輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)供氣調(diào)峰方法概述

陳 海 宏（中國石油大學(xué)（北京），北京 昌平 102249）

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輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)供氣調(diào)峰方法概述

陳 海 宏
（中國石油大學(xué)（北京），北京 昌平 102249）

摘要：輸氣管道建設(shè)的飛速發(fā)展，但與之配套的供氣調(diào)峰設(shè)施建設(shè)和調(diào)峰技術(shù)仍然很落后。首先介紹了國內(nèi)外輸氣管道的發(fā)展概況，然后詳細(xì)綜述了國內(nèi)外主要的供氣調(diào)峰措施，最后簡要描述了在供氣調(diào)峰中如何應(yīng)用輸氣管道仿真軟件。

關(guān)鍵詞：輸氣管道；供氣系統(tǒng)；調(diào)峰；仿真

1　輸氣管道發(fā)展概況

自 1990年開始，中國天然氣勘探開發(fā)技術(shù)迅速發(fā)展，天然氣產(chǎn)量迅速增加。但是我國的天然氣資源分配很不均勻，主要分布在中西部地區(qū)，其產(chǎn)量占全國產(chǎn)量的70%以上。而消費(fèi)市場主要是珠江三角洲、長江三角洲和環(huán)渤海地區(qū)。天然氣運(yùn)輸與油品運(yùn)輸不同，除了要考慮氣田就近原則，更要考慮市場的因素，這種資源與市場的隔離加大了管道建設(shè)的長度和難度。為了滿足消費(fèi)市場的需求和國家能源戰(zhàn)略要求，我國正加快建設(shè)安全可靠的大型輸氣管網(wǎng)。其特點如下：

（1）陸上三大油氣進(jìn)口管道成型。西北方向，建設(shè)了中亞天然氣管道與西氣東輸二線銜接。西南方向，建設(shè)了中緬管道天然氣管道。東北方向，建設(shè)了中俄原油管道。

（2）全國性天然氣管網(wǎng)加速建設(shè)。西氣東輸二線和川氣東送分別于2012年12月30日和2010 年8月31日全部建成投產(chǎn)。西氣東輸三線工程于2012年10月16日開工，首次引入社會資本和民營資本參與建設(shè)，預(yù)計 2016年投產(chǎn)，可向市場提供300億m3/a天然氣。西氣東輸四線、五線也在積極規(guī)劃中。

（3）區(qū)域性天然氣管網(wǎng)不斷完善。珠三角地區(qū)和中南地區(qū)已形成區(qū)域管網(wǎng)主體框架，川渝地區(qū)和華北地區(qū)已也已形成較完善的區(qū)域性管網(wǎng)［1］。

我國輸氣管道的建設(shè)正構(gòu)成一個全國網(wǎng)絡(luò)，可將柴達(dá)木、塔里木、川渝和長慶氣田的聯(lián)網(wǎng)，初步形成了安全的供氣網(wǎng)絡(luò)。不過，我國輸氣管道運(yùn)輸仍存在一些問題。雖然我國長距離輸氣管道建設(shè)正處于爆發(fā)性的增長期，但基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和調(diào)峰技術(shù)卻很落后，主要表現(xiàn)為調(diào)峰方式單一、調(diào)峰能力不足、調(diào)峰設(shè)施不能與管道建設(shè)同步。我國輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)調(diào)峰設(shè)施的建設(shè)仍然落后，需加快調(diào)峰設(shè)施建設(shè)的步伐。

2　輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)供氣調(diào)峰措施

2.1輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)供氣調(diào)峰的必要性

近年來，天然氣需求量在不斷增加。2013年我國天然氣消費(fèi)量達(dá)到1 676億m3，2014年為1 830 億m3，2015年預(yù)計為2 000億m3?？焖倥蛎浀奶烊粴馐袌鲂枨蟆M(jìn)口天然氣的過度依賴、資源與市場的分離的現(xiàn)狀要求必須加快建設(shè)天然氣供氣調(diào)峰設(shè)施，進(jìn)一步完善供氣調(diào)峰技術(shù)。

天然氣用戶的用氣流量一般隨時間變化，而管道輸氣流量通常比較穩(wěn)定。為保證用氣的可靠性與安全性，調(diào)節(jié)不均衡用氣與均衡供氣之間的矛盾，需對用氣規(guī)律深入分析，選擇安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰設(shè)施。在用氣低谷時，儲存富余的天然氣，以便在用氣高峰時彌補(bǔ)供氣量的欠缺，滿足用戶用氣變化的需求，保證供氣的連續(xù)性和可靠性。

