陳傳勝（中國石化川氣東送天然氣管道有限公司）

川氣東送管道工藝運行方案制定與優(yōu)化*

陳傳勝（中國石化川氣東送天然氣管道有限公司）

天然氣長輸管道運行較為復(fù)雜，確定出科學(xué)、合理、高效節(jié)能的生產(chǎn)運行方案是管道運營企業(yè)追求的目標。通過對川氣東送管道工藝系統(tǒng)進行分析，確定其主要工藝參數(shù)運行范圍；利用SPS管道仿真軟件進行模擬計算，對輸氣能力進行評估；并對不同輸量下管存調(diào)節(jié)范圍進行分析，結(jié)合管道運行特點及節(jié)能要求，提出優(yōu)選方案原則及步驟；基于該管道2015—2016年冬季運行情況，證明了該方法具有較強的適應(yīng)性，制定和優(yōu)化出的生產(chǎn)運行方案可靠、有效，能夠為管道的運行提供指導(dǎo)和決策。

川氣東送；高效節(jié)能；工藝分析；輸氣能力評估；方案制定與優(yōu)化

川氣東送管道西起川東北普光首站，東至上海末站，是繼西氣東輸之后又一條貫穿我國東西部地區(qū)的管道大動脈。川氣東送管道有干線、達化專線、川維、武石化、南京、江西支線共2229 km管線、35座站場、101座閥室，并設(shè)有普光、利川、潛江3座壓氣站，管網(wǎng)具有距離長、輸量大、壓力高、壓氣站數(shù)目多、沿線分輸站點多、上游氣源多、下游用戶多等特點，管網(wǎng)運行工況復(fù)雜，如何保障管道安全高效節(jié)能運行難度非常大。因此，提前制定出科學(xué)合理的工藝運行方案，對指導(dǎo)保障管道安全經(jīng)濟高效節(jié)能運行有非常重要的作用。

1 工藝系統(tǒng)分析及工藝參數(shù)的確定

川氣東送管道運距長、用戶多、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行難度大，為了保障川氣東送管道運行安全，針對其上游3個氣源、枝狀結(jié)構(gòu)管網(wǎng)設(shè)計壓力、管道用戶用氣需求不一致等特點，方案中須對管網(wǎng)進行系統(tǒng)性分析，明確工藝運行參數(shù)邊界條件，確保管道運行安全。

為了避免管道運行過程中管道工況不能滿足上中下系統(tǒng)運行需要，對上游氣田及下游用戶造成較大影響，重點在于天然氣氣質(zhì)、管道運行壓力、溫度、流量等關(guān)鍵參數(shù)的控制。因此方案編制要根據(jù)用戶用氣需求、管網(wǎng)設(shè)計狀況確定管道運行壓力范圍和氣質(zhì)要求。通過分析，結(jié)合GB 17820—2012《天然氣》標準要求及川氣東送管道下游用戶中化工企業(yè)較多，對硫含量要求特別嚴格，在運行過程中需要在確定天然氣氣質(zhì)至少符合二類氣質(zhì)標準的基礎(chǔ)上特別做好H2S、總硫、CO2含量的控制，嚴格要求H2S含量不超過20 mg/m3，總硫量不超過60 mg/m3，CO2量不超過3%；針對川氣東送管網(wǎng)設(shè)計壓力分別為10、8、6.3、4.5、1.6 MPa等不同壓力等級管線，為了保障管道運行有一定的安全裕度以確保管網(wǎng)運行安全可靠，確定其最高操作壓力分別為9.8，7.8、6、4.3、1.2 MPa；通過分析上游氣源的供氣壓力狀況、下游用戶用氣壓力狀況，確定起點普光首站壓力不高于8 MPa，末端上海、揚子末站最低運行壓力不低于4.5 MPa；管道運行溫度應(yīng)嚴格控制在設(shè)計溫度范圍內(nèi)，并重點關(guān)注壓氣站壓縮機出口管線、分輸站調(diào)壓后管線溫度，確保滿足要求；方案中還需對照各輸氣站場輸氣量分析站場分離器、流量計、調(diào)壓撬等設(shè)備處理能力，各設(shè)備最大處理能力原則上不超過設(shè)計能力。

2 川氣東送管道工況運行分析

2.1 仿真分析模型的建立

考慮到SPS是目前國際公認較好的輸氣管道水力分析軟件，計算準確度高，并在國內(nèi)許多輸氣管道上得到了良好應(yīng)用[1-4]。鑒于川氣東送管道水力計算復(fù)雜，為了保障工藝運行方案的準確性和可靠性，川氣東送管道水力分析計算采用SPS軟件進行建模，在建模過程中將上游氣源、下游用戶、管道基本參數(shù)、傳熱系數(shù)、摩阻系數(shù)、閥門設(shè)備參數(shù)、壓縮機機芯等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入模型中，通過對比管道實際運行情況以及仿真計算結(jié)果，對模型進行調(diào)試，保障模擬結(jié)果的準確度達到95%以上（表1），為方案的編制提供依據(jù)。

