德國天然氣輸配現狀—安全、材料、管網管理

德國天然氣輸配現狀—安全、材料、管網管理

1．引言

自60年代初西歐發現了大型天然氣田之后，天然氣在能源市場上才贏得了重要的地位。

今天，天然氣在德國被用于供暖、烹飪和熱水供應，同時也用于產品加工和工業生產所需的過程用熱，由于采用了熱-電聯供系統，天然氣成為發電的重要部分。2004年，德國天然氣的需求量約9960億kwh，占一次能源總需求量的約22．4％。繼石油(約占3s，4％)、煤(約占25％)之后成為德國能源供應的第三大支柱(圖1)。

2004年德國天然氣在不同領域的消費分配(圖2)：

圖1．2004年德國一次能源消費量

圖2．2004年德國天然氣的消費

德國天然氣約82％來自于國外進口，18％由德國自產。國外的供應國為挪威、荷蘭、丹麥、英國和俄羅斯(31％)。因此，天然氣是通過長距離且多級分壓連續輸送到用戶的。

1．1 德國天然氣經營結構

在德國，從事天然氣供應的企業約700家，從業人員約36000人。天然氣行業內部有不同級別的供氣公司。負責遠程輸送和進口天然氣的公司將國內的天然氣或者從國外進口的天然氣賣給跨地區的、地區的和當地的天然氣供應公司以及大工業企業用戶。地區的和當地的天然氣供應公司再為家庭和小工商用戶供氣。

圖3．天然氣經營結構

1．2 天然氣管道

德國的天然氣公司已建造了與送氣相匹配的管道系統和有關配套設備，足以承擔天然氣的輸送經營。德國天然氣管網的總長度約375000公里。2004年德國天然氣工業的總投資約為20億歐元，其中約62％是用于管網的擴建和更新。天然氣供應鏈中費用最大的部分是最終用戶。在城鎮范圍至少有總投資的80％用于新建的管道中。

地方和城鎮燃氣公司自行建設、運行和監督本地區密集如麻的燃氣管網，管網壓力調節和燃氣計量是由管網中的配套設施和裝置來完成的。

2．天然氣行業的安全措施

保證安全在天然氣輸配中是最重要的。德國在基本法中規定了公民享有保障人們生活和生命免受傷害的權利。涉及到德國的天然氣行業，不僅要通過采用各種安全措施來保護用戶生命和生活的要求，而且也要限制由能源設備的損壞而引起的經濟損失和給第三方造成的危害，要將由于供應設備的事故和損壞而造成的損失降低到最小的程度。

圖4．德國天然氣管網的發展

這里講的安全分為技術安全、勞動安全和供應安全三大類：

技術安全是指通過適當的措施，避免在安裝、運行和維護天然氣設備時出現危險危及第三方。所以，按照技術標準選擇材料具有特別重要的意義。

- 勞動安全是指通過相應的措施，避免在安裝、運行和維護燃氣設備時燃氣企業和為燃氣企業服務的其他企業的員工出現事故。

- 供應安全是指通過相應的措施，使天然氣能夠保質保量地安全供應。

德國在技術領域已經形成系列等級的規章制度，它明確了從國家到企業從上到下的職責。在法律這個等級上給出的保護目標非常抽象，所以各項規定中給出了達到這個目標的方法，即將法律中規定的保護目標具體化了。

2．1 技術規范

在有關燃氣專業的技術規范中，明確了具體的安全技術措施的規范基本包括在德國氣、水科學技術聯合會所制定的標準中了。另外還有由德國工程師協會、德國電子技術協會、德國工業標準等制定的國家級的技術標準以及歐洲級的歐洲標準。

2．1．1 德國氣、水科學技術聯合會dvgw-《工作手冊》

在德國氣、水科舉技術聯合會—《工作手冊》中發布了技術規范。它包括對燃氣的技術說明，特別規定了對設計、建設、運營、燃氣供應設備的預檢和安裝、使用的安全技術要求以及公共供應中燃氣的性質。

