大型并聯天然氣管網系統運行優化技術研究*

劉恩斌 彭勇 楊毅 李長俊

1西南石油大學石油與天然氣工程學院

2國家石油天然氣管網集團有限公司油氣調控中心

目前全球天然氣資源豐富，天然氣作為一種潔凈、優質能源，具備長期發展的資源基礎。近年來，在使用及產量方面都呈現出快速增長趨勢，鄭明貴等[1]預測到2030 年，中國天然氣平均需求總量將達到4 363.27× 108m3。為了滿足天然氣的使用需求，管道擴建勢不可擋，其中常見施工當屬管道并行鋪設。由于天然氣并聯管網規模較大，相對于傳統的管道優化，其考慮的影響因素更多，除了考慮壓縮機的運行方式外，還存在管道系統內部流量分配、泵的類型選擇等多種問題，使得大型并聯管道系統的運行方案變化多樣且能耗較高。

目前管網結構復雜情況不斷增加，主要體現在：①兩條管道在不同站場由中間連通閥門連接，管線內流量能夠自由分配，且在相同站場中不同管線的壓縮機既可以聯合運行也可以獨立運行；②在同一站場中，壓縮機存在燃驅與電驅混用的情況；③在管網運行中可能存在壓力越站的情況，既能單線越站又能雙線越站。關于天然氣管網運行優化的研究較多，如ALVES[2]等運用了廣義縮減梯度方法優化了單線管道的運輸費用與輸氣量大小；王琴等[3]運用了動態規劃方法優化了單線管道的系統總能耗；AN等[4]運用遺傳算法對枝狀和環狀管道的建設成本進行了優化，其中能耗與經濟效益是主要的優化方向，但大多是關于單線以及枝狀管道的優化[5-10]。經過文獻調研可以看出，極少數研究是以并聯管道為研究對象，且在他們的研究模型中對并聯管道不同的運行方式關注較少。為了降低大型天然氣并聯管網系統能耗，需建立一種考慮并聯管道不同運行方式的管網優化模型，以保證現場運行高效低耗，同時減少能源消耗，助力我國盡早實現碳達峰、碳中和目標。

1 模型及方法

1.1 站場運行方案分析

由于兩條管線并行鋪設，沿線的壓縮機站場均合建在一起，當氣體流入站場后會出現多種不同的運行方案。為了全面考慮站場運行方案，選取線路上的某個站場進行分析，該站場同時存在燃驅壓縮機與電驅壓縮機，同時本文只考慮流量分配的結果，不詳細介紹現場流量分配的實際操作流程，并對文中所展示的流程進行簡化，保留建模過程中的關鍵信息。

（1）兩條管線聯合運行，且兩站場中均有壓縮機運行（圖1）。圖1 中，閥1 與閥5 為連通管線上的閥門；閥3與閥8分別為兩條主管線的越站閥門；閥2、閥4、閥6、閥7為壓縮機站的前后閥門。

圖1 工況1流程示意圖Fig.1 Flow diagram of Working Condition 1

圖中，P1與P3分別代表進入壓氣站前的壓力，MPa；P2與P4分別代表壓氣站后方壓力，MPa。中間閥門打開，兩條主管線聯合運行，所有壓縮機并聯，由于站場壓縮機性能相似，在模型中認為進入每個壓縮機的流量一致，即：

式中：Q1與Q2分別表示上一管段中兩條主管線的流量，m3/s；Q′1與Q′2分別表示進入壓氣站或越站管線的流量，m3/s；Q3與Q4分別表示進入下一管段時兩條主管線的流量，m3/s；N1與N2分別表示兩站場中壓縮機的開機數量；q1與q2分別為經過中間連通管線的流量，m3/s。

通過對實際運行的歷史數據分析，發現為了使連通管線上的閥門能夠安全打開，必須保證連通管線的前后壓力差不能大于0.32 MPa，因此

由于P1與P3的壓力差較小，當閥門打開時，壓氣站前的壓力趨于穩定，壓氣站后的壓力也大小相等。因此在優化模型中，設置壓縮機的前后壓力為

式中：Pin為管道入口壓力，MPa；Pout為管道出口壓力，MPa。當氣體經壓縮機壓縮以后進入輸氣管道，通過閥門5進行流量分配后流入下一管段。

（2）兩條管線聯合運行，且共用一個站場的壓縮機（圖2）。當兩連通管線閥門打開，且只需要其中一個站場上的壓縮機就能完成輸送（圖2 中各編號含義與圖1一致）。

圖2 中閥2、閥3、閥4 與閥8 處于關閉狀態，N1=0，此時Q1經過閥1與Q2匯合，即q1=Q1，通過站2加壓后再通過閥5進行下一管段的流量分配，其中其他壓力變化滿足公式（4）、（5）。

