文 _ 丁媛 中石油北京天然氣管道有限公司 戴征宇 中石油天然氣集團(tuán)公司物資裝備部洪楊眾 中石油北京油氣調(diào)控中心 張東博 中石油天然氣銷售東部公司

作為綠色能源的焦點(diǎn)，近年來我國(guó)輸氣管道建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期。輸氣管道不斷建設(shè)，最終相互連接成網(wǎng)。中石油的主干輸氣管網(wǎng)正初步形成一個(gè)多氣源、多用戶的全國(guó)性的大型輸氣系統(tǒng)。輸氣管道的工況越來越復(fù)雜, 這就給管道安全、平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)。

陜京輸氣系統(tǒng)輸量大、距離長(zhǎng)，每年運(yùn)行的能源消耗龐大。因此，應(yīng)在保質(zhì)保量滿足用戶用氣需求的條件下，設(shè)法降低輸氣系統(tǒng)的能耗，提高管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。輸氣系統(tǒng)能耗費(fèi)用與管道的運(yùn)行方案密切相關(guān)，通過合理選擇聯(lián)合運(yùn)行方案及壓縮機(jī)的配置方案可以有效的降低輸氣系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

1 陜京輸氣系統(tǒng)概況

陜京輸氣系統(tǒng)包括陜京一線管道、陜京二線管道、陜京三線管道和地下儲(chǔ)氣庫及配套管道三大部分。

公司的重點(diǎn)耗能設(shè)備是壓氣站和儲(chǔ)氣庫的壓縮機(jī)組。目前共有62臺(tái)壓縮機(jī)組，其中燃?xì)怛?qū)動(dòng)機(jī)組共44臺(tái)；變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)組共18臺(tái)，總裝機(jī)容量為64.61萬kW。各壓氣站增壓作業(yè)、儲(chǔ)氣庫注氣作業(yè)，消耗大量的天然氣和電力，天然氣年消耗量達(dá)2億m3，電力年消耗量達(dá)11億kWh。

1.1 陜京輸氣管道

陜京管道輸氣能力可達(dá)350億m3/a，管道西起陜西省靖邊縣，跨越內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、山西省、河北省、北京市、天津市三省兩市一區(qū)。目前陜京輸氣管道實(shí)現(xiàn)了陜京一、二、三線輸氣管道的管網(wǎng)物理連接，方便輸氣管道間天然氣調(diào)度。

1.2 地下儲(chǔ)氣庫及配套管道

陜京輸氣系統(tǒng)目前有兩個(gè)主要的地下儲(chǔ)氣庫群，分別是大港地下儲(chǔ)氣庫群和華北地下儲(chǔ)氣庫群。大港儲(chǔ)氣庫群設(shè)計(jì)總有效工作氣量30.3億m3，最大日調(diào)峰氣量為3400萬m3。華北儲(chǔ)氣庫群設(shè)計(jì)總有效工作氣量7.525億m3，最大日調(diào)峰氣量為660萬m3。

2 輸氣系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

輸氣管道的運(yùn)行優(yōu)化是指在考慮氣源條件、用氣條件以及管道輸送條件的前提下,確定輸配氣方案,使管道運(yùn)行成本降低。其最優(yōu)準(zhǔn)則通常是指在安全平穩(wěn)地完成輸氣管道輸送和供應(yīng)任務(wù)的前提下，盡量使得管道的運(yùn)行能耗最低。

2.1 國(guó)外輸氣管道運(yùn)行優(yōu)化

早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外就開始了輸氣管道干線的運(yùn)行優(yōu)化研究，曾有專家指出,通過嚴(yán)密的計(jì)算，優(yōu)化運(yùn)行方案至少比非優(yōu)化運(yùn)行方案降低20%的能耗。國(guó)外應(yīng)用較廣泛的動(dòng)態(tài)模擬軟件有SPS、TGNET、GREEG、SIMONE、LIC等。

2.2 國(guó)內(nèi)輸氣管道運(yùn)行優(yōu)化

我國(guó)輸氣管道穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)模擬的研究工作始于20世紀(jì)80年代，在建立數(shù)學(xué)模型及模型求解上進(jìn)行了大量的研究。目前我國(guó)應(yīng)用最廣泛的是SPS與TGNET，并取得了一些有實(shí)用價(jià)值的成果。自2000年至今，我國(guó)圍繞陜京、慶哈、川氣東送、西氣東輸?shù)容敋夤艿赖姆桨竷?yōu)化和調(diào)峰研究進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了一定的成果。

