我國(guó)“南氣北送”工程的創(chuàng)新技術(shù)體系I-STADIUMS

付子航 劉 方 楊玉霞 馮 亮 黃潔馨

中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心

1 “南氣北送”工程概況

自從2017 年政府工作報(bào)告提出打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”[1]，并作為“大氣十條”[2]的第一階段考核年[3]，“煤改氣”在2017 年加速推進(jìn)[4]。同年進(jìn)入到供暖季后，天然氣實(shí)際供應(yīng)量并未達(dá)到原計(jì)劃水平，中石化天津LNG 接收站未能按如期投產(chǎn)，中亞進(jìn)口管道氣的實(shí)際供氣量比計(jì)劃減量（4 000 ～5 000）×104m3/d， 在供需兩端的雙重壓力下，結(jié)果在2017 年冬季我國(guó)北方地區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模季節(jié)性供氣緊張現(xiàn)象并蔓延至長(zhǎng)江中下游省市[5]。而同期我國(guó)東南沿海地區(qū)“海氣+ LNG”供氣模式形成的“自平衡”區(qū)域性天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系尚有一定的富裕外供能力，經(jīng)評(píng)估并在相關(guān)部門的協(xié)調(diào)推動(dòng)下，國(guó)家快速啟動(dòng)了“南氣北送”工程[6]。

“南氣北送”工程以氣態(tài)管輸?shù)摹澳蠚獗陛敗睘橹鳎瑫r(shí)還包括LNG 液態(tài)形式的“南氣北運(yùn)”，后者包括陸上常規(guī)的LNG 槽車運(yùn)輸、海上初試的罐式集裝箱水運(yùn)，以及更為重要的基于LNG“資源池”的進(jìn)口LNG 資源的南北調(diào)配與互換[7-9]。其中，“南氣北輸”的氣量規(guī)模和社會(huì)影響更大，工程特點(diǎn)更為突出。2017—2020 年，從最初的以中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)海油）為主體逐步發(fā)展為國(guó)內(nèi)三大石油公司全面參與，地理范圍也從以廣東省為基地?cái)U(kuò)大到廣西和我國(guó)中部省份。本文主要討論在“南氣北輸”中占主導(dǎo)地位的中國(guó)海油和廣東基地的情況。

“南氣北送”是在國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)的統(tǒng)籌和直接指揮下實(shí)施的，是我國(guó)天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系建設(shè)[10]的一個(gè)重要組成部分，實(shí)際輸氣量包括置換西氣東輸二線（簡(jiǎn)稱西二線）在廣東省內(nèi)既有用氣量和通過(guò)西二線向北反輸氣量?jī)蓚€(gè)部分。“南氣北送”是我國(guó)首次由作為常規(guī)受入端的省內(nèi)管網(wǎng)向國(guó)家級(jí)主干管網(wǎng)反輸供氣的實(shí)例，主要是基于廣東省內(nèi)的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)的，如圖1 所示。其綜合調(diào)氣能力從2017 年“保供季”的800×104m3/d，快速躍升至2018 年的3 000×104m3/d 和2019 年的4 500×104m3/d。其中，由廣東省管網(wǎng)鰲頭站直接反輸西二線的最高氣量約1 700×104m3/d。此外，從2018 年冬季開(kāi)始，“南氣北運(yùn)”液態(tài)LNG 的范圍擴(kuò)大至浙江、福建、海南、廣西等我國(guó)南方沿海省份。國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱國(guó)家管網(wǎng)公司）成立后，“南氣北送”常態(tài)化為以南方沿海多座LNG 接收站形成的資源調(diào)度和背后的國(guó)際LNG 供應(yīng)鏈、依托整合后的國(guó)家管網(wǎng)公司基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)虛擬的更大規(guī)模的用戶型“代輸”，輻射范圍擴(kuò)大至河北、河南、山西、山東、江蘇、安徽、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、貴州等多個(gè)省區(qū)。

