輸氣管道的管存量優(yōu)化控制

常海軍 戴征宇 丁 媛

1.中石油管道有限責(zé)任公司 2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司物資裝備部 3.中石油北京天然氣管道有限公司

0 引言

輸氣管道的管存量是管道內(nèi)部儲存氣體數(shù)量的總和，在滿足輸氣要求的前提下，是體現(xiàn)運(yùn)行方案、外界環(huán)境、調(diào)控手段和設(shè)備可靠性等因素的綜合指標(biāo)，管存量控制對輸氣管道運(yùn)行控制至關(guān)重要。從安全性角度考慮，管存量控制值應(yīng)處于最大管存量和最小管存量范圍內(nèi)；從高效性角度考慮，管存量控制值應(yīng)盡可能接近管道能耗最低運(yùn)行方案所對應(yīng)的管存量值；此外，還應(yīng)考慮壓縮機(jī)組工況點(diǎn)可行域限制、管道運(yùn)行操作限值、外部環(huán)境等限制條件。在實(shí)際運(yùn)行中，管存量控制原則尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前，普遍采用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)結(jié)合管道仿真的方法制訂管存量控制原則，缺乏最大管存量、最小管存量和最優(yōu)管存量的理論計算依據(jù)。筆者以中亞天然氣管道AB線為研究對象，基于動態(tài)規(guī)劃算法計算管道的最大管存量值、最小管存量值和能耗最小管存量值，并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的管道仿真結(jié)果，制訂管存量控制原則，經(jīng)運(yùn)行檢驗(yàn)，效果良好。

1 仿真

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中亞天然氣管道AB線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。管道采用雙管并行敷設(shè)設(shè)計，全長1 833 km，管徑為1 067 mm，設(shè)計壓力為9.81 MPa，設(shè)計輸量為300×108m3/a，沿線共設(shè)8座30 MW級的燃驅(qū)壓氣站。管道共有3個氣源，分別為土庫曼斯坦康采恩天然氣（以下簡稱土氣）、阿姆河氣源和烏茲別克斯坦天然氣（以下簡稱烏氣），土氣在AB線首站W(wǎng)KC1站注入，烏氣在WKC2站注入。沿線設(shè)有TIP01、TIP02、TIP03這3個分輸點(diǎn)，一般在冬季才有分輸操作，末站為霍爾果斯計量站，與西氣東輸二線首站連接。

1.2 管道仿真

普遍應(yīng)用模擬軟件對輸氣管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真，商業(yè)軟件有SPS、TGNET和Gregg等[1-4]。仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映管道的實(shí)際運(yùn)行工況，是仿真軟件應(yīng)用的核心內(nèi)容。對于輸氣管道仿真，除氣體狀態(tài)方程和傳熱方程等通用參數(shù)設(shè)定外，離心壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和管段等元件參數(shù)輸入的準(zhǔn)確性直接影響仿真的準(zhǔn)確性，通常需要通過實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的校正[5]，使仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相吻合。仿真控制邊界條件的確定也至關(guān)重要，仿真計算過程中，除了常用的壓力控制和流量控制外，同時考慮燃驅(qū)壓縮機(jī)組運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速、喘振控制線、燃機(jī)最大輸出功率、最大排氣溫度和最大出站溫度等制約因素。

1.3 仿真結(jié)果

仿真人員利用校正后的中亞天然氣管道AB線模型計算冬、夏季最大、最小管存量值，壓氣站最大出站壓力不超過9.65 MPa，壓氣站最小進(jìn)站壓力不低于6 MPa。中亞天然氣管道AB線管存量仿真結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，隨著管道輸量的增加，最小管存量呈現(xiàn)一定規(guī)律的上下波動，波峰或波谷位置即為輸量變化節(jié)點(diǎn)，壓氣站的投用使管存量發(fā)生了變化，最大管存量則相對規(guī)律性較差，仿真結(jié)果是由仿真人員不斷試算得到的，不可忽略人為因素的影響。

圖1 中亞輸氣管道AB線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 中亞天然氣管道AB線管存量仿真圖

2 基于動態(tài)規(guī)劃法計算管存量

2.1 管存量控制問題描述

輸氣管道管存量控制問題可理解為在一定輸量下，求解輸氣管道最大管存量、最小管存量和自耗氣量（或能耗量）最小的運(yùn)行方案對應(yīng)的管存量值問題。最大管存量、最小管存量數(shù)學(xué)模型如下：

