能源互联网中的天然气管网作用及其运行模式探讨.docx

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1、能源互联网中的天然气管网作用及其运行模式探讨摘要：随着技术进步以及环保意识的提高，能源互联网正逐渐形成，可再生能源将逐步成为能源主体，对天然气管网的发展提出新的要求。从天然气管网特性的角度，对其融入能源互联网的条件及作用进行了分析：从目前国内外天然气需求形势出发，指出天然气在保障能源安全中的重要地位，并分析了能源互联网的基本架构以及此架构下天然气管网运行特性研究不足的现状；从干线管网现状、城市燃气管网建设以及天然气体制改革方面，分析了中国天然气管网发展现状，并从气电调峰、掺氢输送以及能量储存3个方面阐述了天然气管网在能源互联网中能起到的重要作用；从天然气能量计量、需求侧综合管理、储能与能量转换

2、设施建设以及多能源综合调度4个方面，探讨了天然气管网融入能源互联网的运行模式。针对能源互联网中天然气管网发展面临的形势及其关键技术，给出建设及发展建议，以期更好地发挥天然气管网储能量大、传输损耗低、新能源接纳能力强等优势。关键词：能源互联网；碳中和；天然气管网；运行模式随着科学技术的进步以及环境保护要求日渐严苛，未来以太阳能、风能、水能等为代表的可再生能源将逐步成为能源主体，能源结构正在发生深刻的变化。综合能源系统是“互联网+能源网”，其是以分布式可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成具有复杂多网流系统的能源互联网。目前，国内外都在积极开展能源互联网的建设工作

3、，各类标准也正在制订中,如中国的能源互联网系统一一智能电网与热、气、水、交通系统的交互标准正在征求意见。能源互联网的基础是拥有多种能源、能源之间的互换互联及智能化，由此才能实现能源互联网系统的高效运营，同时实现碳中和、碳达峰的“双碳”目标。虽然能源互联网的发展趋势明显，但作为其重要组成系统之一的天然气管网系统，还很少将其置于能源互联网中开展研究，如能源互联网的构成对天然气管网建设与发展的影响、“双碳”目标下可再生能源的利用对天然气管网的要求、融入能源互联网的天然气管网的作用及其运行模式等。为此，在分析天然气管网与能源互联网特性的基础上，从天然气管网特性的角度，对其融入能源互联网的条件及作用进行

4、了分析，以期让天然气管网在能源互联网的发展中发挥更大的作用。1能源互联网的构成1. 1天然气需求趋势随着全球经济快速发展，对绿色低碳清洁能源的需求日益增长，天然气作为传统化石能源向新能源转型过程的关键媒介，可为社会提供安全、可持续发展的绿色低碳清洁化石能源。挪威国家石油公司预计到2030年全球天然气需求量将增长约10%；麦肯锡咨询公司预计到2035年天然气将以需求量每年增长0.9%的态势成为全球唯一增长的化石燃料；OPEC(OrganizationofthePetroleumExportingCountries)、IEA(InternationalEnergyAgency)、BP公司均指出天然

5、气在一次能源中的占比将在2040年达到25%26%对于持续增长的全球天然气消费市场，从消费结构看，天然气消费市场的主力军主要包括工业燃气、天然气发电、城市燃气；从消费区域看，天然气需求量最高的国家包括中国、印度等。全球天然气需求量在2020年受新冠疫情的影响缩减2.5%,但中国作为天然气需求大国，其需求量仍上涨6.9%。作为能源绿色低碳转型中的重要角色，在中国经济向好发展、油气体制机制改革、全球资源供应稳定、“双碳”目标等因素的影响下，预计中国的天然气消费量在2025年将达到(4300-4500)108m3o已有学者基于对能源政策因素、经济发展因素、社会人口、天然气行业发展等因素“司的耦合分析

