丁媛 戴征宇 吳慶江 鄭會

（1.中國石油北京天然氣管道有限公司；2.中國石油天然氣集團公司）

1 現(xiàn)狀

自二十世紀八十年代，我國輸氣管道建設進入了快速發(fā)展時期，我國先后在東北、華北和西北建設了較大規(guī)模的輸氣管道，主干輸氣管網初步形成一個多氣源、多用戶的全國性的大型輸氣管道，天然氣管道建設技術和管理水平飛速發(fā)展。陜京輸氣管道輸量大、距離長，該管道的建成極大地推動了我國天然氣管道的發(fā)展。但經過長期運行，早期建成的管道出現(xiàn)了輸送效率下降、輸送能耗增加等問題，每年運行成本龐大。在保障用戶用氣需求的條件下，陜京管道通過合理運行優(yōu)化和用電成本控制的手段有效降低了輸氣管道的運行能耗和運行成本[1]。

陜京輸氣管道是我國第一條具有管道、壓氣站和地下儲氣庫完善配套的長距離高壓輸氣管道系統(tǒng)，沿線共有9座壓氣站，配有2座儲氣庫群[2]。陜京管道干線由陜京一線、陜京二線、陜京三線、陜京四線組成，設計能力為600×108m3/a，目前已形成能力500×108m3/a，途經陜西、內蒙古、山西、河北、北京、天津4省2市。目前陜京輸氣管道實現(xiàn)了管道間的物理連接，方便輸氣管道間天然氣調配。其重點用能設備是壓縮機組，總裝機容量64.6×104kW，其中燃驅機組裝機容量29.9×104kW，電驅機組裝機容量34.7×104kW。壓縮機的增壓作業(yè)消耗大量的天然氣和電力，天然氣年消耗量近2×108m3，電力年消耗量約12×108kWh。

陜京輸氣管道分別建有大港、華北2個地下儲氣庫群，現(xiàn)有9座季節(jié)性調峰儲氣庫，最大調峰能力3200×104m3/d。其中，大港儲氣庫群最大日調峰氣量為3400×104m3，華北儲氣庫群最大日調峰氣量為 660×104m3。

2 輸氣管道運行優(yōu)化

輸氣管道優(yōu)化運行是降低輸送成本的重要手段。輸氣管道運行優(yōu)化首先要考慮的是安全問題，只有在安全平穩(wěn)完成輸氣任務的前提下，才能優(yōu)化。在設定了安全限制后，可以得到確保管道安全運行的可行方案集合，在此集合內以能耗或運行成本最低為目標進行選擇。多條管道聯(lián)合運行時，除了安全約束以外，還需要考慮管道之間的平衡。

2.1 國外輸氣管道運行優(yōu)化

早在二十世紀六十年代，國外就開始了輸氣管道干線的運行優(yōu)化研究，并開發(fā)出輸氣管網動態(tài)模擬的商業(yè)軟件，例如SPS、TGNET、GREEG、SIMONE、LIC等[3]。經驗表明，優(yōu)化運行方案相比非優(yōu)化運行方案的運行能耗有不同程度的降低。國外已有管道運行優(yōu)化的實例。例如，1994年加拿大NOVA公司利用自行研制的軟件對其擁有的部分輸氣管網進行了穩(wěn)態(tài)運行方案優(yōu)化，使該管網的運行能耗下降了18%。1997年，CCT對運行方案進行了優(yōu)化，減少了約13%的燃料消耗。

2.2 國內輸氣管道運行優(yōu)化

我國輸氣管道穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)模擬的研究工作始于二十世紀八十年代。2002年，中國石油大學（北京）研發(fā)了西氣東輸?shù)姆€(wěn)態(tài)優(yōu)化運行軟件WEGPOPT[4]，中國石油大學（華東）開發(fā)了天然氣管道的動態(tài)模擬軟件GasPipe。同時，我國也陸續(xù)引進了一些主流的輸氣管道模擬軟件，例如SPS、TGNET等。自2000年至今，我國圍繞西氣東輸、川氣東送、陜京、慶哈等輸氣管道進行了大量模擬研究工作[5]。

