陜京輸氣管道優(yōu)化運(yùn)行節(jié)能分析

丁媛 戴征宇 吳慶江 鄭會(huì)

（1.中國(guó)石油北京天然氣管道有限公司；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司）

1 現(xiàn)狀

自二十世紀(jì)八十年代，我國(guó)輸氣管道建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，我國(guó)先后在東北、華北和西北建設(shè)了較大規(guī)模的輸氣管道，主干輸氣管網(wǎng)初步形成一個(gè)多氣源、多用戶的全國(guó)性的大型輸氣管道，天然氣管道建設(shè)技術(shù)和管理水平飛速發(fā)展。陜京輸氣管道輸量大、距離長(zhǎng)，該管道的建成極大地推動(dòng)了我國(guó)天然氣管道的發(fā)展。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，早期建成的管道出現(xiàn)了輸送效率下降、輸送能耗增加等問題，每年運(yùn)行成本龐大。在保障用戶用氣需求的條件下，陜京管道通過(guò)合理運(yùn)行優(yōu)化和用電成本控制的手段有效降低了輸氣管道的運(yùn)行能耗和運(yùn)行成本[1]。

陜京輸氣管道是我國(guó)第一條具有管道、壓氣站和地下儲(chǔ)氣庫(kù)完善配套的長(zhǎng)距離高壓輸氣管道系統(tǒng)，沿線共有9座壓氣站，配有2座儲(chǔ)氣庫(kù)群[2]。陜京管道干線由陜京一線、陜京二線、陜京三線、陜京四線組成，設(shè)計(jì)能力為600×108m3/a，目前已形成能力500×108m3/a，途經(jīng)陜西、內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津4省2市。目前陜京輸氣管道實(shí)現(xiàn)了管道間的物理連接，方便輸氣管道間天然氣調(diào)配。其重點(diǎn)用能設(shè)備是壓縮機(jī)組，總裝機(jī)容量64.6×104kW，其中燃驅(qū)機(jī)組裝機(jī)容量29.9×104kW，電驅(qū)機(jī)組裝機(jī)容量34.7×104kW。壓縮機(jī)的增壓作業(yè)消耗大量的天然氣和電力，天然氣年消耗量近2×108m3，電力年消耗量約12×108kWh。

陜京輸氣管道分別建有大港、華北2個(gè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)群，現(xiàn)有9座季節(jié)性調(diào)峰儲(chǔ)氣庫(kù)，最大調(diào)峰能力3200×104m3/d。其中，大港儲(chǔ)氣庫(kù)群最大日調(diào)峰氣量為3400×104m3，華北儲(chǔ)氣庫(kù)群最大日調(diào)峰氣量為 660×104m3。

2 輸氣管道運(yùn)行優(yōu)化

輸氣管道優(yōu)化運(yùn)行是降低輸送成本的重要手段。輸氣管道運(yùn)行優(yōu)化首先要考慮的是安全問題，只有在安全平穩(wěn)完成輸氣任務(wù)的前提下，才能優(yōu)化。在設(shè)定了安全限制后，可以得到確保管道安全運(yùn)行的可行方案集合，在此集合內(nèi)以能耗或運(yùn)行成本最低為目標(biāo)進(jìn)行選擇。多條管道聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，除了安全約束以外，還需要考慮管道之間的平衡。

2.1 國(guó)外輸氣管道運(yùn)行優(yōu)化

早在二十世紀(jì)六十年代，國(guó)外就開始了輸氣管道干線的運(yùn)行優(yōu)化研究，并開發(fā)出輸氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬的商業(yè)軟件，例如SPS、TGNET、GREEG、SIMONE、LIC等[3]。經(jīng)驗(yàn)表明，優(yōu)化運(yùn)行方案相比非優(yōu)化運(yùn)行方案的運(yùn)行能耗有不同程度的降低。國(guó)外已有管道運(yùn)行優(yōu)化的實(shí)例。例如，1994年加拿大NOVA公司利用自行研制的軟件對(duì)其擁有的部分輸氣管網(wǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案優(yōu)化，使該管網(wǎng)的運(yùn)行能耗下降了18%。1997年，CCT對(duì)運(yùn)行方案進(jìn)行了優(yōu)化，減少了約13%的燃料消耗。

2.2 國(guó)內(nèi)輸氣管道運(yùn)行優(yōu)化

我國(guó)輸氣管道穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)模擬的研究工作始于二十世紀(jì)八十年代。2002年，中國(guó)石油大學(xué)（北京）研發(fā)了西氣東輸?shù)姆€(wěn)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行軟件WEGPOPT[4]，中國(guó)石油大學(xué)（華東）開發(fā)了天然氣管道的動(dòng)態(tài)模擬軟件GasPipe。同時(shí)，我國(guó)也陸續(xù)引進(jìn)了一些主流的輸氣管道模擬軟件，例如SPS、TGNET等。自2000年至今，我國(guó)圍繞西氣東輸、川氣東送、陜京、慶哈等輸氣管道進(jìn)行了大量模擬研究工作[5]。

