北京市天然气安全战略储备规划研究.docx
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北京市天然气安全战略储备规划研究
北京市天然气安全战略储备规划研究
广义地讲，天然气储备有四大功能：
调峰、应急、战略保障和平抑气价。
战略储备是应对政局动荡、自然灾害和LNG国际贸易中断等持续时间长的储备。
应急储备是应对影响时间较短的事故。
随着天然气在北京市能源结构中比例的不断增加，天然气储备对保障城市安全至关重要，战略储备作为保障供气安全的重要手段，可以应付持续时间较长的中断，因此，北京市有必要建设天然气战略储备。
根据北京市天然气供应系统的特点，科学有效地做好燃气战略储备规划的前期工作，是本研究设立的目的。
本课题研究包括天然气战略储备规划、投融资政策和管理体制以及结论与建议三大部分。
1天然气战略储备规划
1.1国外天然气战略储备
欧盟和日本已经建立相当规模的天然气战略储备，美国也在积极酝酿建设天然气战略储备。
据估计，世界天然气战略储备量约占总储备量的20%。
拥有天然气储备量前十位的国家依次是美国、俄罗斯、乌克兰、德国、意大利、加拿大、法国、荷兰、乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦。
欧盟：
天然气在欧盟一次能源的比例逐年增加，2007年超过26%。
但同时欧盟天然气对外依赖程度也不断提高，预计未来20年将由目前的45%增加到70%。
目前欧盟天然气储量大约是50天左右的消费量。
法国：
天然气消费几乎全部依靠进口，其中60%来自俄罗斯和阿尔及利亚，鉴于本国天然气自给能力差以及天然气季节性需求极不平衡，法国建成了相当规模的天然气储备，共建设了15处地下储气库，拥有近120亿立方米的工作气量，另外还有LNG储备，可以满足法国全年消费量的30%。
在法国110天的天然气储备中，大约50天的量对应于80天左右的高峰期调峰需求，20天的储备量应对60天左右国内供气中断的突发情况，40天的量作为战略储备对应60天以上的进口供气中断的突发情况，战略储备量在总储备量中占有36%。
日本：
是天然气消费大国，但国内资源严重不足。
因此，为保障供气安全，日本在全国范围内大规模建立天然气储备，LNG储备量约90亿立方米以上。
除了LNG设施外，日本还有5个地下储气设施，总工作气量12亿立方米；日本天然气储备总量约100亿立方米，大约相当于40天的全国消费总量。
日本对中东的天然气依赖程度很高（达80%）。
鉴于中东局势，日本政府决定实施国家储备液化天然气计划，设立战略储备专项资金用于天然气储备，组建了国家控股的“日本天然气储备公司”，专门进行液化天然气的储备和运营，同时，建立液化天然气相关设施和储备基地。
到2010年，国家天然气储备将达到30天的需求量，约70亿立方米。
日本政府要求民间企业承担储备50天的需求量，2010年这一目标可以实现，届时日本的天然气总储备量将达到80天的需求量，其中战略储各量30天。
1.2天然气供应安全的重要性
①国内外天然气事故案例
天然气事故和意外中断在国内外不断发生，对所在城市的社会经济和人民生活带来了严重影响或重大损失。
从事故原因看，既有操作失误、工人罢工、政治动乱等人为因素，也有设备自身故障、地震、洪水等不可抗力因素；从事故持续时间看，短至数日，长至数月；从事故对天然气供应环节造成的影响看，气田生产、LNG生产等气源供应、长输管线、城市输配管网等都遭受过严重的破坏.当政治因素造成停产或停供，以及不可抗力造成严重事故时，往往需要很长时间才能恢复正常供应。
2006年1月1日，由于在供气价格上发生纠纷，俄罗斯中止了向乌克兰供气。
由于欧盟天然气进口的四分之一来自俄罗斯，其中80%以上由管道过境乌克兰输送，因此欧盟的天然气供应受到影响，从俄罗斯进口的天然气减少了25%。
经过艰苦谈判，双方达成协议，持续了4天的天然气争端宣告结束。