圖1 “南氣北送”廣東省基地的氣源、輸氣管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施布局示意圖

2 “I-STADIUMS”技術(shù)體系構(gòu)建與創(chuàng)新

“南氣北送”工程平穩(wěn)運(yùn)行的前提是保證粵港澳地區(qū)用戶的可靠用氣，包括替代西氣東輸二線廣深支干線在廣東境內(nèi)的合同用戶用氣。該工程的基本思路是實(shí)現(xiàn)廣東省內(nèi)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施一體化及其與國(guó)家級(jí)主干管網(wǎng)互聯(lián)互通，其涉及多個(gè)產(chǎn)權(quán)和運(yùn)行管理權(quán)獨(dú)立的基礎(chǔ)設(shè)施主體，以及其覆蓋和獨(dú)立簽署供氣合同的用戶群，其中也包括香港、澳門的大用戶。這些獨(dú)立用戶在用氣流量、壓力、氣質(zhì)、計(jì)量交接方式、用氣參數(shù)波動(dòng)幅度、穩(wěn)定性及可靠性方面的要求有較大差異。為保障用氣可靠性達(dá)到100%，中國(guó)海油在多年實(shí)踐的基礎(chǔ)上初步形成了獨(dú)具特色、反映深耕南方沿海市場(chǎng)用氣技術(shù)特征的I-STADIUMS管輸技術(shù)體系，具體包括智能化（Intelligence）、小時(shí)調(diào)峰（Peak-Shaving）、組分跟蹤（Quality-Tracking）、混輸調(diào)質(zhì)（Calorific Value Adjusting）、優(yōu)化調(diào)度（Dispatching）、完整性技術(shù)（Integrity Tech）、設(shè)施第三方開(kāi) 放（Unbundling）、能量計(jì)量（Energy Metering）及可靠性保障（Reliability-Safeguard）9 個(gè)針對(duì)性較強(qiáng)的子體系。I-STADIUMS 既包括現(xiàn)有行業(yè)主流技術(shù)的深化應(yīng)用、國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的同步自主轉(zhuǎn)化，也包括完全自主研發(fā)的技術(shù)成果。限于篇幅，對(duì)I-STADIUMS管輸技術(shù)體系簡(jiǎn)介如下。

2.1 I-STADIUMS 技術(shù)體系的結(jié)構(gòu)與組成

I-STADIUMS 管輸技術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示，I-STADIUMS 管輸技術(shù)體系包括9 組技術(shù)項(xiàng)、22 個(gè)技術(shù)細(xì)項(xiàng)。

圖2 I-STADIUMS 管輸技術(shù)體系結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 智能化

I-STADIUMS 管輸技術(shù)體系的總體技術(shù)要求和發(fā)展目標(biāo)是智能化，這也是當(dāng)前管輸行業(yè)的發(fā)展方向[11-12]，在當(dāng)前管輸行業(yè)內(nèi)實(shí)際落地的技術(shù)應(yīng)用主要集中在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行安保、巡檢及“無(wú)人化”場(chǎng)站等領(lǐng)域，在核心的孿生體模型平臺(tái)及其與SCADA、調(diào)度控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)方面尚處于探索階段，在智能或智慧管網(wǎng)領(lǐng)域仍以概念構(gòu)想、技術(shù)路線設(shè)想為主，國(guó)際上也沒(méi)有統(tǒng)一的定義或可信的技術(shù)案例。

在“南氣北送”工程，基于現(xiàn)有技術(shù)前沿進(jìn)展，以水力仿真和自動(dòng)控制優(yōu)化為結(jié)合點(diǎn)開(kāi)展了積極探索，主要包括以下4 個(gè)方面：①珠海—中山管道（簡(jiǎn)稱廣東管道）連接番禺海氣登陸終端的橫琴首站開(kāi)展了“無(wú)人化”場(chǎng)站的技術(shù)改造項(xiàng)目，提高流程自動(dòng)切換和自控水平；②大鵬LNG 接收站的氣化外輸系統(tǒng)（低壓泵—高壓泵—?dú)饣鳎┌滋旄鶕?jù)外輸量的范圍變化階梯自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)，夜間切換至高壓外輸、增加管存儲(chǔ)氣的流程，編程邏輯內(nèi)置于DCS 控制系統(tǒng)；③以優(yōu)先供應(yīng)固定量的海氣（總計(jì)2 處）、優(yōu)先供應(yīng)熱值接近的LNG（總計(jì)4 處）為總體目標(biāo)，基于建立的廣東省全境天然氣基礎(chǔ)設(shè)施一體化調(diào)峰調(diào)質(zhì)模型和不同輸量需求的工況場(chǎng)景，形成離線的多氣源供氣優(yōu)先順序的組合方案庫(kù)，指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行；④在廣東管道輸送能力受限、小時(shí)調(diào)峰的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組負(fù)荷占比高（70%～75%）且啟停機(jī)時(shí)間被動(dòng)接受廣東省電調(diào)指令的客觀情況下，開(kāi)展多燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的開(kāi)機(jī)負(fù)荷分配優(yōu)化[13]以及小時(shí)調(diào)峰型氣源供氣分時(shí)優(yōu)化研究（圖3），形成運(yùn)行方案組合并內(nèi)置于生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)。上述后兩項(xiàng)反映了實(shí)際生產(chǎn)需求的仿真模型準(zhǔn)備，將來(lái)結(jié)合本行業(yè)智能管道的技術(shù)發(fā)展，可逐步推動(dòng)智能化方案選擇和智能控制水平的提高。