3 陜京輸氣管道運(yùn)行方案優(yōu)選

運(yùn)行優(yōu)選指根據(jù)管道輸送條件、壓縮機(jī)運(yùn)行可行域等條件，以能耗或運(yùn)行成本最低為目標(biāo)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到所需的管道聯(lián)合運(yùn)行方式、壓縮機(jī)配置方式和操作壓力。

3.1 SPS模型準(zhǔn)確性

陜京輸氣系統(tǒng)的SPS模型的建立是以現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)的。該管道模型在不影響輸氣系統(tǒng)沿線的水力、熱力計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)各站的工藝流程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，既保留了輸氣系統(tǒng)的各種功能，又提高了軟件的運(yùn)算速度。經(jīng)SPS模擬結(jié)果與管道生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，陜京二、三線主要站場(chǎng)的壓力、溫度及能耗的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，站場(chǎng)壓力最大絕對(duì)誤差0.25 MPa，溫度最大絕對(duì)誤差1.76℃，功率最大絕對(duì)誤差1.44%，所建模型比較可靠、準(zhǔn)確。

3.2 聯(lián)合運(yùn)行方案優(yōu)選

陜京二、三線設(shè)計(jì)輸量320×108m3/a，基本并行鋪設(shè)，在沿線的3座壓氣站設(shè)計(jì)聯(lián)合增壓流程，并在多個(gè)閥室設(shè)計(jì)連通流程，可通過(guò)切換以上位置流程，實(shí)現(xiàn)陜京二、三線聯(lián)合運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行模式的切換，為優(yōu)化管道聯(lián)合運(yùn)行方式及壓縮機(jī)配置方案提供了較大空間。根據(jù)320×108m3/a的均月均日的數(shù)據(jù)，對(duì)這2條管道做聯(lián)合運(yùn)行和分開運(yùn)行的方案比選。

方案一是完全聯(lián)合運(yùn)行（圖1）。榆林站進(jìn)站分開，榆林站出站、陽(yáng)曲站進(jìn)出站、石家莊站進(jìn)出站、安平站、永清站進(jìn)行聯(lián)合。陜二線榆林站主要用于對(duì)低壓來(lái)氣進(jìn)行增壓，陜?nèi)€榆林站主要用于對(duì)中高壓來(lái)氣進(jìn)行增壓。

圖1 完全聯(lián)合運(yùn)行

方案二是壓氣站聯(lián)合運(yùn)行（圖2）。榆林站進(jìn)站分開，出站連通。陽(yáng)曲站進(jìn)出站聯(lián)合運(yùn)行。陜京二、三線石家莊壓氣站進(jìn)站連通，但出站分開。陜京二線主要承擔(dān)沿途用戶和北京地區(qū)的供氣任務(wù)，陜京三線主要負(fù)責(zé)冀寧線和永唐秦管道的高壓氣輸送。

方案三是壓氣站獨(dú)立運(yùn)行（圖3）。榆林站出站聯(lián)合運(yùn)行，安平和永清獨(dú)立運(yùn)行。由于陜京管道的供氣原則及輸量分配，2條管道輸量分別為180×108m3/a和140×108m3/a，輸量大的管道在榆林—陽(yáng)曲段所需功率超出裝機(jī)功率，因此需要在石家莊進(jìn)站聯(lián)通以調(diào)節(jié)2條管道的輸量。

對(duì)以上3種運(yùn)行方案模擬時(shí)（表1），陜京二、三線的聯(lián)合方式是唯一變量，氣源壓力、流量、壓縮機(jī)運(yùn)行配置、出站壓力等參數(shù)設(shè)定均相同。通過(guò)表1可以看出，完全聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，北京末站壓力過(guò)高，需要經(jīng)節(jié)流降壓后分輸給下游用戶，會(huì)造成能源浪費(fèi)。壓氣站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)功率最低，北京末站壓力不至過(guò)高，并且可以滿足末站分輸壓力的要求，節(jié)約了管道運(yùn)行成本。

3.3 壓縮機(jī)配置方案優(yōu)選

在壓氣站聯(lián)合運(yùn)行的基礎(chǔ)上，圍繞不同輸量臺(tái)階進(jìn)行研究，以能耗最低為目標(biāo)對(duì)壓縮機(jī)的組合方式及出站壓力進(jìn)行比選，每個(gè)輸量下擬定3種不同的開機(jī)方案，方案比選情況見表2。運(yùn)行工況應(yīng)滿足各分輸站的供氣要求，其中北京末站接收壓力應(yīng)高于4 MPa，使管道在保障平穩(wěn)供氣的同時(shí)又具有一定的應(yīng)急儲(chǔ)備能力。

表1 聯(lián)合運(yùn)行方案優(yōu)選

表2 壓縮機(jī)配置方案優(yōu)選

隨著管道輸量的增加，沿線壓氣站啟機(jī)進(jìn)行增壓作業(yè)，管道能源消耗和運(yùn)行成本增加。陜京二、三線沿線壓氣站數(shù)目多、機(jī)組配置方式多，這就極大的增加了其運(yùn)行優(yōu)化的難度，但同時(shí)也為運(yùn)行優(yōu)選提供了更大的空間。當(dāng)年輸量為220×108m3，優(yōu)化運(yùn)行最多可減少能耗5.3%；當(dāng)年輸量為250×108m3，最多可減少能耗11.66%；當(dāng)年輸量為320×108m3，最多可減少能耗16.81%。