这场俄乌天然气贸易争端的背后是政治斗争。
1998年8月，陕京线在陕西新城川由于洪水冲击造成管道破裂漏气，管线停输2天多时间。
2005年6月3日，新疆克拉2气田处理厂六号天然气处理装置突然爆炸起火，停止向外供气。
6月8日恢复克拉2气田的生产，影响供气5天。
②北京市天然气供应安全的重要性
近年来，北京天然气消费量迅速增长，天然气在能源消费中的比重迅速上升，由2000年的3.6%上升到2007年的8%。
天然气应用也由民用炊事、生活热水、公服餐饮、工业，逐步扩展到了天然气采暖、制冷、汽车、发电用气、分布式能源等。
天然气日益深入到城市各个环节，天然气供应安全已经成为能源安全、城市安全的重要内容。
③北京市天然气供应安全存在的问题
2007年北京市的天然气的使用量已接近40亿立方米，天然气正处于迅速发展时期，而安全应急体系建设却相对滞后。
北京天然气供应系统存在着以下几方面的客观隐患：
气源保障能力方面：
目前北京市天然气供需处于微弱平衡，在冬季用气高峰时，一旦某个气源发生故障，将对终端用户用气造成影响；管网之间互相支撑能力弱。
尽管西气东输的管线与陕京线连接，但其以供应长江三角洲地区为主。
向北京补气量有限；长输管线穿越地区地质条件差。
陕京一线和二线穿越数个地震带和河道；用气结构不合理，冬夏季峰谷差大；用户利用替代燃料的能力较弱。
1.3天然气供应系统现状与规划
天然气供应系统由上、中、下游组成。
目前北京市天然气供应系统上游是长庆气田和新疆气田，中游是陕京一线、二线、地下储气库和输气管线，下游是北京市的用户。
①用气负荷
到2007年底，北京市天然气使用量达40亿立方米。
天然气用户341万户，其中居民用户339万户，公服用户2.1万户，采暖用户5577户，工业及发电用户219户。
用气量中居民用气占17.3%，公服用气占11.1%，采暖用气占55.2%，工业用气占4.8%，发电用气占7.5%，其它用气占4.1%。
北京市天然气负荷主要集中在采暖与民用方面，这两部分负荷占总用气量近84%。
根据北京市燃气发展规划，预计2010年北京市总用气量达到60亿立方米，2015年90亿立方米，2020年120亿立方米。
②气源及供气管线
预计到2020年，北京市的天然气将由长庆气田、新疆气田、进口陆上天然气和进口海上LNG联合供应。
供气管线包括陕京一线、陕京二线、地下储气库管线、陕京三线和输送引进LNG的管线。
③储气设施
为保障北京市及其他陕京一、二线用户的需要，在大港配套建设了多座地下储气库，气源及地下储气库负责调节北京市的季节、日高峰。
地下储气库主要用来储存夏季用气低谷时的天然气，冬季用气高峰时从地下储气库抽取天然气输送到城市管网。
1.4供气系统可靠性分析
北京天然气供应安全因素包括资源保证程度：
气井、集输系统等气田安全性；长输管道的压缩机、阀门、清管站、防腐等管道安全性；门站、城市高压环网、中压管道、低压管道等城市管网安全性等。
供应安全隐患包括供应链各环节设备工况事故，火灾、偷盗、地震、洪水等突发事件，以及国内外贸易纠纷等。
①导致供气系统中断的事件分析
天然气从上游气田经长输管道到达城市门站后即进入城市管网系统，该系统涉及的区域和用户很多，但一般某一区域发生事故后，影响范围小的，不会导致整个城市用气瘫痪，因此从城市供气安全角度，关键在上游到门站的环节。
在本研究中，供气系统可靠性分析研究范围是从气源到城市门站，主要是气源事故和长输管道事故。
②事故工况分析
通过对生产、输气各环节运行的历史数据进行收集、整理、统计，将统计结果作为系统安全可靠性分析与计算的基础数据和依据。
经过综合分析，得出北京市天然气供应系统各个环节的可靠性指标。
气源故障模式和事故概率：
大量气田的现场资料表明，采用单井集气工艺流程的气井运行平稳，很少发生事故，而采用多井集气工艺流程的气井事故发生较多。