技術規范有推薦性質，只要遵守技術規范就一定能夠滿足安全要求。德國氣、水科學技術聯合會燃氣規范包括大約100個圍繞燃氣設備的建設、運行和維護的工作手冊、操作手冊和指南。

在德國工業標準中，有關燃氣技術領域所用的管道材料、閥門管件材料和檢測、施工安全及調節設備以及燃氣儀表等都作了相應規定。

圖5．規章制度等級

2．2 提高安全性的措施

2．2．1 通過故障分析選擇措施

應用故障分析促進提高安全性的措施，由此可在相同條件下避免重復過去曾發生過的事故和造成的損害。

如果在一定的條件下排除內部隱患，則安全性提高。通過隱患分析，可采用以下預防措施：

—改善技術設備

—提高從業人員的素質

—優化組織管理

由于德國的燃氣管理是私人經營的和分散管理的，事故和故障的信息并不集中，而是由德國氣、水科學技術聯合會從企業會員那里收集起來。在這個數據基礎上，從1981開始，編寫了“燃氣故障和事故統計”。

2．2．2 資質培訓措施

能否按照當前的技術標準來運行和維護燃氣設備，取決于從業人員的業務素質。通過資質培訓措施可以達到：

—初次培訓，象大學畢業和職業學校畢業，可進入此行業工作

—不斷進修，學習有關的技術和更先進的工作方法

—通過實踐訓練和經常性的了解事故的信息及造成的原因，來提高風險控制能力

2．2．3 組織方面的措施

提高安全性的一個重要內容就是優化組織機構。施工單位和運行單位建立專職組織機構負責安全工作。各企業的專職組織的任務是，盡可能的減少工作失誤。

為了支持“避免組織失誤”，也就是說，將失誤的源頭有效地控制在組織內部，各企業都建立了質量管理體系。質量管理體系可以通過認證而達到合理的組織結構。

2．2．4 勞動安全

避免故障和事故在道義上和法律上的義務不僅對第一方有效，而且同樣對企業的從業人員有效。推動勞動安全組織的目的是一項針對員工在他們的工作中免受傷害的措施，應該保護他們并防止事故和職業病的發生。

遵守勞動安全足企業家(也就是董事會，企業領導、廠長等)的責任。這個責任將賦予具有相應決策權的領導。除了這種逐級負責外，還有另外的管理法規(勞動保護法，勞動安全法，企業管理法、社會保障法典等)。

3．天然氣供應中使用的材料

管道及設備系統都嚴格按照德國氣、水科學技術聯合會的《勞動手冊》中的有關標準進行建設。由于德國燃氣行業始終如一地重視安全規范，故德國燃氣行業成為員安全的能源系統。

3．1 天然氣分配系統

天然氣分配管道系統依功能、管材和各壓力級別分類。目前使用的天然氣輸配管道有銅管、pu管、ggg(球墨鑄鐵管)、pvc管和cg(灰門鑄鐵管)。對于新建的天然氣管網一般采用鋼管和pe管。

根據壓力級別將目前的管網分為24mbar的低壓管網，100mbar的低壓管網(也稱高低壓管)，1bar的中壓管網，4bar的高壓管網，4bar到16bar的高壓管網，以及16bar到100bar的更高壓的管網。

由于壓力大于16bar的高壓管道主要指的是輸送管道，而新的天然氣管道設計中，只在特殊情況下才使用這種管道，這里就不多論述了。

3．1．1 低壓管道(至24mbar)

用純低壓管網(24mbar)為顧客提供燃氣可以不需要燃氣表和家庭壓力調節裝置。純低壓管網起源于城市煤氣供應時代。為了能夠滿足在供應范圍的每個客戶有足夠的輸配壓力，管網采用較大口徑的管道，密集排列且配置大量的供氣站，以避免不必要的壓力損失。新的管網一般采用高壓配送。