3 陜京輸氣系統(tǒng)運(yùn)行方案優(yōu)選

本研究利用SPS建立了陜京二線、三線和地下儲(chǔ)氣庫及其配套管線的模型。以能耗或運(yùn)行成本最低為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，最終得到最優(yōu)的壓縮機(jī)的組合方式和操作壓力。

3.1 陜京輸氣系統(tǒng)SPS模型準(zhǔn)確性

將SPS模擬結(jié)果與管道實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。對(duì)比結(jié)果顯示，陜京二、三線沿線主要站場(chǎng)的壓力、溫度吻合較好，陜京二線主要站場(chǎng)壓力最大誤差0.22MPa，溫度最大誤差-1.76℃，陜京三線主要站場(chǎng)壓力最大誤差0.25MPa，溫度最大誤差1.52℃。全線計(jì)算總功率比現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值低1.03%，可以認(rèn)為在誤差范圍內(nèi)。故基本證明所建模型是比較可靠、準(zhǔn)確的。

3.2 陜京系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方案優(yōu)選

陜京二、三線基本并行敷設(shè)，設(shè)計(jì)管徑、壓力相同，且設(shè)計(jì)輸送能力相近。陜京二、三線既能聯(lián)合運(yùn)行，又能獨(dú)立運(yùn)行、互為備用。為了比較輸氣管道在不同的聯(lián)合運(yùn)行模式下的能耗情況并進(jìn)行方案優(yōu)選，現(xiàn)對(duì)以下三種典型的方案進(jìn)行模擬、比較。

方案一：完全聯(lián)合運(yùn)行工況（圖1）。陜二線的榆林首站主要用于對(duì)長(zhǎng)慶地區(qū)的天然氣進(jìn)行增壓，陜?nèi)€的榆林首站主要用于對(duì)塔里木和中亞的天然氣進(jìn)行增壓。由于二、三線氣源壓力不同，因此榆林首站進(jìn)站分開，出站連通。陽曲、石家莊壓氣站進(jìn)出站均連通，大的分輸節(jié)點(diǎn)安平和永清也連通。

圖1 完全聯(lián)合運(yùn)行

方案二：壓氣站聯(lián)合運(yùn)行工況（圖2）。由于二、三線氣源壓力不同，榆林首站進(jìn)站分開，出站連通。陽曲壓氣站進(jìn)出站連通。由于陜京二線主要負(fù)責(zé)沿途用戶的分輸和北京地區(qū)的供氣，陜京三線主要負(fù)責(zé)冀寧線和永唐秦管道的高壓氣輸送，因此二、三線石家莊壓氣站進(jìn)站連通，但出站分開，安平、永清分輸站均不連通。

圖2 壓氣站聯(lián)合運(yùn)行

方案三：壓氣站獨(dú)立運(yùn)行工況（圖3）。二、三線壓氣站獨(dú)立運(yùn)行，大的分輸節(jié)點(diǎn)安平和永清不進(jìn)行連通?？紤]到陜京管道的供氣原則及分輸量分配，故在榆林首站出站、石家莊進(jìn)站連通，以調(diào)節(jié)兩條管道的輸氣量。

圖3 壓氣站獨(dú)立運(yùn)行

對(duì)這兩條管線在320億m3/a的輸量下的運(yùn)行工況進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行和分開運(yùn)行的方案比選(表1)。在三種運(yùn)行工況中，全線壓縮機(jī)的啟機(jī)方案相同，且出站壓力相等，僅改變了陜京二、三線的聯(lián)合模式。在320億m3/a的輸量下，壓氣站聯(lián)合運(yùn)行方案所需功率最低，該方案可以滿足末站接收壓力的要求，且壓力不至過高而造成能源浪費(fèi)，壓氣站功率最多可減少14.8MW，可以降低管道的年運(yùn)行成本。

3.3 壓縮機(jī)配置方案優(yōu)選

要選出最優(yōu)方案，首先要確定設(shè)計(jì)的方案在技術(shù)上是否可行，是否滿足管道運(yùn)行的約束條件和分輸要求。其次，對(duì)技術(shù)上可行的各擬定方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，從中選出相對(duì)較優(yōu)的方案。