式中LINV表示全線總管存量，m3；inepack表示管存量計算函數(shù)，用來計算第k壓氣站至k+1壓氣站間的管存量；Mk表示該段的物理管存量，m3；fk,c表示第k壓氣站第c臺壓縮機(jī)計算函數(shù)，用來計算壓縮機(jī)出站溫度參數(shù)（通?？紤]站內(nèi)并聯(lián)機(jī)組）；fP表示管道計算函數(shù)，用來計算下一站進(jìn)站（即管線末端）壓力和溫度等參數(shù)；Qk表示第k壓氣站的通過量，m3/h；qk,c表示第k壓氣站第c臺壓縮機(jī)的通過量，m3/h；ps,k、pd,k分別表示第k站的進(jìn)站壓力和出站壓力，kPa；分別表示第k站的最高出站壓力和最低進(jìn)站壓力，kPa；c表示壓縮機(jī)的序號；分別表示第k壓氣站第c壓縮機(jī)的最大和最小通過量，m3/h；Sk,c表示第k個壓氣站第c臺壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；分別表示第k壓氣站第c臺壓縮機(jī)的最大、最小轉(zhuǎn)速，r/min；Ts,k、Td,k分別表示第k站的進(jìn)站、出站溫度，K；表示第k站出站溫度限值，K；Nk,c表示第k壓氣站第c臺壓縮機(jī)的輸入功率，kW；表示第k壓氣站第c燃?xì)廨啓C(jī)最大輸出功率，kW；EXk,c表示第k壓氣站第c臺燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度，K；表示第k壓氣站第c臺燃?xì)廨啓C(jī)最大排氣溫度，K。

2.2 基于動態(tài)規(guī)劃算法計算最大、最小管存量

動態(tài)規(guī)劃算法屬于多階段決策過程，按照時段或者空間劃分為一系列相互關(guān)聯(lián)的子過程，各子過程做出的決策能使整個過程的總結(jié)果達(dá)到最優(yōu)。應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃法計算中亞天然氣管道AB線的最大管存量和最小管存量方法如下[6-10]。

2.2.1 階段劃分

問題的全過程劃分為若干互相聯(lián)系的階段，如圖1所示，中亞天然氣管道AB線分成10個階段來處理，其中第k階段表示第k壓氣站的出口到第k+1壓氣站的出口。

2.2.2 狀態(tài)變量和轉(zhuǎn)移方程

中亞管道壓氣站的壓縮機(jī)組采用并聯(lián)，一個站間段有若干個水力、熱力狀態(tài)，過程的狀態(tài)用一個或一組變量來描述，通過式（3）～（6）計算壓縮機(jī)的出口壓力、出口溫度[11-14]。

通過式（7）～（10），可由第k站的出站壓力、出站溫度計算第k+1壓氣站的進(jìn)站壓力、溫度。

式中Qk表示第k站至第k+1站間管道的輸量，m3/h；m表示第k壓氣站內(nèi)壓縮機(jī)并聯(lián)的臺數(shù)；D表示天然氣管道內(nèi)直徑，m；λ表示水力摩阻系數(shù)；Δ*表示天然氣相對密度，不考慮地形起伏影響；分別表示第k站至第k+1站間管道的進(jìn)口、出口溫度，K；表示管段周圍地溫，K；J表示管道的焦湯效應(yīng)系數(shù)，K/ kPa；a表示常數(shù)。

2.2.3 決策

當(dāng)?shù)趉壓氣站的進(jìn)站壓力、溫度、流量等狀態(tài)確定后，決策變量為 ，n表示壓氣站內(nèi)不同型號壓縮機(jī)組數(shù)量。考慮運(yùn)行維護(hù)方便，通常站內(nèi)壓縮機(jī)組型號一致，即決策變量為第k壓氣站壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速（nk），即壓縮機(jī)組的運(yùn)行方案。

2.2.4 指標(biāo)函數(shù)

利用管存量衡量決策過程的好壞。階段指標(biāo)（lk）表示第k壓氣站到第k+1壓氣站之間管道的管存量。

綜上式（3）～（11），lk可表示為第k站第i臺壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速（）和進(jìn)口流量（）的函數(shù)，管存量（Lk）表示第k壓氣站到第n壓氣站間管道的總管存量。即