现役单井集气气井的平均无故障工作时间3154.42小时，多井集气气井的平均无故障工作时间为130.75小时。
现役气井的平均事故维修时间为6.76小时。
经综合评判分析，气田故障率为0.02次/年，故障停产时间7小时。
长输管线事故率：
主要天然气生产和消费大国的生产实践表明，目前长输管道事故持续时间通常为3天。
经综合评判，本研究中长输管道事故维修时间取70小时。
陕京线的事故率为0.22×10-3次/（km·a）。
③故障树分析模型的建立
故障树分析是一种将系统故障形成的原因由上至下，按层次以树枝状逐级细化的分析方法。
该方法通过对可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素等）进行分析，画出逻辑框图（故障树），从而确定系统故障原因的各种可能组合方式及其发生概率，以计算系统故障概率，确定系统的薄弱环节，采取相应措施，提高系统的可靠性。
故障树分析的是把所研究系统中最不希望发生的故障状态或故障事件作为故障分析的目标和出发点，然后，在系统中寻找直接导致这一故障发生的全部因素，将其作为不希望发生的故障的第一层原因事件，接着再以这一层中的各个原因事件为出发点，分别寻找导致每个原因发生的下一级的全部因素，以此类推。
将这些事件按照它们之间的顺序、相互影响和逻辑关系用各种相应逻辑符号（逻辑门）连接起来，就构成了一棵倒置的树状结构，即故障树。
根据北京市的供气情况，分别建立了2010年、2015年、2020年的故障树底事件表。
④模型结果分析
经故障树模型计算得出：
2010年北京市天然气供气中断的概率是7.16225×10-10次/年。
2015年北京市天然气供气中断的概率是9.52462×10-10次/年。
2020年北京市天然气供气中断的概率是2.39068×10-10次/年。
从模型计算结果看，北京市天然气全部中断的概率非常小，但气源和管道发生中断（关键事件）的概率以及对供气量的影响还是比较显著的。
关键事件对供气量的影响分析：
北京市的用气特点是冬季负荷和夏季负荷差别很大，因此在考虑供气安全时，只对冬季的情况进行研究。
2010年冬季，如果影响最大的底事件发生，最大减少气量为4200万立方米/日，2015年为7900万立方米/日，2020年为11200万立方米。
1.5用户用气安全性分析
北京市天然气消费主要用于采暖和生活用气，这部分用户绝大部分为不可中断用户。
工业和汽车用气可以由其他燃料替代，发电可通过外输电力的渠道满足，因此除个别用户外大部分工业、发电和汽车用户可以作为可中断用户。
2010年、2015年和2020年北京市不可中断用户各月日平均用气量预测见表1。
从表1中看出，冬季的1月份为全年高峰用气月。
由于用户的性质不同，用气特点及重要性不同，因此当供气中断时，对不同用户造成的影响亦不同。
尽管居民用气具有一定的替代性，但替代的代价是日常生活方便度的下降，居民用气中断也极易引起不满情绪，可能会造成社会不稳定；公服用气可替代性较差，供气中断后直接影响到人们的工作和商务活动，影响面也较大。
尤其是重要场所，如人民大会堂、国宾馆等，不仅对城市、对国家的形象也极为不利；采暖期采暖用气可替代程度低，如在寒冷时期供气中断，后果将相当严重；工业用气可以通过其他燃料替代或停产，但突然中断供应将给用户的经营造成损失，由于用户相对较少，影响较小；对于双燃料汽车来讲可用油品替代，单燃气汽车所占比例不多，一旦中断影响面不大；燃气电厂可通过外输电替代。
通过以上分析，居民、公服、采暖用户的替代性差，燃气中断供应造成的影响面较大，严重影响城市正常的生产、生活秩序。
天然气供应中断对用户的影响见表2。
表1全年各月日平均用气量（单位：
万立方米）
月份
2010年
2015年
2020年
全部用户
不可中断用户
全部用户
不可中断用户
全部用户
不可中断用户
1
3744
3350
4765
3996
5740
4596
2
3192
2792