圍繞年輸量250億m3/a和320億m3/a的的工況進(jìn)行研究，每個(gè)工況擬定三種不同的開機(jī)方案。由SPS計(jì)算得到可以保證各分輸站的供氣要求的運(yùn)行方案。在各工況下，北京用戶接收壓力均高于要求的4MPa，并有一定的富裕，既保證了供氣壓力的要求，又保證了管道具有一定的應(yīng)急儲(chǔ)備能力, 可以應(yīng)對(duì)各種緊急狀況。

在運(yùn)行方案可行的基礎(chǔ)上，以能耗最低為目標(biāo)對(duì)各擬定方案進(jìn)行優(yōu)選。

當(dāng)陜京二、三線年輸量為250億m3時(shí)，方案三的壓縮機(jī)計(jì)算總功率最小。此時(shí)陜京二線開啟榆林、陽曲壓氣站，出站壓力分別為9.80MPa、8.14MPa，陜京三線開啟榆林、石家莊站，出站壓力分別為9.80MPa、8.60MPa。方案三比方案一、方案二分別降低4.66MW和13.89MW，節(jié)省了4.24%和11.66%的能耗，故推薦方案三。

表1 陜京系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方案優(yōu)選

當(dāng)陜京二、三線年輸量為320億m3時(shí)，方案二的壓縮機(jī)計(jì)算總功率最小。此時(shí)，除陜京二線石家莊站以外，其它壓氣站全部運(yùn)行，出站壓力均為9.80MPa。由表3可知，方案二比方案一、方案三分別降低2.07MW和37.88MW，節(jié)省了1.09%和16.80%的能耗，故推薦方案二。

方案優(yōu)選結(jié)果見表2、表3。

4 總結(jié)

陜京二、三線管徑、壓力相同，且并行敷設(shè)。在全線壓縮機(jī)設(shè)定條件相同的情況下，采用壓氣站聯(lián)合運(yùn)行方案最多可減少14.8MW的壓氣站軸功率。

在陜京二、三線采取壓氣站聯(lián)合運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，按輸量臺(tái)階對(duì)陜京二、三線進(jìn)行了壓縮機(jī)配置的方案優(yōu)選。結(jié)果表明，在低輸量下最多可減少11.66%的能耗，在高輸量下最多可減少16.8%的能耗。

表2 陜京系統(tǒng)年輸量250億m3的運(yùn)行方案優(yōu)選

表3 陜京系統(tǒng)年輸量320億m3的運(yùn)行方案優(yōu)選

[1]楊毅,呂曉華,魏凱,陳鵬,許玉磊.輸氣管道的典型瞬態(tài)工況分析[J].天然氣工業(yè),2011(07).

[2] 李方圓.川氣東送管道工程優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)研究[D].中國(guó)石油大學(xué),2009.

[3] 周英,陳鳳,孫在蓉. 陜京輸氣系統(tǒng)整合優(yōu)化[J]. 天然氣與石油,2011(01).

[4] WuS.Steady-State Simulation and Fuel Cost Minimization of Gas Pipeline Networks[D].Ph.D.Dissertation Abstract,Dept.of Mathematics,U.of Houston,1998.

[5] 苗承武,劉賀群.天然氣管道輸送的經(jīng)濟(jì)性[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),1999(02).

[6] 王勐. 西氣東輸儲(chǔ)氣庫調(diào)峰技術(shù)研究[D]. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）2007.

[7] 曹洪偉.天然氣集輸管道調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行研究[D].大慶石油學(xué)院,2009.

[8] 劉振方,唐善華,魏凱,趙小川.天然氣管道合理管存方法的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2009(09).

[9] 李彤民,吳長(zhǎng)春,梁江.動(dòng)態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),1999(04).

[10] 吳長(zhǎng)春.輸氣管道動(dòng)態(tài)模擬的理論基礎(chǔ)[M].石油大學(xué),2003.

[11] 姚光鎮(zhèn).輸氣管道設(shè)計(jì)與管理[M].石油大學(xué)出版社,1991.

[12] 左麗麗,鄭宏偉.初始條件對(duì)輸氣管道動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的影響分析[J]. 上海煤氣,2008(02).