長輸天然氣管道壓氣站運行分析

中國石油北京油氣調(diào)控中心

目前，我國天然氣主干管道已達6.4×104km，已建成西氣東輸管道、川氣東送管道、陜京管道和中緬中貴管道等多個大型天然氣輸送管道，聯(lián)絡(luò)線、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)不斷完善[1-3]。天然氣能夠安全平穩(wěn)地從上游輸送到下游，管道壓氣站的調(diào)控運行極為重要[4-6]。做好天然氣管道壓氣站的調(diào)控運行工作首先要解讀天然氣管道的壓力坡降圖，其次要關(guān)注壓氣站機組的運行方式[7-8]。壓氣站機組的運行方式一般根據(jù)實際運行經(jīng)驗及仿真模擬綜合確定。本文對實際天然氣管道運行時的多種工況進行詳細(xì)的分析，找出每種工況的運行規(guī)律及特點，并提出相應(yīng)的建議，為長輸天然氣管道調(diào)控運行提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 平穩(wěn)工況

平穩(wěn)工況即天然氣管線進出平衡（管線的進氣量等于出氣量，出氣量又等于銷售量與轉(zhuǎn)供量之和）。各壓氣站進出站壓力基本維持不變，整體管線壓力也基本平穩(wěn)，波動不大。平穩(wěn)工況在實際應(yīng)用中一般有兩種情況。

1.1 管線出氣量主要分布在下游

如圖1所示，假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa，氣源壓力8.5 MPa，A、B、C、D 站均為壓氣站，E站為輸氣末站，其進站壓力不得低于5.0 MPa。A、B、C、D 站進站壓力6.5 MPa，出站壓力9.5 MPa；E 站進站壓力5.5 MPa。在上述工況下，天然氣經(jīng)各壓氣站壓縮保持較高的壓力，保證下游用戶的正常用氣。這種壓力坡降圖是大部分天然氣管道所具有的特性，長輸天然氣管道的壓力坡降圖中起始點壓力為天然氣管道氣源的進氣壓力，豎直線代表壓氣站所提升的壓力，斜線為壓縮天然氣沿管線流動的壓力損失情況。

圖1 管線出氣量主要分布在下游工況Fig.1 Condition of gas output mainly distributed in the downstream of the pipeline

1.2 管線中游有分出的轉(zhuǎn)供量且銷氣量分布在管線下游

如圖2所示，假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa，氣源壓力8.0 MPa，A、B、C、D、E、F 站均為壓氣站，G站為輸氣末站，其進站壓力不得低于5.0 MPa。A、B、C 站進站壓力6.5 MPa，出站壓力9.5 MPa；D、E、F 站進站壓力6 MPa，出站壓力9 MPa；G 站進站壓力5.8 MPa。上述工況中，C 站與D 站之間有明顯的壓力降，此狀態(tài)表示為在C 站有一部分氣量沒有流向管線下游，而是轉(zhuǎn)出至別的管道，所以會有明顯的壓力下降趨勢。這種情況在當(dāng)前天然氣管道連接成網(wǎng)的情況下也頗為常見，這是因為經(jīng)常存在大管道向其支線或小管道轉(zhuǎn)供的情況。

圖2 管道中游有轉(zhuǎn)供量且銷氣量分布在下游工況Fig.2 Condition of transfer capacity in the middle and the sales volume in the downstream of the pipeline