（3）兩條管線聯合運行，其中任意一條主管線壓力越站輸送（圖3）。閥1 閥門打開，閥5 閥門關閉，且其中一條主管線壓力越站運行（圖3 中編號與圖1一致）。

圖3中流量關系滿足公式（2）；P1與P3的關系滿足公式（4），壓力關系為

（4）兩條管線獨立運行，并且兩站場上均有壓縮機運行（圖4）。連通管線閥門關閉，兩條主管線獨立運行（圖4中編號與圖1一致）。

圖4 中，由于連通管線閥門均斷開，因此流量關系滿足：

兩條主管線之間不存在流量分配，壓力關系為

在并聯天然氣管網的實際運行方案中，除了以上運行方案還有許多其他運行情況，比如管線獨立運行時，也會出現單線壓力越站、雙線壓力越站等多種情況，但是其運行過程類似于兩條單線管道優化，運行過程簡單，這里不過多闡述。

1.2 優化模型

1.2.1 目標函數

以并聯管網沿線壓縮機組的能耗之和最低為目標函數，整個長輸管線的總能耗即為各站的能耗之和。其中優化模型建立基于如下基本假設：①氣體在管道內流動為穩態流動；②各壓氣站壓縮機之間流量均分。建立如下優化模型：

式中：F為管網最低能耗，kgce；Fgi為第i個燃驅壓氣站的耗氣量，m3（一個標準大氣壓，溫度為0 ℃，相對濕度為0，下同）；Fej為第j個電驅壓氣站的耗電量，kWh；ξg為天然氣的標準煤轉換系數，取1.33 kgce/m3；ξe為電能的標準煤轉換系數，取0.122 9 kgce/kWh。

公式（9）中燃驅壓縮機耗氣量計算公式為

式中：Fg為壓縮機的耗氣量，m3；Pg為燃驅壓縮機的功率，kW；tg為燃驅壓縮機的運行時間，h；γg為燃驅壓縮機的效率；ζg為燃氣輪機的耗氣率，m3/kWh。

在公式（9）中電驅壓縮機耗電量的計算公式為

式中：Fe為壓縮機的耗電量，kWh；Pe為電驅壓縮機的功率，kW；te為電驅壓縮機的運行時間，h；γe為電驅壓縮機的效率。

優化模型的主要優化變量為

式中：Q1為并聯管道中某條管線的輸量，m3/s。N為壓縮機的開機數量，臺；R為壓縮機的轉速，r/min；S為管線間的連接狀態。

1.2.2 約束條件

（1）壓力約束。管道節點的壓力應滿足：

式中：Pi為第i節點的壓力，MPa；Pimin為第i節點的最低允許壓力，MPa；Pimax為第i節點的最大允許壓力，MPa；Nn為管道節點。

（2）流量平衡約束。根據質量守恒定律，在管道任意節點，都應滿足流入該節點的天然氣質量等于流出該節點的天然氣質量。

式中：Ci為與第i個節點相連元件集合；αik為系數，當k元件流入i節點時為+1，當k元件流出i節點時為-1；M1ik為與第i個節點相連元件k流入（出）i節點流量的絕對值，m3；M2i為i節點與外界交換的流量（流入為正，流出為負），m3；Cgj為第j個壓氣站自耗氣的天然氣質量，m3。

（3）壓縮機功率約束。壓縮機運行應滿足以下功率要求

式中：Pw為壓縮機功率，MW；Pwmin為壓縮機最小允許功率，MW；Pwmax為壓縮機最大允許功率，MW。

（4）壓縮機轉速約束。壓縮機轉速應在最大與最小轉速之間調節。

式中：R為壓縮機轉速，r/min；Rmin為壓縮機最小轉速，r/min；Rmax為壓縮機最大轉速，r/min。

（5）壓縮機出口溫度約束。壓縮機出口溫度不應超過壓縮機最大出口溫度。

式中：Tm為壓縮機出口溫度，K；Tmmax為壓縮機最大出口溫度，K。

根據以上內容，能夠完成對并聯管網的優化模型建立，其主要流程如圖5所示。

1.3 優化算法

使用的優化算法來源于GHASEMI 等在2018 年提出的一種新的改進粒子群算法——相量粒子群算法（PPSO），該算法與傳統粒子群算法相比，最大的區別在于其粒子速度得到了改變。

