摘要：本論文圍繞城鎮燃氣產業鏈的氣源端、輸配端、應用端3個環節，首先簡要介紹了主要氣源種類；接著圍繞燃氣場站、燃氣管網、儲氣調峰、調度管理以及應急管理等環節，介紹了輸配技術從信息化到數字化，再到智慧化的發展現狀；然后重點圍繞居民、商用、車船用氣以及綜合利用等場景歸納了常用的燃氣應用技術。在此基礎上，基于“雙碳”目標，提出了城鎮燃氣企業向城鎮綜合能源企業轉型的發展思路，并指出該過程中兩條“減碳”路徑，一是通過“智慧化”手段，借助人工智能、大數據等新一代信息技術，提高企業運營效率，進一步保障安全，減少人力、物力投入所引起的碳排放；二是通過“低碳化”手段，在近期提高天然氣在一次能源中的使用占比，通過天然氣綜合利用等方式提高利用效率，探索利用現有燃氣基礎設施發展新能源的技術路徑；在遠期將天然氣與光伏、風能、氫能、生物質能等深度融合，利用氫氣作為儲能介質助推風光電規模化發展，管道摻氫實現氫氣輸送，生物質能和碳捕集技術實現天然氣脫碳，打造多能互補的清潔能源綜合系統。通過兩條路徑，以用戶需求為導向，以現有燃氣系統為基礎，構建更加高效、智慧的能源網絡系統，助力雙碳目標的實現。

關鍵詞：雙碳目標；城鎮燃氣；智慧燃氣；低碳化；綜合能源；智慧能源

近年來，全球尤其是亞洲地區新興經濟體能源消費爆發式增長，原有的以化石燃料為主要能源的供給方式給環境帶來了極大挑戰，同時人類也面臨著未來化石能源枯竭的問題。為應對全球共同危機，促進轉型發展，彰顯大國擔當，在第75屆聯合國大會上，習近平總書記提出“2030碳達峰、2060碳中和”的“雙碳”發展目標。

圍繞“雙碳”發展目標，各地政府出臺了一系列產業規劃及支持政策，截止2021年底，圍繞氫能產業，國內就發布了200余項產業政策。各能源企業紛紛圍繞低碳清潔能源轉型發展布局。寧德時代、隆基、陽光電源等光伏企業迎來了高速發展期。中石化、中石油、國電投、國家能源、中國能建等超過1/3的能源央企開始布局氫能產業鏈。殼牌、法液空、空氣化工、SNAM等國外能源企業也紛紛在我國圍繞新能源和綜合能源市場進行布局。

在全球能源低碳化轉型的背景下，非化石能源的占比將不斷提高，據國際能源署報告，到2050年，全球非化石能源將占一次能源消費比重的2/3；我國政府也提出，到2030年，非化石能源在一次能源消費比重達到25%的目標。然而，由于以光伏、風能、生物質能等為代表的非化石能源的規模化效應尚未形成，同時，其還存在不穩定性，技術成熟度不夠等缺點，導致其在經濟性和便捷性等方面，仍無法與化石能源競爭。2021年，全球非化石能源在能源消費中占比僅為16.9%。

天然氣在化石能源中，相對清潔低碳，相較非化石能源，兼具穩定、靈活性和經濟性等優點。因此，被認為是實現“雙碳”目標過程中，理想的過渡能源。在2030年前，天然氣將大量替代煤炭和石油等高碳能源，與可再生能源融合發展，迎來快速增長時期；到2040年左右，由于可再生能源技術的提升和產業鏈的完善，天然氣增速將放緩，在能源消費中的占比達到25%～28%，并開始呈現降低趨勢；在2060年左右，由于非化石能源產業的成熟，天然氣在能源消費中的占比將降低至10%以下，最終將作為調峰能源或在部分非化石能源無法替代的化工行業中使用。