2.2城市燃?xì)庥脷庳?fù)荷預(yù)測

準(zhǔn)確地預(yù)測城市燃?xì)庥脷庳?fù)荷量，才能為調(diào)峰儲氣設(shè)施的確定及城市燃?xì)鈨?yōu)化調(diào)度提供最基本的設(shè)計參數(shù)。城市燃?xì)庥脷庳?fù)荷預(yù)測方法，就是根據(jù)負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)和氣象資料（包括云層、溫度和風(fēng)速）等信息，對未來的用氣負(fù)荷量進(jìn)行估計。在燃?xì)膺\(yùn)行系統(tǒng)中，負(fù)荷預(yù)測是必不可少的環(huán)節(jié)。目前，燃?xì)夤局饕捎脗鹘y(tǒng)的人工預(yù)報方法。該方法允許調(diào)度員自由處理各種因素對用氣負(fù)荷的影響，但是要求調(diào)度員的經(jīng)驗相當(dāng)豐富。

城市燃?xì)庥脷庳?fù)荷預(yù)測的理論方法主要有：經(jīng)典回歸法、時間序列法、灰色預(yù)測法、專家系統(tǒng)法、模糊數(shù)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、優(yōu)選組合法以及小波分析法。這些方法的詳細(xì)預(yù)測過程本文不作介紹。

2.3供氣調(diào)峰設(shè)施

在管網(wǎng)日臻完善的形勢下，利用管道氣源、輸氣管網(wǎng)和儲氣設(shè)施有效聯(lián)合調(diào)峰是未來天然氣用戶系統(tǒng)的調(diào)峰趨勢，其中氣源是基礎(chǔ)，輸氣管網(wǎng)是輔助，儲氣設(shè)施是主導(dǎo)。

天然氣管道的調(diào)峰方式主要有兩類：調(diào)節(jié)用戶用氣量和建設(shè)調(diào)峰設(shè)施。用戶管理的調(diào)峰方式主要有：調(diào)整峰谷用氣價格來調(diào)節(jié)用戶用氣需求、挑選可切換燃料系統(tǒng)的企業(yè)作為可中斷或緩沖用戶。

建設(shè)調(diào)峰設(shè)施的調(diào)峰方法如下［2-16］

（1）上游氣田調(diào)峰。當(dāng)調(diào)峰量較小時，可利用管道富余的輸氣能力、氣田生產(chǎn)井余量和自身的產(chǎn)能儲備進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)峰量較大時，上述方式會使得管道和上游的投資過大，并且會降低整個輸氣系統(tǒng)的效率變低。

（2）地下儲氣庫調(diào)峰。儲氣庫儲存的天然氣主要用于季節(jié)調(diào)峰和日調(diào)峰，同時也用于國家的戰(zhàn)略儲備以及事故應(yīng)急儲備。為保證儲氣庫可以及時響應(yīng)用戶用氣量的波動，一般選擇在用氣負(fù)荷中心附近建設(shè)地下儲氣庫。尤其當(dāng)管道輸氣能力的不足，導(dǎo)致供氣不足時，只有在管道末段附近建設(shè)儲氣庫，才能滿足用戶用氣需求。

一般來說，地下儲氣庫要求具有特定的地址條件，并不是每一條輸氣管道末段都具備建庫條件。按地質(zhì)構(gòu)造劃分，地下儲氣庫可分為：鹽穴型儲氣庫；含水層儲氣庫；廢棄礦井型儲氣庫；枯竭油氣田儲氣庫，其經(jīng)濟(jì)性最好。

（3）輸氣管道末段供氣調(diào)峰。其原理是利用輸氣管道末段（指最后一個壓氣站與城市間的輸氣管道）中氣體壓力的變化及氣體的壓縮性的改變其中氣體充裝量。管道末段儲氣能力越大，越有利于小時調(diào)峰。這種調(diào)峰方式是最有效、最經(jīng)濟(jì)、最方便的。

在實際運(yùn)行過程中，由于城市用氣量周期性的波動，引起末段管道終點的壓力和流量也發(fā)生周期性的變化。尤其是，運(yùn)行壓力每天會發(fā)生周期性的增壓、降壓循環(huán)過程。當(dāng)壓力波動幅度過大時，這很容易增加管道的疲勞損害。因此，在滿足供氣調(diào)峰需求的前提下，應(yīng)盡量降低管道的應(yīng)力，增大安全系數(shù)，減小壓力周期性波動幅度。

