管網仿真技術在燃氣輸配中的應用

重慶市川東燃氣工程設計研究院深圳分院 518033

摘要：目前我國燃氣輸配中管網規模在不斷的擴大，種類日益增加，燃氣負荷不斷飚升，管網的安全運營和優化運營對于城市燃氣企業而言有著十分重要的意義。本文主要以北京為例，對燃氣市場的供應形勢與特點進行了簡單的介紹，同時對管網仿真技術中氣源追蹤、組分追蹤的實際運用進行了詳細分析，旨在探討管網仿真技術在職能燃氣時代的使用。

關鍵詞：管網仿真技術；燃氣輸配；應用

城市燃氣在人們的生活中是不可或缺的重要組成部分，燃氣管網作為城市能源運行的生命線，直接關系到了人們群眾以及整個城市的安全。城市燃氣事業發展的前提是保證燃氣管網能夠安全運營，這是燃氣企業運營的基本。五十多年來，北京燃氣依然秉持著“安全是魂，預防為先”的理念作為城市燃氣發展的指導思想，以及企業安全管理的準則，并在多年的經營過程中整理出一套有效的安全管理模式。本文主要是針對燃氣管網安全管理中仿真預測技術進行解析。

一、北京市燃氣用量逐年攀升

隨著經濟發展步伐的不斷提升，北京人們生活水平得到了大幅度的提升，因此北京天然氣需求逐漸增加，次年平均年增長率為19%。2012年我國北京燃氣集團用氣量高達84億立方米，天然氣的消耗在北京市能源消費結構比例中的7.0%增加到了13.4%。初步預測，北京市在2015年，其天然氣用氣總量將會達到180億立方米，高峰日用氣量將超過1億立方米； 到2020年，天然氣用氣總量會持續增長，其用氣總量為280億立方米，而冬季高峰日用氣量將達到2億立方米。

站在用戶結構的角度來看，北京市傳統的燃氣用戶主要分為采暖、炊事用氣兩個部分，而隨著時間的增長，科技的發展，已經發展到目前以采暖、發電、炊事為主，向出售、天然氣汽車、三聯供拓展的局面。為了治理好PM2.5，北京市燃氣集團以四大熱電中心、鍋爐煤改氣等大型集中負荷為依托，結合新城和重點園區規劃，發展較為集中的分布負荷，促進能源清潔轉型，為建設綠色北京做好清潔能源供應。

目前，北京市燃氣管網一共有7座城市門站，670余座調壓站，14500余座調壓箱，管網的長度為140000多公里，將延慶之外的全部市區覆蓋。到了“十二五”末期，北京市將形成“三種氣源、六條通道、兩大環線、九座門站、六種級制”的多源、多向、多級燃氣供應接收體系（見圖1）。

二、管網仿真預測技術支撐安全運營

1氣源追蹤

氣源追蹤技術主要通過動態監測不同氣源在管網內的分部情況以及流向，對管網內混氣區的變化以及壓力、氣質狀況等進行實時控制。由于在兩個氣源的交界面附近會發生“壓力零點”（壓力低點）的情況，因此我們能夠通過使用氣源追蹤的方式對壓力零點的“漂移”情況進行關注，同時保證有效控制“壓力零點”的運行狀態。 （見圖2，小同顏色代表小同的氣源來向，灰色代表兩個氣源的混氣區）。

2氣質組分追蹤

氣質組分追蹤的主要功能在于通過利用氣源點色譜儀，實時動態跟蹤，同時對管網中部分敏感或者是重要站點的組分、氣質變化等情況進行全面分析及掌握，此外還能了解某些組分在一定條件下造成天然氣析出或凍堵現象，提前做好防范措施，避免問題的發生。

3管網超壓、欠壓分析

管網超壓、欠壓的主要功能是對各個節點的壓力情況進行分析，同時對管網中超壓或者欠壓的管線進行彩色定位，并對管網中的壓力異常區域進行實時控制，保證各類運行風險能夠得到有效的控制。見圖3。

