天然氣管道壓縮機驅(qū)動方式的優(yōu)化設(shè)計

康惠珊

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

持續(xù)快速增長的能源需求推動了管道的大規(guī)模建設(shè)和投運。據(jù)測算，站場建設(shè)投資一般占管道總投資的20%～30%，其中管道壓縮機組的投資通常占站場投資的60%以上。同時，壓縮機組能耗約占天然氣長輸管道運行總能耗的90%以上，若將管道全線壓縮機組消耗的天然氣及電能均折合為天然氣，其能耗一般占管道總輸量的8%～10%?？梢姡瑝嚎s機站場的設(shè)置及壓縮機組節(jié)能降耗是必須重視的問題。合理的選擇壓縮機組的驅(qū)動方式能夠整體優(yōu)化設(shè)計方案，利于管道長期穩(wěn)定可靠運行及節(jié)能降耗。

1 機組驅(qū)動方式判定條件及方法

天然氣長輸管道用大功率離心式壓縮機主要采用燃氣輪機驅(qū)動和變頻電動機驅(qū)動兩種方式。無論采用電機驅(qū)動還是燃氣輪機驅(qū)動，在技術(shù)上均需滿足天然氣輸送工藝的要求。

（1）電動機驅(qū)動方案與外部供電條件密切相關(guān)，電機驅(qū)動消耗的能源需從外電網(wǎng)中取得，對電網(wǎng)的依賴性較大；燃氣驅(qū)動設(shè)備消耗的能源為管輸天然氣，對外界的依賴性較小，但耗氣量較大。

（2）燃氣驅(qū)動設(shè)備大修周期為5年，維護和維修費用高。電機大修周期為11年，維修時間短，維護和維修費用較低。但由于用電量較大，會受供電部門制約，外電線路需委托給供電部門維護。

（3）從運行可靠方面，電機機組的平均無故障時間MTBF（運行時間/停機次數(shù)總和）比燃氣機組平均無故障時間MTBF 多。

不同的驅(qū)動方式，有著其各自的優(yōu)缺點，對于外界條件均滿足要求的站場，需要通過綜合技術(shù)經(jīng)濟比選來確定壓縮機驅(qū)動方案。

2 管道實際運行帶來的啟示

壓氣站一旦投用，運行商更關(guān)注整個管道運行周期中的運行費用。根據(jù)目前已建電驅(qū)壓氣站場所反饋的信息，存在以下問題導致運行成本支出增高。

2.1 用戶繳納電費結(jié)構(gòu)不合理

電驅(qū)站場電費由電度電費、基本電費和力調(diào)電費構(gòu)成。其中，電度電費是用戶用電度電量與銷售電價的乘積。基本電費分為兩種方式，一種方式是按照變壓器容量計費，即變壓器容量與基本電價乘積；另一種方式是按用戶實際用電負荷的需量計費，即用戶用電負荷所需容量與基本電價乘積。力調(diào)電費是用電用戶功率因數(shù)小于0.9 而征收的罰款。

根據(jù)某管道公司近3年電驅(qū)機組運行數(shù)據(jù)，各電驅(qū)站出現(xiàn)了基本電費占電費總額比例高、力調(diào)電費金額高的現(xiàn)象。以某輸氣管線兩座壓氣站場為例，各站電費支出比例情況見圖1、圖2。

地方電網(wǎng)供電能力閑置是影響各電驅(qū)站場電費支出比例的原因，這與機組利用率有直接的關(guān)系。機組利用率越低，基本電費占比越大，力調(diào)電費金額越高。

圖1 某站電費支出比例

圖2 某站電費支出比例

2.2 外界能源價格波動

隨著外部大環(huán)境的變化，國家發(fā)改委在不同時期調(diào)整其相關(guān)政策。如2013年國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于調(diào)整銷售電價分類結(jié)構(gòu)有關(guān)問題的通知》，壓氣站場屬于大工業(yè)用戶，申請大工業(yè)電價。2015年國家發(fā)改委發(fā)布關(guān)于下調(diào)非居民天然氣最高門站氣價的通知，燃料氣價格降幅較大。

管道持續(xù)低輸量運行，機器閑置可能持續(xù)存在，電費結(jié)構(gòu)不合理的問題成為常態(tài)。由于能源價格的調(diào)整，電驅(qū)和燃驅(qū)的能耗在設(shè)計階段與實際運行階段存在差異。機組運行時間不足和能源價格調(diào)整等多變的外部環(huán)境導致實際運行情況與設(shè)計階段比選方案存在偏離，所選取的電驅(qū)未達到管道理想運行收益。因此，驅(qū)動方式方案判定的條件及方法需要重新審視，有必要通過定量分析來對壓氣站驅(qū)動方式進行最優(yōu)方案比選。

