 0 k m6 6 元3 9 元 l3 万 1 3 亿 一 兀兀 天然气 l t9 元m 30 9 1m 39 1m 33 0 0 k m5 l9 元5 3 1 元1 7 万1 7 亿 一 兀兀 目前，我国汽车工业正面临着进入w t o 以后的机遇和挑战，大力发展包括天然气汽车在 内的清洁汽车技术，开展燃气汽车( n g v s ) 的应用研究，对实现我国汽车工业和天然气工业 的可持续发展具有十分重要的意义。 时间h 图2 一1 3 汽车用燃气小时负荷曲线 汽车燃料用用气负荷特点： l 、天然气汽车年用气量随着天然气汽车的推广里增加的趋势。初期基数较小。发展相对较 7 6 5 4 3 2 ， o 蟮鲁 东南大学硕士学位论文 慢，待经过一段时期的实践，各方面条件成熟以后，用气量将迅速增加，在逐渐达到饱 和之后，增加速度又会放慢，渐趋稳定。 2 、月用气量在一年内总体上呈现上升趋势，同时还有一定的随机性。 3 、日用气量受作息时间、工作日、公休日的影响，呈现出以7 天为周期的变化规律，同时 与汽车加油站每天的班制有关。 4 、天然气用气小时不均匀性受汽车加气时间影响，一般高峰期出现在晚间或者清晨 5 、天然气汽车用气量基本不随季节变化。 2 5 7 燃气发电负