德国天然气输配现状-安全、材料、管网管理

德国天然气输配现状—安全、材料、管网管理1．引言自60年代初西欧发现了大型天然气田之后，天然气在能源市场上才赢得了重要的地位。今天，天然气在德国被用于供暖、烹饪和热水供应，同时也用于产品加工和工业生产所需的过程用热，由于采纳了热-电联供系统，天然气成为发电的重要部分。2004年，德国天然气的需求量约9960亿KWh，占一次能源总需求量的约22．4％。继石油(约占3S，4％)、煤(约占25％)之后成为德国能源供应的第三大支柱(图1)。2004年德国天然气在不同领域的消费分配(图2)：

图1．2004年德国一次能源消费量

图2．2004年德国天然气的消费

德国天然气约82％来自于国外进口，18％由德国自产。国外的供应国为挪威、荷兰、丹麦、英国和俄罗斯(31％)。因此，天然气是通过长距离且多级分压连续输送到用户的。1．1德国天然气经营结构在德国，从事天然气供应的企业约700家，从业人员约36000人。天然气行业内部有不同级别的供气公司。负责远程输送和进口天然气的公司将国内的天然气或者从国外进口的天然气卖给跨地区的、地区的和当地的天然气供应公司以及大工业企业用户。地区的和当地的天然气供应公司再为家庭和小工商用户供气。

图3．天然气经营结构

1．2天然气管道德国的天然气公司已建造了与送气相匹配的管道系统和有关配套设备，足以承当天然气的输送经营。德国天然气管网的总长度约375000公里。2004年德国天然气工业的总投资约为20亿欧元，其中约62％是用于管网的扩建和更新。天然气供应链中费用最大的部分是最终用户。在城镇范围至少有总投资的80％用于新建的管道中。地方和城镇燃气公司自行建设、运行和监督本地区密集如麻的燃气管网，管网压力调节和燃气计量是由管网中的配套设施和装置来完成的。2．天然气行业的安全措施保证安全在天然气输配中是最重要的。德国在基本法中规定了公民享有保证人们生活和生命免受伤害的权利。涉及到德国的天然气行业，不仅要通过采纳各种安全措施来保护用户生命和生活的要求，而且也要限制由能源设备的损坏而引起的经济损失和给第三方造成的危害，要将由于供应设备的事故和损坏而造成的损失降低到最小的程度。图4．德国天然气管网的发展

这里讲的安全分为技术安全、劳作安全和供应安全三大类：技术安全是指通过适当的措施，避免在安装、运行和维护天然气设备时出现危险危及第三方。所以，按照技术标准选择材料具有特别重要的意义。-劳作安全是指通过相应的措施，避免在安装、运行和维护燃气设备时燃气企业和为燃气企业服务的其他企业的员工出现事故。-供应安全是指通过相应的措施，使天然气能够保质保量地安全供应。德国在技术领域已经形成系列等级的规章制度，它明确了从国家到企业从上到下的职责。在法律这个等级上给出的保护目标非常抽象，所以各项规定中给出了达到这个目标的方法，马上法律中规定的保护目标具体化了。2．1技术规范在有关燃气专业的技术规范中，明确了具体的安全技术措施的规范基本包括在德国气、水科学技术联合会所制定的标准中了。另外还有由德国工程师协会、德国电子技术协会、德国工业标准等制定的国家级的技术标准以及欧洲级的欧洲标准。2．1．1德国气、水科学技术联合会DVGW-《工作手册》在德国气、水科举技术联合会—《工作手册》中公布了技术规范。它包括对燃气的技术说明，特别规定了对制定、建设、运营、燃气供应设备的预检和安装、使用的安全技术要求以及公共供应中燃气的性质。技术规范有推举性质，只要遵守技术规范就一定能够满足安全要求。德国气、水科学技术联合会燃气规范包括大约100个围绕燃气设备的建设、运行和维护的工作手册、操作手册和指南。在德国工业标准中，有关燃气技术领域所用的管道材料、阀门管件材料和检测、施工安全及调节设备以及燃气仪表等都作了相应规定。提出问题等级规章举例保护什么？法律能源经济法民法典劳作安全法劳作保护法通过什么来保护？规定高坟燃气规定企业运行安全规程采纳什么措施来保护？技术规范以下部门指定的技术规范：DVGW、DIN、VDI、VDE、CEN这些措施怎样去保护？企业内部的规定运行规程工作准则运行指南图5．规章制度等级