4109
3326
4989
3823
3
1824
1412
2601
1788
3344
2130
4
822
356
1508
591
2164
797
5
821
364
1490
598
2130
802
6
1013
444
1817
701
2582
920
7
1015
459
1788
705
2522
912
8
996
438
1775
687
2517
899
9
825
362
150l
592
2147
792
10
813
357
1484
591
2126
796
1l
2350
1954
3166
2387
3946
2785
12
3379
2985
4327
3560
5234
4092
高峰月不可中断/全部
89.5%
83.9%
80.1%
表2天然气供应中断对用户的影响
用户
可替代程度
影响面
引起后果
重要性排序
居民
较差
大
大
重要
公服
低
大
大
重要
采暖
低
大
大
重要
制冷
低
大
大
重要
工业
高
较小
较小
较重要
汽车
较高
较小
小
较重要
电厂
较高
小
较小
较重要
1.6北京市天然气安全战略储备规划
北京市作为全国的首都，保持其社会经济稳定发展对整个国家都具有重要的战略意义。
因此，北京市天然气战略储备应纳入国家天然气战略储备。
国家天然气战略储备也应考虑北京市的需求，并首先针对北京市进行规划建设。
天然气安全战略储备量主要根据天然气在能源中的地位，气源的安全可靠性，储备保障程度，储备方式，经济实力等因素综合分析确定。
根据北京天然气消费和供应情况，天然气战略储备量的确定主要考虑以下因素：
年高峰月日均用气量，不可中断用户用气量，供应中断恢复时间，经济承受能力等。
①天然气战备储备量的确定
可能造成北京市天然气供应长达数十日中断的事件主要考虑以下几方面：
一是国内气源地区和长输管线经过地区可能发生严重的地震和洪水等自然灾害，需要很长时间才能恢复正常供气，二是从国外进口的管道天然气和LNG由于供应国的局势动荡导致长时间的停产，或者是由于战事和其它自然灾害导致长时间的运输中断。
通过对国内外发生的引起供气中断的重大事件的分析，综合考虑北京市天然气供应系统各种潜在的、重大不安全影响因素，结合北京市经济实力和政治地位，本研究对国内气源供应的战略保障天数分别按低方案15天和高方案30天考虑，战略储备量相应地按重大事件发生时保障不可中断用户15天和30天的高峰月日均用气量考虑。
而在涉及到进口国外天然气时，供应中断很大可能是由于供应国发生罢工、政治局势动荡造成的长期停产，严重洪水、地震、风暴和战争造成的长时期输运环节中断，LNG国际贸易中的商务风险等。
这种事件一旦发生影响供气的时间相对较长，长至数月，少则数十天，本研究在分析国外天然气供应中断时按低方案30天和高方案60天的进口量进行考虑。
根据上述原则，确定北京市天然气战略储备量方案见表3：
表3北京市天然气战略储备量方案单位：
亿立方米
低方案（15天）
高方案（30天）
2010年
4
8
2015年
5
10
2020年
6
12
②战略储备方式比较
天然气的储备方式主要有气态储存和液态储存两种方式。
气态储存主要利用地下储气库和高压容器储存天然气。
液态储存主要利用地面和地下储罐储存液态的天然气（LNG）。
地下储气库：
地下储气库是天然气储备最有效和最主要的方式。
目前，全世界共有地下储气库610座，总工作气量为3200亿立方米，其工作气量相当于世界年用气总量的12%左右。
世界上的地下储气库集中分布在美国、俄罗斯、加拿大、德国、法国等国家。
地下储气库的优点是储气量大，但是受地质条件限制。
按照地质结构划分，地下储气库可分为：
枯竭油气田型、含水层型、盐穴型、岩洞型、废弃矿穴型。
采用枯竭油气田地下气库是季节性调峰最有效，经济的方式，世界上已有的大部分地库都属于这种类型。
中国现有的在役地下储气库均属于这种类型。