在“雙碳”目標背景下，對于以城市天然氣輸配為主營業務的城鎮燃氣行業而言，面臨著如何基于現有技術和產業基礎合理布局，一方面滿足未來10年～20年內天然氣用量快速增長的需求，另一方面應對未來30年～40年能源行業深度脫碳帶來的轉型發展要求的挑戰與機遇。基于此，本論文綜合分析了現階段城鎮燃氣行業技術發展現狀，提出了應對挑戰和機遇，城鎮燃氣企業可行的轉型發展路徑。

1.1 氣源端情況

“十三五”期間，我國天然氣產業快速發展，天然氣消費總量持續增長，用氣規模顯著提升，城鎮燃氣行業也迎來10年發展黃金期，形成以天然氣為主要城市燃氣氣源的供應格局。

根據相關統計數據，2023年我國天然氣產量為2353億m³；天然氣進口量為1656億m³，對外依存度達42.3%，較2022年增加1.1個百分點。

在氣源構成方面，早期的燃氣以人工煤氣為主，在用氣能力和安全性方面均存在一定問題；后期隨著西氣東輸管線的投產，燃氣用氣人口和消費總量呈現指數型增長，用氣規模顯著提升，人工煤氣基本退出歷史舞臺，氣源供給更加清潔、低碳、高效。

同時，隨著能源供給側結構性改革不斷推進，國家管網已大體成型，越來越多的省級管網融入國家管網，油氣供應主體持續增加，燃氣資源供應能力不斷增強。城燃企業也將有更多清潔穩定的氣源可供選擇。

1.2 輸配端技術情況

隨著天然氣用氣規模擴大，得益于新一代信息技術的發展，城鎮燃氣輸配系統也逐漸從傳統的、單一的管理模式向全過程、全方位、智能化的管理模式轉變。

1.2.1 燃氣場站

作為天然氣輸配系統的重要組成部分，燃氣場站是連接用戶與消費者的“第一道關卡”，因建設目的和功能不同，主要包括門站、儲配站、調壓站等。

隨著自動化通訊技術及智能化設備可靠性的提高，無人值守場站應運而生，通過各級監視與控制系統，向調度中心上傳生產數據與監控信息，同時精準執行調度中心發出的遠程操控指令的智慧化場站，可實現大型調壓站“有人值守，無人操作”、小型調壓站“無人值守，遠程監視”的自動化和數字化管理。

為提升建設管理水平，BIM技術也被引入燃氣場站設計，通過構建的信息模型表達燃氣場站中的現實的物體，在提高工程建設質量與安全水平、控制成本和工期，提高投資、運營效益等方面發揮重要作用，可提高燃氣場站的信息化管理水平。

1.2.2 燃氣管網

城鎮燃氣管網具有系統化、規模化的特點，管網建設規模和運維范圍持續擴張，智能管網建設利用“互聯網+”、大數據分析、通信、智能控制等技術，突破傳統運營模式，建設可控可視、全息全景的管網，能夠實現城市燃氣管網運行狀況的預警預判、管網健康狀態分析，在數據管理、平臺建設、泄漏預警、智能巡檢等方面應用。

近年來，全國范圍內綜合管廊的建設工程陸續推進，燃氣管道作為重要的市政管線之一，也納入綜合管廊進行統一建設管理。據不完全統計，全國地下綜合管廊建設里程約170km，入廊天然氣管道管徑已經達到DN500，但由于綜合管廊建設標準有待完善，建設、運維成本高等問題，天然氣管道管廊在國內的發展存在一定局限性。

1.2.3 儲氣調峰

受國內天然氣消費快速增長、城鎮燃氣用戶用氣規律不均勻、我國調峰儲氣設施不完善等因素影響，天然氣時段性、區域性供需矛盾突出。在儲氣調峰方面，我國主要是以地下儲氣庫和沿海LNG接收站儲罐為主，其他調峰方式為補充的綜合調峰體系。截至2024年采暖季前，全國儲氣能力達414億m³，占天然氣消費量的10.49%，較上年提高了0.1個百分點。