3．1．2 100mbar的低壓管道至

100mbar的低壓管網，需要用燃氣表或家庭壓力調節裝置進行壓力調節。

3．1．3 1bar的中壓管道

新建的中壓管網一般的壓力為4bar，以1bar運行。中壓管網比低壓管網更經濟。通過取代從壓力調節設備到用氣點之間的大管徑的管道，中壓管道中只需要配備少量的壓力調節設備，降低了成本。壓力調節裝置的總體數量的減少不僅可以降低新管網的建設費用，而且也可以降低以后的運行和維護費用。通過在管網中使用中壓調節裝置降低了建設費用。

3．1．4 4bar的高壓管道

使用壓山為4bar的高壓管網同樣具有中壓管網的優點。但必須在每一個入戶建筑物前安裝阻斷裝置，另外要安裝兩級4bar家庭調壓裝置。這種管網特別適合那些用量不多、有足夠空間的小上商企業。

3．1．5 4到16bar的高壓管網

壓力為16bar的管道一般用于城區的接收站和4bar／1bar壓力調節站之間的輸送管網。除廠極少數特殊情況外，作為很例外的情況，只有工業用戶才使用昂貴的燃氣壓力調節和測量設備直接用16bar的管道供應。

3．2 管道材料

目前在用的天然氣管網是由各種管道材抖組成的。最早的管道材料是灰口鑄鐵，采用套管連接或螺絲口連接，但是由于存在破裂的危險，因此很多供氣企業都更換了這種管道，而且還在陸續更換。球墨鑄鐵管也不能達到天然氣供氣管不斷裂、不腐蝕的要求。盡管這種管道不易破裂，但是如果鋪設在容易腐蝕的土地中又沒有進行防腐處理，這種材料作為天然氣輸送管材還是會出現問題。另外由于螺絲接口軸向的密封不好也會產生燃氣泄漏。

3．2．1 pvc-管網

目前在天然氣輸送中，除極少數特殊情況外，幾乎都使用鋼管或pe-hd管。

3．2．2 鋼制的管道和配件

鋼制的管道和配件到處都在使用，特別是在對管道材料的穩定性要求高的地方，而且它能承受較高的內部壓力。除少數特殊情況外，目前幾乎所有的大于4bar的天然氣管道都是鋼管。鋼管的主要缺點是腐蝕問題，特別是敷設在腐蝕性的土壤中。因此，我們推薦在運輸和敷設的過程中使用pe-保護涂層進行保護，特別是在焊縫的位置對保護涂層的質量要求非常高。未設陰極保護的鋼管的涂層被破壞或損害后，在非常短的時間內就會產生電化學的腐蝕過程，使管道出現銹蝕點直到穿透管道，引起燃氣泄漏。這個小破洞越小，腐蝕進行的速度就越快。

上一頁123下一頁壓力大于4bar的高壓鋼管除廠進行被動的防腐(外加涂層)外，還要實施主動的防腐(即陰極保護防腐措施)。

鋼管和配件之間的連接一般是用電弧焊接。安裝時，特殊的地方也常使用氣熔焊。在安裝配件和一些特殊的設備時，也使用法蘭連接，特別是在經常拆卸的地方更要使用法蘭連接。在必須使用法蘭連接的地方，任何情況下都要注意仔細的用轉矩扳手將法蘭擰緊，然后認真的進行防腐涂層的涂刷。為了防止產生彎曲應力，管溝應平整，墊層應結實，回填物要均勻。

3．2．3 聚乙烯管道和管件

德國從60年代初開始使用pfc塑料管輸送燃氣，從70年代開始應用聚乙烯管道。今天高密度聚乙烯管道(pe-hd)全世界都在使用。

聚乙烯管基于它的良好的物質特性在所有能源供應公司中可以承受壓力為1bar(sdr17，5：reihe 4)，更確切的說為4bar(sdr 11：reihe 5)。(sdr=標準尺寸率=管外徑／管壁的厚度)

聚乙烯管與金屬管材相比有如下的優點：

—防腐蝕性高

—重量輕，便于加工和安裝

—柔韌性和彈性好

—購買和安裝的費用低

—非螺紋連接技術

—軸向力穩固

—壽命長

—降低埋深和安裝贊用

—減少材料費用

—可以環行的鋪設

—可以銑刀開挖或者用犁頭開挖管溝

—可以采用不開挖的方式

聚乙烯管與金屬管材相比有如下的缺點：

—機械穩定性差

—pe管不易定位

—不宜露天存放

—對鋪設的質量和材料要求高(回填沙，回填科，連接壓力等)

