| 天人地 | 2021-04-12 21:18 |
|
一群国家地理控，专注于探索极致世界  天然气 正在深刻地影响中国 在广州 在你看不见的地方 每年必须将4亿立方米天然气 送往258万户家庭 才能让人们正常沐浴取暖、烧水煮饭 在上海 在你看不见的地方 每年必须将69亿立方米天然气 送往13万家企业 才能让工厂正常运转、维持生产 （夜色中的广州，千家万户点亮灯火，图片来源@视觉中国） ▼  放眼全国 在你看不见的地方 每年必须将数千亿立方米天然气 通过长度超过8.7万千米的干线管道 送往全国各地、四面八方 才能让96%的城市、4亿中国人 维持正常的生产和生活 （请横屏观看，中缅油气管道通过悬索桥跨越怒江，全长380米，图片来源@国家管网集团官方微信） ▼  不过 这些天然气的源头 既不在广州 也不在上海 而是在中国西部 乃至中亚地区的 大漠戈壁 （新疆荒漠中的钻井，图片来源@视觉中国） ▼  在西伯利亚的 茫茫雪原 （俄罗斯雪原上的钻井，图片来源@视觉中国） ▼  甚至在相隔万里的 大洋彼岸 （海南洋浦港附近的LNG[液化天然气]船，摄影师@发菜发菜） ▼  它们翻山越岭、远渡重洋 穿越数百、数千乃至数万千米 最终进入中国的 一座座城市、一个个工厂 从西气东输 到川气东送 再到中亚、中缅、中俄等输气管道 共同组成了 中国的天然气运输网络 这是 一场规模宏大的资源调配 一场天然气的“乾坤大挪移” 可是 我们为何要建设 一张如此庞大的网络？ 又是如何做到的？ 01 清洁能源 时间回到1999年 尽管亚洲金融风暴刚刚平息 中国的GDP 仍在以近8%的速度 迅猛增长 为了支撑日新月异的经济发展 这一年 全国消耗煤炭多达13亿吨 同时还将1100万吨烟尘 1800万吨硫氧化物 1100万吨氮氧化物 排放到空气中 （烟囱林立的村镇，位于内蒙古锡林浩特，非1999年场景，此处作示意，摄影师@邱会宁） ▼  也正是这一年 弥漫在空气中的污染物 让全国超过60%的城市 均无法达到 国家空气质量二级标准 （当时参照《环境空气质量标准》（GB3095-1996），下图雾霾下的关中平原，非1999年场景，此处作示意，摄影师@李珩） ▼  全国近30%的土地 更是遭到严重的酸雨污染 排入空气的硫氧化物、氮氧化物 溶于雨水形成酸雨 腐蚀着地表上的一切 植被、建筑、土壤、水体 无一幸免 （pH值小于5.6的雨水、冻雨、雪、雹、露等大气降水均称为酸雨，最主要是由二氧化硫和氮氧化物在大气或水滴中转化为硫酸和硝酸所致。下图为1999年全国酸雨分布，制图@陈志浩/星球研究所） ▼  然而 这一切并非偶然 作为一个煤炭资源大国 煤炭在中国一次能源中的地位 几乎无可撼动 其占比至今仍高达近60% 而在清洁利用技术普及之前 长期粗放式的煤炭利用 又让脆弱的生态环境 逐渐不堪重负 （“一次能源”即直接来自自然界，未经加工转化的能源。下图为1980-2019年中国一次能源中煤炭消费占比，制图@杨宁/星球研究所） ▼  高速发展的中国 从未如此迫切地 渴望一场能源变革 为此 许多煤炭清洁利用的研究 纷纷被提上日程 人们也在马不停蹄地 寻求更加清洁的替代能源 天然气 便在此时进入了人们的视野 这种以甲烷为主的气体燃料 燃烧时主要生成 二氧化碳和水 几乎不排放硫氧化物和烟尘 （甲烷完全燃烧的化学方程式） ▼  且在产生相同热量时 其二氧化碳的排放量 仅有煤炭的56%、石油的71% （三大化石燃料的燃烧产物对比，数据由美国能源署经实验测得，磅和Btu均为非公制单位，其中1磅≈0.45千克，1Btu≈1055焦耳，制图@杨宁/星球研究所） ▼  既清洁又低碳 这让天然气 在化石能源中脱颖而出 被世界各国竞相开发利用 更在世界能源结构中 占据越发重要的地位 同样地 天然气在国内也迅速“走红” 历经近20年的发展 它们走进工厂、车站、家庭 进入工业、运输、生活等诸多领域 2020年 全国各地消费的天然气 达3259亿立方米 相当于58个太湖的水容量 （中国不同行业天然气消费占比变化，制图@杨宁/星球研究所） ▼  可是 如此大量的天然气 来自何方？ 