粒子速度定義如下：

此外，粒子的位置更新方程為

在此，Pbest與Gbest的計算方法與傳統的粒子群方法一樣，可在其他文獻中找到，此處不過多描述。

以下等式為下一次迭代計算粒子的相角和最大速度：

2 實例引入

以我國某西部并聯管線為例，其管線示意圖見圖6。

圖6 并聯管網示意圖Fig.6 Schematic diagram of parallel pipeline network

在圖6 中，不同站場主要包括電驅和燃驅兩種壓縮機類型，管道全線共有14 個壓氣站，管線內徑為1.177 m。

某年1 月現場調研壓氣站兩條線路運行數據見表1、表2。

表1 某年1月管線1實際運行數據Tab.1 Actual operation data of Pipeline 1 in January of a certain year

表2 某年1月管線2實際運行數據Tab.2 Actual operation data of Pipeline 2 in January of a certain year

3 分析與討論

3.1 全線壓力變化

壓力變化是天然氣長輸管道的一個重要指標。本模型中兩條管線之間存在連通閥門，能夠實現管線之間的流量分配，因此優化方案中每段管道中的流量與實際方案中管道內的流量不一致，這會影響管道系統中的壓力變化。本次優化方案與實際方案中管道的流量分配如圖7所示。

圖7 優化方案與實際方案中管道的流量分布Fig.7 Flow distribution of pipelines in the optimized scheme and the actual scheme

由圖7 可以看出，每段管道的優化流量與實際流量并不完全一致，同時在管段4 與管段5 有外部流量注入管道系統。

壓力變化是天然氣長輸管道的一個重要指標。經過結果分析，分別將PPSO 算法（此算法是優化方案算法，以下簡稱優化方案）與實際方案的沿線壓力變化作圖（圖8）。

圖8 沿線壓力變化對比Fig.8 Comparison of pressure changes along the line

由圖8 可知，優化方案與實際方案中管道的壓力變化完全不同，其主要原因在于壓氣站的進出口壓力不同，同時管線中的流量也不一致。此外，優化方案中管道系統整體壓力變化范圍能夠維持在4.5～11.75 MPa之間，符合管道輸送要求。

3.2 全線溫度變化

在天然氣管道運輸過程中，天然氣通過壓縮機壓縮后其溫度會升高，溫度過高會造成管道運輸產生不良工況，因此某些壓氣站會安裝空冷器。一般來說壓縮機的出口溫度不能大于65 ℃，本次模擬中，沒有考慮空冷器的模型。對兩種算法下壓縮機出口溫度進行對比，如圖9所示。

圖9 站場壓縮機出口溫度對比Fig.9 Comparison of outlet temperature of station compressor

由圖9 可以看出，不論是管線1 還是管線2，優化結果的高溫個數均比實際運行中高溫個數多，均能保持在65 ℃及以下，滿足管道運行條件。

3.3 能耗測算

在本次模型建立的過程中，將能耗作為總目標，并將結果換算為標煤狀態，分別計算優化方案與實際方案下耗氣、耗電量與總的生產能耗。優化方案與實際方案的能耗對比如圖10所示。

圖10 優化方案與實際方案能耗對比Fig.10 Energy consumption comparison between the optimized scheme and the actual scheme

由圖10 可知，經PPSO 算法計算的最優方案在耗氣量、耗電量與總的生產能耗三方面均小于實際方案，其中總的生產能耗能夠降低25.31%，表明了PPSO算法在處理大型并聯天然氣管網的優越性。

4 結論

基于Python 3.7.0 編程語言，以中國西部某并聯管道為例，研究了并聯天然氣管網的能耗優化技術，得出以下結論：

（1）建立的大型并聯天然氣管網優化模型充分考慮了在不同站場可能出現的運行方案，結合了壓縮機模型與管道模型，計算出管道沿線的壓力與溫度變化。優化方案符合溫度與壓力變化關系，對現場操作有指導意義。

（2）文章應用了PPSO 算法求解模型，研究案例中可以降低總生產能耗25.31%，故推薦使用PPSO算法求解并聯天然氣管道優化模型。