地下儲備庫主要是利用油氣田、含水多孔地層儲氣，不適合發達城市。LNG儲氣具有效率高、儲運靈活等優點，承擔著供氣、調峰和應急3重功能，是解決城市燃氣管網調峰和應急的有效手段，也是國內解決日調峰的最好方式。截至2023年，我國已投運LNG接收站約28座，總接卸能力達1.16億t/a，更多LNG接收站正在陸續規劃建設中。

1.2.4 調度管理

調度是城鎮燃氣企業生產運行的中心環節，管理范圍涵蓋從城市門站到用戶整個鏈條。調度中心作為調度管理的中樞部門，主要職能有輸配調度、氣源調度、應急調度以及搶險調度等，通過對管網運行狀況進行監控分析及調整，把握管網壓力負荷指標，保證整個燃氣輸配系統安全穩定運行，保障用戶用氣需求。目前，也燃氣調度技術也不斷與新一代信息技術結合，構建智慧化的燃氣調度系統，主要包括SCADA系統（數據采集與監視控制系統）、GIS系統（地理信息系統）等。

1.2.5 應急管理

2021年，黨中央出臺了危化品和燃氣安全兩個集中治理方案，隨后國家、省、市先后制定印發了城鎮燃氣安全專項整治等工作文件。造成燃氣管道事故的原因主要是第三方交叉工程施工導致的管線破裂以及管道老化引起的腐蝕穿孔。面對嚴峻復雜的燃氣安全形勢，我國部分大中城市的城鎮燃氣企業已初步建立燃氣應急監測預警和調度指揮系統，并將燃氣應急系統納入地方政府的公共安全應急平臺體系實現一體化聯動。

管道完整性管理是以保證城鎮燃氣管道安全運營為目標的管理體系，深圳燃氣集團在2009年率先開展燃氣管道完整性管理工作的研究，用于管理城鎮燃氣管道基礎數據、巡檢業務、泄漏管理、應急預案等。燃氣管道完整性管理系統主要將管道安全管理中的事后響應變事前檢測，從而預防管道安全事故發生，是燃氣企業安全生產管理提質增效的最終目標。

隨著科技手段的進步，越來越多的高科技設備應用在城鎮燃氣應急搶險中。依托5G、大數據以及云計算等技術開發的應急管理輔助決策系統，依托人工智能技術實現機器人搶修作業智能化，無人機遙測和紅外技術用于管道巡查等。

1.3 應用端技術情況

2023年我國天然氣表觀消費量3945億m³，同比增長7.6%，其中，天然氣在一次能源消費總量中占比8.5%，較上年提高0.1個百分點。從消費結構看，城鎮燃氣消費同比增長10%。占比33%，公服商業、交通物流加快恢復，LNG重卡銷量爆發式增長，居民生活、采暖用氣穩定增加；工業燃料用氣較快恢復，同比增長8%，占比42%，主要受工業生產提速，輕工、冶煉、機械等傳統產業持續向好，鋰電池、光伏板等新動能成長壯大等因素影響；發電用氣同比增長7%，占比17%，新增氣電裝機超過1000萬kW，總裝機規模達到1.3億kW，氣電頂峰保供能力顯著增強，在迎峰度夏、冬季保供中發揮重要作用。

1.3.1 居民和商業用氣

在居民和商業用氣領域，一方面是用氣設備的豐富，從常規的家用燃氣具，延伸為5大類：熱水用具類、炊事用具類、供暖供冷用具類、洗滌干燥用具類以及熱電聯產類。一方面是產品設備燃氣燃燒技術的進步，開發了旋流燃燒技術、全預混燃燒技術等；另一方面是燃氣安全技術也在不斷更新迭代，出現了燃氣管道電磁閥、熱電耦、離子熄火保護技術等。

1.3.2 工業用氣

在工業用氣領域，保障工業生產用氣的安全與不間斷供氣，控制工業用氣質量是基本要求和前置條件。因此工業用氣技術的重點方向在于一是采用不同規模的LNG瓶組配備氣化設備，結合燃氣儲氣罐的形式，保證燃氣供應安全；二是通過對天然氣進行摻混，統一燃氣氣質的技術；三是在應用終端采用節能降耗技術，實現燃氣的高效燃燒，通過低氮燃燒技術，降低NOx的排放。