圖3 珠海LNG 接收站氣化外輸系統(tǒng)分時(shí)優(yōu)化結(jié)果示意圖

圖3 是珠海LNG 接收站氣化外輸系統(tǒng)分時(shí)優(yōu)化的一個(gè)自動(dòng)算例，該氣化外輸系統(tǒng)是廣東省天然氣基礎(chǔ)設(shè)施一體化調(diào)峰調(diào)質(zhì)模型中的一個(gè)供氣設(shè)施。圖3-b 是連續(xù)24 h 的流量變化仿真計(jì)算結(jié)果，圖3-a為對(duì)應(yīng)的壓力變化值。橘紅色曲線表示根據(jù)下游用戶需求，珠海LNG 接收站氣化外輸系統(tǒng)啟停及向輸氣管道按照逐小時(shí)（分時(shí)）供氣的流量和運(yùn)行壓力；綠色曲線表示珠海LNG 接收站氣化外輸系統(tǒng)與輸氣管道聯(lián)合優(yōu)化后，自動(dòng)匹配出的LNG 氣化外輸系統(tǒng)的啟停和供氣分時(shí)優(yōu)化結(jié)果：優(yōu)化后的供氣流量波動(dòng)幅度降低約1/3，即減少開(kāi)啟一套LNG 氣化外輸設(shè)施，最高供氣壓力從9.5 MPa 降低至8.7 MPa。待后期將運(yùn)行優(yōu)化模型在線化、并植入孿生體模型平臺(tái)后，可直接提高珠海LNG 接收站和外輸管道的智能化水平。

2.3 小時(shí)調(diào)峰

小時(shí)調(diào)峰是輸氣管道常規(guī)的水力分析技術(shù)內(nèi)容，但I(xiàn)-STADIUMS 有其特色：①運(yùn)行階段的多氣源組合、多大用戶組合的工況分析，偏重于運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化、分析結(jié)果為了提供操作區(qū)間，而非設(shè)計(jì)階段的適應(yīng)性分析或者運(yùn)行階段的工況可通過(guò)性計(jì)算；②普遍把LNG 接收站與輸氣管道作為一個(gè)完整水力系統(tǒng)的聯(lián)合小時(shí)調(diào)峰分析；③小時(shí)調(diào)峰模型是多氣源組分跟蹤與混輸調(diào)質(zhì)的瞬態(tài)水力耦合條件。

I-STADIUMS 側(cè)重于小時(shí)調(diào)峰、組分跟蹤與混輸調(diào)質(zhì)技術(shù)[14]是由廣東省的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組負(fù)荷占比高[15]的用氣特征決定的。截至2019 年底，中國(guó)海油在廣東省的燃?xì)怆姀S總裝機(jī)容量約22 690 MW，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的小時(shí)用氣量占總用氣量的比例最高超過(guò)65%，高峰日用氣量占比最高可達(dá)58.7%。通過(guò)“海氣+ LNG”資源組合和輸氣管道設(shè)施，中國(guó)海油為所有的燃?xì)怆姀S用戶提供小時(shí)調(diào)峰服務(wù)，小時(shí)調(diào)峰能力的大部分比例由LNG 接收站提供，小部分通過(guò)輸氣管道的管存控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，運(yùn)行期的LNG 接收站與輸氣管道的聯(lián)合小時(shí)調(diào)峰、多氣源條件下的調(diào)峰氣源合理占比范圍、調(diào)峰型供氣設(shè)施（主要指LNG 接收站）的節(jié)能運(yùn)行是經(jīng)常性的技術(shù)優(yōu)化主題。

以廣東管道處于水力工況最不利點(diǎn)的某燃?xì)獍l(fā)電用戶為例（圖4），海氣和LNG 接收站都以平均小時(shí)流量供氣，僅能利用管道自身管存進(jìn)行小時(shí)調(diào)峰，仿真結(jié)果如橙色曲線所示，在局部時(shí)間段出現(xiàn)了供氣壓力低于最近壓力設(shè)定值的情況（紫色區(qū)域）；而珠海LNG 接收站采取分時(shí)調(diào)峰的供氣模式，通過(guò)供氣設(shè)施與輸氣管道的聯(lián)合小時(shí)調(diào)峰，結(jié)果如綠色曲線所示，可以滿足該燃?xì)獍l(fā)電用戶的用氣壓力要求。珠海LNG 接收站氣化外輸系統(tǒng)分時(shí)優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖4 優(yōu)化前后廣東管道運(yùn)行圖

