基于区域尺度燃气负荷特征的高压环网承载能力研究

摘要

能源是支撑社会与经济发展不可或缺的物质元素，随着各国对清洁能源需求量的持续攀升，天然气势必成为未来能源消费的增量主体，并广泛应用于城镇燃气、工业燃料、工艺生产等领域，尤以处于跨越进程的城镇燃气行业为甚。为加快一次能源结构优化调整步伐，实现主体能源绿色低碳更替，未来一段时间，我国天然气需求仍将有显著的增长趋势，并将在绿色经济发展模式的历史进程中发挥关键作用。 随着能源消费升级时代的来临，能源市场供应趋于多元化，市场主导者逐渐由能源供给侧向需求侧转变，燃气运营企业需积极变革能源供需形态，从能源需求侧角度构建能源生产-供应-消费新模式，强化管网的供气协调与保障能力。在城镇燃气领域，许多中、大型城市已经建成了“X+1+X”的综合性管网（即多气源通过一张兼具输、配、储功能的综合性高压环状管网向多区域供应燃气），并形成高压-次高压-中压多级管网联动响应机制。高压环状管网作为城市能源供应的大动脉，通过负荷下载点（区域调压站）连接次高/中压管网，以间接供应各区域终端用户为核心任务，兼顾调节小时用气不均衡性。由于负荷下载点辐射范围内燃气用户结构多样、用气结构多变，其固有特性会直接影响输配系统的整体运行工况，使得多点输入、多点输出模式下的高压管网内部运行规律异常复杂。高压环网的承载能力研究关乎着正常运行工况下各负荷下载点的用气需求是否得到满足，以及用气高峰时段输配系统的储气调峰能力是否得到有效发挥。 传统的管网水力分析多是以规划为目的，以燃气供应侧为出发点分析在气源不同供气能力下的管网运行规律。并且现有研究工作中，学者多是独立的分析燃气负荷或管网运行工况，忽略了管网系统与末端用户负荷并不是孤立的存在，而是相互刺激反应的。本文基于区域尺度燃气负荷特征的高压环网承载能力研究是从系统观点出发，着重管网系统与终端用户燃气负荷需求之间的相互联系、相互作用，综合地考察外环管网系统。从燃气供给侧为主导的消费市场向消费侧为主导的进化过程中，以燃气消费侧的终端用户需求为导向，以管网水力分析为手段，从管网输配气能力和储气能力两个角度全面地探究管网的承载能力。 负荷下载点供气影响域内，影响燃气消费的各项定量、定性因素不同使得燃气负荷特征表现各异。本文引入了“区域尺度”和“有效温度”概念，分别界定燃气负荷研究的空间尺度和量化热惯性对燃气日负荷的影响程度。在此基础上以实际示例分析了区域尺度燃气负荷的构成状态和用气工况。针对区域尺度逐日燃气负荷周期性强、与有效温度等诸多因素有高度非线性关系的基本特征，紧密依据历史负荷数据及主要影响因素，构建了基于非线性回归分析和BP神经网络的最优化组合模型，探索燃气负荷的内在规律和发展变化趋势，并与单项预测模型横向对比检验了最优化组合模型的预测结果准确性。 随着城市用气规模的不断扩大和燃气消费群体类型及数量的增加，对城市燃气供应的数量与质量提出了更高要求。多气源输入、多调压站输出的综合性管网建设已成为发展趋势。上游稳定供气和终端用户不均匀用气以及环状管网内部储气/放气的随机性，使得天然气输配系统在多因素联合作用下的内部运行工况显得异常复杂。本文建立了多气源混输管网的数学模型，并利用Java语言开发了绿色版分析软件，探究在气源定压力和定流量两种供气模式下，管网对不同用气需求的响应规律、负荷下载点气质组成情况和管网储气调峰能力。以CQ市外环高压管网为例，进行了系统的承载能力分析。结果表明，XP调压站和YL调压站是管网压力最低点，未来应该予以重点监控和调节，以防止缺气情况的出现；并且外环管网的理论储气量小于2020年CQ市小时调峰量需求，还应建设其他储气设施以及与上游供气单位相互配合做好燃气供应应急预案，以保障燃气供需平衡。

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