3 驅(qū)動方案設(shè)計優(yōu)化

3.1 考慮管道在實際運行中管輸量及運行天數(shù)對驅(qū)動比選方案的影響。

常規(guī)的驅(qū)動方案比選往往只考慮壓縮機組在設(shè)計工況下的能耗對比，而忽略掉了機組實際運行并非完全按照設(shè)計工況。下游用戶市場量會隨著季節(jié)的變化而波動，最終出現(xiàn)夏季用氣量少，而冬季用氣量大。低輸量的運行會導致部分電驅(qū)機組出現(xiàn)停運。因此，擬定的比選方案工況以及機組運行天數(shù)都應(yīng)作為影響能耗的關(guān)鍵參數(shù)，并納入比選方案所考慮的因素。

3.2 考慮能源價格波動對驅(qū)動比選方案的影響

在整個管道運行周期中，動力費用在基建費和運行費中占有極其重要的一部分。在方案比選中，電價和燃料氣價選取的不同，會導致比選結(jié)果的差異很大。因此，壓氣站燃驅(qū)電驅(qū)方案比選應(yīng)緊隨國家政策選擇合理的電價和氣價。

對于模擬管徑為D1219 mm、15 MPa 管線的壓氣站為例，以3+6+3 情景工況（管道各壓氣站機組運行按3個月低月工況+6個月年均工況+3個月高月工況考慮）為基礎(chǔ)，在燃料氣價格和運行天數(shù)不變的情況下，改變電價，經(jīng)計算，該壓氣站平均電價為0.69 元/kWh 時，電驅(qū)和燃驅(qū)的費用現(xiàn)值相當；超過0.69 元/kWh，則燃驅(qū)費用現(xiàn)值較低。同樣，在燃料氣價格和運行天數(shù)不變的情況下，改變氣價，也存在臨界氣價。

在動力費取值不變的情況下，改變壓氣站運行時間，該壓氣站年運行天數(shù)為99 天時，電驅(qū)和燃驅(qū)費用現(xiàn)值相當。超過99 天，則電驅(qū)費用現(xiàn)值較低；少于99 天運行則燃驅(qū)方案較優(yōu)。

表1 該壓氣站臨界電價和臨界運行時間

因此，對于管徑D1219 mm、15 MPa 管線，在燃料氣價為2.78 元/m3條件下，1.3 壓比方案的費用現(xiàn)值最低，但與1.35 和1.25 壓比下的費用現(xiàn)值相差不足0.1%，與1.2、1.4 和1.45 壓比的費用現(xiàn)值相差也在3%以內(nèi)，因此1219 mm/15 MPa 輸氣管道推薦經(jīng)濟壓比范圍在1.25～1.40。

對于模擬管徑為D1422 mm、12 MPa 管線（材質(zhì)X80），在燃料氣價為2.78 元/m3條件下，仍是1.3壓比方案的費用現(xiàn)值最低，但與1.35 和1.25 壓比下的費用現(xiàn)值相差不足0.1%，與1.4 和1.45 壓比的費用現(xiàn)值相差也在2.5%以內(nèi)，因此D1422 mm/12 MPa輸氣管道推薦經(jīng)濟壓比范圍在1.25～1.45。

4 結(jié)論及建議

（1）驅(qū)動方式的選取采用綜合比選的方法確定，以經(jīng)濟比選為基礎(chǔ)，充分考慮壓氣站的電源條件、供電環(huán)境以及對管道系統(tǒng)安全性等方面的影響。經(jīng)濟比選應(yīng)采用費用現(xiàn)值法，涵蓋建設(shè)投資、運行費用和維護費用等。

（2）方案比選工況的選取應(yīng)緊密結(jié)合天然氣管輸運行計劃方案。從管道全線整體角度出發(fā)，根據(jù)逐年任務(wù)輸量合理地確定壓氣站場的投產(chǎn)計劃，避免因低輸量運行導致已建電驅(qū)站場機組閑置，減少不必要的電費支出。

（3）經(jīng)濟比選中應(yīng)合理地選取電價及燃料氣價。由于國家政策的調(diào)整，氣價、電價也會隨著波動，可根據(jù)目前價格進行測算，同時可對未來可能出現(xiàn)的價格趨勢進行預測分析。電價可參照大工業(yè)用戶電價，燃料氣價參照所在省份門站價格，考慮管輸成本。

（4）比選過程中應(yīng)考慮全生命周期，并按全成本核算。管道設(shè)計壽命年限應(yīng)考慮機組維護費用、電子器件壽命等。