3 陜京輸氣管道運行方案優(yōu)選

運行優(yōu)選指根據管道輸送條件、壓縮機運行可行域等條件，以能耗或運行成本最低為目標進行模擬計算，得到所需的管道聯(lián)合運行方式、壓縮機配置方式和操作壓力。

3.1 SPS模型準確性

陜京輸氣系統(tǒng)的SPS模型的建立是以現(xiàn)場數(shù)據和設計資料為基礎的。該管道模型在不影響輸氣系統(tǒng)沿線的水力、熱力計算結果的前提下，對各站的工藝流程進行了簡化，既保留了輸氣系統(tǒng)的各種功能，又提高了軟件的運算速度。經SPS模擬結果與管道生產數(shù)據進行比較，陜京二、三線主要站場的壓力、溫度及能耗的計算結果與實際情況吻合較好，站場壓力最大絕對誤差0.25 MPa，溫度最大絕對誤差1.76℃，功率最大絕對誤差1.44%，所建模型比較可靠、準確。

3.2 聯(lián)合運行方案優(yōu)選

陜京二、三線設計輸量320×108m3/a，基本并行鋪設，在沿線的3座壓氣站設計聯(lián)合增壓流程，并在多個閥室設計連通流程，可通過切換以上位置流程，實現(xiàn)陜京二、三線聯(lián)合運行和獨立運行模式的切換，為優(yōu)化管道聯(lián)合運行方式及壓縮機配置方案提供了較大空間。根據320×108m3/a的均月均日的數(shù)據，對這2條管道做聯(lián)合運行和分開運行的方案比選。

方案一是完全聯(lián)合運行（圖1）。榆林站進站分開，榆林站出站、陽曲站進出站、石家莊站進出站、安平站、永清站進行聯(lián)合。陜二線榆林站主要用于對低壓來氣進行增壓，陜三線榆林站主要用于對中高壓來氣進行增壓。

圖1 完全聯(lián)合運行

方案二是壓氣站聯(lián)合運行（圖2）。榆林站進站分開，出站連通。陽曲站進出站聯(lián)合運行。陜京二、三線石家莊壓氣站進站連通，但出站分開。陜京二線主要承擔沿途用戶和北京地區(qū)的供氣任務，陜京三線主要負責冀寧線和永唐秦管道的高壓氣輸送。

方案三是壓氣站獨立運行（圖3）。榆林站出站聯(lián)合運行，安平和永清獨立運行。由于陜京管道的供氣原則及輸量分配，2條管道輸量分別為180×108m3/a和140×108m3/a，輸量大的管道在榆林—陽曲段所需功率超出裝機功率，因此需要在石家莊進站聯(lián)通以調節(jié)2條管道的輸量。

對以上3種運行方案模擬時（表1），陜京二、三線的聯(lián)合方式是唯一變量，氣源壓力、流量、壓縮機運行配置、出站壓力等參數(shù)設定均相同。通過表1可以看出，完全聯(lián)合運行時，北京末站壓力過高，需要經節(jié)流降壓后分輸給下游用戶，會造成能源浪費。壓氣站聯(lián)合運行時功率最低，北京末站壓力不至過高，并且可以滿足末站分輸壓力的要求，節(jié)約了管道運行成本。

3.3 壓縮機配置方案優(yōu)選

在壓氣站聯(lián)合運行的基礎上，圍繞不同輸量臺階進行研究，以能耗最低為目標對壓縮機的組合方式及出站壓力進行比選，每個輸量下擬定3種不同的開機方案，方案比選情況見表2。運行工況應滿足各分輸站的供氣要求，其中北京末站接收壓力應高于4 MPa，使管道在保障平穩(wěn)供氣的同時又具有一定的應急儲備能力。

