天然氣輸配氣系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化分析與研究

錢(qián)穎　郭帥

【摘要】隨著人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然資源匱乏之間的矛盾日益激烈，我國(guó)現(xiàn)有的石油開(kāi)采量已經(jīng)難以支撐國(guó)家的快速發(fā)展。目前，我國(guó)已經(jīng)探明的天然氣儲(chǔ)量超過(guò)200萬(wàn)億立方米，與傳統(tǒng)的石油資源相比，天然氣資源具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，比如開(kāi)采成本低、清潔、高效等。近年來(lái)，天然氣資源在西方發(fā)達(dá)國(guó)家能源利用中的比重逐漸增加，部分國(guó)家甚至提出了以天然氣代替石油產(chǎn)品的計(jì)劃，天然氣比例的增高可以有效緩解石油消耗的壓力。天然氣輸配氣系統(tǒng)是天然氣最基本的運(yùn)行設(shè)施，隨著市場(chǎng)對(duì)天然氣的消耗量逐漸加大，現(xiàn)有的天然氣輸配氣系統(tǒng)已經(jīng)難以滿(mǎn)足使用需求。本文將深入研究我國(guó)天然氣輸配氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并提出可行的優(yōu)化方案，為我國(guó)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提供參考。

【關(guān)鍵詞】天然氣；輸配氣系統(tǒng)；優(yōu)化；模型；改進(jìn)

近年來(lái)，我國(guó)天然氣資源的開(kāi)采量逐年增加，同時(shí)國(guó)家加快了國(guó)外天然氣資源的引進(jìn)，但現(xiàn)有天然氣輸配氣系統(tǒng)的缺陷逐漸顯露，現(xiàn)有天然氣輸配氣系統(tǒng)的缺陷主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是現(xiàn)有輸送系統(tǒng)老化問(wèn)題，我國(guó)天然氣管道系統(tǒng)的使用年限較長(zhǎng)，且管道的工作環(huán)境比較惡劣，受氣候、傳輸介質(zhì)等多方面影響，如果管理部門(mén)不能及時(shí)改善這些問(wèn)題，可能導(dǎo)致管道泄露，甚至引發(fā)爆炸事故；二是隨著市場(chǎng)對(duì)天然氣的需求量增長(zhǎng)，很多管道的輸氣量已經(jīng)超出原有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，管道負(fù)載能力難以到達(dá)正常使用標(biāo)準(zhǔn)，甚至影響用戶(hù)的正常使用。以上兩點(diǎn)是我國(guó)現(xiàn)有天然氣輸配氣系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題，天然氣輸配氣系統(tǒng)受多方面因素的影響，包括材料耐久性、地理環(huán)境、氣候環(huán)境等，以溫度為例，如果管道內(nèi)的空氣溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致天然氣中的水汽凝結(jié)。

1、項(xiàng)目背景介紹

本文以我國(guó)某地實(shí)際項(xiàng)目為研究對(duì)象，項(xiàng)目的基礎(chǔ)設(shè)施包括中心控制站、各級(jí)戰(zhàn)場(chǎng)、閥室以及各級(jí)管道等，該天然氣已經(jīng)探明的儲(chǔ)氣量超過(guò)996×108m3，該天然氣田的實(shí)際包括了兩座海上采氣平臺(tái)，海底管道管徑為?529mm，海底管線(xiàn)的總長(zhǎng)度超過(guò)100km，該天然氣開(kāi)采一期項(xiàng)目的采氣量為16×108m3/a，其中50%用于某化肥廠(chǎng)專(zhuān)用，其余均用于沿線(xiàn)城市工業(yè)與民用，二期項(xiàng)目開(kāi)采總量24×108m3/a。本項(xiàng)目研究的天然氣輸配氣系統(tǒng)的管道主干線(xiàn)超過(guò)238km，各級(jí)用戶(hù)支線(xiàn)超過(guò)33km。本天然氣輸配氣系統(tǒng)包括了5個(gè)工藝戰(zhàn)場(chǎng)、13座截?cái)嚅y室以及1座控制中心，項(xiàng)目中的主干管路管徑為?508mm，管道材質(zhì)主要為X60，支線(xiàn)管道材質(zhì)包括ERW、UOE等，主干線(xiàn)設(shè)計(jì)的壓力位5.9MPa，各支線(xiàn)設(shè)計(jì)的壓力不超過(guò)3.0MPa。天然氣輸配氣系統(tǒng)的中心控制室以SCADA系統(tǒng)為主，且各個(gè)截?cái)嗍曳謩e設(shè)置一套R(shí)TU信息采集系統(tǒng)。