6、以及新建的预测模型，认为截至2030年中国天然气需求量将持续增长，对管网设施的需求也将持续增加。随着天然气需求量的持续增长，基于现有的天然气开发趋势，中国天然气对外依存度将快速增长(图1)o由于不同能源之间具有替代性、互补性，建立互补共济的能源系统，可达到能源的高效利用，弥补传统能源系统中各能源独立管理、各能源间协同优化不足的缺点，进而提升整个能源系统的互联互通能力。-I(X)国家及地区J)口!ry芝图1IEA对2040年中国、欧盟等地天然气进口量的预测结与2017年实际消费量的对比图1.2能源互联网能源互联网的概念在杰里米里夫金所著的第三次工业革命一书中首次出现，其基本内涵为“基于可再生的、

7、分布式、开放共享的网络“。从物理形态角度，能源互联网主要由多能协同能源网格的物理层、信息物理系统的信息层以及运营模式的应用层组成。从架构角度，能源互联网主要包含：分布式综合能源利用系统的能源局域网,通过电、气、交通等能源局域网互联而成的能源广域网，由能源、信息、交通等多网融合而成的能源全球网（图2）o可再生能源太阳能风能电力系统能源系雀网-电储能一礴瓦:庆然气系统4Z1. 废热氧气系统燃料电池供热系统 一(泵1热储能心口吸收式鹘先统一冷储能一(I)I制冷机I_I电制冷机图2能源互联网主要架构与基本组成示意图在能源互联网的概念提出后，国内外学者均开展了大量的研究工作。在国外，美国开展了以骨干网架

8、、微电网及相关连接网络组成的未来可再生电能传输与管理系统(FUtUreRenewableElectricEnergyDeliveryandManagement,FREEDM)的相关研究泊；德国以构建自我调控的智能化电网系统为目的，发起了E-energy项目；日本成立了用分散控制方式实现相对独立且不同步子电网的虚拟一体化运行的数字电网联盟例；欧盟报道了基于通信与信息技术(InformationandCommunicationsTechnology,ICT)、智能电网的未来智能能源互联网(FUtUreInternetforSmartEnergy,FINSENY)项目。在中国，能源互联网的概念不断发

9、展外延，典型的定义主要包括以下3类：基于互联网理念，如“互联网+”智慧能源；基于大电网理念，如智能电网；基于各能源综合利用理念，如旨在实现多能互补的综合能源系统。其中，对于耦合天然气管网的能源互联网，中国的研究主要涉及园区能源互联网、微能网皿、电-气综合能源系统皿等。目前，国内外已有研究多是从电网出发，关注电网的设计规划、协调控制，对天然气特性、天然气管网储运特征尚无较为全面的描述及建模。因此，相比发展更为成熟的电网系统，天然气管网的分析方法、主要变量特征、方程求解法及在能源互联网中的耦合等均存在显著不同。天然气为可压缩流体，需开展在能源互联网中的作用、边界、相互耦合条件、满足能源各类需求及储

10、存的运行分析，以充分利用其在调峰、储能、掺混等方面的作用，并使天然气管网系统与能源互联网系统均处于较优状态。2天然气管网在能源互联网中的作用2. 1中国天然气管网现状及发展2. 1.1干线管网建设及发展在能源互联网中，风能、光能、水能、核能均受到地域限制，不能直接外输，需转化为电能才能远距离输送，因此新能源发电受到电网消纳能力的约束；同时，风能、光能等可再生能源受环境、自然因素的影响，其间歇性不可预期。天然气作为清洁能源，其输送方式是与电网类似的网状结构，且输送范围覆盖全国。此外，天然气的可压缩性使得天然气可以在地面储罐、地下储气库、LNG储罐中长时间、大量存储，弥补了电网系统中电力无法长时间

11、存储的不足。随着电转气（P2G）技术的发展，大量可再生能源产生的电能转化为天然气，天然气既可在管网中灵活地输送到需求侧，也可输送到储气设施中存储。目前，中国干线管网建设已初步符合能源互联网灵活的能源输送要求。“十三五”期间，在气源供给方面，中国已形成“西气东输、北气南下”的供气格局I。在天然气管网建设方面，中国天然气主干管网已覆盖除西藏以外的省份。截至2020年底，中国天然气管道总里程达10.2X10km,西气东输、陕京管道、川气东送、涩宁兰管道实现了将天然气从长庆、塔里木、川渝、青海等主要供气区输送至京津冀、长三角、珠三角等主要天然气消费市场，“全国一张网”骨架基本成型。同时，干线之间也有联