2.4 組分跟蹤

圖5 珠海LNG 接收站氣化外輸系統(tǒng)分時(shí)優(yōu)化結(jié)果圖

組分跟蹤技術(shù)是與上述瞬態(tài)調(diào)峰的水力條件耦合實(shí)現(xiàn)的。在廣東省，三菱、GE、西門子三大企業(yè)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組以及其不同年代、不同型號(hào)的產(chǎn)品各占一定比例，不同燃?xì)獍l(fā)電機(jī)對(duì)高位熱值、沃泊指數(shù)及其變化幅度[16-17]、最低用氣壓力和壓力波動(dòng)速率、最小流量、溫度范圍、惰性氣體含量、氣體中顆粒物和液烴含量等技術(shù)指標(biāo)分別都有明確規(guī)定。因此，對(duì)海氣及不同來(lái)源的LNG 氣質(zhì)互換性與氣質(zhì)指標(biāo)控制、不同氣源的分時(shí)混輸比例、不同分輸點(diǎn)的分時(shí)流量分配提出了較高要求。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，也出現(xiàn)過(guò)一些因不同氣源組分差異性較大、混合比例發(fā)生較大變化而引起燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組調(diào)機(jī)或燃燒異常、緊急關(guān)停的情況。因此，多氣源混輸條件下的組分跟蹤成為重要的技術(shù)課題。通過(guò)在瞬態(tài)調(diào)峰工況下耦合實(shí)時(shí)組分跟蹤，仿真計(jì)算輸氣管道各分輸站、末站的組分變化、熱值和沃泊指數(shù)的變化范圍，確定可行和安全的互換性指標(biāo)、控制不同氣源的供氣比例，實(shí)現(xiàn)在用戶端的氣質(zhì)控制目標(biāo)。

圖6 為廣東省管網(wǎng)某分輸站在連續(xù)48 h 甲烷摩爾分?jǐn)?shù)的實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果，在氣源流量等初始條件建立后，模型預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值在3%以內(nèi)，采用模型仿真方法是可信的。

圖6 廣東省管網(wǎng)某分輸站甲烷摩爾分?jǐn)?shù)的對(duì)比圖

2.5 混輸調(diào)質(zhì)

混輸調(diào)質(zhì)是基于瞬態(tài)調(diào)峰和組分跟蹤技術(shù)，通過(guò)調(diào)整多氣源的分時(shí)供氣比例、在輸氣管道內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程中通過(guò)多氣源的混合、混輸來(lái)實(shí)現(xiàn)不同組分、不同熱值天然氣的氣質(zhì)調(diào)整的，并不需要額外增加調(diào)質(zhì)設(shè)備、注入高熱值燃料或低熱值氣體。該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵項(xiàng)包括4 點(diǎn)：①分析不同氣源混合后穩(wěn)定熱值參數(shù)所需的管道長(zhǎng)度和時(shí)間；②基于不同燃具和燃燒器類型，確定熱值或沃泊指數(shù)的目標(biāo)參數(shù)可接受范圍；③調(diào)整多氣源的分時(shí)供氣比例，通過(guò)瞬態(tài)調(diào)峰和組分跟蹤模型，仿真分析管道主要節(jié)點(diǎn)的熱值或沃泊指數(shù)變化區(qū)間；④以目標(biāo)參數(shù)可接受范圍為上下邊界，確定多氣源的分時(shí)供氣比例范圍，具備可操作性。

通過(guò)CFD 仿真方法，以圖7 為示例，通過(guò)多氣源同向、對(duì)向、典型角度混合以及某氣源流量以正弦曲線周期變化等組合算例，基本結(jié)論是在任意混合點(diǎn)后50 m 距離、多數(shù)情況下為25 m 以內(nèi)可達(dá)到均勻混合，相應(yīng)的混合時(shí)間介于3 ～5 s，多數(shù)情況下為3 s 以內(nèi)。通過(guò)多次重復(fù)計(jì)算驗(yàn)證的結(jié)論表明，在多種氣源混合點(diǎn)和混合時(shí)刻，可以認(rèn)為不同氣體在混氣點(diǎn)即快速實(shí)現(xiàn)充分混合并輸送給下游，其工程意義在于：在通常的水力瞬態(tài)調(diào)峰仿真中，以簡(jiǎn)化后的體積組分進(jìn)行算術(shù)平均計(jì)算，足夠滿足工程仿真計(jì)算的精度要求。

圖7 雙氣源輸氣管道對(duì)流（a）和垂直（b）混氣過(guò)程中甲烷分布云圖

2.6 優(yōu)化調(diào)度

優(yōu)化調(diào)度技術(shù)是I-STADIUMS 技術(shù)體系的關(guān)鍵組成，其特色集中體現(xiàn)在多氣源調(diào)度、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組群的啟停調(diào)度、LNG 接收站氣化外輸設(shè)施啟停臺(tái)數(shù)調(diào)度、輸氣管道管存量?jī)?yōu)化[18-19]控制4 個(gè)方面，充分保障生產(chǎn)運(yùn)行的靈活性和可靠性。