2.2 管道輸氣能力分析

工藝運行方案編制的核心在于運行風(fēng)險最低的情況下，如何確保管道運行工況滿足輸氣要求，重點是壓縮機運行組合的選擇、管存、能耗的控制[5-7]，即當(dāng)管道輸量一定的情況下，保障管道運行工況滿足用戶需求、有一定的管存調(diào)節(jié)能力、管道運行安全有效是較好的工藝方案。為了能夠快速確定何種方案滿足管道運行需要，需要對管道輸氣能力、不同輸量下管存控制范圍進行分析，為選擇最佳的工藝運行方案提供依據(jù)。

表1 川氣東送管道2016年6月1—7日同輸量下實際運行結(jié)果與計算結(jié)果對比分析

表2 2016年川氣東送管道壓縮機不同啟運方式最大輸氣量評估 單位：104m3/d

1）管道最大輸氣能力評估。川氣東送管道目前有8臺壓縮機，其中普光首站3臺、利川壓氣站3臺、潛江壓氣站2臺，按照設(shè)計，滿負荷下運行普光首站壓縮機為2用1備，利川壓氣站壓縮機為2用1備，潛江壓氣站壓縮機為2用1備配置，其中潛江1臺壓縮機暫未建設(shè)。根據(jù)川氣東送管道工藝系統(tǒng)分析確定的邊界條件，通過對川氣東送管道輸氣能力進行核算，具體評估情況見表2。

2）不同輸量下管道管存調(diào)節(jié)范圍分析。考慮到管道運行過程中用戶用氣不是很穩(wěn)定，需要一定的管存進行調(diào)節(jié)，為了了解不同工況及輸量下對應(yīng)的管存調(diào)節(jié)范圍，需要分析各種輸量下對應(yīng)的不同壓縮機開啟方式管道管存控制范圍，以便為方案選擇提供指導(dǎo)（表3）。

3 方案的確定與優(yōu)選

3.1 方案確定原則及優(yōu)選措施

管道工藝運行方案的制定和優(yōu)化是指在給定的條件和最優(yōu)準則下采用最有利的運行方案，使得系統(tǒng)工況在滿足給定條件的前提下達到或接近最優(yōu)準則的要求[8-10]。例如管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、壓氣站的設(shè)備配置及性能、各氣源的供氣條件、各用戶的需求氣量等，因此方案應(yīng)首先考慮管道系統(tǒng)的安全性、可靠性；還須考慮平穩(wěn)性、便利性、經(jīng)濟節(jié)能等方面的要求。較佳運行方案為管道運行風(fēng)險最小，管道運行工況滿足輸量要求，具備一定的管存調(diào)節(jié)范圍，管道運行方式較為經(jīng)濟節(jié)能。

在川氣東送管道工藝方案制定和優(yōu)化中，首先考慮管網(wǎng)上中下系統(tǒng)運行處于較好運行狀態(tài)，管道工況滿足用戶用氣需要且不對上游正常進氣造成影響；還考慮其管存具備一定的調(diào)節(jié)空間，能耗處于節(jié)能狀態(tài)，考慮到長輸天然氣管道運行過程中所消耗的能耗主要為壓縮機能耗，因此運行過程中能耗主要考慮壓縮機消耗的總功率較低。為了實現(xiàn)這一目的，川氣東送管道工藝運行方案制定和優(yōu)化過程如下：

1）根據(jù)給定的管道輸量，對應(yīng)不同壓縮機開啟方式管道輸氣能力，選擇合適的壓縮機運行組合方式，確保其工況滿足運行需要。

2）對各種運行方式進行評估，確認運行風(fēng)險較小，不對管道及設(shè)備造成損害，管道有一定的調(diào)節(jié)空間，能夠有一定的管存調(diào)節(jié)能力和調(diào)峰能力。

3）對管道運行能耗進行評估，選擇能耗較低的運行工況。

表3 不同輸量管道管存控制范圍

3.2應(yīng)用案例

以川氣東送管道冬季運行情況為例，按照川氣東送管道2015—2016年冬季銷售計劃，2015—2016年度冬季各月輸氣計劃具體見表4。

表4 2015—2016年冬季輸往各省市用戶氣量情況 單位：104m3/d

結(jié)合冬季各月計劃，對應(yīng)表2、表3分析，按照川氣東送管道工藝運行方案制定和優(yōu)化過程，2015年11月—2016年3月份能夠滿足運行需要的工藝方案及各種方案評估情況見表5。

