極限工況下的管網“互聯互通”改進方案

陳利瓊 高茂萍 王力勇 劉思良張廷廷 吳 霞 藍浩杰 郭少鋒

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院 2.中國石化天然氣榆濟管道分公司

0 引言

隨著西氣東輸管道系統、陜京天然氣管道系統、川氣東送管道系統等的相繼投產，國家基礎干道天然氣管網系統基本形成；而天然氣進口方面有在建的中亞D線和已完工的中俄東線天然氣管道、中緬油氣管道和東南沿海10余座LNG接收站；再加上京津冀、長三角和珠三角等重點區域天然氣管網的建設與投產，全國天然氣管道“主干互聯、區域成網”的基礎格局逐漸形成[1-2]。“十三五”能源發展計劃明確指出，2020年中國的非石化能源和天然氣消費量占比將超過能源消費總量的68%，可見即使當前天然氣管道建設進程加快，輸送任務卻并不會因此減輕[3]。2019年底，國有資本控股、投資主體多元化的國家石油天然氣管網集團有限公司（以下簡稱管網公司）已經正式掛牌成立[4]。在輸氣管網“互聯互通”的大背景下，中石油已完成相關工程20余項，中石化和中海油也有不小進展[5]。但所謂“互聯互通”并不僅僅是各輸氣干線的相互連接，而是希望通過此種方式實現輸氣通道多元化，提升國內天然氣串換調峰能力[6]。但大多干線在建設之初并沒有考慮到要滿足當下“互聯互通”的需求，所設計的管徑、站場規模和設備載荷等可能難以完成部分多管輸氣串換的工況。

在“互聯互通”背景下，隨著各輸氣干線的相互連接，管網規模逐日擴大，管道分支和氣源增加且分布不集中、輸送方向可變。這使得輸氣方案更加靈活，可以更好地解決某些地域的供氣問題。但是，各輸氣干線現有的站場及設備配置可能不允許完成一些極限工況，使得“互聯互通”的初衷難以實現。為了使得現有各輸氣干線在相互聯通之后，可以完成更多的多線組合工況，需要對其組合的某些極限工況進行分析研究。本文在分析“互聯互通”背景下M管網發生的工況變化之后，專門開發了對應的軟件進行M管網水力仿真和壓氣站方案制訂，經驗證軟件計算誤差滿足要求；然后列舉了3種極限工況，并對每種工況下的不同流量情況進行了試算分析，并針對不同工況分別提出了對應的管網改進建議，使M管網可以完成更多的多線組合工況，去踐行真正互聯互通的輸氣方案；對于M管網生產單位而言，也可以充分利用已敷設的管網實現利潤最大化。

1 “互聯互通”背景下的管網特點

在國內輸氣管道“互聯互通”工程不斷推進的背景下，各管道的運行工況也發生了一些變化，下面以圖1所示的M輸氣管網為例進行具體分析。

M管網歷經圖1-a～d十幾年的發展，輸氣干線管網逐步形成，工況變化主要為：①各輸氣干線相互聯通；②各輸氣干線可選氣源增多；③輸氣干線輸氣方向可變；④同一輸氣干線不同管段的輸氣方向可以不一致。與原來相互獨立開來的輸氣干線相比，以上4點工況變化使得輸氣干線管網輸氣方案更加靈活，在生產任務確定的情況下輸送方案不再唯一，也更好地解決了氣源分布地域不均勻的問題[7-8]。輸氣干線 “互聯互通”帶來好處的同時，也相應增大了生產調控難度[9]，使得不同生產單位之間更難協調配合；更重要的是對于某些特殊的極限工況，管網現有的站場及設備配置可能難以實現，需要對其進行一定的調整改進，以此實現輸氣干線管網的靈活調控。下面列舉了3種極限工況，對M管網在“互聯互通”背景下應該如何改進調整進行了具體研究。

