川氣東送管道工藝運(yùn)行方案制定與優(yōu)化*

陳傳勝（中國石化川氣東送天然氣管道有限公司）

川氣東送管道工藝運(yùn)行方案制定與優(yōu)化*

陳傳勝（中國石化川氣東送天然氣管道有限公司）

天然氣長輸管道運(yùn)行較為復(fù)雜，確定出科學(xué)、合理、高效節(jié)能的生產(chǎn)運(yùn)行方案是管道運(yùn)營企業(yè)追求的目標(biāo)。通過對川氣東送管道工藝系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定其主要工藝參數(shù)運(yùn)行范圍；利用SPS管道仿真軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，對輸氣能力進(jìn)行評估；并對不同輸量下管存調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行分析，結(jié)合管道運(yùn)行特點(diǎn)及節(jié)能要求，提出優(yōu)選方案原則及步驟；基于該管道2015—2016年冬季運(yùn)行情況，證明了該方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，制定和優(yōu)化出的生產(chǎn)運(yùn)行方案可靠、有效，能夠?yàn)楣艿赖倪\(yùn)行提供指導(dǎo)和決策。

川氣東送；高效節(jié)能；工藝分析；輸氣能力評估；方案制定與優(yōu)化

川氣東送管道西起川東北普光首站，東至上海末站，是繼西氣東輸之后又一條貫穿我國東西部地區(qū)的管道大動脈。川氣東送管道有干線、達(dá)化專線、川維、武石化、南京、江西支線共2229 km管線、35座站場、101座閥室，并設(shè)有普光、利川、潛江3座壓氣站，管網(wǎng)具有距離長、輸量大、壓力高、壓氣站數(shù)目多、沿線分輸站點(diǎn)多、上游氣源多、下游用戶多等特點(diǎn)，管網(wǎng)運(yùn)行工況復(fù)雜，如何保障管道安全高效節(jié)能運(yùn)行難度非常大。因此，提前制定出科學(xué)合理的工藝運(yùn)行方案，對指導(dǎo)保障管道安全經(jīng)濟(jì)高效節(jié)能運(yùn)行有非常重要的作用。

1 工藝系統(tǒng)分析及工藝參數(shù)的確定

川氣東送管道運(yùn)距長、用戶多、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行難度大，為了保障川氣東送管道運(yùn)行安全，針對其上游3個(gè)氣源、枝狀結(jié)構(gòu)管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力、管道用戶用氣需求不一致等特點(diǎn)，方案中須對管網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，明確工藝運(yùn)行參數(shù)邊界條件，確保管道運(yùn)行安全。

為了避免管道運(yùn)行過程中管道工況不能滿足上中下系統(tǒng)運(yùn)行需要，對上游氣田及下游用戶造成較大影響，重點(diǎn)在于天然氣氣質(zhì)、管道運(yùn)行壓力、溫度、流量等關(guān)鍵參數(shù)的控制。因此方案編制要根據(jù)用戶用氣需求、管網(wǎng)設(shè)計(jì)狀況確定管道運(yùn)行壓力范圍和氣質(zhì)要求。通過分析，結(jié)合GB 17820—2012《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)要求及川氣東送管道下游用戶中化工企業(yè)較多，對硫含量要求特別嚴(yán)格，在運(yùn)行過程中需要在確定天然氣氣質(zhì)至少符合二類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上特別做好H2S、總硫、CO2含量的控制，嚴(yán)格要求H2S含量不超過20 mg/m3，總硫量不超過60 mg/m3，CO2量不超過3%；針對川氣東送管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力分別為10、8、6.3、4.5、1.6 MPa等不同壓力等級管線，為了保障管道運(yùn)行有一定的安全裕度以確保管網(wǎng)運(yùn)行安全可靠，確定其最高操作壓力分別為9.8，7.8、6、4.3、1.2 MPa；通過分析上游氣源的供氣壓力狀況、下游用戶用氣壓力狀況，確定起點(diǎn)普光首站壓力不高于8 MPa，末端上海、揚(yáng)子末站最低運(yùn)行壓力不低于4.5 MPa；管道運(yùn)行溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，并重點(diǎn)關(guān)注壓氣站壓縮機(jī)出口管線、分輸站調(diào)壓后管線溫度，確保滿足要求；方案中還需對照各輸氣站場輸氣量分析站場分離器、流量計(jì)、調(diào)壓撬等設(shè)備處理能力，各設(shè)備最大處理能力原則上不超過設(shè)計(jì)能力。