（4）城市管網(wǎng)儲氣調(diào)峰。城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的設(shè)備和管徑都是以月最大小時流量作為設(shè)計計算的依據(jù)，其輸氣能力富余量大，能夠更快及時響應(yīng)用氣波動，非常有利于解決小時調(diào)峰。

（5）管束調(diào)峰。該方法是在地底下埋入多組鋼管，利用高壓下氣體與理想氣體的偏差及可壓縮性進(jìn)行儲氣，主要用于城市配氣系統(tǒng)晝夜調(diào)峰。

（6）儲氣罐調(diào)峰。主要用于日調(diào)峰量較大的城市。儲氣罐分為高壓儲氣罐和低壓儲氣罐。高壓儲氣罐的儲氣壓力一般在0.8～2 MPa，儲氣空間恒定，需通過調(diào)整罐內(nèi)壓力來調(diào)節(jié)儲氣量。 低壓儲氣罐的儲氣壓力一般為l～4 kPa，接近大氣壓，并可保持恒定，并可通過調(diào)整儲氣空間的容積來調(diào)節(jié)儲氣量。

（7）液化石油氣（LPG）調(diào)峰。這種方法需利用特定的措施和設(shè)備，摻混空氣和丙烷，使得摻混后氣體的華白指數(shù)與長距離天然氣管道中氣體華白指數(shù)接近，此時方可用于調(diào)峰。LPG便于運(yùn)輸和存儲，可通過成品油管道或罐車將其運(yùn)到指定的城市。存儲方式既可在-40 ℃的低溫常壓存儲，也可帶壓存儲。缺點是一旦出現(xiàn)泄漏，由于氣態(tài)丙烷密度比空氣密度大，氣態(tài)丙烷會在地面上沉積且不易擴(kuò)散。

（8）液化天然氣（LNG）調(diào)峰。LNG作為一種機(jī)動氣源，是解決城市燃?xì)舛唐谡{(diào)峰的有效手段。主要分為三類：終端LNG儲罐調(diào)峰、小型LNG液化調(diào)峰、小型LNG氣化調(diào)峰。

2.4調(diào)峰方式的選擇

調(diào)峰方案和措施的選擇與許多因素有關(guān)，其中一個關(guān)鍵因素是調(diào)峰周期?？紤]到城市燃?xì)庥脷獾牟痪鶆蛐?，根?jù)調(diào)峰周期長短，可分為短期（小于1個月）調(diào)峰、中長期（超過1個月）調(diào)峰。一般來說，調(diào)峰周期越長，調(diào)峰周期內(nèi)用戶的用氣量變化越劇烈，完成調(diào)峰任務(wù)的難度和代價就越大。輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)供氣調(diào)峰方式比較，見表1。

表1　不同輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)供氣調(diào)峰方式Table1 Peak shaving methods of gas supply in gas pipeline （Network） system

為使供氣系統(tǒng)能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，原則上不應(yīng)采用調(diào)整干線管道工藝運(yùn)行方案和氣源供氣量的辦法進(jìn)行調(diào)峰，即干線管道和氣源設(shè)施基本上按各自的設(shè)計能力維持平穩(wěn)運(yùn)行。選擇調(diào)峰方法時，必須統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)性和工藝等因素，對比多種調(diào)峰方法，優(yōu)選出最佳方案。

3　仿真軟件在供氣調(diào)峰中的應(yīng)用

對于給定的輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)，在給定的時間范圍內(nèi)，已知該系統(tǒng)的氣源供氣能力、管道輸送能力及用戶的用氣流量變化規(guī)律，如何才能確保提出的調(diào)峰方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性？所謂可行性是指各供氣點既能滿足對最低允許供氣壓力的要求，又能滿足供氣流量的要求。由于輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)調(diào)峰過程是典型的非穩(wěn)態(tài)工況，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)變化規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜，調(diào)度人員難以根據(jù)經(jīng)驗制定既可行又經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰方案。此時，需要分析用氣波動時管道運(yùn)行工況，結(jié)合管路、壓氣站及儲氣設(shè)施的運(yùn)行規(guī)律，通過輸氣管道仿真軟件來定量描述在不同邊界條件下各節(jié)點和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的變化過程，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)峰方案的評價與比選［18］。

