天然氣長輸管道的節(jié)能措施分析

張旭東（中國石油北京天然氣管道有限公司）

為應(yīng)對日益增長的天然氣需求，我國正積極打造天然氣輸送管網(wǎng)，根據(jù)規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2015年，我國天然氣管道規(guī)劃總長將接近10萬公里。油氣管道在把能源輸送給用戶的同時，自身也要消耗能源。隨著我國油氣管道建設(shè)的快速發(fā)展，油氣管道運(yùn)輸量大幅增長，管道自耗能也相應(yīng)有較大增長。搞好管道運(yùn)輸?shù)墓?jié)能降耗也就顯得越來越迫切[1]。

1 天然氣長輸管道的節(jié)能潛力

天然氣長輸管道節(jié)能是一個系統(tǒng)工程，要從源頭開始考慮。從管道設(shè)計(jì)開始，包含管道優(yōu)化運(yùn)行、壓縮機(jī)等重點(diǎn)耗能設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)以及充分利用余熱余壓和新能源。對于運(yùn)行中的長輸管道，節(jié)能的關(guān)鍵是提高管道運(yùn)行的能源利用效率，減少燃料動力消耗。

2 節(jié)能技措分析

2.1 設(shè)計(jì)節(jié)能

2.1.1 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在目前管道大發(fā)展階段及以后的管道建設(shè)和運(yùn)行中，很難有單一輸氣管道獨(dú)立運(yùn)行，基本形成區(qū)域管網(wǎng)系統(tǒng)。在新管線設(shè)計(jì)時，必須既滿足新老管線系統(tǒng)安全可靠供氣，又能達(dá)到新建系統(tǒng)投資最省，運(yùn)營費(fèi)用最低的效果[2]。

要實(shí)現(xiàn)上述功能，使系統(tǒng)構(gòu)成最優(yōu)化，必須將新老系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成一個完整的可以實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)配的管網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)行工況模擬計(jì)算、分析，對管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成方案進(jìn)行優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)在充分利用已建設(shè)施的基礎(chǔ)上，新建系統(tǒng)投資省、安全、環(huán)保和節(jié)能的目的[3]。

2.1.2 管道內(nèi)涂層設(shè)計(jì)節(jié)能分析

天然氣在輸送過程中，要克服管道摩阻。影響摩阻的主要因素是管內(nèi)壁粗糙度。在輸送量和出口壓力一定時，內(nèi)壁粗糙度越大，輸送壓降越大。

管道內(nèi)涂層技術(shù)在可以有效防止管道內(nèi)腐蝕發(fā)生的同時，也是提高輸量的有效手段，尤其是對長輸輸氣管道更顯著。實(shí)際檢測表明，內(nèi)涂層能夠使管道的輸氣量提高4%～8%[4]。輸氣管道采用內(nèi)涂層，可以使管道內(nèi)表面光滑、降低粗糙度、減小水力摩阻系數(shù)，從而達(dá)到提高管道輸氣量；在相同輸氣量條件下，可以降低壓縮機(jī)需用功率，既能減少機(jī)組建設(shè)的投資費(fèi)用，又能減少投運(yùn)后壓縮機(jī)的能耗費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。

如果從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，是否采取內(nèi)涂層需要將管道全生命周期發(fā)生的費(fèi)用合并計(jì)算。如果從節(jié)能減排方面考慮，采用內(nèi)涂層后將擴(kuò)大壓氣站的間距，減少壓氣站的數(shù)量和總裝機(jī)功率，從而降低燃料動力消耗。

2.1.3 合理選擇壓縮機(jī)組類型

壓縮機(jī)組是壓氣站乃至長輸管道的心臟。壓縮機(jī)組的原動機(jī)比較常用的是電動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。因電動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)在機(jī)組效率和燃料排放折標(biāo)煤系數(shù)上差別很大。因此，在充分考慮壓氣站當(dāng)?shù)啬茉垂?yīng)的情況下，如何選擇原動機(jī)的類型達(dá)到節(jié)能減排的目的需要在設(shè)計(jì)時重點(diǎn)研究。如高壓大功率變頻器在陜京二線榆林壓氣站的應(yīng)用，不僅能更好地滿足輸氣工藝變工況的要求，而且還能節(jié)省約10.45%的用電量，節(jié)能效果明顯[5]。

2.2 管道運(yùn)行節(jié)能

2.2.1 管道運(yùn)行優(yōu)化

天然氣管道的優(yōu)化運(yùn)行就是在管道系統(tǒng)物理參數(shù)已經(jīng)確定的條件下，根據(jù)氣源的供氣情況和各用戶的用氣情況，對管道系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，既能滿足安全平穩(wěn)輸氣和供氣，也能使管道總的燃料動力費(fèi)用最低。由于優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是以管道總能耗或者總功率最低，所以對于長輸管道來說，管道的優(yōu)化運(yùn)行是管道企業(yè)最大的節(jié)能技措。

管道優(yōu)化運(yùn)行的影響因素較多。目前國內(nèi)常用離線模擬軟件TGNET、SPS進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行分析。通過SCADA系統(tǒng)將實(shí)際能耗數(shù)據(jù)在線采集上來，與方案進(jìn)行對比分析，及時調(diào)整運(yùn)行方案。