過去的pe管的連接技術一般是加熱元件對接焊或者用電焊配件進行焊接。在我們中部萊茵能源供應公司只用管徑大于125mm的對焊。原因是，管徑小的管道在實際工地現場很難保證壁厚小于10％的允許填充的橢圓度。對于管徑小于125mm的pe管道采用電焊。只有在對老的灰鐵管做pe襯管時例外，pe襯管要求使用對焊并在襯前進行特別檢查。目前天然氣供應中使用的大多為管徑100的pe管，壓力可以達到10bar。

3．3 天然氣壓力調節和計量設備

使用天然氣調壓裝置是將高壓一次或分級降壓，以滿足后續設備和客戶的使用壓力。在德國氣、水科學技術聯合會《工作手冊》g490／ⅰ和g491中有相應的規定。

遠程輸送的高壓管網到達用氣地后就變成了中壓或低壓管網，在這里就需要設置調壓站。調壓站不僅可以調節壓力和進行計量，還可以完成以下的任務：

—凈化和過濾天然氣中雜質

—預熱天然氣

—保護后續的設備，避免后續的設備承受不合適的壓力

—收集重要的數據外傳輸到控制中心

從遠程輸送的管網接收之后，當地的天然氣供應公司要對天然氣進行加臭，使得人們在燃氣泄漏未達到點燃濃度就能嗅到異味，及時求助處理辦法，以免發生事故。

3．3．1 天然氣壓力調節和計量設備的安裝方式

天然氣壓力調節和計量設備安裝在用戶的房間里或安裝在儀表柜中。當管道的入口壓力為4bar時，壓力調節和計量設備可以安裝在一個封閉的房間內，例如在地下室中。當壓力調節和計量設備只為該建筑物使用時，也可以安裝在住宅中。當管道的入口壓力超過4bar到100bar時，壓力調節和計量設備不允許安裝在住宅中。

將設備連接到獨立的建筑物最易于保護。對于小設備，安裝在設備柜中是經濟的。露天布置也優先考慮這種方式。盡管允許安裝在地下，但我們認為這不是好方法，在中部萊茵能源供應公司也不采用。

3．3．2 天然氣壓力調節和計量設備的組成

壓力調節和計量設備箱一般由一個過濾器、預熱器、安全設備、調節器、計量器、加臭裝置和數據記錄儀表組成。

作為阻斷設備在對粉塵要求不高的裝置中，應使用閘閥、球閥和碟閥。對供氣管網使用陰極保護必須聯接一個絕緣塊，以防止管網的防護電流通過調節器漏電。

壓力調節和計量設備的入口處必須安裝一個粉塵過濾器，將由于管道內不腐蝕產生的粉塵清除掉。

因為天然氣在降壓的過程中冷卻了(焦耳-湯姆森-效應)，因此在進入調節器的閥門之前必須進行預熱。預熱是通過燃氣鍋爐提供的溫水來進行，燃氣鍋爐必須安裝在另外一個房間里。

3．3．3 計量設備

計量設備可以單獨安裝也可以與壓力調節設備安裝在一起。德國氣、與水科學技術聯合會《工作手冊》的g492／ⅰ中給出了權威性的規定。根據需要也可將計量設備與壓力調節設備組合裝置，這樣最經濟。

作為計量儀表有不同種類的燃氣表可供使用：

對于中部萊茵能源供應公司來說，使用的是旋轉活塞流量計、旋轉閥式刮板流量計和皮膜式燃氣表。這些都屬于所謂的排擠式流量計，燃氣流推動旋轉活塞、旋轉葉片運動，震動的測量室壁將計數脈沖傳輸到計數器上。