2 啟機工況

啟機工況主要是指管線下游壓力不夠，需要增啟機組或增加壓氣站來維持下游管線壓力。啟機工況多發(fā)生在管線進氣量小于出氣量的情況。

2.1 壓氣站增啟機組

如圖3所示，假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa，氣源壓力8.0 MPa，A、B、C、D 站均為壓氣站，E站為輸氣末站，其進站壓力不得低于5.0 MPa。A、B 站進站壓力6.5 MPa，出站壓力9.5 MPa；C 站進站壓力7.2 MPa，出站壓力9.0 MPa；D 站進站壓力6.3 MPa，出站9.2 MPa；E 站進站壓力5.0 MPa。上述工況中，A、B、D 站進出口壓力差值較大，C 站進出口壓力的差值相比其他站減小很多，末站E 站壓力較低。產(chǎn)生這種情況的原因是C 站雖然也有機組運行，但啟動的機組較少，無法達到需要的出口壓力，進而導(dǎo)致下游壓力達不到要求。因此，需要C 站增啟機組來滿足此輸量情況下的管線增壓。

圖3 壓氣站增啟機組工況Fig,3 Condition of adding unit in compressor station

2.2 增啟1 個壓氣站

如圖4所示，假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa，氣源壓力8.0 MPa，A、B、C、D、E、F 站均為壓氣站，G站為輸氣末站，其進站壓力不得低于4.0 MPa。A、B 站進站壓力6.5 MPa，出站壓力9.0 MPa；C 站進站壓力6.7 MPa，出站壓力9.7 MPa；D 站未啟機；E 站進站壓力5.5 MPa，出站壓力8 MPa；F 站進站壓力5 MPa，出站壓力7 MPa；G 站進站壓力4.5 MPa。上述工況中，C 站出站壓力已經(jīng)接近最高壓力，E 站、F 站進站壓力仍較低，導(dǎo)致G 站越來越趨于最低壓力。這說明在C 站和E 站之間，氣體流量大、流動摩阻大，需要增啟D 站機組，增加下游壓力來補充部分的流動摩阻損失。

圖4 增啟1 個壓氣站工況Fig.4 Condition of adding a compressor station

2.3 增啟多個壓氣站

如圖5所示，假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa，氣源壓力8.0 MPa，A、B、C、D、E 站均為壓氣站，G站為輸氣末站，其進站壓力不得低于4.0 MPa。A站進站壓力6.5 MPa，出站壓力9.5 MPa；C 站進站壓力6 MPa，出站壓力9 MPa；E站進站壓力5.5 MPa，出站壓力8.5 MPa；B、D 站未啟機；G 站進站壓力4.4 MPa。上述工況中，A、C、E 站壓縮機組已達最大轉(zhuǎn)速，但進、出站壓力仍很低，管線整體處于輸量大且壓力低的狀態(tài)。此情況表明管線所啟的壓氣站明顯不夠，需增啟B、D 站的壓縮機組，來滿足管線輸量和壓力的要求。

圖5 增啟多個壓氣站工況Fig.5 Condition of adding multiple compressor stations

3 停機工況

停機工況主要是指壓氣站出站壓力太高且一直保持快速上漲趨勢，必須停止機組運行。停機工況多發(fā)生在管線進氣量大于出氣量的情況。

3.1 單個壓氣站停運機組

如圖6所示，假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa，氣源壓力8.0 MPa，A、B、C、D、E 站均為壓氣站，F(xiàn) 站為輸氣末站，其進站壓力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站進站壓力6.5 MPa，出站壓力9.2 MPa；D 站進站壓力7 MPa，出站壓力9.5 MPa；E 站進站壓力7.5 MPa，出站壓力9.85 MPa；F 站進站壓力8 MPa。上述工況中，E 站機組在最低轉(zhuǎn)速，出站壓力已經(jīng)接近設(shè)計壓力，且仍處于上漲趨勢。因此應(yīng)及時采取措施，停運E 站1 臺或多臺機組，或者停運D 站的1 臺或多臺機組來緩解E 站的運行壓力。同時相應(yīng)減少上游各站的機組轉(zhuǎn)速，減小輸量，保證安全運行。