表1 聯(lián)合運行方案優(yōu)選

表2 壓縮機配置方案優(yōu)選

隨著管道輸量的增加，沿線壓氣站啟機進行增壓作業(yè)，管道能源消耗和運行成本增加。陜京二、三線沿線壓氣站數(shù)目多、機組配置方式多，這就極大的增加了其運行優(yōu)化的難度，但同時也為運行優(yōu)選提供了更大的空間。當年輸量為220×108m3，優(yōu)化運行最多可減少能耗5.3%；當年輸量為250×108m3，最多可減少能耗11.66%；當年輸量為320×108m3，最多可減少能耗16.81%。

4 運行成本

優(yōu)化運行有效降低了管道的天然氣和電力消耗，在此基礎上合理控制能耗成本，可以進一步提高管道運行的經濟效益。管道自耗氣價格為統(tǒng)一定價，沒有調節(jié)的空間。但用電市場相關政策的頒布，為輸氣管道的電力成本控制提供了機遇。

在國家的環(huán)保政策影響下，陜京管道興建了大量的電驅站場，用電成本占能源消耗成本的67.1%，占主營業(yè)務成本的20%。隨著天然氣產業(yè)的快速發(fā)展，近年來陜京管道處于快速發(fā)展期，電力消耗量大、費用支出高，因此設法降低輸氣管道的電力成本，對提高管道運營經濟效益具有重要意義。

陜京管道的電驅壓縮機站場均為大工業(yè)用電類別，用電成本分為基礎電費、電度電費和力調電費3部分?；倦娰M按照變壓器的容量或變壓器的最大需量收取，一旦變壓器投入使用，無論使用與否都將收取該項費用。電度電費是站場真實電量消耗與單位電價的乘積，通過優(yōu)化運行可以有效降低電度電費。力調電費主要用于站場功率因數(shù)考核的獎懲，陜京管道站場設計時考慮了足量的無功補償裝置，大部分站場可以得到獎勵電費。

輸氣管道的壓縮機組基本都配有備用機組，因此基本電費選取最大需量計價方式可以有效控制電力成本。根據供電部門關于最大需量的規(guī)定，最大需量不得低于全站變壓器總容量的40%，最大需量計價方式收取的基本電費單價是最大容量計價方式收取單價的1.5倍。對于電驅站場，一般是雙回路供電，陜京管道將最大需量選取為40%，可以滿足機組的負荷要求。陜京管道先后調整了5個站場的基本電費計價方式，年節(jié)約電力成本4 050.16萬元，管道基本電費情況見表3。

表3 管道基本電費情況 萬元

5 結論

1）陜京二、三線相互連通形成復管系統(tǒng)，可相互調配輸量，在全線壓縮機設定條件相同的情況下，采用壓氣站聯(lián)合運行方式時運行能耗最低。經計算在設計工況下，壓氣站聯(lián)合運行方式相比完全聯(lián)合方式和壓氣站獨立運行方式分別可節(jié)約功率14.81 MW和3.04 MW，分別可降低運行能耗7.90%和1.62%。

2）在壓氣站聯(lián)合運行的基礎上，按輸量臺階進行壓縮機配置的運行優(yōu)化。結果表明，在低輸量下最多可減少5.3%的運行能耗，在高輸量下最多可減少16.8%的運行能耗，優(yōu)化運行可有效控制管道運行的天然氣和電力消耗。

3）電力成本是輸氣管道運行成本的主要組成部分。近年來電力市場化改革進程加快，頒布了一系列用電成本控制相關政策，為輸氣管道企業(yè)在用電成本控制方面提供了新的機遇，陜京管道合理選取基本電費的計價方式，大幅降低用電成本，年節(jié)約費用4 050.16萬元，提高了管道運營的經濟效益。

[1]李方圓.川氣東送管道工程優(yōu)化運行技術研究[D].北京：中國石油大學，2009.

[2]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，2011，29（1）：5-8.

[3]苗承武，劉賀群.天然氣管道輸送的經濟性[J].石油規(guī)劃設計，1999（2）：1-3.

[4]王勐.西氣東輸儲氣庫調峰技術研究[D].北京：中國石油大學，2007.

[5]曹洪偉.天然氣集輸管道調峰優(yōu)化運行研究[D].大慶：大慶石油學院，2009.