2 川氣東送管道工況運(yùn)行分析

2.1 仿真分析模型的建立

考慮到SPS是目前國際公認(rèn)較好的輸氣管道水力分析軟件，計(jì)算準(zhǔn)確度高，并在國內(nèi)許多輸氣管道上得到了良好應(yīng)用[1-4]。鑒于川氣東送管道水力計(jì)算復(fù)雜，為了保障工藝運(yùn)行方案的準(zhǔn)確性和可靠性，川氣東送管道水力分析計(jì)算采用SPS軟件進(jìn)行建模，在建模過程中將上游氣源、下游用戶、管道基本參數(shù)、傳熱系數(shù)、摩阻系數(shù)、閥門設(shè)備參數(shù)、壓縮機(jī)機(jī)芯等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入模型中，通過對比管道實(shí)際運(yùn)行情況以及仿真計(jì)算結(jié)果，對模型進(jìn)行調(diào)試，保障模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度達(dá)到95%以上（表1），為方案的編制提供依據(jù)。

2.2 管道輸氣能力分析

工藝運(yùn)行方案編制的核心在于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)最低的情況下，如何確保管道運(yùn)行工況滿足輸氣要求，重點(diǎn)是壓縮機(jī)運(yùn)行組合的選擇、管存、能耗的控制[5-7]，即當(dāng)管道輸量一定的情況下，保障管道運(yùn)行工況滿足用戶需求、有一定的管存調(diào)節(jié)能力、管道運(yùn)行安全有效是較好的工藝方案。為了能夠快速確定何種方案滿足管道運(yùn)行需要，需要對管道輸氣能力、不同輸量下管存控制范圍進(jìn)行分析，為選擇最佳的工藝運(yùn)行方案提供依據(jù)。

表1 川氣東送管道2016年6月1—7日同輸量下實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比分析

表2 2016年川氣東送管道壓縮機(jī)不同啟運(yùn)方式最大輸氣量評估 單位：104m3/d

1）管道最大輸氣能力評估。川氣東送管道目前有8臺壓縮機(jī)，其中普光首站3臺、利川壓氣站3臺、潛江壓氣站2臺，按照設(shè)計(jì)，滿負(fù)荷下運(yùn)行普光首站壓縮機(jī)為2用1備，利川壓氣站壓縮機(jī)為2用1備，潛江壓氣站壓縮機(jī)為2用1備配置，其中潛江1臺壓縮機(jī)暫未建設(shè)。根據(jù)川氣東送管道工藝系統(tǒng)分析確定的邊界條件，通過對川氣東送管道輸氣能力進(jìn)行核算，具體評估情況見表2。

2）不同輸量下管道管存調(diào)節(jié)范圍分析?？紤]到管道運(yùn)行過程中用戶用氣不是很穩(wěn)定，需要一定的管存進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了了解不同工況及輸量下對應(yīng)的管存調(diào)節(jié)范圍，需要分析各種輸量下對應(yīng)的不同壓縮機(jī)開啟方式管道管存控制范圍，以便為方案選擇提供指導(dǎo)（表3）。

3 方案的確定與優(yōu)選

3.1 方案確定原則及優(yōu)選措施

管道工藝運(yùn)行方案的制定和優(yōu)化是指在給定的條件和最優(yōu)準(zhǔn)則下采用最有利的運(yùn)行方案，使得系統(tǒng)工況在滿足給定條件的前提下達(dá)到或接近最優(yōu)準(zhǔn)則的要求[8-10]。例如管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、壓氣站的設(shè)備配置及性能、各氣源的供氣條件、各用戶的需求氣量等，因此方案應(yīng)首先考慮管道系統(tǒng)的安全性、可靠性；還須考慮平穩(wěn)性、便利性、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等方面的要求。較佳運(yùn)行方案為管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)最小，管道運(yùn)行工況滿足輸量要求，具備一定的管存調(diào)節(jié)范圍，管道運(yùn)行方式較為經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