以圖8 為例，在廣東管道下游用戶用氣總量和分配流量確定的情況下，對(duì)比研究南海荔灣海氣優(yōu)先外輸（占總供氣量比例最高）以及“荔灣海氣+番禺海氣”（簡(jiǎn)稱雙海氣）總量?jī)?yōu)先外輸?shù)膬煞N調(diào)度模式，則第一種調(diào)度模式下番禺海氣供應(yīng)量最低可減至零，珠海LNG 供氣量略高于調(diào)度模式二，海氣總供應(yīng)量略低于調(diào)度模式二。

圖8 廣東管道荔灣海氣（a）和雙海氣（b）優(yōu)先模式下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組最大運(yùn)行數(shù)量對(duì)比圖

如圖9 所示，3 座燃?xì)怆姀S的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組總數(shù)量為6.5 臺(tái)9F 機(jī)組（1 臺(tái)9E 機(jī)組折合成0.5 臺(tái)9F），每座燃?xì)怆姀S在輸氣管道的位置不同，燃?xì)怆姀S內(nèi)每臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)可能是日連續(xù)運(yùn)行或日調(diào)峰運(yùn)行（每天運(yùn)行8 h，每天1 次啟停機(jī)），即輸氣管道的水力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種組合構(gòu)建方式，則如何根據(jù)所有燃?xì)鈾C(jī)組可能的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行氣量調(diào)度，以及如何根據(jù)日氣量計(jì)劃安排來(lái)調(diào)度燃?xì)鈾C(jī)組的用氣排產(chǎn)，成為核心問(wèn)題。通過(guò)6.5 臺(tái)9F 機(jī)組的所有可能運(yùn)行組合（連運(yùn)或調(diào)峰）和位置分布組合（3 座電廠），以靈活調(diào)度為目的仿真計(jì)算了輸氣管道的最大輸氣容量（Capacity）邊界。以“日5.5 臺(tái)連運(yùn)+日1 臺(tái)調(diào)峰”為例，氣源供應(yīng)量為2 402×104m3/d 時(shí)，可以滿足3座不同位置的燃?xì)怆姀S任意發(fā)電機(jī)組組合下的“日5.5 臺(tái)連運(yùn)+日1 臺(tái)調(diào)峰”排產(chǎn)運(yùn)行模式，這個(gè)結(jié)論對(duì)同時(shí)受制于氣源供應(yīng)和電網(wǎng)調(diào)度指令的燃?xì)鈾C(jī)組啟停調(diào)度具有重大意義，可以在安全區(qū)間范圍內(nèi)以最大程度的靈活性進(jìn)行調(diào)度排產(chǎn)運(yùn)行。

圖9 3 座燃?xì)怆姀S總計(jì)6.5 臺(tái)9F 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組調(diào)度的輸氣管道最大運(yùn)行邊界圖

2.7 完整性技術(shù)

I-STADIUMS 中的完整性技術(shù)是中國(guó)海油近年來(lái)完整性技術(shù)發(fā)展的集成。自2017 年來(lái)，中國(guó)海油以輸氣管道、場(chǎng)站工程、大型LNG 儲(chǔ)罐、LNG 接收站為對(duì)象，依托國(guó)內(nèi)管道完整性技術(shù)的最新進(jìn)展建立了完整性技術(shù)體系。在“南氣北送”工程的技術(shù)條件保障方面，新修建的“互聯(lián)互通”聯(lián)絡(luò)線、原有輸氣管道、輸氣管網(wǎng)、改造改建站場(chǎng)，普遍應(yīng)用了內(nèi)檢測(cè)、超聲導(dǎo)波、次聲波泄漏監(jiān)測(cè)、完整性評(píng)價(jià)、三維定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與三維后果場(chǎng)景建模、管道與設(shè)備升壓檢測(cè)與可靠性分析、地區(qū)等級(jí)升級(jí)管理等技術(shù)[20]。在自主研發(fā)方面，以國(guó)際先進(jìn)指標(biāo)作為對(duì)比，聯(lián)合中國(guó)航天科工三院共同研發(fā)了公稱直徑介于400 ～800 mm的三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)器和配套一體化分析軟件，其定位精度距離最近參考點(diǎn)±0.1 m，缺陷自動(dòng)識(shí)別率大于80%，形成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)有效性報(bào)告分析時(shí)間小于3 h，完全自動(dòng)分析時(shí)間不低于120 min/km，在內(nèi)檢測(cè)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)方面除了常規(guī)的參數(shù)擬合方法，并行開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的漏磁缺陷量化模型，具備強(qiáng)大的缺陷模式學(xué)習(xí)能力（圖10）。