02 气在何方 要回答这个问题 我们必须将目光 聚焦到地下深处 亿万年以来 在这颗蓝色星球上 形形色色的生物接连登场 它们生长、繁衍、死亡 一次次完成生命的轮回 而它们的遗骸 则随着经年累月的地层沉降 被沉积物层层掩埋 进而在高温、高压 以及微生物作用下 转变为各种化石能源 其中 以高等植物为主的生物遗骸 最终转变为煤炭 被固结、封存于地层之间 （云南开远小龙潭露天煤矿，浅色区域为煤层上覆岩层，摄影师@饶颖） ▼  以浮游生物为主的生物遗骸 则转变成石油和天然气 成为地球上 最主要的油气来源 （自然界中还有部分天然气属于无机成因气，即在没有生物参与的条件下，由不同元素经地壳运动、岩浆作用、变质作用等反应形成的天然气。下图为克拉玛依石油开采的场景，摄影师@咸鱼 ） ▼  但液态的石油、气态的天然气 有时并不“安分” 在“出生地”生成后 便会发生运移、聚集 最终这些油和气 既可能共占一处空间 也可能各自独立存在 成为人类大规模开采的 常规油气资源 不过有时候 它们也会“按兵不动” 直接赋存在“出生地” 但由于开采难度大、成本较高等原因 被人们视作 非常规油气资源 （常见油气资源种类及部分分布形式，本文讨论的均为常规天然气，制图@罗梓涵/星球研究所） ▼  21世纪初 在中国的广袤大地下 天然气的探明地质储量 达2万亿立方米 但其中71%却集中分布于 西部众多的沉积盆地中 （中国主要天然气资源分布概况，制图@陈志浩&杨宁/星球研究所） ▼  而反观东部地区 这里的天然气储量薄弱 却人口密集、经济发达 对能源的消费更为庞大 对清洁能源的需求也更为迫切 （21世纪初中国各地区能源消费量与GDP对比，制图@杨宁/星球研究所） ▼  于是 资源在西、需求在东 一个巨大的矛盾已然显现 而为了将供求双方连接起来 一场横跨中国的能源输送 势在必行 03 西气东输 输送的最佳方式 便是管道 因为相比于 铁路、公路、水运等 管道一旦建成 便可实现24小时不间断输送 既不受天气影响 又能够保证效率 可谓一举多得 （敷设管道，图片来源@国家管网集团西气东输公司） ▼  然而 敷设一条 长度突破4000千米的管道 绝非易事 更何况 这项必须兼顾 产气、送气、用气的系统工程 预计投资将超过1200亿元 相当于青藏铁路耗资的3.6倍 这意味着 我们必须拥有足够庞大的 资源储量 才可能实现 足够的规模效益 这也是为何 早在工程立项前10多年 无数地质工作者便跋山涉水 深入塔里木盆地的荒漠 数年如一日地勘测、钻探 直到22个气田相继被发现 且天然气累计探明储量达到 近5000亿立方米 才让这项工程 有了实施的可能 （地质工作者翻山越岭寻找矿藏，图片来源@视觉中国） ▼  于是 一座座井架在荒漠中竖起 一根根钻杆向地下进发 轰鸣的钻机 钻透气层上部的岩石 在地层压力或人工注水的挤压下 深藏地下的天然气 开始汩汩涌向地表 （天然气自喷式开采示意，制图@罗梓涵/星球研究所） ▼  到2005年时 随着多个气田的投产 塔里木盆地每年可产出天然气 120亿立方米 是全国总产量的24% 然而 当数以百亿计的天然气 重见天日 另一个难题又接踵而至 那就是 运输动力 从井口流出的天然气 若仅靠初始的动力 远不足以完成 数千千米的超远距离输送 为此 工程师们只能“化长为短” 