2 管網極限工況研究

2.1 研究基礎

本文所提出的“極限工況”即M管網在（1 000～1 400）×104m3/d（標準條件下，下同）這種輸氣任務較大、單氣源供氣、全線無分輸、輸送距離超過1 000 km的工況；不同管網輸送距離的允許輸氣范圍不一樣，比如西氣東輸三線管道1 400×104m3/d的日輸氣量遠遠達不到其設計流量，而1 000 km的輸送距離也只占其全線距離的1/5，但是對于M管網而言，1 000 km基本代表著從管網一個邊界站場到另一個邊界站場的距離，所以可以看作是極限輸送距離。

為了研究M管網的極限工況，需要針對M管網建立專門的水力仿真模型和壓氣站單站運行方案制訂模型，并開發了對應的軟件；除此之外，還需要給站場及設備給定邊界條件。

2.1.1 軟件開發

開發的軟件中包含了M管網的水力仿真計算模塊、H站及J站的單站運行方案制訂模塊。

基于現行的輸氣管道水力仿真理論[10-13]，開發了M管網的水力計算模塊。

將軟件水力計算模塊所得的計算結果與實際的水力參數進行對比，驗證軟件計算的準確性，結果如圖2所示。

圖1 M管網發展示意圖

圖2 軟件水力計算模塊準確性驗證圖

圖3 軟件壓縮機壓比值計算相對誤差圖

從圖2可以看出，軟件水力仿真的絕對誤差絕對值在0.05 MPa以內，滿足后面研究M管網極限工況的要求。

M管網H站和J站的壓縮機使用已經有一定年限，即使是同一型號的壓縮機在投入生產后因為運行時間不同而性能有所差別[14]，而且也會與壓縮機出廠性能曲線有較大差異[15-16]，所以在編寫軟件時針對每臺壓縮機分別建立了對應的性能計算模型[17-20]，并將模型計算數據與壓縮機實際性能數據進行了對比，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，軟件計算所得的壓縮機壓比值與實際壓比相對誤差在3%以內，滿足后面研究M管網極限工況的要求。在此基礎上，軟件開發了單站壓縮機運行方案制訂模塊。

2.1.2 邊界條件

除了軟件開發外，在進行M管網極限工況研究之前，還需要給定一些初始條件和邊界條件，便于計算。具體為：①各輸氣干線沿線無分輸；②各輸氣站場的進站壓力不小于5 MPa；③H站壓縮機組的最大出口壓力為9.6 MPa，J站壓縮機組的最大出口壓力為10 MPa；④各輸氣干線管道最大允許壓力為10 MPa。基于上述4點前提對M管網進行極限工況研究。

2.2 管網極限工況研究

2.2.1 工況1研究

第1種極限工況為從氣源5經L站進氣向H站供氣，此工況的輸氣方案如圖4所示，目前該管段常用工況為以K站為分界線，輸氣方向皆為向K站輸氣。從圖4可以看出，沿線只有J站一個壓氣站，因為K站與H站之間地形起伏較大，呈上升趨勢，可能會存在氣體動力不足的情況。

圖4 工況1輸氣方案示意圖

對于此種工況的研究，分別取氣源5來氣量為1 000×104m3/d、1 200×104m3/d、1 400×104m3/d的3種情況對此種極限工況進行研究。

當氣源5來氣量為1 000×104m3/d時，運用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進行計算，結果如圖5所示。

圖5 工況1氣源5來氣量為1 000×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖5可知，方案一沒有開啟J站的壓縮機對氣體進行增壓，氣體輸送至H站時壓力降至2.5 MPa，未能達到最低進站壓力為5 MPa的要求，所以方案一不可行；而方案二在J站經增壓后可以順利達到H站，運用軟件的單站優化模塊計算可得J站需開啟壓縮機2臺，轉速分別為7 563 r/min和7 404 r/min。

當氣源5來氣量為1 200×104m3/d時，運用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進行計算，結果如圖6所示。