1.3.3 車船用氣

天然氣作為車船用氣替代常規的汽柴油，主要的技術核心在于燃氣發動機的升級。目前，比較常用的為天然氣發動機、天然氣汽油兩用燃料發動機、天然氣柴油雙燃料發動機、液化天然氣發動機等。隨著氫能等非化石能源產業的發展，摻氫天然氣發動機、固體氧化物燃料電池（SOFC）等以天然氣為燃料的新型動力設備也在研發中。

（1）現階段，城鎮燃氣行業運營仍以人工為主，搶維修、巡查、巡檢、客服等環節需投入大量人力，企業運營成本居高不下。同時，隨著城鎮燃氣信息化、數字化轉型的深入，城燃企業積累了海量基礎運營數據，但由于缺乏有效的分析手段，這些數據并未得到合理的應用。

（2）城鎮燃氣基礎設施經過長期的使用運營，設備老化、檢維修難度大、設備管道基礎與歷史數據缺失等問題日益突出，燃氣安全事故進入了高發期。而現階段，行業內尚未建立起完善的、科學的安全管理體系。

（3）現階段天然氣利用技術仍以燃燒和發電為主，以天然氣為主的多能互補、綜合能源技術因為經濟性、效率等問題，商業推廣舉步維艱。同時，天然氣使用過程有一定的碳排放量，如何實現天然氣脫碳，構建以天然氣為核心的“近零碳”能源網絡，應對能源革命發展要求，是城燃行業亟需聚焦和思考的重大課題。      

面對“雙碳”目標給城鎮燃氣行業帶來的發展挑戰和生存挑戰，如何抓住兩大轉型機遇，實現城燃企業向智慧化的綜合能源運營商轉型，本論文提出了兩條轉型路線。

3.1 “智慧化”轉型路線

“智慧化”轉型路線是指利用新一代信息技術，結合燃氣行業特征，通過智能設備全面感知企業生產、環境、狀態等信息的全方位變化，對海量感知數據進行傳輸、存儲和處理，實現對數據的智能分析，以更加精細、動態的方式管理燃氣企業的生產、經營、服務和管理等環節，從而達到“智慧化”的狀態，實現智慧燃氣建設。其核心內容分為燃氣信息的采集、傳輸和處理3步，對應感知數據端、網絡傳輸層和應用管理層的建設。

3.1.1 感知數據端建設

數據是城鎮燃氣智慧化建設中的關鍵資產，包括輸配系統基本信息數據和運行數據，而感知數據端是數據產生和整理歸集的基礎載體。輸配系統基本信息數據包括各級管道系統地理位置、管道布局、管道基本信息等。運行數據是指利用民用燃氣表、工商業流量計、壓力檢測器、陰保監測器、攝像機等感知端設備采集到的實時數據。

要實現“智慧化”轉型，一方面要完善“門站-調壓站-輸配系統-用戶”全鏈條的管道系統GIS數據，對于未探明的管道，采用相控陣、雷達、電磁波探測等技術完善基本信息；對于新建的門站、綜合體、小區等，在建設初期應采用BIM設計明確燃氣管道數據；一方面要合理優化設置數據監測感知端，在盡可能降低投資成本的基礎上，確保管道系統實時運行數據的連續性和完整性；另一方面在感知端可嵌入數據存儲和處理模塊，對采集到數據進行分類存儲和初步處理，降低傳輸層和應用層的負荷，提高系統效率。

3.1.2 網絡傳輸層建設

網絡傳輸是城鎮燃氣智慧化建設的通訊基礎，不同場景對于網絡傳輸層的需求有所差異，如針對用戶用氣數據傳輸，可靠、低功耗、安全是核心訴求；針對安全管理數據傳輸，快速、穩定、安全、可視是核心訴求。

