復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型及其應用——以川渝天然氣管網(wǎng)為例

張 威 姚 莉 段言志 何潤民

1．中國石油西南油氣田公司生產(chǎn)運行處 2．中國石油西南油氣田公司天然氣經(jīng)濟研究所

天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量指天然氣管道在報告期內(nèi)輸送的天然氣量與輸送距離乘積的累計數(shù)。它是反映管道運輸業(yè)生產(chǎn)總成果的重要指標，也是編制和檢查天然氣管輸調(diào)度計劃，計算管輸效率、核算管輸單位現(xiàn)金成本的主要基礎資料［1－2］。

1 復雜天然氣管網(wǎng)的特點及周轉(zhuǎn)量測算存在的問題

1．1 復雜天然氣管網(wǎng)的特點

復雜天然氣管網(wǎng)是指由枝狀管網(wǎng)和環(huán)形管網(wǎng)交錯結(jié)合在一起的管網(wǎng)系統(tǒng)。這種管網(wǎng)系統(tǒng)具有進出氣點多、管線壓力等級復雜、天然氣輸配調(diào)度靈活、調(diào)峰方式多樣等特點。以川渝天然氣管網(wǎng)為例，該管網(wǎng)是國內(nèi)最復雜的區(qū)域性管網(wǎng)，目前基本形成“兩橫兩縱”及“高低壓分輸”的格局，現(xiàn)已建成集輸氣管道總長度約1．8×104km，年輸送能力250×108m3左右，天然氣凈化能力150×108m3，肩負著向四川、重慶、云南、貴州4省市供氣的輸送任務［3］。其主要特點如下。

1．1．1 管網(wǎng)進出氣點、分輸點、管線、輸配氣場站數(shù)量眾多

隨著主力氣源的東移和大力發(fā)展西部用戶，氣源由各氣礦的區(qū)域管網(wǎng)輸入，且遠離消費中心，管道沿線用戶需要從環(huán)網(wǎng)上分輸天然氣，整個環(huán)形管網(wǎng)沿線共有20多個進氣點，80多個輸出點，10多個倒輸氣點，輸配氣站場100多座。

1．1．2 管網(wǎng)調(diào)度靈活，輸配任務繁重

川渝氣田主產(chǎn)區(qū)距離天然氣消費中心較遠，天然氣輸送呈東氣南送西調(diào)的格局，天然氣調(diào)配主要靠環(huán)行管網(wǎng)來實現(xiàn)，部分管線必要時還要進行倒輸［4］。四川盆地用氣需求主要集中在盆地西部的成都、樂山等地區(qū)，管網(wǎng)輸送距離較長，輸送壓損較大，管道運行負荷不均衡［5］。

1．1．3 管徑規(guī)格、壓力等級差異較大

從壓力最高的臥兩線、石渡線6．3MPa，到壓力最低的主干線成德線1．6MPa，支線最低的犍南線0．8 MPa，共有7個壓力等級。最常見的為4MPa。管徑規(guī)格包括108～813mm共17種。

1．1．4 輸氣管網(wǎng)沿線無增壓站，管輸能耗小，人工成本高

川渝環(huán)形管網(wǎng)極少使用增壓機等高能耗設備，增壓主要在勘探開發(fā)階段，除單井排水采氣工藝措施是用于氣田生產(chǎn)外，大部分增壓站都是通過增壓機對井口進行增壓，以實現(xiàn)集輸管線增壓輸送至環(huán)形管網(wǎng)。因此，管輸能耗較小，但所在管線跨越地區(qū)多為山區(qū)和丘陵地帶，沿線地形復雜人口稠密，管網(wǎng)維護管理難度大，管線人員成本高［6－7］。

1．2 周轉(zhuǎn)量的一般計算方法

按照周轉(zhuǎn)量的定義，天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量應由管道輸送的天然氣量（Q）乘以天然氣輸送距離（L）確定，與運輸行業(yè)周轉(zhuǎn)量的計算方法一致［8］。目前，大部分管輸企業(yè)采用周轉(zhuǎn)量計算軟件自動計算管輸周轉(zhuǎn)量。其中，管輸量由SCADA系統(tǒng)自動采集，管道長度由系統(tǒng)預先輸入。

1．3 復雜管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量測算存在的問題

復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量測算存在天然氣氣體流向復雜、進出氣量變化大、計算周期難以確定等問題［9］。以川渝天然氣復雜管網(wǎng)為例進行說明。