世界上含水层储气设施主要在美国、前苏联和法国，是通过向空的含水层注气生成一个人造气田，这种储气方式需要一定的地质条件，我国对含水层储气库的研究尚处于初级阶段。
盐穴被用来储存天然气则是最近几年兴起的，目前世界上有54个盐穴储气设施。
这种储气方式正在迅速发展之中。
其储气原理是先用清水将盐溶解，通过一个单井将盐水出掉，然后用来注气和取气。
西气东输中正在配套建设的金坛储气库属该种类型。
从国外实践经验来看：
选择地下储气库库址的顺序为：
首选目标是枯竭油气藏，然后是含水层，最后是盐穴储气库。
CNG储备（岩洞型）：
在地下储气库发展工程中，有的国家在坚硬的岩石中人工挖出一个洞室，利用岩石的高抗压性支撑压力，在洞内做一层比较薄的钢内衬，该内衬主要起密封作用。
并在高压（20～22.5MPa）下储存天然气。
该种方式称为CNG储备。
每座储存量达2.5～4百万立方米。
瑞典能源公司在世界上开发了这一储存技术。
目前全世界投入商业运行的仅此1座岩洞型CNG储气库。
液态储存：
天然气的液化储存通常采用低温常压的储存方法，即将天然气冷冻至-162℃以下进行储存。
液态天然气体积缩小了600倍。
由于液化天然气的储存量较大，许多国家都认为液化天然气用于季节调峰和战略储备是一种较经济的方法。
③不同储备方式经济性分析
根据北京市的地理位置、自然条件和周边地区的地质条件，在进行北京市天然气战略储备经济性分析时，分别考虑地下水层储气库、LNG、CNG等三种储备方式。
战略储备从建设到动用涉及的费用包括设施建设费用、购气费、储气费（LNG液化费、地下储气库注气费）、年运行费、动用费（如LNG气化费、地下储气库采气费、输运费）。
在进行储备方式经济性比较时，主要考虑同样购气费条件下设施建设费用、储气费、年运行费、动用费的差别。
地下储气库：
根据北京市周边的地理地质条件，目前可供北京市作为天然气战略储备的地下储气库主要分布在大港油田、华北油田和风河营储气库。
前两个主要作为季节调峰储气库，没有余量作为战略储备。
凤河营储气库位于北京市大兴区凤河营镇，构造圈闭性好。
初步估算库容为6-20亿立方米，工作气量为2-6亿立方米，最大日采气能力200-600万立方米，平均日采气能力150-500万方。
借鉴国内已有水层储气库，凤河营地下储气库建设投资初步估算，单位工作气量建设投资4元/立方米。
LNG：
唐山LNG项目正在进行前期工作，预计2013年一期工程建成投产。
接受站位于唐山曹妃甸港，建设能力一期为600×104t/a，二期为400×104t/a。
一期储罐为2座16万立方米，二期为3座16万立方米，并预留3座16万立方米储罐的位置。
考虑选择预留罐位作为战略储备，1座16万立方米储罐的建设成本约5亿元，配套的气化装置1.5亿元。
如果建设1座16万立方米的储罐用作战略储备，可储气约9000万方，则折算单位气量建设投资约7元/立方米。
CNG：
据有关研究，北京市郊区具有建设岩洞型储气库的地下岩石，单个储槽容积可达到10万立方米，目前最高储存压力可达到30MPa，即一个储槽即可储存2500-3000万立方米的天然气。
初步估算投资每立方米工作气量约8元。
综上所述，从建设投资的角度，气藏型地下储气库最经济，其次为油藏和水层储气库。
LNG和CNG投资接近。
因此，从储备方式选择顺序上，北京市天然气战略储备方式应首选地下储气库，然后考虑地下岩洞和LNG。
④储气方案
高方案储备量是低方案的2倍，综合考虑北京市的经济发展水平以及天然气战略储备处于起步阶段等情况，本研究建议采用低方案储备方案。
由于含水层储气库建设周期较长，难以满足近期需要，战略储备初期采用LNG储气和岩洞CNG储气、远期采用含水层储气，最终是三种储气方式共用形式。
⑤运作模式
北京市天然气战略储备采取政府与国有燃气企业相结合的方式。
政府承担全部建设投资和日常运行费用，国有燃气企业提供技术支持，参与日常运行和维护。