2、水力數(shù)學(xué)模型分析

通過(guò)對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以得到各條管線(xiàn)的用途、敷設(shè)方式等基本信息，其中，按照主要用途區(qū)別可以將天然氣輸配氣系統(tǒng)的管路分為長(zhǎng)距離輸氣管道、民用支線(xiàn)輸氣管道以及工業(yè)支線(xiàn)輸氣管道，通過(guò)對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行模擬可以得到本項(xiàng)目天然氣輸配氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，圖1是本項(xiàng)目天然氣輸配氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。模型中qi表示各個(gè)進(jìn)氣支線(xiàn)的分氣量，pi表示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力，Li表示各個(gè)進(jìn)分氣點(diǎn)之間的距離，Di表示各條管道的管徑，Qxi表示各段管路的流量。其中水力摩阻系數(shù)為

任意一段的輸氣管流量公式如下：，同時(shí)以BWRS模型對(duì)天然氣輸配氣系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬，模擬的參數(shù)包括天然氣密度、天然氣相對(duì)密度、天然氣壓縮因子、天然氣黏度等。

3、水相聚集工況分析

天然氣中的成分十分復(fù)雜，天然氣中水蒸汽含量較高，天然氣與水蒸汽的混合物被稱(chēng)為濕天然氣，在一定條件下，天然氣中的水蒸汽飽和度會(huì)隨溫度降低，當(dāng)溫度降低到水蒸汽飽和度時(shí)，天然氣中就會(huì)有水滴析出，恰好使水蒸汽析出的溫度稱(chēng)為露點(diǎn)。露點(diǎn)產(chǎn)生的液態(tài)水會(huì)對(duì)天然氣輸配氣系統(tǒng)管道造成較大的損傷，甚至造成管道的化學(xué)腐蝕，如果液體水在較低溫度下凝結(jié)，可能導(dǎo)致天然氣輸配氣系統(tǒng)設(shè)備堵塞，直接影響設(shè)備系統(tǒng)的正常使用，同時(shí)對(duì)精密測(cè)量?jī)x器造成不可修復(fù)的損傷。目前，關(guān)于水蒸汽氣壓公式的計(jì)算方式已經(jīng)很多，包括Goff-Grattch飽和水汽壓公式、克拉柏龍-克勞修斯方程、Wexler-Greenspan水汽壓公式和飽和水汽壓的簡(jiǎn)化公式等，可以綜合以上模型得到露點(diǎn)公式：

4、項(xiàng)目?jī)?chǔ)氣與供氣能力分析

上面已經(jīng)對(duì)天然氣輸配氣系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，且對(duì)造成露點(diǎn)的因素進(jìn)行量化評(píng)估，由數(shù)學(xué)模型可以得知，天然氣輸配氣系統(tǒng)管道分氣行為可能導(dǎo)致局部露點(diǎn)，加速管道設(shè)備的老化速度，如果天然氣輸配氣系統(tǒng)出現(xiàn)泄露、失靈等故障，則需要立即采取應(yīng)急措施，比如設(shè)備固定檢修等，當(dāng)上游天然氣輸配氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，下游設(shè)備繼續(xù)使用，管路中的儲(chǔ)氣能力與用戶(hù)的可用時(shí)間具有直接聯(lián)系，因此在進(jìn)行天然氣輸配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行設(shè)備儲(chǔ)氣與供氣能力設(shè)計(jì)。

4.1儲(chǔ)氣時(shí)間數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)各個(gè)參數(shù)的量化分析，可以得到管道的流量數(shù)學(xué)模型：其中上一節(jié)點(diǎn)的壓力位P1，，下一節(jié)點(diǎn)的壓力位P2，因此可以得出數(shù)學(xué)模型：，本項(xiàng)目的首站供氣壓力為4.5MPa，首站的流量為15.09m3/s，經(jīng)過(guò)以上數(shù)學(xué)模型可以得知，如果上線(xiàn)首站附近出現(xiàn)設(shè)備障礙，則天然氣輸配氣系統(tǒng)管道中的儲(chǔ)氣量可以供應(yīng)下游用戶(hù)使用5.99h。

4.2供氣時(shí)間影響分析。由上面的天然氣輸配氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以得到各段支線(xiàn)的管路壓力，分別為5MPa、4.75MPa、4.5MPa、4MPa、3.75MPa、3.5MPa，每個(gè)供氣站之間的壓力差為0.25MPa，因此，兩個(gè)供應(yīng)站之間具備不同的緩沖供氣能力，首站供氣壓力越高，對(duì)下游供氣時(shí)間越短。簡(jiǎn)單的說(shuō)，首站高壓輸氣有利于下游用戶(hù)使用，且可以為管路維修提供時(shí)間。在實(shí)際項(xiàng)目中，天然氣輸配氣系統(tǒng)的輸氣與儲(chǔ)氣能力受多方面因素影響，包括氣候環(huán)境、氣溫等，而且天然氣輸配氣系統(tǒng)管理的耐壓能力也直接影響則系統(tǒng)的儲(chǔ)氣能力，如果管路的耐壓能力較差，管路長(zhǎng)期處于高壓情況下，會(huì)導(dǎo)致管路老化加速，甚至導(dǎo)致管路泄露。