1．3．1 氣質(zhì)流向十分復雜

目前川渝管網(wǎng)內(nèi)氣體流向北干線自東向西，南干線自東向南，但環(huán)形管網(wǎng)由于存在返輸情況，某管段的氣質(zhì)流向會發(fā)生變化，相應的進氣點和出氣點的氣量也發(fā)生變化，計算周期內(nèi)的周轉(zhuǎn)量也就發(fā)生了變化。而周轉(zhuǎn)量計算系統(tǒng)要求要有固定的管段起始端，川渝環(huán)形管網(wǎng)內(nèi)氣質(zhì)流向的不確定也是影響周轉(zhuǎn)量測算的一個問題。

1．3．2 原始數(shù)據(jù)采集不實時

川渝管網(wǎng)由于建設年代久遠，受歷史條件和科學技術(shù)水平等諸多因素的制約，信息化程度不高，長久以來數(shù)據(jù)的監(jiān)控和采集基本靠人工記錄和錄入上報，近幾年開始推廣SCADA系統(tǒng)可以實行實時監(jiān)控采集數(shù)據(jù)，但未能實現(xiàn)對每條管線和節(jié)點的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，部分老管線仍需要人工完成數(shù)據(jù)采集，使周轉(zhuǎn)量計算可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不具備足夠準確性和實時性的問題［10］。

1．3．3 計算周期難確定

川渝地區(qū)天然氣由于供應范圍大，環(huán)形管網(wǎng)的進氣點和出氣點多，雖然從大的供氣流向基本確定，但由于管道檢修、用戶氣量改變等多種原因經(jīng)常出現(xiàn)某管道返輸現(xiàn)象，且這種不確定的現(xiàn)象時有發(fā)生，不利于計算周轉(zhuǎn)量時確定最小的計算周期。

2 復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型

2．1 枝狀管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型

對一般枝狀管線，場站與管道的連接形態(tài)可用圖1的結(jié)構(gòu)來表示。其中，1～9表示各個場站。枝狀管線的氣體流動方向是確定的，圖1中箭頭方向表示氣流方向。

圖1 枝狀管網(wǎng)物理模型圖

采用“細分”和“微元”的原理和方法，將整個管線系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量視為局部周轉(zhuǎn)量之和，將場站到場站作為一個計算區(qū)間進行測算，再累加求和。例如對圖2的系統(tǒng)，假設場站1到場站2氣量為Q12，距離為L12，場站2到場站3氣量為Q23，距離為L23，場站2到場站4氣量為Q24，距離為L24。根據(jù)質(zhì)量守恒，有

圖2 枝狀管網(wǎng)局部模型圖

按照定義，系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量為：

可見，系統(tǒng)管輸周轉(zhuǎn)量可視為場站間周轉(zhuǎn)量的累加，即場站間距離和場站間輸送氣量乘積的累加［11］。

類似地，對圖1所示的系統(tǒng)，將某時間段內(nèi)整個系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量記為M，有如下公式：

因此，一般枝狀管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型為：

式中Qij表示某時間段內(nèi)場站i與場站j間輸送的天然氣量；Lij表示場站i與場站j之間的管道距離，均為標量。

2．2 環(huán)形管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型

環(huán)形管網(wǎng)與枝狀管線的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)中存在一個閉合的環(huán)，環(huán)上的每一點既能是起點也能是終點。在這種情況下，氣流的方向變得不確定。根據(jù)氣體流動特性，天然氣總是從高氣壓方向向低氣壓方向流動。以圖3的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，當場站1的氣壓高于場站8的氣壓時，天然氣從1流向8，當場站8氣壓高于場站7氣壓時，天然氣進一步流向場站7，反之亦然。

圖3 環(huán)形管網(wǎng)物理模型圖

計算方法：將“微元”思想推廣到環(huán)形管網(wǎng)中。將環(huán)形管網(wǎng)中每個場站間的周轉(zhuǎn)量計算后，累加可以得到整個管網(wǎng)系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量。

對圖3的環(huán)形管網(wǎng)，將某時間段內(nèi)整個系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量記為M，有如下公式：

環(huán)形管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型為：

2．3 復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型

2．3．1 設計思路

復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量的計算采用“微元法”原理和方法，將管網(wǎng)按照管理層級層層分解。以川渝復雜管網(wǎng)為例，將管網(wǎng)按照公司、礦區(qū)（處）、作業(yè)區(qū)層層分解，對作業(yè)區(qū)的管道再按管線細分到每一管段，通過正算、反算、混合計算等方法分別計算每一管段的流量，再輸入每一管段的距離，可以分別測算每一管段的周轉(zhuǎn)量，將作業(yè)區(qū)每一管段的周轉(zhuǎn)量加總即得各個作業(yè)區(qū)總的管道周轉(zhuǎn)量；再將每一礦區(qū)各作業(yè)區(qū)的周轉(zhuǎn)量加總，即得到礦區(qū)（處）總的周轉(zhuǎn)量；最后將各礦區(qū)（處）的周轉(zhuǎn)量加總，即得到公司的總周轉(zhuǎn)量。