在輸氣管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，研發(fā)出國(guó)內(nèi)首套核安全級(jí)的輸氣管網(wǎng)微量泄漏監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)（其系列化產(chǎn)品也適用于原油、成品油及非烴氣體），監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面如圖11 所示。該系統(tǒng)采用全新的分子級(jí)選擇性吸附的專利膜材料滲透技術(shù)路線，檢測(cè)指標(biāo)為不高于80 L/h 氣體泄漏量（實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證中遠(yuǎn)高于手持式甲烷檢測(cè)器），靈敏度可低至20 mg/m3，一次定位精度達(dá)到監(jiān)測(cè)段管道總長(zhǎng)度的0.5%，在監(jiān)測(cè)到微小泄漏信號(hào)后，鎖定泄漏區(qū)域后采用獨(dú)有的先進(jìn)二次或三次迭代的優(yōu)化定位算法，可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)1 m 以內(nèi)的定位精度。因該技術(shù)路線為直接檢測(cè)甲烷或其他烴類氣體，相比于光纖、聲波間接檢測(cè)技術(shù)路線的抗干擾能力要高得多，理論上不受外部環(huán)境的干擾，先進(jìn)算法可以識(shí)別環(huán)境沼氣等非泄漏工況。

2.8 設(shè)施第三方開(kāi)放

為配合“南氣北送”工程運(yùn)行，中國(guó)海油啟動(dòng)了LNG 接收站開(kāi)放和不同產(chǎn)權(quán)主體企業(yè)的管道開(kāi)放代輸?shù)募夹g(shù)研究，是I-STADIUMS 中具備國(guó)際先進(jìn)性的技術(shù)項(xiàng)目之一。其包括以電子沙盤推演和智能算法自動(dòng)捕捉并尋優(yōu)分配第三方開(kāi)放窗口、窗口期分配、多用戶獨(dú)立調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化、LNG 接收站剩余能力（容量）仿真、不同來(lái)源LNG 互換性、基于LNG 與管道天然氣混輸氣質(zhì)指標(biāo)控制的進(jìn)口LNG 質(zhì)量指標(biāo)、多氣源供氣壓力控制、互聯(lián)互通管道的操作壓力一致性、輸氣管網(wǎng)剩余能力（容量）仿真計(jì)算以及LNG 儲(chǔ)罐技術(shù)完整性[21]與最大周轉(zhuǎn)能力評(píng)估[22]等技術(shù)內(nèi)容。其中，LNG 接收站的剩余能力（容量）與窗口期自動(dòng)生成、動(dòng)態(tài)條件下輸氣管網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)剩余能力（容量）同步仿真是重點(diǎn)。圖12 以廣東管道為例，借鑒了歐洲管輸行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)方法，自動(dòng)仿真計(jì)算不同流動(dòng)場(chǎng)景工況下所有節(jié)點(diǎn)的剩余能力（容量）。

2.9 能量計(jì)量

中國(guó)海油在天然氣能量計(jì)量領(lǐng)域是國(guó)內(nèi)最早的實(shí)踐者，從崖城13-1 氣田供應(yīng)香港用戶即開(kāi)始按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行能量計(jì)量，在廣東和港澳地區(qū)大多數(shù)采用能量計(jì)量，相關(guān)計(jì)量、檢定、量值溯源等技術(shù)體系方面均有較為先進(jìn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。如大鵬LNG 及配套管道、廣東管道覆蓋的用戶群體明確規(guī)定為能量計(jì)量[23]的貿(mào)易交接方式，而廣東省管網(wǎng)覆蓋的用戶群體為體積計(jì)量交接，此外在“南氣北送”工程中替代廣東省內(nèi)用氣的西氣東輸二線廣深支干線覆蓋的用戶群體亦為體積計(jì)量交接。在I-STADIUMS 技術(shù)體系中，進(jìn)一步借鑒歐盟國(guó)家如德國(guó)、法國(guó)的技術(shù)進(jìn)展，發(fā)展形成了能量動(dòng)態(tài)間接賦值技術(shù)，即在輸氣管道沿程未設(shè)置色譜分析儀的分輸站、末站，并非簡(jiǎn)單地按照ISO 15112-2018[24]和GB/T 22723—2008[25]的做法采用固定賦值或可變賦值的方法，而是采用上述規(guī)范推薦的管網(wǎng)狀態(tài)重構(gòu)的“質(zhì)量跟蹤”的方法（圖13）。該方法適用于C 級(jí)站標(biāo)準(zhǔn)的能量間接賦值（可以取消配置色譜分析儀），是歐盟國(guó)家認(rèn)可的法定計(jì)量方法之一。

圖12 廣東管道各節(jié)點(diǎn)剩余能力動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果示意圖