針對不同場景的特點，一方面應加強NB-IoT技術在用戶燃氣流量表、壓力檢測表、陰保數據監測器上的應用覆蓋范圍；一方面推進5G視頻傳輸技術在場站、第三方施工地等場景的應用；另一方面應加強工控網絡安全技術的研究與推廣，推進加密芯片在城鎮燃氣數據傳輸中的應用，加快RTU、PLC等網絡硬件設備的國產化進程。

3.1.3 應用管理層建設

應用管理是城鎮燃氣智慧化建設的核心目標，海量數據傳遞到應用端，需對其進行處理、轉化成簡明扼要的信息，便于決策者對城鎮燃氣系統信息有準確的認識，用于管理指導實際生產。針對應用管理場景的不同，智慧燃氣又分為了智慧調度、智慧安全、智慧運營、智慧服務等維度，如圖1所示。

圖1 智慧燃氣系統框圖

智慧調度是指利用大數據、云計算技術，一方面可實時根據城市當前氣源和區域用氣情況，建立城鎮燃氣多氣源調度方案計算模型，實現區域用氣的智慧化調度；另一方面也可根據用戶用氣行為預測模型和天然氣市場價格預測模型，對城市未來一段時間的用氣量和上游燃氣售價進行預測，便于制定科學的氣源調度和燃氣儲備方案。

智慧安全是指利用大數據、云計算及人工智能技術，對城鎮燃氣系統的接收站、調壓站、管網系統、用戶等環節的信息進行監測分析，并通過實時反饋，保障安全。主要內容包括3方面，一是針對燃氣場站、燃氣管網、儲氣調峰、用戶燃器具等環節建立全生命周期完整性數據的智慧化管理；二是針對燃氣場站、初期調峰庫和第三方施工等特殊場所，采用人工智能技術，對各類不安全行為進行識別，并進行分級響應；三是針對場站、管道輸配系統、用戶系統的實時運行工況數據進行智能分析，發現潛在危險點，定位事故點等，保障系統安全。

智慧運營是指以企業資源計劃系統（簡稱ERP）為核心管控手段，建成以企業經營管理為關注點，將人力資源、財務管理、物資管理、項目管理、設備管理等業務信息管理功能合理集成的一體化企業綜合運營管理平臺。通過ERP系統、工程移動管理系統、分析決策系統、預算系統、合并報表以及門戶OA等多個系統的數據交互集成，有效提升管理績效，降低生產成本，順暢共享部門間信息，打破數據孤島，合理配置與利用人財物資源，實現企業經營效率提高。

智慧服務是指利用互聯網、生物識別、語音識別、云計算、大數據等技術，為用戶提供更高的服務體驗，為企業降低人工成本。一方面開展移動作業系統、互聯網線上服務平臺、分析決策系統、客戶關系管理系統等建設，打造城鎮燃氣優質服務和質量管理標桿；另一方面，通過構建客戶數據庫，形成用戶畫像，后續可針對性地提供增值服務，將燃氣服務拓展至如燃氣利用效率分析、節能減排方案、燃氣保險、燃氣基礎設施銷售等智能管家服務。

3.2 “低碳化”轉型路線

“低碳化”轉型路線簡單來說即是以“開源節流”的思路，一方面指通過天然氣高效利用技術、碳捕集技術等，降低天然氣利用過程中的碳排放；另一方面發展新的低碳、零碳能源，以實現城鎮燃氣行業的“低碳化”轉型。其核心內容包括提高天然氣利用效率、發展碳捕集和生物天然氣技術以及發展分布式綜合能源產業三方面，打造基于城鎮燃氣的“近零碳”能源生態網絡，如圖2所示。

圖2基于城鎮燃氣的“近零碳”能源生態系統

3.2.1 發展天然氣高效利用技術

城鎮燃氣企業發展天然氣高效利用技術，將“天然氣”以更高效的技術加工為“能源”進行出售，不僅可降低天然氣單位能耗的碳排放量，還可拓展業務范圍至能源供應領域。主要內容包括一是充分利用天然氣物理狀態變化中儲存的能量，如天然氣壓力能、LNG冷能等，進行回收利用，將其轉化為能源；二是充分利用天然氣化學燃燒中釋放的能量，進行梯級多樣化綜合利用，將其轉化為冷、熱、電。