因此，川渝天然氣復雜管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型可用下式表示：

式中Qkzgi表示公司k礦區(qū)（處）所屬z作業(yè)區(qū)g管線i管段輸氣量，108m3／a；Lkzgi表示公司k礦區(qū)（處）所屬z作業(yè)區(qū)g管線i管段的長度，km；i表示某管線的管段數(shù)量；g表示某作業(yè)區(qū)管線數(shù)量；z表示某礦區(qū)（處）作業(yè)區(qū)數(shù)量；k表示公司礦區(qū)（處）數(shù)量。

采用統(tǒng)計方法分別統(tǒng)計每一礦區(qū)（處）每一作業(yè)區(qū)每條管線每一管段的輸氣量和管段長度，即運用上述模型直接計算出分公司天然氣管網(wǎng)的總周轉(zhuǎn)量。

2．3．2Q取值

川渝管網(wǎng)對場站輸送天然氣量的取值有兩種方式。對一部分采用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的管線，采取自動采集的方式。利用該系統(tǒng)可以對天然氣管輸量進行實時監(jiān)控，每3～5s為一個周期進行數(shù)據(jù)更新。對另一部分尚未應用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的管線，采用人工錄入的方式。人工錄入是按日的周期進行上報。

2．3．3L取值

由于除了管道運營最初期或管道維護修理期間外，天然氣管輸均具有連續(xù)性的特點。因此，可以把系統(tǒng)對某部分天然氣的運輸距離取為管道長度以簡化計算，將L定義為天然氣管道的長度。

3 計算實例

采用分類統(tǒng)計的方法，對川渝天然氣管網(wǎng)按管理歸屬對每條管線輸氣量、輸送距離分別列表進行統(tǒng)計，按照周轉(zhuǎn)量計算公式，分別將各管段周轉(zhuǎn)量累加，最終計算出總周轉(zhuǎn)量值。計算方法和步驟如下。

1）分單位統(tǒng)計管道板塊資產(chǎn)，每條管線名稱、起點、終點位置、管徑、長度、輸氣量。

2）按照周轉(zhuǎn)量計算公式M＝QL，分別計算出每條管道的周轉(zhuǎn)量。

川渝地區(qū)部分管道周轉(zhuǎn)量測算結(jié)果見表1。

3）將各單位的周轉(zhuǎn)量值進行匯總。

川渝氣田管道各單位周轉(zhuǎn)量測算結(jié)果見表2。

表1 川渝地區(qū)某礦區(qū)管道周轉(zhuǎn)量測算結(jié)果表

4 結(jié)論及建議

4．1 采用“微元法”計算環(huán)形管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量是合理的，但需要配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能實現(xiàn)

對氣體流向不太固定的復雜管網(wǎng)，采用“微元法”將復雜管網(wǎng)分解成一小段一小段的枝狀管網(wǎng)來計算周轉(zhuǎn)量是合理的。周轉(zhuǎn)量計算模型對氣體流向相對固定的全國天然氣大管網(wǎng)也是適用的，可為全國聯(lián)網(wǎng)天然氣管道周轉(zhuǎn)量的測算提供借鑒，對聯(lián)網(wǎng)管道的銷售管理、結(jié)算管理和運行管理均有參考價值。但采用這種方法需要完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的實時采集和自動傳輸，采用計算機編程才能得以實現(xiàn)［12］。

表2 川渝氣田管道各單位周轉(zhuǎn)量測算結(jié)果表

4．2 鑒于復雜天然氣管網(wǎng)的特殊性，可采用年度或季度平均法，在統(tǒng)計分析的基礎上計算周轉(zhuǎn)量

由于川渝天然氣管線已形成區(qū)域性環(huán)形管網(wǎng)，管道內(nèi)氣體的流向十分復雜，環(huán)形管網(wǎng)進出氣點多，輸量變化大；而一個大用戶的關(guān)停、凈化廠的檢修、下載氣量的變化、用戶調(diào)峰等生產(chǎn)調(diào)度手段也會對整個管網(wǎng)的氣體流向產(chǎn)生影響。因此，建議周轉(zhuǎn)量的計算可采用年度或季度平均法，在各作業(yè)區(qū)建立統(tǒng)計報表制度，由作業(yè)區(qū)每年／每季度統(tǒng)計輸氣量，運用周轉(zhuǎn)量計算公式算出周轉(zhuǎn)量，再通過匯總層層上報，可計算出川渝天然氣區(qū)域管網(wǎng)的周轉(zhuǎn)量計算值。