圖13 廣東省管網(wǎng)各用戶接收天然氣的小時(shí)熱值仿真結(jié)果示意圖

2.10 可靠性保障

氣源、LNG 接收站等供氣設(shè)施、輸氣管網(wǎng)構(gòu)成的供氣系統(tǒng)的可靠性對(duì)保障粵港澳地區(qū)既有用戶用氣及按計(jì)劃輸量向西二線反輸都具有重要意義。I-STADIUMS 中的可靠性保障包括可靠性、可用性、可維護(hù)性評(píng)估（RAM）技術(shù)、供氣系統(tǒng)魯棒性與脆弱性評(píng)估技術(shù)等。其中，供氣系統(tǒng)可靠性包括多氣源供氣設(shè)施的供氣可靠性和輸氣管網(wǎng)可靠性，在“南氣北送”工程中開(kāi)展了多氣源組合供氣的可靠性評(píng)估、LNG 接收站外輸系統(tǒng)RAM 評(píng)估、輸氣管網(wǎng)流向路徑可靠性評(píng)價(jià)、系統(tǒng)供氣能力評(píng)估和“瓶頸”設(shè)施識(shí)別等技術(shù)研究。以圖14 的蒙特卡洛分析為例，根據(jù)某LNG 接收站外輸系統(tǒng)6 年的運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)施維護(hù)維修情況和備用配置，評(píng)估結(jié)論是外輸系統(tǒng)在1 000 個(gè)壽命周期的可用度是99.894 2%，置信區(qū)間90%的可用度為99.761 6%。

圖14 LNG 接收站外輸系統(tǒng)RAM 評(píng)估壽命周期內(nèi)的可用度分布圖

3 資源、基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)的能力重組與工程實(shí)踐

廣東境內(nèi)輸氣管道總長(zhǎng)度約2 200 km，其中中國(guó)海油管道約1 150 km，包括廣東管網(wǎng)、廣東管道（含珠海—中山管道、南海荔灣海氣登陸外輸管道、珠海LNG 外輸管道、供澳門管道）以及大鵬LNG 外輸管道，不計(jì)入供應(yīng)香港的海底管道部分（但在統(tǒng)一供氣系統(tǒng)中要考慮進(jìn)去）。這些管網(wǎng)設(shè)施全部成為“南氣北送”工程的管道基礎(chǔ)設(shè)施，除此之外，“南氣北送”還納入了2 座海氣登陸終端（南海荔灣、番禺）、4 座LNG 接收站（大鵬、珠海、深圳、粵東）以及2018—2019 年新建的“互聯(lián)互通”工程（包括聯(lián)絡(luò)管線和LNG 接收站擴(kuò)建設(shè)施）。截至2019 年底，上述2 座海氣登陸終端和4 座LNG 接收站的總供氣能力約1.13×108m3/d，完成擴(kuò)建LNG 氣化設(shè)施后可達(dá)到約1.4×108m3/d。上述供氣設(shè)施、管網(wǎng)設(shè)施，共同構(gòu)成統(tǒng)一調(diào)度、聯(lián)合運(yùn)行的水力系統(tǒng)，如圖15 所示。經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行方案優(yōu)化，形成了總供氣能力（包括廣東與港澳地區(qū)供氣及西二線反輸氣量）達(dá) 4 500×104m3/d（截至2019 年底）、對(duì)接西二線的“南氣北送”供氣通道。“南氣北送”涉及多個(gè)運(yùn)營(yíng)企業(yè)主體，均有既定的市場(chǎng)供氣范圍和合同用戶，除了廣東管網(wǎng)是按照統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的，其他LNG 接收站和輸氣管道等設(shè)施均是按每個(gè)項(xiàng)目的具體條件分別設(shè)計(jì)的。“南氣北送”正是通過(guò)對(duì)天然氣資源、供氣設(shè)施和輸氣管網(wǎng)進(jìn)行壓力等級(jí)、流向與流量分配優(yōu)化的整合，不僅形成了完整的區(qū)域性“自平衡”的“產(chǎn)供儲(chǔ)銷”體系，而且提供了向西二線集中釋放、反輸天然氣的能力[26]。

在天然氣資源的供應(yīng)整合方面，由于海氣資源增儲(chǔ)上產(chǎn)的時(shí)間周期較長(zhǎng)，重點(diǎn)主要集中在LNG 資源的供應(yīng)規(guī)模放大方面。LNG 資源是內(nèi)嵌在商業(yè)化的國(guó)際LNG 供應(yīng)鏈體系內(nèi)，其“產(chǎn)供儲(chǔ)”一體化特征明顯[27]，中國(guó)海油依托經(jīng)營(yíng)十多年的LNG 合約“資源池”和中短期現(xiàn)貨，通過(guò)資源調(diào)配優(yōu)化，迅速形成了較大規(guī)模的天然氣資源新增供應(yīng)能力。

