天然氣長輸管道能效分析與探究

張科1,2，王丹2，張研3，?，?

1.西安石油大學機械工程學院（陜西西安710065）

2.陜西省天然氣股份有限公司（陜西西安710016）

3.甘肅電投金昌發(fā)電有限責任公司（甘肅金昌737109)

4.陜西化建工程責任有限公司（陜西楊凌712100）

管道運輸是天然氣產(chǎn)業(yè)中最主要的運輸方式，但在運輸過程中需要消耗大量能量，故天然氣輸氣管道的能效控制愈來愈成為管輸企業(yè)關(guān)注的重點。通過介紹管道系統(tǒng)能效評價方法及常見的能耗種類，有針對性地提出優(yōu)化輸氣工藝、提高機組效率、減小阻力損失、設置余熱利用系統(tǒng)、控制天然氣放空量、避免天然氣泄漏等措施，以達到減小管道系統(tǒng)直接能耗和間接能耗的目標，為輸氣系統(tǒng)的運行管理提出優(yōu)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、保證輸氣量均勻平穩(wěn)、采用管道內(nèi)涂層技術(shù)、減小放空量、定期保養(yǎng)檢查等建議。

天然氣；長輸管道；能效分析；壓縮機

天然氣作為一種清潔、高效的優(yōu)質(zhì)資源，在社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。然而，從資源儲產(chǎn)比來看，我國的天然氣資源并非十分充裕，且多分布于遠離資源需求中心的偏遠地區(qū)，因此輸運方式的選擇顯得尤為重要。天然氣的陸上輸運方式有兩種：一是長輸管道運輸；二是通過LNG/CNG槽車、火車等方式運輸[1]。長輸管道運輸是天然氣運輸?shù)淖钪饕绞?，其運送距離長、運輸量大、適應范圍廣；而槽車運輸主要適用于用氣量較小和分散供氣的情況，通常作為管道運輸?shù)挠幸嫜a充。

目前，我國天然氣年消費量中近90%是采用管道運輸，而管輸效率的變化將直接影響輸氣壓力和輸氣量，并最終反應在企業(yè)的經(jīng)濟效益中，也成為衡量企業(yè)管道運行管理水平的重要指標。根據(jù)近期國家發(fā)展與改革委員會印發(fā)的《天然氣管道運輸價格管理辦法（試行）》和《天然氣管道運輸定價成本監(jiān)審辦法（試行）》，要求企業(yè)獲得8%準許收益率對應的管道負荷率為75%，意味著如果管道運輸企業(yè)實際負荷率低于75%，則實際收益率可能達不到8%甚至更低，即只有提高管道負荷率，提高管道綜合能效，才能使利益最大化?；诖耍躁兾魇√烊粴庠谝坶L輸管道的運行管理為背景，分析影響管道能效的各類因素，總結(jié)歸納能效控制關(guān)鍵點，為企業(yè)降本增效提出合理化建議。

1管道能效評價與分類

1.1 管道能效評價

根據(jù)《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589-2008)規(guī)定，用能單位在統(tǒng)計報告期內(nèi)實際消耗的各種能源實物量，按規(guī)定的計算方法和單位分別折算后的總和即為綜合能耗。對于企業(yè)而言，生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)和附屬生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗總和即為綜合能耗，計算公式見式（1）：

式中：E為綜合能耗；n為消耗的能源品種數(shù)；ei

式中：η為簡單輸氣效率；Q為交付天然氣總量，m3；Q0為接收天然氣總量，m3。

截至2016年底，陜西省天然氣公司已建成靖西（一、二、三）線、咸寶線、寶漢線、漢安線、西商線、西渭線、義閻復線、關(guān)中環(huán)線等天然氣長輸管道，總里程達3 000km，天然氣分輸場站61座（其中壓氣站7座），閥室104座，CNG組團項目7座，基本形成了“六縱兩橫一環(huán)”的管網(wǎng)體系。以2015年進銷氣量為例，其累計進氣量48.39×108m3，累計外銷氣量47.55×108m3，若能夠?qū)⑤敋庑侍岣?.1%，則企業(yè)銷氣量可增加近500×104m3，經(jīng)濟效益顯著。由此可見，優(yōu)化管道能效是企業(yè)降本增效的有益途徑之一。

1.2 管道能耗分類

在輸氣管道運行管理過程中發(fā)現(xiàn)，影響輸氣管道能效的因素有很多，譬如進銷氣量、分輸氣量、作業(yè)放空量、機組進出口壓力、關(guān)鍵設備設施通過性、管道高程變化、管徑大小、輸送距離、管道材質(zhì)、保溫情況、介質(zhì)物性、地區(qū)氣候、跑冒滴漏等。為便于討論，可大致將其歸納為兩大類，即直接能耗和間接能耗[2-4]。直接能耗是指在氣體輸運過程中由壓縮機組、關(guān)鍵設備設施、管道本體等產(chǎn)生的能量損耗。間接能耗則是指在氣體輸運過程中由于管網(wǎng)運行工藝不盡合理、管道閥門及附屬設施漏氣、生產(chǎn)作業(yè)過程中氣體放空等引起的能量損耗。從這兩種能耗形式來看，間接能耗可以通過科學合理地調(diào)整管網(wǎng)工藝、提高完善設備設施的可靠性等措施