2．2提升安全性的措施2．2．1通过故障分析选择措施应用故障分析促进提升安全性的措施，由此可在相同条件下避免重复过去曾发生过的事故和造成的损害。如果在一定的条件下排除内部隐患，则安全性提升。通过隐患分析，可采纳以下预防措施：—改善技术设备—提升从业人员的素养—优化组织管理由于德国的燃气管理是私人经营的和分散管理的，事故和故障的信息并不集中，而是由德国气、水科学技术联合会从企业会员那里收集起来。在这个数据基础上，从1981开始，编写了“燃气故障和事故统计〞。2．2．2资质培训措施能否按照当前的技术标准来运行和维护燃气设备，取决于从业人员的业务素养。通过资质培训措施可以达到：—初次培训，象大学毕业和职业学校毕业，可进入此行业工作—不断进修，学习有关的技术和更先进的工作方法—通过施行训练和常常性的了解事故的信息及造成的原因，来提升风险控制能力2．2．3组织方面的措施提升安全性的一个重要内容就是优化组织机构。施工单位和运行单位建立专职组织机构负责安全工作。各企业的专职组织的任务是，尽可能的减少工作失误。

为了支持“避免组织失误〞，也就是说，将失误的源头有效地控制在组织内部，各企业都建立了质量管理体系。质量管理体系可以通过认证而达到合理的组织结构。2．2．4劳作安全避免故障和事故在道义上和法律上的义务不仅对第一方有效，而且同样对企业的从业人员有效。推动劳作安全组织的目的是一项针对员工在他们的工作中免受伤害的措施，应该保护他们并防止事故和职业病的发生。遵守劳作安全足企业家(也就是董事会，企业领导、厂长等)的责任。这个责任将赋予具有相应决策权的领导。除了这种逐级负责外，还有另外的管理法规(劳作保护法，劳作安全法，企业管理法、社会保证法典等)。3．天然气供应中使用的材料管道及设备系统都严格按照德国气、水科学技术联合会的《劳作手册》中的有关标准进行建设。由于德国燃气行业始终如一地重视安全规范，故德国燃气行业成为员安全的能源系统。3．1天然气分配系统天然气分配管道系统依功能、管材和各压力级别分类。目前使用的天然气输配管道有铜管、PU管、GGG(球墨铸铁管)、PVC管和CG(灰门铸铁管)。关于新建的天然气管网一般采纳钢管和PE管。依据压力级别将目前的管网分为24mbar的低压管网，100mbar的低压管网(也称凹凸压管)，1bar的中压管网，4bar的高压管网，4bar到16bar的高压管网，以及16bar到100bar的更高压的管网。由于压力大于16bar的高压管道主要指的是输送管道，而新的天然气管道制定中，只在特别状况下才使用这种管道，这里就不多论述了。3．1．1低压管道(至24mbar)用纯低压管网(24mbar)为顾客提供燃气可以不需要燃气表和家庭压力调节装置。纯低压管网起源于城市煤气供应时代。为了能够满足在供应范围的每个客户有足够的输配压力，管网采纳较大口径的管道，密集排列且配置大量的供气站，以避免不必要的压力损失。新的管网一般采纳高压配送。3．1．2100mbar的低压管道至100mbar的低压管网，需要用燃气表或家庭压力调节装置进行压力调节。3．1．31bar的中压管道新建的中压管网一般的压力为4bar，以1bar运行。中压管网比低压管网更经济。通过取代从压力调节设备到用气点之间的大管径的管道，中压管道中只需要配备少量的压力调节设备，降低了成本。压力调节装置的总体数量的减少不仅可以降低新管网的建设费用，而且也可以降低以后的运行和维护费用。通过在管网中使用中压调节装置降低了建设费用。3．1．44bar的高压管道使用压山为4bar的高压管网同样具有中压管网的优点。但必须在每一个入户建筑物前安装阻断装置，另外要安装两级4bar家庭调压装置。