将一条长管道分割为若干段 并在间隔处设置众多压气站 通过一次次增加压力 保证气体的持续流动 （河西走廊上的压气站，摄影师@刘忠文） ▼  实际方案中 管道的输气压力可达到10MPa 相当于大气压的100倍 这对管材的强度、韧性 无疑是巨大的考验 但在承受高压的同时 管道又必须尽可能扩大口径 以实现更高的输气效率 这也令其制造标准 变得越发苛刻 重重掣肘下 工程师们不得不 反复论证、多方比选 才终于完成了 管道材料的研制和自主生产 这种型号为X70的管线钢材 强度、韧性、焊接性能 均能满足工程需求 且管径可达1.016米 创当时全国油气管道的新纪录 （工程后期升级为X80钢材，管径达1.219米。下图为X80钢管，摄影师@余海） ▼  可是 总长超过4000千米的管道 意味着钢管的使用量 将超过30万节 其数量之多、规模之大 可谓前所未有 （堆积如山的钢管，摄影师@吴胜波） ▼  不仅如此 横跨中国的管道 要穿越山地、平原、水网 穿越沙漠、戈壁、黄土塬 这也意味着人们要面对的 将是错综复杂的 施工条件 （管道沿线地貌示意，制图@陈志浩/星球研究所） ▼  尤其在那些 远离城镇、无路可走的 山地、沙漠、水网等地形中 工程师们只能想方设法 硬生生造出一条条运输通道 （戈壁上的管道运输，图片来源@国家管网集团西气东输公司） ▼  经由这些通道 抵达目的地的钢管 又将完成组对、焊接、补口补伤 或是为适应地形变化 再次进行弯折 （①在较平坦的荒漠地区使用自动焊接技术焊接管道，图片来源@国家管网集团西气东输公司；②在复杂的江南水网地形中人工焊接管道，摄影师@余海） ▼   接着只要 开挖管沟、下放管道、回填管沟 就能完成管道的敷设 （下放管道，摄影师@余海） ▼  但实际上 真的如此顺利吗？ 如果只是 沙漠、高山、平原 那么在多数情况下 常规的敷设方法足以适用 （人机协作敷设管道，摄影师@赖宇宁） ▼  但管道要穿越的 还有黄河、长江、淮河等 超过1500条沟渠、河流 尤其在大江大河之下 挖沟埋管几乎不切实际 于是 人们不得不另辟蹊径 或利用钻机、炸药 在河底凿一条隧道 以供管道穿行 （工人们使用钻爆法开挖隧道，摄影师@鲁全国） ▼  或先利用较细的导向钻 完成河流穿越 再将较粗的扩孔器和管道 沿原线回拖 （定向钻施工示意，制图@罗梓涵/星球研究所） ▼  又或者利用液压千斤顶 将一段段混凝土管 直接顶入河床之下 再将输气管道敷设其中 （顶管施工示意，制图@罗梓涵/星球研究所） ▼  甚至使用盾构机 掘出一条 内径达3.8m的通道 令多条管线并行而过 （盾构机施工示意，制图@罗梓涵/星球研究所） ▼  更特殊的情况下 如为了避开断裂带 管道则直接放弃地下穿越 改为凌空架桥、跨越而过 （宁夏中卫的管道桥跨越黄河，图片来源@国家管网集团西气东输公司） ▼  当然 工程师们面对的 不只有重重天堑 为了尽可能降低 工程对周围环境的影响 管道施工还必须 保护遗址 （工程采用顶管施工共12次穿越古长城，下图为施工现场与古长城同框，摄影师@余海） ▼  避让保护区 （工程在穿越罗布泊野骆驼、太行山猕猴、安西极旱荒漠等多处保护区时，均采取了绕线避让的措施，其中在穿越罗布泊野骆驼国家级自然保护区时，将管道向北平移200千米。下图为工程接近保护区时，将原设计的28米宽作业带压缩至20米，摄影师@余海） ▼  并在穿越生态脆弱区后 进行边坡防护 甚至植树、种草 以恢复生态 （黄土高原上的边坡防护，其下有管道，图片来源@国家管网集团西气东输公司） ▼  最终 一条全长4380千米的天然气管道 一条横亘西东的能源大动脉 横空出世 此后的每一年 超过120亿立方米天然气 从远古地层中 源源不断地喷涌而出 沿着这条大动脉 自沙漠出发 （120亿立方米为2004-2006年输气能力，自2007年起，增输工程启动，输气能力被提升至170亿立方米/年。