2.2.2 提高壓縮機(jī)的運(yùn)行效率

壓氣站的運(yùn)行費(fèi)用占管道總運(yùn)營費(fèi)用的50%左右，壓縮機(jī)及其配套的原動機(jī)的能耗占壓氣站運(yùn)營費(fèi)用的70%以上，占長輸管道能耗費(fèi)用的96%左右。因此，提高壓縮機(jī)組的效率將是降低輸氣能耗的重要措施。各類型機(jī)組在滿負(fù)荷時，電驅(qū)機(jī)組的效率為70%～85%，燃驅(qū)機(jī)組的效率為25%～40%。雖然機(jī)組的效率均在正常范圍內(nèi)，但是效率相對低的壓縮機(jī)組就有節(jié)能的空間。壓縮機(jī)組在非滿負(fù)荷的情況下，通過提高入口壓力和調(diào)整壓縮機(jī)余隙達(dá)到提高運(yùn)行效率降低能耗的目的。

2.2.3 減少天然氣放空

天然氣長輸管道在運(yùn)行過程中，由于各種原因需要進(jìn)行天然氣放空，如壓縮機(jī)的啟停放空、管線施工放空、站場設(shè)備的維檢修放空以及緊急情況的應(yīng)急放空等。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，通過合理安排管道施工作業(yè)方案和優(yōu)化壓縮機(jī)的啟停，減少放空的次數(shù)并盡可能降低放空壓力，使放空量減少。

2.3 利用余熱余壓節(jié)能

2.3.1 壓縮機(jī)余熱節(jié)能技措

余熱發(fā)電是利用生產(chǎn)過程中多余的熱能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。根據(jù)調(diào)查，各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。余熱發(fā)電不僅節(jié)能，還有利于環(huán)境保護(hù)。

目前輸氣管道壓氣站驅(qū)動方式有燃驅(qū)和電驅(qū)，燃驅(qū)站使用的燃機(jī)排煙溫度接近500℃，燃機(jī)標(biāo)態(tài)工況排煙量為93.7 kg/s，屬于比較優(yōu)良的余熱資源，正常情況下直接排放到大氣中。通過余熱發(fā)電技術(shù)，將高溫的排煙廢氣作為熱源，通過余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽進(jìn)入蒸汽輪發(fā)電機(jī)組用于發(fā)電。以某一壓氣站3臺30MW燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)組為例，按壓縮機(jī)組采用2用1備方式年運(yùn)行各8 000 h計(jì)算，年發(fā)電量約1×108kWh，投資回收期不超過5年。

2.3.2 分輸站場壓差發(fā)電

目前，我國長輸天然氣大多采用高壓管輸方式，輸送的高壓天然氣經(jīng)分輸站調(diào)壓降至中壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入城市管網(wǎng)。天然氣在調(diào)壓過程中將損失大量的壓力能，如果能采取適當(dāng)?shù)拇胧┗厥绽脡毫δ?，將提高能源的利用率，減少資源浪費(fèi)，對提高天然氣管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重大意義[6]。

天然氣壓差發(fā)電就是利用高壓氣體在降壓時產(chǎn)生的能量發(fā)電，亦稱“氣體直接膨脹方式”，主要設(shè)備是天然氣透平膨脹發(fā)電機(jī)組。以某一天然氣分輸站調(diào)壓壓降為2.5MPa，年輸量在5×108m3，供氣時間8 000 h計(jì)算，年發(fā)電量約為987×104kWh。如果所發(fā)電量能夠上網(wǎng)，投資回收期在3年以內(nèi)，是非常好的節(jié)能項(xiàng)目。

2.4 新能源利用

目前可以在長輸管道站場應(yīng)用的新能源有太陽能和地?zé)崮?。利用太陽能發(fā)電可以替代天然氣管道閥室中的TEG發(fā)電設(shè)備，可以減少TEG所帶來的維護(hù)量、高維護(hù)成本和部分安全隱患，該節(jié)能技術(shù)尤其適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)不易引入外電的閥室。

3 結(jié)論

在天然氣長輸管道的設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程中，根據(jù)不同管道的具體特點(diǎn)，積極有效的開展各項(xiàng)節(jié)能措施，將會明顯地提高長輸管道輸氣效率和降低管道能耗，同時也能降低管道運(yùn)輸成本。

[1]劉冰.油氣管道能效管理[M].北京:地質(zhì)出版社,2011.

[2]任啟瑞.輸氣工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].天然氣與石油,2007,25(6):1-7.

[3]GB 50251—2003輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2003.

[4]權(quán)忠輿.研究與應(yīng)用輸氣管道內(nèi)壁涂層技術(shù)是明智之舉[J].油氣儲運(yùn),2000,19(9):1-5.

[5]王柱華.榆林壓氣站高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)[J].天然氣與石油,2007,25(6):36-38.

[6]陳紹凱.高壓天然氣管道壓力能的回收與利用技術(shù)[J].油氣儲運(yùn),2009,28(2):51-54.