圖6 工況1氣源5來氣量為1 200×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖6可知，方案一中氣流還未輸到J站壓力就已經降至5 MPa以下了，未達到J站的最低進站壓力要求，所以不可行；方案二中J站若不增壓，氣體流至H站時壓力已經降至5 MPa以下，因此最終選擇方案三，在J站至少增壓至8.6 MPa，氣體流至H站時方可達到最小進站壓力大于5 MPa的要求。

當氣源5來氣量為1 400×104m3/d時，運用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進行計算，結果如圖7所示。

圖7 工況1氣源5來氣量為1 400×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖7可知，當輸氣量為1 400×104m3/d時，此方案暫時不能實現，因為氣源5的來氣即使輸到L站都不能滿足最低進站壓力大于5 MPa的要求，更是難以輸送到H站。目前“氣源5～L站”管段的實際日輸氣量大約為200×104m3/d，水力壓降小于0.5 MPa，但當日輸氣量達到1 400×104m3/d時，由于管線輸氣壓力必須保證不大于10 MPa，即使將氣源5來氣增壓到10 MPa，也不能滿足L站的最低進站壓力。因此該線不能滿足此極限輸送情況，不建議該管段在沿途不分輸的情況下日輸氣量達到1 400×104m3/d。若未來有該種工況的輸氣規劃，可以在氣源5與L站之間增設增壓站或者增大該管段的管徑。

從工況1的研究結果可知，輸氣量為1 000×104m3/d時利用M管網現有站場配置即可完成生產任務；當輸氣量為1 200×104m3/d時需要在站場K安裝壓縮機組才能實現輸送目標；而輸氣量為1 400×104m3/d時利用現有站場難以完成輸送任務，需要在L站與K站之間增設增壓站。因此若未來有工況1的輸氣規劃，M管網需要做如下調整改進：在K站安裝壓縮機組，或者在K站與L站之間增設壓氣站。

2.2.2 工況2研究

第2種極限工況為從氣源5經L站進氣向H站供氣，此工況的輸氣方案如圖8所示，目前該線路常用工況為H站輸往K站，L站輸往K站，L站輸往E站。從圖8中可以看出，沿線只有H站和J站兩個壓氣站，因為自H站輸往K站方向地形高程呈下降趨勢，所以自H站輸往E站是可能出現的工況。

圖8 工況2輸氣方案示意圖

對于此種工況的研究，分別取氣源3來氣量為1 000×104m3/d、1 200×104m3/d、1 400×104m3/d的3種情況對此種極限工況進行研究。

當氣源3來氣量為1 000×104m3/d時，運用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進行計算，結果如圖9所示。

圖9 工況2氣源3來氣量為1 000×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖9可知，方案一沒有開啟J站的壓縮機對氣體進行增壓，氣體輸送至E站時壓力降至3.87 MPa，未能達到最低進站壓力為5 MPa的要求，所以方案一不可行；而方案二在K站經增壓后可以順利達到H站，運用軟件的單站優化模塊計算可得K站需開啟壓縮機2臺，轉速分別為7 746 r/min和7 624 r/min。

當氣源3來氣量為1 200×104m3/d時，運用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進行計算，結果如圖10所示。

圖10 工況2氣源3來氣量為1 200×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖10可知，方案一沒有開啟J站的壓縮機對氣體進行增壓，氣體輸送至E站時壓力降至負壓，未能達到最低進站壓力為5 MPa的要求，所以方案一不可行；而方案二在K站經增壓后可以順利達到H站，運用軟件的單站優化模塊計算可得K站需開啟壓縮機2臺，轉速分別為9 450 r/min和9 252 r/min。與來氣量為1 200×104m3/d的工況差別不大，若未來有此輸送規劃可以在K站安裝壓縮機組。

當氣源5來氣量為1 400×104m3/d時，運用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進行計算，結果如圖11所示。