圖6 單個壓氣站停運機組工況Fig.6 Condition of unit shutdown in single compressor station

3.2 全線壓氣站均停運機組或全線停運多個壓氣站

如圖7所示，假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa，氣源壓力9.0 MPa，A、B、C、D、E 站均為壓氣站，F(xiàn) 站為輸氣末站，其進站壓力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站進站壓力7.5 MPa，出站壓力9.7 MPa；D 站進站壓力8 MPa，出站壓力9.8 MPa；E 站進站壓力8.2 MPa，出站壓力9.85 MPa；F 站進站壓力8 MPa。上述工況中，全線壓氣站出站壓力均較高，且仍具有上漲趨勢。同時，每個壓氣站的壓力差非常小，且機組處于最低轉(zhuǎn)速。此工況說明該管線不需要啟多機組或壓氣站來維持較小輸量下的運行，因此，可以采取全線各壓氣站各停運1 臺或多臺機組或者間隔停運多個壓氣站運行。這樣操作既能避免管線超壓的風(fēng)險，又可以保證管線的輸氣壓力，并且極大地降低運行成本，達到節(jié)能降耗的效果。

圖7 全線壓氣站均停運機組或全線停運多個壓氣站工況Fig.7 Condition of all compressor stations units shutdown or multiple compressor stations shutdown

4 特殊工況

特殊工況是指不經(jīng)常出現(xiàn)或為了達到某種目的而必須維持的工況。

4.1 管線高管存、壓氣站低壓差、機組低轉(zhuǎn)速

如圖8所示，假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa，氣源壓力9.0 MPa，A、B、C、D、E 站均為壓氣站，F(xiàn) 站為輸氣末站，其進站壓力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站進站壓力7.5 MPa，出站壓力9.7 MPa；D 站進站壓力8 MPa，出站壓力9.8 MPa；E 站進站壓力8.2 MPa，出站壓力9.85 MPa；F 站進站壓力8 MPa。此種情況為管線高管存、壓氣站低壓差、機組低轉(zhuǎn)速的工況。與圖7 所不同的是此工況進出基本平衡，各壓氣站進出站壓力沒有明顯的波動，較為平穩(wěn)。這種工況一般出現(xiàn)在第2 天管線下游銷售量有急劇的增加，需要管線維持高管存狀態(tài)來應(yīng)對，并且假如沒有啟這么多機組，而第2 天銷售增加后再啟機的反應(yīng)時間不夠的情況。

圖8 管線高管存、壓氣站低壓差、機組低轉(zhuǎn)速工況Fig.8 Condition of high pipeline storage，low pressure difference of compressor station and low speed of unit

這種工況雖說可以保證高管存來應(yīng)對銷售的急劇增加，但實際運行風(fēng)險較大，需要各壓氣站及調(diào)度人員密切關(guān)注壓力、溫度等參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)機組故障停機，應(yīng)立即重啟機組或啟備用機組。若長時間無法啟機，則會造成上游壓氣站聯(lián)鎖停機的大型事故。

應(yīng)特別注意的是，天然氣銷售早晚不均，晚間銷氣瞬時量相比白天有所減小，需要管線留出一部分空間來充裝減小的氣量，否則也會造成超壓。

類似的工況如圖9 所示，該工況為管存適中、壓氣站高壓差、機組高轉(zhuǎn)速。A、B、C 站進站壓力6.5 MPa，出站壓力9.7 MPa；D 站進站壓力6.7 MPa，出站壓力9.8 MPa；E 站進站壓力6.9 MPa，出站壓力9.85 MPa；F 站進站壓力7 MPa。

圖9 管線管存適中、壓氣站高壓差、機組高轉(zhuǎn)速工況Fig.9 Condition of moderate pipeline storage，high pressure difference of compressor station and high speed of unit