式中：Mqs為輸氣管道的單位周轉(zhuǎn)量綜合能耗（標準煤），t/（107m3·km）；Eqs為輸氣管道生產(chǎn)能源消耗的總量（標準煤），t；Qq為輸氣周轉(zhuǎn)量，107m3·km；輸氣周轉(zhuǎn)量Qq是描述管道輸送天然氣總量和管輸里程的綜合性指標，即輸氣周轉(zhuǎn)量=輸送氣量×管輸里程-自用量×管輸里程/2。

另外，對于在役天然氣長輸管道的能效評價，也可利用簡單的輸氣效率來衡量，即交付與接收的天然氣總量之比，計算公式見式（3）：為生產(chǎn)和服務活動中消耗的第i種能源實物量；pi為第i種能源的折算系數(shù)，按能量的當量值或能源等價值折算。

其次，單位周轉(zhuǎn)量綜合能耗也是國內(nèi)常用的能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析指標，即生產(chǎn)能源消耗的總量與周轉(zhuǎn)量的比值，計算公式見式（2）：來消除或避免，但直接能耗則無法完全避免，只可以通過新技術(shù)、新方法、新材料來盡量減少能量的損耗，在保證管道安全平穩(wěn)輸氣的同時，提高管道系統(tǒng)的整體能效。

2 管道能效優(yōu)化措施

在保證管道安全平穩(wěn)輸氣的同時，降低管道能耗、降低輸氣成本、增加企業(yè)效益已成為管道運行管理的新目標。為此，分別針對直接能耗和間接能耗，結(jié)合運行管理的實際情況，具體提出管道能效的優(yōu)化建議。

2.1 降低管道直接能耗

2.1.1 優(yōu)化輸氣工藝

目前，影響管網(wǎng)輸氣工藝的不可控因素較多，譬如壓力波動、流量波動、高程變化、局部節(jié)流、氣體品質(zhì)、氣體溫度、管內(nèi)污物、外界環(huán)境等，通常會利用離線模擬軟件TGNET、SPS、PSN等對工藝情況進行模擬分析，以求盡量與實際情況近似，達到優(yōu)化分析的效果。對于長輸管道來說，輸氣工藝優(yōu)化就是以輸氣系統(tǒng)總能耗或者總功率最低為目標。管網(wǎng)輸氣工藝的優(yōu)化是在管道系統(tǒng)物理參數(shù)已經(jīng)確定的條件下，根據(jù)上游氣源供應量、下游各用戶的用氣量和各個用戶的用氣壓力要求，對管輸系統(tǒng)的運行參數(shù)進行優(yōu)化，在保證管道安全平穩(wěn)輸氣的前提下，使管道總的燃料動力費用最低?；诠艿涝诰€監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）的管道運行管理系統(tǒng)，為調(diào)度人員提供管輸系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，并時刻與模擬最優(yōu)運行工藝進行匹配比對，從而為工藝最優(yōu)化提供參考，以便及時調(diào)整管輸系統(tǒng)運行方案，保證系統(tǒng)能效最優(yōu)。

隨著上游氣源配置的變化、下游市場的開發(fā)以及管道的不斷建設，單一管道運行的概率愈來愈小，已基本形成環(huán)狀管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，氣源之間相互補充，管道之間連通，以保證管網(wǎng)的平穩(wěn)運行，有利于下游市場的健康發(fā)展。單一管線運行效率的最佳并不能代表管網(wǎng)系統(tǒng)整體能效的最優(yōu)，而應從管網(wǎng)運行的整體出發(fā)，尋找單一管道的運行瓶頸，優(yōu)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，利用管網(wǎng)的互補優(yōu)勢，科學地進行多管道運行參數(shù)匹配，將單線并網(wǎng)，實現(xiàn)管道互連互通，以提高管網(wǎng)的整體能效。