政府以公平、透明的程序决定天然气战略储备的收储、投放的时间和数量。
政府主管部门对天然气战略储备拥有唯一调度权。
企业必须按时向政府报告天然气销售和储备情况。
政府加强天然气销售和储备统计工作，定期公布有关信息。
2投融资政策与管理体制
2.1投融资政策
燃气战略储备建设的资金来源应以政府投资为主。
北京市燃气战略储备属国家性的、基础性的公益能源项目，宜采取政府投资为主的投融资方式，同时吸收国有燃气企业的资金投入。
2.2管理体制
燃气战略储备应服务于能源安全的总体目标，为国家和地区能源供应安全提供强有力的保障。
结合北京市的实际情况，北京市燃气战略储备的管理体制包括机构设置、储备采购和动用、储备系统运行模式等内容。
①机构设置：
通过对国外天然气战略储备的研究，由于其特殊的战略意义和功能，往往由政府在其中起主导作用，同时也充分发挥燃气公司的作用，形成自上而下的战略储备体系。
北京市燃气战略储备实行国家发改委、燃气战略储备管理中心、储备基地三级管理的模式。
国家发改委负责前期投资和制定政策法规，燃气战略储备管理中心负责有关协调和管理工作，储备基地负责日常运行、维护和实施收储。
北京市燃气集团可作为储备基地的技术支持方，按储备管理条例参与北京燃气战略储备的工程建设和基地
②储备采购：
燃气战略储备的采购，原则上采取市场招标机制，并根据国内外市场情况，综合运用长期供应合同和市场采购的方式。
市场采购可以在国内和国际两个市场进行，也可以根据市场行情，采用期货和现货交易的方式购买。
③储备的动用：
政府燃气储备的动用由国家发改委向燃气战略储备管理中心下达指令，储备基地实施储备的投放。
动用分测试性动用和实质性动用。
测试性动用主要是为了防止在紧急动用时发生故障，测试储备设施系统是否能够正常运行，测试动用总量不得超过储备总量的2%。
实质性动用是当天然气供应气源中，某个或数个气源发生中断，动用城市应急气源仍无法满足用气需求时，动用天然气战略储备。
根据战略储备保障的程度，可分为即时动用和延时动用，前者是立即动用战略储备满足所有用户的用气需求，后者是先对可中断用户实施停气，向不可中断用户正常供气，如果仍然无法满足，就动用战略储备对不可中断用户实行用气保障。
战略储备具体采取何种方式投放、投放的时机和地点均由国家发改委根据市场供需情况决定。
④储备系统运行模式：
北京市燃气战略储备系统的运行模式是，政府主管部门制定有关规划和政策，北京燃气战略储备管理中心协调和管理储备基地的日常运行。
国家发改委负责储备政策和规划；战略储备中心负责具体项目的实施、运行管理。
储备基地负责站点的日常运行、维护和安全保护。
3结论与建议
北京市天然气供应系统是一个庞大的系统，而战略储备作为保障供气安全的重要手段，可以应对持续时间长的严重中断，从保障城市安全、能源安全的角度，北京有必要建设天然气战略储备。
建议有关部门研究和制定《北京市燃气战略储备管理办法》，使燃气战略储备工作有法可依，依法办事。
建议充分发挥政府部门在燃气战略储备建设中的主导作用，在投资上发挥主渠道作用，在制度安排和管理中发挥政策激励和有效监管作用。
为保证北京市燃气供应安全可靠，有关政府部门应尽快研究和制定建设天然气战略储备的规划，从战略和全局的高度，科学编制燃气战略储备建设规划。
建议着手开展含水层储气库的地质勘探工作，力争2015年建成部分储备能力。
届时，希望北京市能拥有水层储气库、岩洞CNG和LNG等多种储备方式的战略储备，形成较强的供气保障能力。
后记：
能源战略储备应该站在国家层面来研究，尤其是天然气供应，是一个全国的网络体系，站在一个城市的角度研究战略储备问题，有很多难度，为此，我们将课题定位为北京市天然气安全战略储备。
对这方面的研究，我们也仅仅是做些尝试，抛砖引玉，希望与同行共同探讨。
此文仅作内部交流使用。
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