下图为沙漠中管道施工，图片来源@国家管网集团西气东输公司） ▼  翻过高山 （管道翻山，摄影师@余海） ▼  越过沟谷 （黄土高原上管道施工，摄影师@余海） ▼  穿过平原 （平原上管道施工，图片来源@国家管网集团西气东输公司） ▼  连接沿途气田 （黄土塬上的天然气田，位于鄂尔多斯盆地，摄影师@许兆超） ▼  最终进入千家万户 （分输站，天然气经此分配进入城市，图片来源@国家管网集团西气东输公司） ▼  这就是 西气东输一线工程 一项集找气、产气、输气、用气于一体的 超级工程 它西起新疆轮南油田 东至上海的白鹤镇 串联起沿线的甘肃、宁夏、陕西 山西、河南、安徽、江苏、浙江 共10个省区市 一经建成便成为 当时中国距离最长、管径最大 压力最高、施工条件最复杂 运输能力最强的输气管道工程 （西气东输一线工程走向示意，制图@陈志浩/星球研究所） ▼  然而 这项工程的规模固然庞大 但面对全国上下的用气需求 却依然杯水车薪 我们还需要更多的气源 需要更多、更长的管道 04 超级网络 1997年 距离西气东输一线工程开工 还有5年之久 一条连接鄂尔多斯盆地与北京的输气管道 便已投产运营 即陕京线 如今 它早已不是孤军奋战 而是从一线扩充到四线 为数百万家庭和企业 送去了清洁能源 （上世纪90年代，陕京一线建设中人力搬运管道，摄影师@余海） ▼  而在西气东输一线工程建成后 更有越来越多的输气管道 相继落成 包括 连接柴达木盆地与兰州的 涩宁兰线 （涩宁兰线即青海涩北地区-西宁-兰州，下图为涩宁兰线翻越甘肃老鸦峡，图片来源@国家管网集团官方微信） ▼  连接四川盆地与武汉、长三角的 忠武线、川气东送工程 （忠武线即重庆忠县-武汉，川气东送即四川达州-上海。下图为川气东送跨越野三河，桥长332米，摄影师@史垒） ▼  还有 将川渝管网、西气东输管道连为一体的 中贵线 （中贵线即中卫-贵阳，下图为中贵线跨越乌江，请横屏观看，图片来源@国家管网集团官方微信） ▼  至此 在中国大地上 管道串起气田 管道连通管道 将中西部丰富的天然气 昼夜不息地送往 人口、产业高度集中的地区 为国家的发展注入清洁的动力 （中国天然气主干管网示意，制图@陈志浩/星球研究所） ▼  与此同时 天然气的探明储量和产量 也与日俱增 尤其是非常规天然气的开采 开始日渐升温 以页岩气为例 尽管我国自2013年 才实现商业化开采 但2020年的产量已达200亿立方米 占到全国天然气总产量的10% （重庆涪陵的页岩气钻井，图片来源@视觉中国） ▼  而飞速发展的中国 仍在不断提出更大的能源需求 自2007年起 国内生产的天然气 开始出现缺口并持续扩大 （2000-2020年中国天然气产量与消费量变化，制图@杨宁/星球研究所） ▼  换言之 中国人生产的天然气 将无法满足自己的使用 人们不得不将目光投向国外 于是 在广袤的欧亚大陆上 一条条距离更长、规模更大的输气管道 接连诞生 包括 全长超过7000千米的 中国-中亚天然气管道 它在外串联起 土库曼斯坦、乌兹别克斯坦 和哈萨克斯坦三个国家 在内连接西气东输二线、三线工程 将从中亚而来的天然气 一路送往中国东部 年输气量达到 西气东输一线工程的近5倍 （上文西气东输一线工程输气量取120亿立方米/年，中国-中亚天然气管道目前已建成A、B、C三条线路，请横屏观看，制图@陈志浩/星球研究所） ▼  全长7600千米的 中缅天然气管道 它连通缅甸和中国 每年将孟加拉湾的120亿立方米天然气 避开海路、只经陆路直接送往 