天然氣輸氣系統運行方案優選

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

作為綠色能源的焦點，近年來我國輸氣管道建設也進入了快速發展的時期。輸氣管道不斷建設，最終相互連接成網。中石油的主干輸氣管網正初步形成一個多氣源、多用戶的全國性的大型輸氣系統。輸氣管道的工況越來越復雜, 這就給管道安全、平穩、經濟的運行帶來了極大的挑戰。

陜京輸氣系統輸量大、距離長，每年運行的能源消耗龐大。因此，應在保質保量滿足用戶用氣需求的條件下，設法降低輸氣系統的能耗，提高管道運營企業的經濟效益。輸氣系統能耗費用與管道的運行方案密切相關，通過合理選擇聯合運行方案及壓縮機的配置方案可以有效的降低輸氣系統的運行能耗。

1 陜京輸氣系統概況

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

公司的重點耗能設備是壓氣站和儲氣庫的壓縮機組。目前共有62臺壓縮機組，其中燃氣驅動機組共44臺；變頻電機驅動機組共18臺，總裝機容量為64.61萬kW。各壓氣站增壓作業、儲氣庫注氣作業，消耗大量的天然氣和電力，天然氣年消耗量達2億m3，電力年消耗量達11億kWh。

1.1 陜京輸氣管道

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

1.2 地下儲氣庫及配套管道

陜京輸氣系統目前有兩個主要的地下儲氣庫群，分別是大港地下儲氣庫群和華北地下儲氣庫群。大港儲氣庫群設計總有效工作氣量30.3億m3，最大日調峰氣量為3400萬m3。華北儲氣庫群設計總有效工作氣量7.525億m3，最大日調峰氣量為660萬m3。

2 輸氣系統運行優化

輸氣管道的運行優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,使管道運行成本降低。其最優準則通常是指在安全平穩地完成輸氣管道輸送和供應任務的前提下，盡量使得管道的運行能耗最低。

2.1 國外輸氣管道運行優化

早在20世紀60年代，國外就開始了輸氣管道干線的運行優化研究，曾有專家指出,通過嚴密的計算，優化運行方案至少比非優化運行方案降低20%的能耗。國外應用較廣泛的動態模擬軟件有SPS、TGNET、GREEG、SIMONE、LIC等。

2.2 國內輸氣管道運行優化

我國輸氣管道穩態及非穩態模擬的研究工作始于20世紀80年代，在建立數學模型及模型求解上進行了大量的研究。目前我國應用最廣泛的是SPS與TGNET，并取得了一些有實用價值的成果。自2000年至今，我國圍繞陜京、慶哈、川氣東送、西氣東輸等輸氣管道的方案優化和調峰研究進行了大量的研究工作，并取得了一定的成果。

3 陜京輸氣系統運行方案優選

本研究利用SPS建立了陜京二線、三線和地下儲氣庫及其配套管線的模型。以能耗或運行成本最低為目標進行優化計算，最終得到最優的壓縮機的組合方式和操作壓力。

3.1 陜京輸氣系統SPS模型準確性

將SPS模擬結果與管道實際生產數據進行了比較。對比結果顯示，陜京二、三線沿線主要站場的壓力、溫度吻合較好，陜京二線主要站場壓力最大誤差0.22MPa，溫度最大誤差-1.76℃，陜京三線主要站場壓力最大誤差0.25MPa，溫度最大誤差1.52℃。全線計算總功率比現場檢測值低1.03%，可以認為在誤差范圍內。故基本證明所建模型是比較可靠、準確的。

3.2 陜京系統聯合運行方案優選

陜京二、三線基本并行敷設，設計管徑、壓力相同，且設計輸送能力相近。陜京二、三線既能聯合運行，又能獨立運行、互為備用。為了比較輸氣管道在不同的聯合運行模式下的能耗情況并進行方案優選，現對以下三種典型的方案進行模擬、比較。

方案一：完全聯合運行工況（圖1）。陜二線的榆林首站主要用于對長慶地區的天然氣進行增壓，陜三線的榆林首站主要用于對塔里木和中亞的天然氣進行增壓。由于二、三線氣源壓力不同，因此榆林首站進站分開，出站連通。陽曲、石家莊壓氣站進出站均連通，大的分輸節點安平和永清也連通。

圖1 完全聯合運行

方案二：壓氣站聯合運行工況（圖2）。由于二、三線氣源壓力不同，榆林首站進站分開，出站連通。陽曲壓氣站進出站連通。由于陜京二線主要負責沿途用戶的分輸和北京地區的供氣，陜京三線主要負責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 壓氣站聯合運行

方案三：壓氣站獨立運行工況（圖3）。二、三線壓氣站獨立運行，大的分輸節點安平和永清不進行連通。考慮到陜京管道的供氣原則及分輸量分配，故在榆林首站出站、石家莊進站連通，以調節兩條管道的輸氣量。

圖3 壓氣站獨立運行

對這兩條管線在320億m3/a的輸量下的運行工況進行聯合運行和分開運行的方案比選(表1)。在三種運行工況中，全線壓縮機的啟機方案相同，且出站壓力相等，僅改變了陜京二、三線的聯合模式。在320億m3/a的輸量下，壓氣站聯合運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，壓氣站功率最多可減少14.8MW，可以降低管道的年運行成本。

3.3 壓縮機配置方案優選

要選出最優方案，首先要確定設計的方案在技術上是否可行，是否滿足管道運行的約束條件和分輸要求。其次，對技術上可行的各擬定方案進行經濟評價，從中選出相對較優的方案。

圍繞年輸量250億m3/a和320億m3/a的的工況進行研究，每個工況擬定三種不同的開機方案。由SPS計算得到可以保證各分輸站的供氣要求的運行方案。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急儲備能力, 可以應對各種緊急狀況。

在運行方案可行的基礎上，以能耗最低為目標對各擬定方案進行優選。

當陜京二、三線年輸量為250億m3時，方案三的壓縮機計算總功率最小。此時陜京二線開啟榆林、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，節省了4.24%和11.66%的能耗，故推薦方案三。

表1 陜京系統聯合運行方案優選

當陜京二、三線年輸量為320億m3時，方案二的壓縮機計算總功率最小。此時，除陜京二線石家莊站以外，其它壓氣站全部運行，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，節省了1.09%和16.80%的能耗，故推薦方案二。

方案優選結果見表2、表3。

4 總結

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

在陜京二、三線采取壓氣站聯合運行模式的基礎上，按輸量臺階對陜京二、三線進行了壓縮機配置的方案優選。結果表明，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 陜京系統年輸量250億m3的運行方案優選

表3 陜京系統年輸量320億m3的運行方案優選

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