在川氣東送管道工藝方案制定和優(yōu)化中，首先考慮管網(wǎng)上中下系統(tǒng)運(yùn)行處于較好運(yùn)行狀態(tài)，管道工況滿足用戶用氣需要且不對上游正常進(jìn)氣造成影響；還考慮其管存具備一定的調(diào)節(jié)空間，能耗處于節(jié)能狀態(tài)，考慮到長輸天然氣管道運(yùn)行過程中所消耗的能耗主要為壓縮機(jī)能耗，因此運(yùn)行過程中能耗主要考慮壓縮機(jī)消耗的總功率較低。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，川氣東送管道工藝運(yùn)行方案制定和優(yōu)化過程如下：

1）根據(jù)給定的管道輸量，對應(yīng)不同壓縮機(jī)開啟方式管道輸氣能力，選擇合適的壓縮機(jī)運(yùn)行組合方式，確保其工況滿足運(yùn)行需要。

2）對各種運(yùn)行方式進(jìn)行評估，確認(rèn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較小，不對管道及設(shè)備造成損害，管道有一定的調(diào)節(jié)空間，能夠有一定的管存調(diào)節(jié)能力和調(diào)峰能力。

3）對管道運(yùn)行能耗進(jìn)行評估，選擇能耗較低的運(yùn)行工況。

表3 不同輸量管道管存控制范圍

3.2應(yīng)用案例

以川氣東送管道冬季運(yùn)行情況為例，按照川氣東送管道2015—2016年冬季銷售計(jì)劃，2015—2016年度冬季各月輸氣計(jì)劃具體見表4。

表4 2015—2016年冬季輸往各省市用戶氣量情況 單位：104m3/d

結(jié)合冬季各月計(jì)劃，對應(yīng)表2、表3分析，按照川氣東送管道工藝運(yùn)行方案制定和優(yōu)化過程，2015年11月—2016年3月份能夠滿足運(yùn)行需要的工藝方案及各種方案評估情況見表5。

通過對各種方案進(jìn)行分析，考慮到普光首站距普光凈化廠僅260 m，普光壓縮機(jī)開機(jī)后一旦出現(xiàn)異常停機(jī)對普光凈化廠影響非常大甚至導(dǎo)致普光氣田一級關(guān)段，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高。因此在利川、潛江壓縮機(jī)開機(jī)能夠滿足管道運(yùn)行工況的情況下，一般不考慮開啟普光首站壓縮機(jī)。所以2015年11月、2016年2月推薦采用利川1臺壓縮機(jī)配置方式運(yùn)行。雖然2015年12月、2016年1月、2016年3月開啟利川2臺+潛江2臺壓縮機(jī)運(yùn)行方式對普光氣田影響較小，但由于管道輸量較小，容易造成壓縮機(jī)喘振[11]，對設(shè)備造成較大傷害，且能耗較大。通過加強(qiáng)與上游普光氣田的溝通和協(xié)調(diào)，在確定應(yīng)急方案和應(yīng)急措施并保障最大限度降低普光壓縮機(jī)異常停機(jī)對上游氣田造成影響的情況下，推薦采用“普光1+利川1”的壓縮機(jī)運(yùn)行模式。

在2015—2016年冬季實(shí)際運(yùn)行中，按照以上方法編制的工藝運(yùn)行方案有效指導(dǎo)了管道生產(chǎn)運(yùn)行，特別是2015年12月、2016年1月驗(yàn)證了利川2臺+潛江2臺壓縮機(jī)開機(jī)方式管道流量不能滿足壓縮機(jī)運(yùn)行要求，壓縮機(jī)處于喘振區(qū)域，通過做好應(yīng)急措施，開啟普光首站壓縮機(jī)，保障了管網(wǎng)安全有效高效節(jié)能運(yùn)行。