云南、贵州、广西等地区 相当于在西南地区 再建了一个西气东输一线工程 （请横屏观看，中缅油气管道通过悬索桥跨越澜沧江，跨度280米，旁边的拱桥为大瑞铁路澜沧江特大桥，岩壁上的洞口即为大柱山隧道，摄影师@赵子忠） ▼  以及全长8111千米的 中俄东线天然气管道 这是目前世界上最长 单管输气量最大的管道 它从东西伯利亚出发 经黑河入境后 便一路南下至长三角地区 待其全部投产后 年输气量可达到 西气东输一线工程的约3.2倍 （中俄东线天然气管道施工场景，目前黑龙江黑河至河北永清段已建成投产，图片来源@国家管网集团官方微信） ▼  然而 即便相继建成了 中亚、中缅、中俄跨国管道 经由管道进口的天然气 也仅占全国进口总量的38% 更大规模的天然气 将来自大洋彼岸 与管道输气不同 经净化、冷凝后的天然气 将被制成液化天然气（LNG） 利用专门的LNG船 从澳大利亚、马来西亚等国家运抵中国 再由LNG接收站接收、储存、气化 最终接入国内管网 （上海洋山LNG接收站，摄影师@卢志峰） ▼  自2006年 第一座LNG接收站 在广东建成至今 已有22座接收站点缀于海岸线上 每年接收的天然气 与北京7年的消费量相当 （中国LNG接收站分布，制图@陈志浩&杨宁/星球研究所） ▼  此外 我们还利用气田等天然空间 布设了庞大的地下仓库 人称地下储气库 每逢夏秋用气淡季 富余的管道天然气 被注入这些仓库暂存起来 以补充冬春旺季时的用气 以北京为例 其冬季40-50%的用气量 均来自储气库 （位于河南濮阳的文23地下储气库的地面景观，图片来源@国家管网集团西气东输公司） ▼  时至今日 中国的地下储气库达到27座 储气能力超过100亿立方米 可供应近3亿人一年的用气 （中国天然气地下储气库分布，制图@陈志浩&杨宁/星球研究所） ▼  就这样 这场以天然气为主角的 “乾坤大挪移” 早已不只是西气东输 而是4条分列东西南北的进口通道 8.7万千米交错纵横的干线管网 27座待时而动的地下储气库 是一个跨越国界、日臻完善的 超级网络 正是凭借这样一个网络 平均每年将有 超过2000亿立方米天然气 从不同地区、不同气田出发 跨越千山万水 送达千家万户 融入了近4亿中国人的生活 成为一个奔跑向前的大国中 不可或缺的动力之一 （中国天然气运输网络示意，制图@陈志浩/星球研究所） ▼  可这并不意味着 我们可以就此高枕无忧 毕竟随着进口量的与日俱增 中国天然气的对外依存度 已高达43% 供应中断、价格波动等未知因素 仍是潜在的风险和挑战 然而 在能源结构变革 这条艰难且漫长的道路上 我们无法点石成金 更无法指望他人 只有发展自身的科学技术 才是我们唯一的出路 毕竟数十年来 正是因为科技的发展 我们不断发现新的矿藏 尤其是近十年间 21个千亿立方米级的大气田 被接连发现 让中国能源的家底更加丰厚 （荒漠深处的天然气田，摄影师@余海） ▼  正是因为科技的发展 从国内到国外 我们的管网开始互联互通 从管道到LNG 我们的气源开始互相补充 “全国一张网”正逐渐形成 （管道互联互通工程施工场景，图片来源@国家管网西气东输公司） ▼  也正是因为科技的发展 我们得以同时开发 水能、风能、核能、太阳能等 更多样的清洁能源 它们与天然气一起 将煤炭的消费占比 从2002年的68% 降低至2019年的57% （2002-2019年中国能源结构变化，制图@杨宁/星球研究所） ▼  而未来 可能依然荆棘密布 但我们仍将坚持这条道路 直到亲眼见证那个 清澈的、可持续的明天 （莽莽群山中，地质工作者们显得如此渺小，但道阻且长，行则将至，摄影师@余海） ▼  本文创作团队 撰文：艾蓝星 编辑：桢公子 图片：昼眠 地图：陈志浩 |
|