5、天然氣輸配氣系統(tǒng)改造。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的天然氣輸配氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析可以看出，如果天然氣輸配氣系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，天然氣輸配氣系統(tǒng)管道內(nèi)壁的腐蝕會(huì)增加管壁沿程阻力，致使管道的承壓能力下降，除此之外，由于近年來(lái)天然氣用戶(hù)增加，導(dǎo)致氣源動(dòng)力與輸送能力的要求更高，現(xiàn)有的天然氣輸配氣系統(tǒng)已經(jīng)難以滿(mǎn)足設(shè)備的使用需求，因此，需要對(duì)現(xiàn)有的天然氣輸配氣系統(tǒng)進(jìn)行改造。根據(jù)以上數(shù)學(xué)分析可以看出，天然氣輸配氣系統(tǒng)的改造主要分為三種方案：一是在天然氣輸配氣系統(tǒng)的管道網(wǎng)絡(luò)中增加壓力站；二是在天然氣輸配氣系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間增加副管；三是改進(jìn)現(xiàn)有管道的管徑。本次設(shè)計(jì)的項(xiàng)目總體長(zhǎng)度較短，如果增設(shè)壓力站，就會(huì)極大地增加設(shè)備成本與維護(hù)壓力，根據(jù)實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益可以忽略該種改進(jìn)方案。

5.1增設(shè)副管方案。天然氣輸配氣系統(tǒng)增設(shè)副管的方案比較符合實(shí)際要求，增設(shè)副管的方案如下：（1）已知各段管道的氣源壓力，利用管流數(shù)學(xué)模型計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力；（2）判斷各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力與節(jié)點(diǎn)管路最低工作壓力之間的關(guān)系，如果節(jié)點(diǎn)管路的壓力低于最低工作壓力，則需要增設(shè)副管；（3）如果在某兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間增設(shè)副管，則需要根據(jù)用戶(hù)要求計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的輸出壓力。天然氣輸配氣系統(tǒng)的副管計(jì)算模型實(shí)質(zhì)上屬于典型的水力計(jì)算模型，由水力計(jì)算模型可以得到副管的流量、副管長(zhǎng)度以及副管管徑等。

5.2變徑調(diào)整方案。如果天然氣輸配氣系統(tǒng)的工況不變，且不增加氣源動(dòng)力，還可以通過(guò)改變管徑的方式提高管道輸送能力，改變管徑方案與增設(shè)副管方案具有一定相似性，通過(guò)可行性分析可以得知，改變管徑的施工方案更加簡(jiǎn)單。改變管徑方案的具體步驟如下：（1）在氣源壓力已知的情況下，利用管流模型計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力；（2）判斷各個(gè)節(jié)點(diǎn)管路壓力與用戶(hù)最低使用壓力之間的關(guān)系，如果管路壓力低于最低使用壓力，則需要改變?cè)摱喂苈返墓軓?；?）假設(shè)改變?cè)摱喂苈分g的管徑，判斷輸出壓力是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，由天然氣輸配氣系統(tǒng)的管流模型可以計(jì)算需要改變的管徑。

6、總結(jié)

本次研究的主要目標(biāo)是通過(guò)對(duì)影響天然氣輸配氣系統(tǒng)的因素進(jìn)行量化評(píng)估，并建立詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，將多種影響因素納入研究模型，從而優(yōu)化現(xiàn)有的天然氣輸配氣系統(tǒng)。本文以實(shí)際項(xiàng)目為基礎(chǔ)建立天然氣輸配氣系統(tǒng)模型，充分掌控天然氣管線(xiàn)的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行水力模擬，通過(guò)對(duì)不同輸氣量的定量分析，最大限度提升天然氣輸配氣系統(tǒng)的儲(chǔ)配氣能力，最后在理論研究的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有的天然氣輸配氣系統(tǒng)管道進(jìn)行改造。本文的數(shù)學(xué)模型并未將天然氣輸配氣系統(tǒng)管道沿線(xiàn)的極端天氣納入設(shè)計(jì)范圍，主要研究了主干線(xiàn)的用氣量，同時(shí)對(duì)傳輸介質(zhì)腐蝕因素納入考慮范圍。改造后的天然氣輸配氣系統(tǒng)可以最大限度提高天然氣運(yùn)載效率，希望本文的研究有利于我國(guó)天然氣輸配氣系統(tǒng)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王希勇.天然氣長(zhǎng)輸管道運(yùn)行優(yōu)化及壓氣站負(fù)荷調(diào)度研究[D].西南石油學(xué)院，2004.

[2]楊毅.天然氣管道運(yùn)行優(yōu)化模型及其尋優(yōu)方法研究[D].西南石油大學(xué)，2006.

[3]金光.天然氣輸氣管線(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行研究[D].華南理工大學(xué)，2012.

[4]周秋慧.天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制優(yōu)化分析[D].北京交通大學(xué)，2014.