三、應用仿真預測技術的必要性

（一）天然氣峰谷比較大，管網安全調度難度提高

北京市的冬夏氣候存在較大的差異，因此導致天然氣需求波動幅度增加。2012年北京市天然氣用量達92億方（含燕化約3.5億方），比2011年（76億方）增加約16億方，增幅21%天然氣消費量位居全國各大城市之首。2012年北京市天然氣日峰值已經高達6423萬方，峰谷比達16 ： 1，進一步增加了用氣峰谷差，同時也為管網規劃、氣量計劃以及管網安全調度工作帶來了較大的壓力。

（二）大管網、大氣量、多氣源、大用戶等趨勢加大管網安全運營難度

根據“十二五”燃氣規劃，北京市燃氣管網要形成以六環路以內作為燃氣中心，并向遠郊區縣輻射的供氣格局，并將城市門站增加到17個。目前我國天然氣源的種類在不斷的增加，其中主要有長慶氣田、新疆塔里木氣、中亞氣、大唐清潔煤制氣以及未來可能的非傳統天然氣（頁巖氣和煤層氣），都可能成為城市輸配管網氣源的一部分。由于大型熱電中心、分布式能源等大負荷用氣，對天然氣運行的安全穩定性提出了更高的要求，同時燃氣機組啟停時負荷變化對于燃氣管網造成了沖擊在一定程度上增加了燃氣管網安全運行的難度。

管網仿真技術采用了SCADA系統、GIS系統（地理信息系統），能夠為管網管理熱源提供可視化的管網前景預測，對于出現的問題能夠及時解決，保證各種運行風險處于可控狀態。管網仿真技術對于燃氣輸配運行無疑是至關重要的，如果沒有此項技術，那么就像是在一個龐大陌生的城市不適用GPS技術，駕駛員會感到迷茫無力。

四、管網仿真技術提升安全管理水平

（一）增強燃氣管網規劃手段，確保管網規劃與實際運行相吻合

城市管網規劃設計中常用的手段有管網仿真技術，該技術一方面能夠有效降低投入成本，另一方面還能過保證管網的規劃能夠滿足未來用戶發展的需求，從而有效實現安全穩定的供應。

2003年以前，北京市燃氣管網進行規劃設計時使用了長輸管道的仿真技術，這里值得注意的是雖然同為燃氣輸送管道，但是城鎮燃氣管網與長輸管網在運行特點上存在一定的區別，兩者的區別在于：城鎮燃氣管網多氣源、管網密布同時環環相扣，壓力級別較多，同時城鎮管網通過分部在人口密集的地區，且調度運行要求較高；而長輸管道氣源單一，一條主干線上運行，主要分部在人員稀少的區域；因此，隨著管網復雜程度的不斷提高，長輸管網仿真技術已經無法滿足城市燃氣管網的規劃需求；此外想要通過管網規劃建設對實際管網工況進行優化，可以采用基于實際管網狀態的工況仿真系統。

（二）仿真預測技術提升“安全調度、優化調度”管理水平

管網仿真技術能夠將調度運行由傳統的“經驗管理”轉變為“科技管理”，不僅有效的降低了經驗不足帶來的調度安全隱患，還能過幫助管理人員在短時間內掌握管網的運行特點以及調度方式，提高管網工況的合理性，安全性。此外，管網仿真技術能夠增加管網工況的預見性以及分析性，并針對運行中存在的不安全因素進行預判并采取有效的方式解決。

圖5展示了某時段燃氣管網的管存變化情況預測：管存變化能夠讓管理人員更加清楚的了解管網的可用管存變化的實際情況，同時為管網設備的維修、檢測等工作把好“時間關”，從根本上保證管網的安全性，同時進一步將作業帶來的氣量損失降到最低。

結論

管網仿真模擬技術已成為當今大型城市復雜燃氣供應系統中必不可少的技術手段，北京燃氣的管網仿真技術已走在國內前列，但由于受管網監控安裝數量的影響，目前只能為調度運行提供依據和參考。隨著智能化燃氣管網的發展、管網監控覆蓋率的進一步提高，仿真系統將在泄露實時預警、工況自行調配、工況實時預測等方而發揮更大的作用，成為實際調度運行的依據，成為調度人員必備的上崗技能，并在未來多變的供應形勢下發揮更加重要的作用。

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