［1］顏輝．周轉(zhuǎn)量在物流運輸成本分析中的應用［J］．工業(yè)工程，2010，13（1）：108－111．YAN Hui．Material handling cost analysis in facility layout design based on turnover volume［J］．Industrial Engineering Journal，2010，13（1）：108－111．

［2］馮偉，李建廷，宋漢成，等．天然氣管道運行能效評價指標探討［J］．油氣儲運，2010，29（4）：313－319．FENG Wei，LI Jianting，SONG Hancheng，et al．Assessment indexes on operation energy efficiency of natural gas pipelines［J］．Oil ＆ Gas Storage and Transportation，2010，29（4）：313－319．

［3］周志斌，楊毅．川渝天然氣管網(wǎng)運營安全與效益優(yōu)化模型研究［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2009．ZHOU Zhibin，YANG Yi．Research on operation safety and efficiency optimization model of Sichuan－Chongqing natural gas pipeline network［M］．Beijing：Petroleum Industry Press，2009．

［4］徐俊平，施紀衛(wèi)，董忠民．天然氣管道經(jīng)濟運行分析［J］．天然氣技術(shù)，2007，1（1）：58－62．XU Junping，SHI Jiwei，DONG Zhongmin．Economic operation analysis in natural gas transportation pipelines［J］．Natural Gas Technology，2007，1（1）：58－62．

［5］王良錦，熊偉，朱怡，等．聯(lián)網(wǎng)營銷下川渝高效天然氣市場的培育［J］．天然氣技術(shù)與經(jīng)濟，2011，6（2）：59－61．WANG Liangjin，XIONG Wei，ZHU Yi，et al．Cultivating an efficient Sichuan－Chongqing natural gas market in the mode of pipeline networking marketing［J］．Natural Gas Technology and Economy，2011，6（2）：59－61．

［6］周建，許紅川，李琦，等．川渝輸氣管網(wǎng)管存控制技術(shù)及案例分析［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（1）：132－136．ZHOU Jian，XU Hongchuan，LI Qi，et al．Pipeline scheduling and management：A case history from the Sichuan－Chongqing Pipeline Network ［J］．Natural Gas Industry，2013，33（1）：132－136．

［7］王毅輝，李勇，蔣蓉，等．中國石油西南油氣田公司管道完整性管理研究與實踐［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（3）：78－83．WANG Yihui，LI Yong，JIANG Rong，et al．Research and practices of the integrity management of gas pipelines operated by PetroChina Southwest Oil ＆ Gasfield Company［J］．Natural Gas Industry，2013，33（3）：78－83．

［8］康壇．鐵路貨運周轉(zhuǎn)量預測模型的選擇及實證研究［D］．北京：北京交通大學，2008．KANG Tan．Empirical study on the choose of forecast model for railway freight turnover［D］．Beijing：Beijing Jiaotong University，2008．

［9］羅媛媛，劉志成．川渝地區(qū)天然氣管網(wǎng)存在的問題與對策［J］．重慶科技學院學報：社會科學版，2011，13（3）：79－80．LUO Yuanyuan，LIU Zhicheng．Problems on natural gas pipeline network in Sichuan－Chongqing area and the countermeasures［J］．Journal of Chongqing University of Science and Technology：Social Sciences Edition，2011，13（3）：79－80．

［10］屈彥．川東地區(qū)然氣生產(chǎn)SCADA系統(tǒng)的優(yōu)化改造［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（11）：88－92．QU Yan．Optimization and modification of a SCADA system for natural gas production in the eastern Sichuan Basin［J］．Natural Gas Industry，2011，31（11）：88－92．

［11］白蘭君．再論計算天然氣運距的“順流周轉(zhuǎn)量分配法”［J］．天然氣工業(yè)，1991，11（6）：86－89．BAI Lanjun．Re－review of the“ConcurrentFlowTurnaroundQuantityDistributionMethod”of calculating natural gas transportation distance［J］．Natural Gas Industry，1991，11（6）：86－89．

［12］羅東曉．天然氣管網(wǎng)雙向計量系統(tǒng)及其技術(shù)的應用［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（8）：94－95．LUO Dongxiao．Application of a bi－directional measuring system and its relevant techniques in two connected gas pipeline networks［J］．Natural Gas Industry，2011，31（8）：94－95．