在天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的整合方面，實(shí)施了“產(chǎn)能釋放”“解瓶頸”和“互聯(lián)互通”3 類工程，包括深圳迭福LNG 接收站與大鵬福華德支線聯(lián)通、廣東管道與大鵬南沙分輸站聯(lián)通、兩座深圳LNG 接收站的外輸管道相互聯(lián)通、原中國(guó)海油深圳LNG 增輸擴(kuò)建、大鵬LNG 接收站增輸擴(kuò)建等工程項(xiàng)目，這些項(xiàng)目被列入國(guó)家能源局2018 年、2019 年天然氣基礎(chǔ)設(shè)施重點(diǎn)工程清單中，新增輸氣能力（3 000 ～4 500）×104m3/d。此外，通過(guò)評(píng)估進(jìn)一步提出將廣東省管網(wǎng)西線通道作為L(zhǎng)NG 接收站新增外輸氣量的主力通道、對(duì)東線通道局部建設(shè)復(fù)線以實(shí)現(xiàn)“解瓶頸”的工程計(jì)劃。

圖15 “南氣北送”廣東基地的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施一體化水力仿真模型示意圖

在基于技術(shù)能力重組的供氣系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方面，依托于I-STADIUMS 管輸技術(shù)體系，建立了包含各類供氣設(shè)施、輸氣管道和天然氣用戶的一體化瞬態(tài)調(diào)峰調(diào)質(zhì)仿真模型，通過(guò)多方案比較和分析，充分識(shí)別整個(gè)系統(tǒng)中的“瓶頸”管段和設(shè)施，優(yōu)化多氣源組合供應(yīng)方案、多燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的開(kāi)機(jī)方案組合、各氣源和輸氣管道運(yùn)行壓力控制、應(yīng)急保供能力分配、基于±2.5%波動(dòng)幅度的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組沃泊指數(shù)控制方案以及管網(wǎng)流向選擇。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，提出了原中國(guó)海油深圳 LNG 接收站外輸天然氣直接在西氣東輸二線廣深支干線求雨嶺分輸站交付、直接利用西氣東輸二線廣深支干線作為“南氣北送”第三通道（第一、二通道分別為廣東管網(wǎng)西干線通道、東干線通道）的流向優(yōu)化方案，從而避免在西二線廣州站二次反輸回流入粵。該方案為港深地區(qū)用戶提供了新的保供通道，同時(shí)提高了“南氣北送”系統(tǒng)反輸保供的可靠性。

4 結(jié)論和建議

1）I-STADIUMS 管輸技術(shù)創(chuàng)新體系以廣東與港澳地區(qū)不同類型用戶對(duì)小時(shí)調(diào)峰、氣質(zhì)穩(wěn)定性、不同設(shè)施主體合同用氣流量分配、能量計(jì)量、設(shè)施開(kāi)放運(yùn)行、可靠性保障等方面的技術(shù)問(wèn)題為導(dǎo)向，在“南氣北送”工程實(shí)踐中起到了重要的技術(shù)支撐作用，具有較強(qiáng)的技術(shù)創(chuàng)新性和推廣性。在I-STADIUMS 的后續(xù)推廣應(yīng)用中，將進(jìn)一步促進(jìn)智能化與系統(tǒng)仿真、調(diào)度優(yōu)化結(jié)合，為新時(shí)期的多用戶設(shè)施開(kāi)放提供可靠解決方案。

2）“南氣北送”工程首次實(shí)現(xiàn)了作為常規(guī)受入端的二級(jí)省內(nèi)管網(wǎng)向國(guó)家級(jí)主干管網(wǎng)反向供氣，并連續(xù)三年保持了常態(tài)化，凸顯了LNG 接收站作為靈活氣源兼基荷氣源在供暖季的重要保障功能，也充分體現(xiàn)了中國(guó)海油在南方沿海地區(qū)依托“海氣+LNG”組合資源建立區(qū)域性產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系模式的“自平衡”保障能力。

3）“南氣北送”工程是基于海氣與LNG 兩種資源、相互獨(dú)立的輸氣管道基礎(chǔ)設(shè)施的整合，以及基于技術(shù)能力重組的供氣系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，不僅形成了廣東與港澳地區(qū)的自平衡“產(chǎn)供儲(chǔ)銷”體系，而且生成了新增供氣能力，能夠向西二線集中釋放和反輸天然氣不低于1 700×104m3/d。

4）如果進(jìn)一步推演至其他沿海省份，在全國(guó)范圍的國(guó)家管網(wǎng)統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)和統(tǒng)籌調(diào)度的新環(huán)境下，沿海省份的LNG 與海氣就近供應(yīng)、為用戶提供小時(shí)調(diào)峰服務(wù)、充分保障用氣安全依然具有普遍意義上的顯著優(yōu)勢(shì)，“南氣北送”的規(guī)模可以進(jìn)一步放大。區(qū)域性供氣設(shè)施的資源統(tǒng)一調(diào)配、輸氣管網(wǎng)的互聯(lián)互通和統(tǒng)一規(guī)則下的系統(tǒng)優(yōu)化，能夠較大程度上放大區(qū)域性天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的供氣保障能力，亦有可能生成新的輸氣通道和供應(yīng)能力，充分釋放資源的供應(yīng)能力、提高供氣正反向輸送的靈活性。