這種工況相比圖8 工況是比較安全的，因為一旦下游機組長時間故障停機，上游壓氣站機組有足夠的空間可以降低轉(zhuǎn)速來應(yīng)對此異常情況。

4.2 管線低管存、壓氣站高壓差、機組高轉(zhuǎn)速

如圖10 所示，假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa，氣源壓力7.0 MPa，A、B、C、D、E 站均為壓氣站，F(xiàn) 站為輸氣末站，其進站壓力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站進站壓力5 MPa，出站壓力8 MPa；D 站進站壓力4.8 MPa，出站壓力7.8 MPa；E 站進站壓力4.5 MPa，出站壓力7.5 MPa；F 站進站壓力4.2 MPa。此種情況為管線低管存、壓氣站高壓差、機組高轉(zhuǎn)速的工況。此工況為氣源壓力低、管線進出平衡，整體管線接近最低管存。這種情況一般是氣源的進氣量剛好滿足銷氣量，但無多余的氣量給管線充壓造成的。

圖10 管線低管存、壓氣站高壓差、機組高轉(zhuǎn)速工況Fig.10 Condition of low pipeline storage，high pressure difference of compressor station and high speed of unit

此種工況實際運行風(fēng)險也比較大，需要各壓氣站及調(diào)度人員密切關(guān)注壓力、溫度等參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)機組故障停機，應(yīng)立即重啟機組或啟備用機組。若長時間無法啟機，則會造成下游壓氣站機組入口壓力達到最低壓力停機值而聯(lián)鎖停機，使得無法保證用戶分輸壓力，造成輸氣中斷的嚴(yán)重事故。

5 壓氣站或機組切換

不管是單個壓氣站切換機組或兩個壓氣站切換，首先遵循的原則是在條件滿足下先啟后停。

5.1 單個壓氣站切換機組

一般壓氣站配置為3+1（該壓氣站有4 臺機組，最大輸量下3 臺啟機，1 臺備用）、2+1（該壓氣站有3 臺機組，最大輸量下2 臺啟機，1 臺備用）或1+1（該壓氣站有2 臺機組，最大輸量下1臺啟機，1 臺備用），且大部分站場具備機組全部啟運的能力。

當(dāng)該壓氣站因某項作業(yè)需要切換機組時，應(yīng)當(dāng)要求壓氣站先啟備用機組，再停需停機組，將對管線運行的影響降至最低。

5.2 兩個壓氣站切換

下游壓氣站切換至上游壓氣站：應(yīng)該先要求上游壓氣站啟運，啟運成功之后保持低轉(zhuǎn)速運行，再將下游壓氣站停運。因為下游壓氣站停運后，在該下游壓氣站進出站壓力持平之前，上游壓氣站的出口壓力是持續(xù)上升的。所以應(yīng)繼續(xù)觀察上游壓氣站的壓力上漲情況，再相應(yīng)提升機組轉(zhuǎn)速至合適的出站壓力，否則容易造成超壓。

上游壓氣站切換至下游壓氣站：應(yīng)該先要求下游壓氣站啟運，啟運成功之后保持低轉(zhuǎn)速運行，再將上游壓氣站停運。因為上游壓氣站停運后，在該上游壓氣站進出站壓力持平之前，下游壓氣站的入口壓力是持續(xù)下降的。所以應(yīng)繼續(xù)觀察下游壓氣站的壓力下降情況，待下游壓氣站進站壓力有上升趨勢之后，再相應(yīng)提升機組轉(zhuǎn)速至合適的出站壓力，否則容易造成機組入口壓力低而停機。

6 結(jié)論

通過對天然氣管線壓氣站多種運行工況的特點、規(guī)律以及切換過程進行分析得出如下結(jié)論：

（1）長輸天然氣管道壓氣站的調(diào)控運行應(yīng)根據(jù)管道進銷平衡及全線機組運行情況，采取控制轉(zhuǎn)速、啟機、停機等相應(yīng)的調(diào)整措施，保證管道運行安全。

（2）壓氣站或壓縮機組的切換應(yīng)首先遵循先啟后停的原則，并應(yīng)注意上、下游的壓力，合理調(diào)整機組轉(zhuǎn)速，保證切換過程中的運行平穩(wěn)。