4 運(yùn)行成本

優(yōu)化運(yùn)行有效降低了管道的天然氣和電力消耗，在此基礎(chǔ)上合理控制能耗成本，可以進(jìn)一步提高管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。管道自耗氣價(jià)格為統(tǒng)一定價(jià)，沒有調(diào)節(jié)的空間。但用電市場(chǎng)相關(guān)政策的頒布，為輸氣管道的電力成本控制提供了機(jī)遇。

在國(guó)家的環(huán)保政策影響下，陜京管道興建了大量的電驅(qū)站場(chǎng)，用電成本占能源消耗成本的67.1%，占主營(yíng)業(yè)務(wù)成本的20%。隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，近年來(lái)陜京管道處于快速發(fā)展期，電力消耗量大、費(fèi)用支出高，因此設(shè)法降低輸氣管道的電力成本，對(duì)提高管道運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

陜京管道的電驅(qū)壓縮機(jī)站場(chǎng)均為大工業(yè)用電類別，用電成本分為基礎(chǔ)電費(fèi)、電度電費(fèi)和力調(diào)電費(fèi)3部分?；倦娰M(fèi)按照變壓器的容量或變壓器的最大需量收取，一旦變壓器投入使用，無(wú)論使用與否都將收取該項(xiàng)費(fèi)用。電度電費(fèi)是站場(chǎng)真實(shí)電量消耗與單位電價(jià)的乘積，通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行可以有效降低電度電費(fèi)。力調(diào)電費(fèi)主要用于站場(chǎng)功率因數(shù)考核的獎(jiǎng)懲，陜京管道站場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了足量的無(wú)功補(bǔ)償裝置，大部分站場(chǎng)可以得到獎(jiǎng)勵(lì)電費(fèi)。

輸氣管道的壓縮機(jī)組基本都配有備用機(jī)組，因此基本電費(fèi)選取最大需量計(jì)價(jià)方式可以有效控制電力成本。根據(jù)供電部門關(guān)于最大需量的規(guī)定，最大需量不得低于全站變壓器總?cè)萘康?0%，最大需量計(jì)價(jià)方式收取的基本電費(fèi)單價(jià)是最大容量計(jì)價(jià)方式收取單價(jià)的1.5倍。對(duì)于電驅(qū)站場(chǎng)，一般是雙回路供電，陜京管道將最大需量選取為40%，可以滿足機(jī)組的負(fù)荷要求。陜京管道先后調(diào)整了5個(gè)站場(chǎng)的基本電費(fèi)計(jì)價(jià)方式，年節(jié)約電力成本4 050.16萬(wàn)元，管道基本電費(fèi)情況見表3。

表3 管道基本電費(fèi)情況 萬(wàn)元

5 結(jié)論

1）陜京二、三線相互連通形成復(fù)管系統(tǒng)，可相互調(diào)配輸量，在全線壓縮機(jī)設(shè)定條件相同的情況下，采用壓氣站聯(lián)合運(yùn)行方式時(shí)運(yùn)行能耗最低。經(jīng)計(jì)算在設(shè)計(jì)工況下，壓氣站聯(lián)合運(yùn)行方式相比完全聯(lián)合方式和壓氣站獨(dú)立運(yùn)行方式分別可節(jié)約功率14.81 MW和3.04 MW，分別可降低運(yùn)行能耗7.90%和1.62%。

2）在壓氣站聯(lián)合運(yùn)行的基礎(chǔ)上，按輸量臺(tái)階進(jìn)行壓縮機(jī)配置的運(yùn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，在低輸量下最多可減少5.3%的運(yùn)行能耗，在高輸量下最多可減少16.8%的運(yùn)行能耗，優(yōu)化運(yùn)行可有效控制管道運(yùn)行的天然氣和電力消耗。

3）電力成本是輸氣管道運(yùn)行成本的主要組成部分。近年來(lái)電力市場(chǎng)化改革進(jìn)程加快，頒布了一系列用電成本控制相關(guān)政策，為輸氣管道企業(yè)在用電成本控制方面提供了新的機(jī)遇，陜京管道合理選取基本電費(fèi)的計(jì)價(jià)方式，大幅降低用電成本，年節(jié)約費(fèi)用4 050.16萬(wàn)元，提高了管道運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]李方圓.川氣東送管道工程優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2009.

[2]周英，陳鳳，孫在蓉.陜京輸氣系統(tǒng)整合優(yōu)化[J].天然氣與石油，2011，29（1）：5-8.

[3]苗承武，劉賀群.天然氣管道輸送的經(jīng)濟(jì)性[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，1999（2）：1-3.

[4]王勐.西氣東輸儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2007.

[5]曹洪偉.天然氣集輸管道調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2009.