这种管网特别合适那些用量不多、有足够空间的小上商企业。3．1．54到16bar的高压管网压力为16bar的管道一般用于城区的接收站和4bar／1bar压力调节站之间的输送管网。除厂极少数特别状况外，作为很例外的状况，只有工业用户才使用昂贵的燃气压力调节和测量设备直接用16bar的管道供应。3．2管道材料目前在用的天然气管网是由各种管道材抖组成的。最早的管道材料是灰口铸铁，采纳套管连接或螺丝口连接，但是由于存在破裂的危险，因此很多供气企业都改换了这种管道，而且还在陆续改换。球墨铸铁管也不能达到天然气供气管不断裂、不腐蚀的要求。无论这种管道不易破裂，但是如果铺设在容易腐蚀的土地中又没有进行防腐处理，这种材料作为天然气输送管材还是会出现问题。另外由于螺丝接口轴向的密封不好也会产生燃气泄漏。3．2．1PVC-管网目前在天然气输送中，除极少数特别状况外，几乎都使用钢管或PE-HD管。3．2．2钢制的管道和配件钢制的管道和配件到处都在使用，特别是在对管道材料的稳定性要求高的地方，而且它能承受较高的内部压力。除少数特别状况外，目前几乎所有的大于4bar的天然气管道都是钢管。钢管的主要缺点是腐蚀问题，特别是敷设在腐蚀性的土壤中。因此，我们推举在运输和敷设的过程中使用PE-保护涂层进行保护，特别是在焊缝的位置对保护涂层的质量要求非常高。未设阴极保护的钢管的涂层被破坏或损害后，在非常短的时间内就会产生电化学的腐蚀过程，使管道出现锈蚀点直到穿透管道，引起燃气泄漏。这个小破洞越小，腐蚀进行的速度就越快。压力大于4bar的高压钢管除厂进行被动的防腐(外加涂层)外，还要实施主动的防腐(即阴极保护防腐措施)。钢管和配件之间的连接一般是用电弧焊接。安装时，特别的地方也常使用气熔焊。在安装配件和一些特别的设备时，也使用法兰连接，特别是在常常拆卸的地方更要使用法兰连接。在必须使用法兰连接的地方，任何状况下都要注意仔细的用转矩扳手将法兰拧紧，然后认真的进行防腐涂层的涂刷。为了防止产生弯曲应力，管沟应平整，垫层应结实，回填物要均匀。3．2．3聚乙烯管道和管件德国从60年代初开始使用PFC塑料管输送燃气，从70年代开始应用聚乙烯管道。今天高发度聚乙烯管道(PE-HD)全世界都在使用。聚乙烯管基于它的优良的物质特性在所有能源供应公司中可以承受压力为1bar(SDR17，5：Reihe4)，更确切的说为4bar(SDR11：Reihe5)。(SDR=标准尺寸率=管外径／管壁的厚度)聚乙烯管与金属管材相比有如下的优点：—防腐蚀性高—重量轻，便于加工和安装—柔韧性和弹性好—购买和安装的费用低—非螺纹连接技术—轴向力稳固—寿命长—降低埋深和安装赞用—减少材料费用—可以环行的铺设—可以铣刀开挖或者用犁头开挖管沟—可以采纳不开挖的方式聚乙烯管与金属管材相比有如下的缺点：—机械稳定性差—PE管不易定位—不宜露天存放—对铺设的质量和材料要求高(回填沙，回填科，连接压力等)过去的PE管的连接技术一般是加热元件对接焊或者用电焊配件进行焊接。在我们中部莱茵能源供应公司只用管径大于125mm的对焊。原因是，管径小的管道在实际工地现场很难保证壁厚小于10％的同意填充的椭圆度。关于管径小于125mm的PE管道采纳电焊。只有在对老的灰铁管做PE衬管时例外，PE衬管要求使用对焊并在衬前进行特别检查。目前天然气供应中使用的大多为管径100的PE管，压力可以达到10bar。3．3天然气压力调节和计量设备使用天然气调压装置是将高压一次或分级降压，以满足后续设备和客户的使用压力。在德国气、水科学技术联合会《工作手册》G490／Ⅰ和G491中有相应的规定。