2.1.2 提高機組效率

壓縮機是長輸管道系統(tǒng)中的核心設備，為整個輸氣系統(tǒng)提供動力，但也是系統(tǒng)中能耗最高的設備。2014年陜西省天然氣公司各壓氣站累計燃耗用氣約615×104m3，2015年高達886×104m3，隨著天然氣市場及輸氣量的不斷增加，機組燃耗將會持續(xù)增高，因此有必要采取有效措施來降低機組能耗。壓氣站的運營費用占管道總運營費用的50%左右；壓縮機及其配套的原動機的能耗占壓氣站運營費用的70%以上，占長輸管道能耗費用的96%左右[5]。在長輸管道中常用的壓縮機組有兩類：往復式壓縮機和離心式壓縮機；常用的原動機也有兩類：燃氣輪機和電動機。在項目建設初期，有必要根據(jù)工藝特性選取合適的機組及驅(qū)動設備。往復式壓縮機組適用于小排量、高壓比的工藝條件，但機組自身損耗件較多；離心式壓縮機組則適用于大排量、低壓比的工況。對于原動機的選擇原則是，在電力資源充足的地區(qū)宜選電動機，相反則選取燃氣輪機。各類型機組在滿負荷時，電驅(qū)機組的效率為70%～85%，燃驅(qū)機組的效率為25%～40%[6]。雖然機組的效率均在正常范圍內(nèi)，但是效率相對低的壓縮機組仍有節(jié)能的空間。壓縮機組在非滿負荷的情況下，通過提高入口壓力和調(diào)整壓縮機余隙達到提高運行效率，降低能耗的目的。當管輸氣量相對平穩(wěn)時，壓縮機的能耗較?。划敼茌敋饬坎▌虞^大時，機組能耗就會明顯增加。因此，在管道運行過程中，應盡量保證輸氣量均勻平穩(wěn)，避免出現(xiàn)較大幅度的氣量波動。另外，不管選取何種機組，均要定期開展機組的維護保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，甚至可以定期更換某些氣動部件及配件，以降低輸氣系統(tǒng)的整體能耗。

2.1.3 減小阻力損失

在天然氣輸送過程中，阻力損失主要表現(xiàn)為兩個方面：局部壓力損失和沿程磨阻損失。

局部壓力損失主要是由于輸氣系統(tǒng)中存在各種凈化、計量、調(diào)壓設備，在天然氣通過個別閥門、彎頭處時，出現(xiàn)截流效應，從而產(chǎn)生局部壓力損失。為此，在輸配系統(tǒng)中應盡量合理設置閥門、彎頭數(shù)量，減少不必要的資源浪費，科學設置閥門開度，避免不必要的局部壓損。

沿程磨阻損失主要是由氣體在管道內(nèi)的流動狀態(tài)以及管道內(nèi)壁粗糙度決定。因為輸氣管道內(nèi)氣體流態(tài)相對穩(wěn)定，對磨阻的影響相對恒定，故管道內(nèi)壁粗糙度成為影響主因。當輸氣量和出口壓力確定時，管道內(nèi)壁粗糙度越大，管道壓降越明顯，沿程磨阻損失越大。而管道內(nèi)涂層技術(shù)既可以有效防止管道內(nèi)腐蝕，又能夠減小管道內(nèi)壁粗糙度，減小水力摩阻系數(shù)，從而有效提高管輸能力。經(jīng)檢測，采用內(nèi)涂層技術(shù)后能夠使管道的輸氣量提高4%～8%，即能夠在相同的輸氣量要求下，降低壓縮機所需功率，從而減小機組能耗費和維保費用[7]。從經(jīng)濟性方面考慮，采用管道內(nèi)涂層技術(shù)需要綜合考慮管道系統(tǒng)設備的全生命周期，而不是暫時的投資回報比。從節(jié)能減排方面考慮，采用管道內(nèi)涂層技術(shù)在一定程度上有利于降低機組總的燃料及動力消耗。

2.1.4 設置余熱利用系統(tǒng)

由于燃驅(qū)壓氣站的燃氣輪機排放的是高溫煙氣，能量利用不夠充分，容易形成資源浪費，因此可設置余熱利用系統(tǒng)，回收高溫煙氣中的熱能。其中主要設備包括余熱鍋爐和換熱器，利用回收的高溫煙氣給余熱鍋爐加熱，從而制備生活熱水。在易于發(fā)生冰堵的管段站點設置余熱換熱裝置可以防止因溫度下降幅度過大而引發(fā)冰堵，從而實現(xiàn)降低管輸系統(tǒng)能耗的目的。

2.2 降低管道間接能耗

2.2.1 控制天然氣放空量

隨著社會安保意識的提高以及燃氣市場的不斷發(fā)展壯大，管道交叉占壓、管道改線碰口、新增用戶開口接氣等類似的大型生產(chǎn)作業(yè)項目每年都會不定期進行，其中均會涉及到天然氣放空。2015年陜西省天然氣公司進行各類大型生產(chǎn)作業(yè)期間，天然氣放空總量約750×104m3，占年外銷氣量的0.16%，放空總量仍有可控余地。

1）科學制定生產(chǎn)作業(yè)方案，減小放空量。進行生產(chǎn)作業(yè)前，應根據(jù)管網(wǎng)工藝情況，詳細核算作業(yè)放空量，充分利用管網(wǎng)自身優(yōu)勢及下游用戶的用量，在保證各方供用平穩(wěn)的前提下，盡可能縮短放空管段，降低放空壓力，減小不必要的管道放空，控制放空氣量。