12、络线保障干线管网的互联互通，中靖线联通了西三线与陕京管道、冀宁线联通了陕京二线与西气东输管道、兰银线联通了涩宁兰线与西一线。在储气调峰设施建设方面，截至2020年底，中国已建成LNG接收站21座，LNG接收能力达到906510,t；同时，已建成地下储气库（群）14座，总设计工作气量240XlO8m3,形成工作气量159IO8m3ci31o未来，“十四五”时期依然是天然气管道高速发展期，中国仍将积极建设干线管道、支线管网，加快建设陆上、海上气源与主干管网的连接管道，同时建设主干管网之间的连通管道，进一步实现管网之间的互联互通，为天然气能源的灵活调度奠定基础，也为能源互联网中能源的跨区域输送提供保

13、障。此外，对于省网、城市燃气网，将加快完善天然气市场机制，明确国家石油天然气管网集团有限公司（简称“国家管网集团”）与石油公司、省市管网公司的运营模式及业务关系，推动天然气市场的公平交易改革。2. 1.2城市燃气管网建设目前，经过数十年的发展，中国大多数城市已经建立了管道燃气设施，天然气消费量飞速增长山1（图3）o2021年，中国天然气表观消费量已达3726XlO8m3,同比增长12.7%tl53o城市燃气管网主要负责接收多路干线管网的天然气，同时向多种类型用户输气，满足地区燃气销售公司、化工企业、燃气发电厂等不同用户的用气需求。此外，城市管网也兼具储气调峰功能。城市燃气系统由干线高压天然气管

14、道供气，高压天然气经多个门站、调压站加臭降压后，进入城市燃气管网，向各类用户供气。不同于干线管网，城市燃气管网按压力等级分为高压、次高压、中压、低压管道。低压管道一般为居民用户、小型商业用户供气，而工业企业、大型商业用户一般由中压、次高压甚至使用高压管道直接供气。可见，城市燃气管网是一个多气源、多用户、多压力级制的复杂管网系统。2015201620172018201920202021年份图320152021年中国天然气消费总量变化趋势图对于城市燃气的调峰任务，在无法建设地下储气库的地区，城市调峰主要由高压管道、高压球罐及LNG调峰3种方式来解决。目前，中国下游用户普遍缺少储气调峰设施，故季节性

15、调峰、日调峰及重点大型用户的小时调峰基本依靠上游的天然气供气量来解决，城市管网调峰则主要负责居民燃气的小时调峰2. 1.3天然气体制改革能源互联网改变了能源的供需匹配和交易方式，利用互联网可实现能源流、资金流、信息流的互通，而其中能源交易市场化是能源互联网发挥作用的关键要素之一。与电网体制改革类似，天然气体制改革也正是按照“放开两头、管住中间”的总体原则，形成“X+1+X”的天然气市场体系。在“X+1+X”的天然气市场体系中，第一个“X”代表天然气上游市场主体的多样化、天然气气源的多样化，在天然气上游引入市场竞争机制，鼓励多种资本进入，加大天然气勘探开发与生产力度；同时，鼓励天然气国际贸易，各

16、类具备天然气进口资质或能力的企业都可以参与到国际市场采购，实现天然气供应气源多样化。“1”代表天然气中游管网输送系统的唯一性，不仅包括国家级天然气管网，也包括省级管网、区域性管网及城市燃气配送管网。第二个“X”则代表天然气下游市场配售主体的多样化、终端客户的多样化，在天然气下游继续坚持市场化改革方向，鼓励多种所有制企业与各类资本参与到城市燃气设施建设、运营及燃气销售服务领域。因此，只有形成上游天然气资源多主体多渠道供应、中间“一张网”高效输送、下游市场化良性竞争的天然气市场体系，天然气才能进入能源互联网，提高能源利用效率。管网作为天然气输送系统的主体，其公平开放程度直接影响天然气市场与能源互联网的发展。2019年5月24日，国家发展和改革委员会、