通過對各種方案進行分析，考慮到普光首站距普光凈化廠僅260 m，普光壓縮機開機后一旦出現(xiàn)異常停機對普光凈化廠影響非常大甚至導(dǎo)致普光氣田一級關(guān)段，運行風(fēng)險較高。因此在利川、潛江壓縮機開機能夠滿足管道運行工況的情況下，一般不考慮開啟普光首站壓縮機。所以2015年11月、2016年2月推薦采用利川1臺壓縮機配置方式運行。雖然2015年12月、2016年1月、2016年3月開啟利川2臺+潛江2臺壓縮機運行方式對普光氣田影響較小，但由于管道輸量較小，容易造成壓縮機喘振[11]，對設(shè)備造成較大傷害，且能耗較大。通過加強與上游普光氣田的溝通和協(xié)調(diào)，在確定應(yīng)急方案和應(yīng)急措施并保障最大限度降低普光壓縮機異常停機對上游氣田造成影響的情況下，推薦采用“普光1+利川1”的壓縮機運行模式。

在2015—2016年冬季實際運行中，按照以上方法編制的工藝運行方案有效指導(dǎo)了管道生產(chǎn)運行，特別是2015年12月、2016年1月驗證了利川2臺+潛江2臺壓縮機開機方式管道流量不能滿足壓縮機運行要求，壓縮機處于喘振區(qū)域，通過做好應(yīng)急措施，開啟普光首站壓縮機，保障了管網(wǎng)安全有效高效節(jié)能運行。

4 結(jié)論

1）通過對川氣東送管道工藝系統(tǒng)分析，確定主要工藝運行參數(shù)范圍，并對川氣東送管道輸氣能力、不同輸量下管存調(diào)節(jié)范圍進行分析，在明確管道輸量的情況下，能夠快速選擇合適的工藝運行方案，確保管道工況滿足運行需求。

2）方案的制定與優(yōu)化應(yīng)從管道系統(tǒng)運行可靠性、有效性、經(jīng)濟性多方面進行考慮，一般來說管道運行風(fēng)險最小，管道運行工況能夠有效滿足上中下系統(tǒng)的需要并有一定的調(diào)節(jié)空間、管道能耗較小即為較好的工藝運行方案。

表5 2015—2016年冬季各月輸氣運行方案比較

3）以川氣東送管道2015—2016年冬季運行情況為例，通過對管道實際運行情況與編制的工藝運行方案進行比較，該方法具有較強的適應(yīng)性，對選擇合適的工藝方案、指導(dǎo)管道安全有效高效節(jié)能運行具有非常好的參考價值。

[1]李佩，趙宏濤，臧國軍，等.SPS管道仿真系統(tǒng)在靖邊—咸陽管道的應(yīng)用[J].油氣儲運，2010，29（11）：832-834.

[2]鄭云萍，肖杰，孫嘯，等.輸氣管道仿真軟件SPS的應(yīng)用與認識[J].天然氣工業(yè)，2013，33（11）：104-109.

[3]王永紅，李曉平，宮敬.長輸管道在線仿真系統(tǒng)的應(yīng)用與展望[J].油氣儲運，2011，30（2）：90-93.

[4]劉建武，晏偉，梁海寧.TGNET和SPS在甬臺溫輸氣管道設(shè)計中的比較[J].油氣儲運，2012，31（9）：689-691.

[5]賀三，鄒永莉，王欣，等.天然氣管道的運行優(yōu)化[J].油氣儲運，2009，28（6）：1-7.

[6]Rainer Kurz，Matt Lubomirsky.天然氣增壓站經(jīng)濟優(yōu)化：壓縮機運行[J].天然氣與石油，2015，33（2）：23-30.

[7]席海宏，趙玲玉.榆林-濟南輸氣管道調(diào)峰方式優(yōu)選[J].油氣儲運，2016，35（4）：381-405.

[8]Wonmo Sung，Daegee Huh，Junghwan Lee，etc.Optimization of Pipeline Networks with A Hybrid MCST-CD Networking Model[J].SPE Production&Facilities，1998，13（3）：213-219．

[9]張鑠，吳明，牛冉，等.天然氣輸氣管道優(yōu)化的最優(yōu)化方法研究[J].當(dāng)代化工，2015，44（2）：408-409.

[10]艾慕陽，蔣毅，宋飛，等.大型天然氣管網(wǎng)運行方案多目標決策優(yōu)化[J].油氣儲運，2011，30（10）：739-742.

[11]韓輝，張忠明，康亮，等.輸氣管道壓縮機防喘振系統(tǒng)的運行管理[J].油氣儲運，2012，31（10）：795-797.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.019

2016-07-25

（編輯 賈洪來）

陳傳勝，工程師，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)（油氣儲運專業(yè)），從事天然氣長輸管道運營與管理工作，E-mail：chchsh1003@163.com，地址：湖北省武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)光谷大道126號，430025。

中國石化集團公司科研專項“川氣東送管道運行優(yōu)化技術(shù)”，項目編號：35150014-14-ZC0607-0005。