3.2.2 發展天然氣“脫碳”技術

城鎮燃氣企業發展天然氣“脫碳”技術，不僅可降低天然氣在替代高碳能源過程中的碳排放量，還可提高天然氣與非化石能源之間在碳排放方面的競爭力。主要內容包括一是發展碳捕集利用技術，將天然氣利用中排放的CO2進行捕集利用，打造碳循環經濟；二是發展生物天然氣技術，利用生態系統的固碳功能，實現全生命周期的碳中和。

3.2.3 發展分布式綜合能源產業

目前，我國已建成天然氣長輸管道約11萬km，儲氣能力逾234億m³，未來10年～15年還將大力推進天然氣基礎設施建設，而非化石能源利用的產業鏈尚不成熟，因此充分利用已有的能源基礎設施，構建未來能源系統是必然的選擇。城鎮燃氣企業可依托已有的燃氣輸配系統，融合非化石能源，發展具有城市特色的分布式綜合能源產業，由單一的燃氣銷售商向綜合能源運營商轉型。主要包括以下兩方面：

一是依托天然氣輸配和安全管理經驗，拓展燃氣的范疇，適當向氫氣領域拓展，一方面探索氫氣作為城市燃氣的可行性；另一方面利用現有的燃氣基礎設施發展氫能產業，如：利用燃氣管道進行管道摻氫、利用LNG產業鏈設施發展液氫產業、利用加氣站、場站等開展加氫站建設等。

二是依托用戶資源優勢，融合天然氣、光伏、風能、生物質能、氫能等非化石能源，結合儲能技術發展分布式的綜合能源。一方面通過多能互補，基于供能模式、商業模式和技術路線的創新，打造智能高效的綜合能源系統；另一方面依托用戶需求，通過分析用戶用能行為，為其定制化供能方案，提高在綜合能源領域的競爭性。

通過“智慧化”和“低碳化”兩條轉型路徑，一方面提高企業運營效率，提高安全性，通過“降本增效”的方式，降低碳排放；另一方面通過“開源節流”的思路，降低單位能耗碳排放量。在此基礎上，兩條路徑融合，打造智慧化的分布式綜合能源網絡，城鎮燃氣行業的業務范圍由銷售“燃氣”轉變為銷售“能源”，實現轉型升級發展，助力雙碳目標實現。

本論文簡要回顧了現有的城鎮燃氣技術體系，結合“雙碳”目標分析了未來發展面臨的基于合挑戰，并提出了轉型發展思路，得出以下結論：

（1）在氣源方面，城鎮燃氣的供氣格局向低碳化、多元化發展。在輸配技術方面，隨著新一代信息技術的深入應用，向智慧化、高效化轉型。在應用場景方面，隨著燃氣的普及，場景也逐漸豐富，整體向更加高效、便捷的趨勢發展。

（2）現階段，城鎮燃氣行業仍然面臨智慧化程度不夠，企業運營效率有待提高；安全問題日益突出，安全體系尚未完善；天然氣本身的脫碳問題和燃氣在未來能源體系中的定位不明確等問題。

（3）可通過“智慧化”手段，借助人工智能、大數據等新一代信息技術，提高企業運營效率，進一步保障安全，減少人力、物力投入所引起的碳排放。

（4）可通過“低碳化”手段，在近期提高天然氣在一次能源中的使用占比，通過天然氣綜合利用等方式提高利用效率，探索利用現有燃氣基礎設施發展新能源的技術路徑；在遠期將天然氣與光伏、風能、氫能、生物質能等深度融合，利用氫氣作為儲能介質助推風光電規模化發展，管道摻氫實現氫氣輸送，生物質能和碳捕集技術實現天然氣脫碳，打造多能互補的清潔能源綜合系統。

通過以上分析，一方面對城鎮燃氣行業的技術現狀進行了簡要回顧；另一方面基于痛點問題進行分析，指出發展思路，以期為未來城鎮燃氣行業發展提供一定參考。