4 結(jié)論

1）通過對川氣東送管道工藝系統(tǒng)分析，確定主要工藝運(yùn)行參數(shù)范圍，并對川氣東送管道輸氣能力、不同輸量下管存調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行分析，在明確管道輸量的情況下，能夠快速選擇合適的工藝運(yùn)行方案，確保管道工況滿足運(yùn)行需求。

2）方案的制定與優(yōu)化應(yīng)從管道系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、有效性、經(jīng)濟(jì)性多方面進(jìn)行考慮，一般來說管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)最小，管道運(yùn)行工況能夠有效滿足上中下系統(tǒng)的需要并有一定的調(diào)節(jié)空間、管道能耗較小即為較好的工藝運(yùn)行方案。

表5 2015—2016年冬季各月輸氣運(yùn)行方案比較

3）以川氣東送管道2015—2016年冬季運(yùn)行情況為例，通過對管道實(shí)際運(yùn)行情況與編制的工藝運(yùn)行方案進(jìn)行比較，該方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，對選擇合適的工藝方案、指導(dǎo)管道安全有效高效節(jié)能運(yùn)行具有非常好的參考價(jià)值。

[1]李佩，趙宏濤，臧國軍，等.SPS管道仿真系統(tǒng)在靖邊—咸陽管道的應(yīng)用[J].油氣儲運(yùn)，2010，29（11）：832-834.

[2]鄭云萍，肖杰，孫嘯，等.輸氣管道仿真軟件SPS的應(yīng)用與認(rèn)識[J].天然氣工業(yè)，2013，33（11）：104-109.

[3]王永紅，李曉平，宮敬.長輸管道在線仿真系統(tǒng)的應(yīng)用與展望[J].油氣儲運(yùn)，2011，30（2）：90-93.

[4]劉建武，晏偉，梁海寧.TGNET和SPS在甬臺溫輸氣管道設(shè)計(jì)中的比較[J].油氣儲運(yùn)，2012，31（9）：689-691.

[5]賀三，鄒永莉，王欣，等.天然氣管道的運(yùn)行優(yōu)化[J].油氣儲運(yùn)，2009，28（6）：1-7.

[6]Rainer Kurz，Matt Lubomirsky.天然氣增壓站經(jīng)濟(jì)優(yōu)化：壓縮機(jī)運(yùn)行[J].天然氣與石油，2015，33（2）：23-30.

[7]席海宏，趙玲玉.榆林-濟(jì)南輸氣管道調(diào)峰方式優(yōu)選[J].油氣儲運(yùn)，2016，35（4）：381-405.

[8]Wonmo Sung，Daegee Huh，Junghwan Lee，etc.Optimization of Pipeline Networks with A Hybrid MCST-CD Networking Model[J].SPE Production&Facilities，1998，13（3）：213-219．

[9]張鑠，吳明，牛冉，等.天然氣輸氣管道優(yōu)化的最優(yōu)化方法研究[J].當(dāng)代化工，2015，44（2）：408-409.

[10]艾慕陽，蔣毅，宋飛，等.大型天然氣管網(wǎng)運(yùn)行方案多目標(biāo)決策優(yōu)化[J].油氣儲運(yùn)，2011，30（10）：739-742.

[11]韓輝，張忠明，康亮，等.輸氣管道壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)的運(yùn)行管理[J].油氣儲運(yùn)，2012，31（10）：795-797.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.019

2016-07-25

（編輯 賈洪來）

陳傳勝，工程師，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)（油氣儲運(yùn)專業(yè)），從事天然氣長輸管道運(yùn)營與管理工作，E-mail：chchsh1003@163.com，地址：湖北省武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)光谷大道126號，430025。

中國石化集團(tuán)公司科研專項(xiàng)“川氣東送管道運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)”，項(xiàng)目編號：35150014-14-ZC0607-0005。