2）科學制定清管作業(yè)方案，避免管道放空。為保證管道輸氣效率，每年均對在役長輸管道進行清管作業(yè)。在清管作業(yè)前，應制定詳實的清管方案計劃，保證清管作業(yè)有序安全開展，合理控制收發(fā)球筒的置換放空，避免發(fā)生清管器卡堵事故，既影響用戶的正常用氣，又間接引起換管作業(yè)造成管道放空。

3）配備可移動壓縮設備，減小放空量。當通過工藝條件已無法降低作業(yè)段管道壓力時，可利用移動壓縮設備，繼續(xù)將管道內(nèi)相對低的壓力輸送到上下游管道或用戶管道，盡量減小放空氣量。

4）合理設置線路截斷閥，減小放空量。目前，我國天然氣長輸管道正在朝著大口徑、高壓力的方向發(fā)展，在管道建設初期，在考慮安全標準規(guī)范的同時，應盡量考慮市場發(fā)展需要，在市場發(fā)展?jié)摿^大的地區(qū)，應科學設置線路截斷閥數(shù)量，充分考慮后期的碰口、開口作業(yè)，從而有效減少后期因發(fā)展需要而進行的施工作業(yè)放空。

2.2.2 避免天然氣泄漏

天然氣屬于易燃易爆氣體，若發(fā)生泄漏事故，則會產(chǎn)生不良社會影響，造成較大經(jīng)濟損失，甚至危及人民群眾的生命安全，因此，燃氣企業(yè)應該盡量杜絕類似事故的發(fā)生。分析天然氣的泄漏點，可主要概括為兩類：管道泄漏和設備泄漏。管道泄漏，常常是由于外力作用，造成管道斷裂破損，引發(fā)泄漏事故；另外，由于管材制造缺陷及腐蝕的作用又會造成管壁減薄甚至穿孔泄漏，焊縫應力開裂及管道本體的裂紋缺陷，也是管道泄漏的誘因。設備泄漏，主要是指由于設備的密封件失效或破損引起，造成法蘭設備等連接處漏氣。

因此，對于同管道連接的設備，建議采用焊接連接，盡量減少法蘭連接，減少管網(wǎng)中不必要的密封點，盡量從本質(zhì)上避免天然氣泄漏；對于所處環(huán)境惡劣的管道、設備等，要進行重點位置的定期保養(yǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)問題，及時處理；對服役年限較長的埋地管道，要按照規(guī)定進行管道內(nèi)檢測作業(yè)，要加強管道陰極保護系統(tǒng)的維護，進行管道外防腐系統(tǒng)檢測，對發(fā)現(xiàn)的隱患及時處理，避免引發(fā)泄漏事故；基于管道在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），科學設置關(guān)鍵閥門設備的連鎖警報上下限，以保證準確、高效、敏捷的管網(wǎng)泄漏檢測，一旦發(fā)生泄漏事故，能夠采取有效的保護動作；另外，提高設備管理人員、施工操作人員的專業(yè)技術(shù)水平，避免操作不當或人為失誤而引發(fā)泄漏事故。

3 結(jié)束語

隨著我國長輸管道建設的不斷推進，管道能效分析與評價將成為管道企業(yè)重視的研究課題，節(jié)能降耗、降本增效將成為企業(yè)發(fā)展新挑戰(zhàn)。因此，管道企業(yè)應統(tǒng)籌考慮，全方位、多角度、有針對性地提出增效方法或措施。企業(yè)結(jié)合自身發(fā)展需要，既要積極大膽吸納國內(nèi)外先進的技術(shù)工藝和經(jīng)驗教訓，又要不斷提升員工技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)技術(shù)過硬的設備管理隊伍，在學習總結(jié)摸索中為提升管道能效做出貢獻。

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Pipeline transportation is the most important mode of natural gas transportation,but a lot of energy needs to be consumed in the transportation process of natural gas.Through the introduction of the energy efficiency evaluation method of pipeline system and the common types of energy consumption,some measures such as optimizing gas transmission technology,improving unit efficiency,reducing resistance loss,building waste heat utilization system,controlling natural gas venting amount,avoiding gas leakage,etc.are put forward in order to reduce the direct and indirect energy consumption of pipeline system.Some suggestions such as optimizing network structure,guaranteeing steady gas transmission amount,using pipeline coating technology,building waste heat exchange device,reducing venting quantity,implementing regular maintenance checks,etc.are proposed for the operation management of the gas transmission system.

natural gas;long distance pipeline;energy efficiency analysis；compressor

王梅

2016-10-30

張科（1988-），男，主要從事天然氣長輸管道運行管理工作。