圖11 工況2氣源5來氣量為1 400×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖11可知，當輸氣量為1 400×104m3/d時，方案一僅開啟H站的壓縮機組不能完成輸送任務；方案二增開了J站的壓縮機組將氣體增壓到10 MPa，氣體仍然不能滿足E站的最小入口壓力；方案三繼續增開K站的壓縮機組，氣體到達E站的入口壓力剛好為5 MPa，方案三H站開啟3臺壓縮機，轉速分別為11 000 r/min、11 050 r/min和11 124 r/min，J站開啟2臺壓縮機，轉速分別為10 596 r/min和10 493 r/min，H站開啟2臺壓縮機，轉速分別為9 450 r/min和9 252 r/min。在該輸氣量任務下，需要在K站安裝壓縮機組才能完成生產任務。

從工況2的研究結果可知，M管網在不增加輸氣站場的前提下可以完成上述3種輸氣量情況，但需要在K站安裝壓縮機組。

2.2.3 工況3研究

第3種極限工況為從氣源1經A站進氣向H站供氣，此工況的輸氣方案如圖12所示。從圖12可以看出，沿線只有J站一個壓氣站，因為自K站輸往H站方向地形高程呈上升趨勢，所以此種工況可能出現管內氣體壓力不足的情況。其中氣源1為一個大型地下儲氣庫，專門應對冬季部分地區氣荒問題。

圖12 工況3輸氣方案示意圖

對于此種工況的研究，僅選取氣源1來氣量為1 000×104m3/d的一種情況對此種極限工況進行研究。

當氣源1來氣量為1 000×104m3/d時，運用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進行計算，結果如圖13所示。

圖13 工況3氣源1輸氣量為1 000×104 m3/d的輸氣方案分析1圖

由圖13可知，方案一氣體輸送至J站時壓力降至負壓，J站無法對氣體增壓，所以方案一不可行；而方案二在K站經增壓后可以順利達到J站，但是該管網現在所采用的壓縮機型號中入口壓力最低需要達到3 MPa，所以方案二因為設備限制原因同樣不可實現。因此只能選擇在氣源1即地下儲氣庫出口處安裝壓縮機組，若選用與J站同樣型號的機組可將氣體壓力升至7 MPa，結果如圖14所示。

圖14 工況3氣源1輸氣量為1 000×104 m3/d的輸氣方案分析2圖

圖14所述方案一氣體輸送至J站時壓力降至3.25 MPa，沒有滿足最小進站壓力要求，所以不可行；方案二在K站增加了壓縮機組，將壓力增加至10 MPa，可以順利將氣體輸送至H站，其中氣源1處開啟2臺與J站同型號的壓縮機，轉速分別為7 436 r/min和7 529 r/min，K站同樣開啟2臺與J站同型號的壓縮機，轉速分別為10 439 r/min和10 396 r/min。

本種工況不再討論1 200×104m3/d和1 400×104m3/d兩種輸氣量情況，因為氣源1至K站管段水力壓降不大，壓降主要在K站至H站管段，而上述方案增壓J站還未開啟，所以更大輸氣量下是可以完成生產任務的。

從工況3的研究結果可知，為了氣源1代表的地下儲氣庫在冬季能真正發揮作用，不需要增設輸氣站場，但在地下儲氣庫出口和K站需要增加壓縮機組。M管網需要做如下調整改進：氣源1處和K站增加壓縮機組。

3 結論

各輸氣干線“互聯互通”之后，工況變化較大，為了實現輸氣干線管網的靈活調控，需要對現有管網進行一定的調整及改進。針對M管網的實際工況，開發了對應軟件，利用軟件計算分析了M管網在3種極限工況下的運行參數，并基于分析結果對M管網提出如下改進建議。

1） K站增加壓縮機組，3種極限工況都有此需求。

2）工況1路線大輸氣量情況下，在K站與L站之間增設壓氣站。

3）工況3在現有站場及壓縮機配置情況下難以實現，需要在氣源1出口處安裝壓縮機組，這樣才能更好發揮氣源1地下儲氣庫的應急調峰作用。

M管網在做了上述改進調整之后，可以完成大部分的多線組合極限工況，使M管網真正可以完成互聯互通的輸氣方案。