燃氣流量計有渦輪流量計、轉子流量計、旋流式流量計和超聲流量計。中部萊茵能源供應公司evm使用的是不需經常保養而且相對簡單的渦輪流量計。

在考慮燃氣溫度和氣體壓力情況下，利用計算器可精確記錄燃氣量。用容積式燃氣表顯示的是運行狀態下的數據。為了得到精確的燃氣量必須換算成標準狀態下的數值。計算器要考慮燃氣的壓力和溫度，并顯示修正和校準的測量數據。

3．3．4 天然氣壓力調節和計量設備的安全裝置

在天然氣進入調節設備之前，先經過一個安全切斷閥，萬一出口壓力高于允許的壓力時，安全切斷閥就會關閉。安全切斷閥可以獨立的安裝在調節設備之前，也可以與調節設備裝在—起。另外在調節設備后還需安裝一個安全排氣閥。當氣體突然回流時會引起超出允許范圍的高壓，使安全切斷閥打開，安全排氣閥將短期內升高的壓力通過排氣管釋放，以防安全切斷閥不必要的啟動。

4．管網管理

4．1 燃氣市場自由化

1935年頒布的聯邦德國能源經濟法提出了關于天然氣供應的能源經濟框架，并一直執行到1998年。該法保障管道供應的能源具有壟斷性質，按照條約規定，管網有固定的供應區域(邊界合同)而且享有使用街道、公路和公共場所的特權。近10年來，按照歐盟規范推動能源管道建設的自由化，主要涉及到供電和天然氣的供應。

自由化的真正目的是使國內的管網運營商與歐洲的運營商在市場上競爭，其結果是終端用戶可以得到更低價的能源。

2005年7月13日調整后的新能源經濟法生效。德國按照歐洲議會加速改革的方針要求已經修正了國內的法律。

然后能源供應公司又將輸送和分配管網的運營商與其余的能源供應商分開，特別是與推銷和貿易企業分開。

為了能夠進行公平的競爭，新能源法就工作程序、經營的合法性、注冊登記和財務等各方面都作了規定。

新法律通過四項規定細化了燃氣和電的入網及費用。管網運營商必須公布大量的運行數據，并且上報給負責協調的官方當局。為了達到管網運營的競爭的目的，管網運營應該是透明的。

4．2 燃氣管網補償費的規定

按照天然氣管網補償費的規定，末端分配管網運營商必須按照支出確定管網的補償費。實際成本包括人員費用、材料費、貸款、貸款利息和折舊費及私有資金利息。管網的使用補償費必須經上級主管部門批準。

上級主管部門監督管網的收費并且和其他的能源供應者進行比較。因此上級主管部門擁有各個企業的廣泛的數據。

4．3 天然氣管網接入的規定

按照天然氣管網建設規定，在簽署了管網使用合同的前提下，可以調整管網的建設方案。它闡明了所有供應級別的管網的接入條件。遠程輸送管網和地入的分配管網是不同的。同時詳細說明了為客戶提供的服務項目。終端分配的管網運營商必須提供獨立的可使用和可貿易的輸入和輸出能力。

為了擴大輸送能力，輸送企業必須利用多條管網完成輸出和輸入任務。在轉換時管網運營商還必須和其他管網運營商合作。

5 總結

受法律法規的制約，德國的天然氣供應是高效和安全的。

能源供應企業進入改革階段后實施了新能源法。為了在競爭中立于不敗之地，燃氣企業必須開發新的模式。只有在保證安全的情況下，盡可能的降低運營成本，才可能在競爭中取勝。德國天然氣領域安全技術的高水平是德國天然氣經濟取得成果的保證。

德國天然氣供應以發展成為持續安全的能源系統。

使用管道輸送氣體、液體、熱和各種固體物質是最經濟和最安全的輸送方式。當使用的設備都具備可靠的安全性，這種方式的經濟性優點更加突出。不僅要考慮供氣的可靠性，更不能忽視對人和環境的危險性。

由dvgw、figawa、rbv等專業協會制定和執行的專業技術規范和德國工業標準中，安全是首要的。

在各種研討會、報告會、講座和專業雜志上，質量管理、技術安全管理、企業和產品的認證以及管道鋪設施工，直至管道建設中人員的安排等是經常講解和宣傳的題目。