長距離天然氣管道仿真分為瞬態(tài)仿真、穩(wěn)態(tài)仿真。由于中長期調(diào)峰問題具有周期長、用氣量波動幅度大且持續(xù)時間長、難以準(zhǔn)確預(yù)測該周期內(nèi)用氣量的具體變化規(guī)律等特點，一般應(yīng)用穩(wěn)態(tài)仿真軟件進(jìn)行中長期調(diào)峰過程仿真。而短期調(diào)峰過程的周期短，能夠較準(zhǔn)確描述用氣量的具體變化規(guī)律，一般應(yīng)用動態(tài)仿真軟件進(jìn)行短期調(diào)峰過程仿真［18］。

目前，國內(nèi)還處于對單根管線的調(diào)峰過程仿真階段。應(yīng)用于輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)供氣調(diào)峰過程仿真的軟件主要有SPS、TGNET、SIMONE、GREEG、SIROGAS等。其中，TGNET是我國最早引進(jìn)的輸氣管道仿真軟件。

這些軟件中，可以用于輸氣管道（網(wǎng)）系統(tǒng)供氣調(diào)峰過程仿真的模塊主要有：實時在線仿真、實時狀態(tài)預(yù)測、離線仿真。

實時在線仿真模塊根據(jù)實際的天然氣管網(wǎng)中的管徑、管長、調(diào)壓器位置、氣體熱值等數(shù)據(jù)，建立管網(wǎng)仿真模型對實際管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時持續(xù)的仿真。將SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)（包括氣源點的壓力、調(diào)壓站的出口壓力以及管網(wǎng)系統(tǒng)的約束條件與邊界值）實時地輸入到仿真系統(tǒng)中，進(jìn)行動態(tài)模擬管網(wǎng)的水力工況和熱力工況，計算管網(wǎng)儲氣量，以及各節(jié)點的溫度、流量和壓力等其他參數(shù)。同時在線仿真軟件利用該模塊還可以實時跟蹤管網(wǎng)中各點的氣源比例。

實時狀態(tài)預(yù)測可分為條件預(yù)測自動預(yù)測。該模塊通過實時在線仿真得到當(dāng)前管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，以及實時動態(tài)的數(shù)據(jù)，對未來的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

自動預(yù)測是以實時在線仿真模塊的計算結(jié)果作為起點，調(diào)度員可設(shè)定預(yù)測時間，并導(dǎo)入預(yù)測時段內(nèi)用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)，即可實時模擬出未來的運(yùn)行狀態(tài)。例如，在實際生產(chǎn)運(yùn)行中，調(diào)度人員可以將客戶申報的第二天或未來幾小時的用氣量輸入預(yù)測系統(tǒng)，使用當(dāng)前管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，查看管網(wǎng)是否能夠滿足客戶申報的用氣量。如滿足則用戶申報的用氣量可以作為用氣量計劃下發(fā)，如不滿足可在預(yù)測系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整驗證，制定新的用氣量計劃。

條件預(yù)測可由用戶設(shè)定事故工況，并基于當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)測所設(shè)事故工況發(fā)生時管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。并可針對所假設(shè)的事故工況，制定有效的應(yīng)急措施。

離線仿真是進(jìn)行管網(wǎng)某一時間點靜態(tài)平衡下的分析計算。當(dāng)用戶需要增大或減少用氣量時，調(diào)度人員將某時刻的SCADA數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，并設(shè)置用戶的用氣量，通過離線計算管網(wǎng)在該時間點的儲氣量、各點壓力、流量數(shù)據(jù)、燃?xì)鉄嶂档葏?shù)，查看更改是否合理，會不會超出管網(wǎng)的負(fù)荷能力。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，輸氣管道仿真軟件的計算精度和運(yùn)行效率不斷提高，尤其是大型輸氣管網(wǎng)的仿真。而且在管道的設(shè)計、運(yùn)行、調(diào)度等也都得到了廣泛的應(yīng)用。

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Summary of Peak Shaving Methods of Gas Supply in Gas pipeline （Network） System

CHEN Hai-hong
（China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Abstract：Although the construction of gas pipeline is rapidly developing，the construction of facilities and the measures of peak shaving in the gas supply system are still very backward.In this paper，firstly the general situation of the development of the gas pipeline at home and abroad was introduced.Secondly，the main measures of peak shaving in gas supply system were reviewed in detail.Finally，how to use the simulation software of gas pipeline in peak shaving of gas supply system was briefly described.

Key words：Gas pipeline；Gas supply；Peak shaving；Simulation

中圖分類號：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0109-03

收稿日期：2015-09-27

作者簡介：陳海宏（1991-），男，江蘇省建湖人，在讀博士，研究方向：油氣長距離管道輸送。E-mail：chen1020155185@163.com。