远程输送的高压管网到达用气地后就变成了中压或低压管网，在这里就需要设置调压站。调压站不仅可以调节压力和进行计量，还可以完成以下的任务：—净化和过滤天然气中杂质—预热天然气—保护后续的设备，避免后续的设备承受不合适的压力—收集重要的数据外传输到控制中心从远程输送的管网接收之后，当地的天然气供应公司要对天然气进行加臭，使得人们在燃气泄漏未达到点燃浓度就能嗅到异味，及时求助处理办法，以免发生事故。3．3．1天然气压力调节和计量设备的安装方式天然气压力调节和计量设备安装在用户的房间里或安装在仪表柜中。当管道的入口压力为4bar时，压力调节和计量设备可以安装在一个封闭的房间内，例如在地下室中。当压力调节和计量设备只为该建筑物使用时，也可以安装在住宅中。当管道的入口压力超过4bar到100bar时，压力调节和计量设备不同意安装在住宅中。将设备连接到独立的建筑物最易于保护。关于小设备，安装在设备柜中是经济的。露天布置也优先合计这种方式。无论同意安装在地下，但我们认为这不是好方法，在中部莱茵能源供应公司也不采纳。3．3．2天然气压力调节和计量设备的组成压力调节和计量设备箱一般由一个过滤器、预热器、安全设备、调节器、计量器、加臭装置和数据记录仪表组成。作为阻断设备在对粉尘要求不高的装置中，应使用闸阀、球阀和碟阀。对供气管网使用阴极保护必须联接一个绝缘块，以防止管网的防护电流通过调节器漏电。压力调节和计量设备的入口处必须安装一个粉尘过滤器，将由于管道内不腐蚀产生的粉尘清除掉。因为天然气在降压的过程中冷却了(焦耳-汤姆森-效应)，因此在进入调节器的阀门之前必须进行预热。预热是通过燃气锅炉提供的温水来进行，燃气锅炉必须安装在另外一个房间里。3．3．3计量设备计量设备可以单独安装也可以与压力调节设备安装在一起。德国气、与水科学技术联合会《工作手册》的G492／Ⅰ中给出了权威性的规定。依据需要也可将计量设备与压力调节设备组合装置，这样最经济。作为计量仪表有不同种类的燃气表可供使用：关于中部莱茵能源供应公司来说，使用的是旋转活塞流量计、旋转阀式刮板流量计和皮膜式燃气表。这些都属于所谓的排挤式流量计，燃气流推动旋转活塞、旋转叶片运动，震动的测量室壁将计数脉冲传输到计数器上。燃气流量计有涡轮换量计、转子流量计、旋流式流量计和超声流量计。中部莱茵能源供应公司EVM使用的是不需常常保养而且相对简单的涡轮换量计。在合计燃气温度和气体压力状况下，利用计算器可准确记录燃气量。用容积式燃气表显示的是运行状态下的数据。为了得到准确的燃气量必须换算成标准状态下的数值。计算器要合计燃气的压力和温度，并显示修正和校准的测量数据。3．3．4天然气压力调节和计量设备的安全装置在天然气进入调节设备之前，先经过一个安全切断阀，万一出口压力高于同意的压力时，安全切断阀就会关闭。安全切断阀可以独立的安装在调节设备之前，也可以与调节设备装在—起。另外在调节设备后还需安装一个安全排气阀。当气体突然回流时会引起超出同意范围的高压，使安全切断阀打开，安全排气阀将短期内升高的压力通过排气管释放，以防安全切断阀不必要的启动。4．管网管理4．1燃气市场自由化1935年公布的联邦德国能源经济法提出了关于天然气供应的能源经济框架，并一直执行到1998年。该法保证管道供应的能源具有把持性质，按照条约规定，管网有固定的供应区域(边界合同)而且享有使用街道、公路和公共场所的特权。近10年来，按照欧盟规范推动能源管道建设的自由化，主要涉及到供电和天然气的供应。自由化的真正目的是使国内的管网运营商与欧洲的运营商在市场上竞争，其结果是终端用户可以得到更低价的能源。2005年7月13日调整后的新能源经济法生效。德国按照欧洲议会加速改革的方针要求已经修正了国内的法律。然后能源供应公司又将输送和分配管网的运营商与其余的能源供应商分开，特别是与推销和贸易企业分开。为了能够进行公平的竞争，新能源法就工作程序、经营的合法性、注册登记和财务等各方面都作了规定。新法律通过四项规定细化了燃气和电的入网及费用。管网运营商必须公布大量的运行数据，并且上报给负责协调的官方当局。为了达到管网运营的竞争的目的，管网运营应该是透明的。4．