決策過程的最優(yōu)化，就是求最小管存量和最大管存量，即式（1）可簡化為：

計算最大管存量和最小管存量具體的流程如圖3所示。

2.3 自耗氣量（或能耗量）最小運(yùn)行方案對應(yīng)的管存量

與最大管存量和最小管存量計算方法一致，自耗氣量（或能耗量）最小運(yùn)行方案對應(yīng)的管存量只是將最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)調(diào)整為：

式中G表示全線壓氣站總能耗，m3/h；rk,c表示壓縮機(jī)開關(guān)變量，rk,c=0表示第k站第c臺壓縮機(jī)不開機(jī)；rk,c=1表示第k站第c臺壓縮機(jī)開機(jī)；fk,c表示壓縮機(jī)的能耗，m3/h。

2.4 計算結(jié)果

與仿真選取的邊界條件一致，利用上述動態(tài)規(guī)劃法計算中亞天然氣管道AB線在冬、夏季的最大管存量、最小管存量和自耗氣量（或能耗量）最小運(yùn)行方案對應(yīng)的管存量，結(jié)果如圖4、5所示。由圖4、5可知，最大管存量呈現(xiàn)隨管道輸量增加管存量逐漸減小趨勢，最小管存量的變化趨勢則相反，夏季更加明顯。自耗氣量（或能耗量）最小運(yùn)行方案對應(yīng)的管存量則呈現(xiàn)波動。與仿真計算管存量結(jié)果對比，利用動態(tài)規(guī)劃法計算管存量與輸量關(guān)系曲線較為平滑，解決了人為因素問題。

將仿真與動態(tài)規(guī)劃法計算最大管存量、最小管存量和自耗氣量（或能耗量）最小運(yùn)行方案對應(yīng)的管存量進(jìn)行整合，如圖6、7所示，自耗氣量（或能耗量）最小運(yùn)行方案對應(yīng)的管存量與仿真計算最大管存量接近。由此可以判斷，依據(jù)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)計算管存量運(yùn)行控制的高限是處于管道系統(tǒng)自耗氣量最小的運(yùn)行狀態(tài)，人為判斷是較為保守的。仿真計算管存量、自耗氣量（或能耗量）最小運(yùn)行方案對應(yīng)的管存量包含在動態(tài)規(guī)劃法計算的最小管存量和最大管存量邊界范圍內(nèi)。

3 管存量控制

3.1 控制原則

綜上所述，中亞天然氣管道AB線（或類似輸氣管道結(jié)構(gòu)）的管存量控制應(yīng)從3個層級考慮：第1層級用動態(tài)規(guī)劃法計算給定流量下，管道最大、最小管存量作為管道運(yùn)行應(yīng)急處置時管存量的安全界限；第2層級基于運(yùn)行調(diào)度經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行仿真管存量值，作為正常運(yùn)行過程管存量的合理界限；第3層級是自耗氣量（或能耗量）最小的運(yùn)行方案對應(yīng)的管存量值，作為日常運(yùn)行管存量的控制目標(biāo)。

圖3 利用動態(tài)規(guī)劃法計算最大管存量和最小管存量的流程圖

圖4 中亞天然氣管道AB線計算管存量圖（冬季）

圖5 中亞天然氣管道AB線計算管存量圖（夏季）

圖6 中亞天然氣管道AB線管存量圖（冬季）

圖7 中亞天然氣管道AB線最優(yōu)計算管存量圖（夏季）

3.2 實(shí)際應(yīng)用

輸氣管道在實(shí)際運(yùn)行中會受到天氣、人為因素、設(shè)備鼓掌和方案調(diào)整等諸多因素影響，很難處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。中亞天然氣管道AB線在近幾年管存量的實(shí)際控制中效果明顯，如圖8、9所示。2014年較之于2013年，實(shí)際運(yùn)行注重了將管道系統(tǒng)管存量控制在高管存量范圍內(nèi)，系統(tǒng)自耗氣降低效果明顯。同時，2014冬季嚴(yán)格將安全低管存量控制在最小管存量以上，對比2013年低管存量運(yùn)行天數(shù)明顯縮短。相同年度輸氣量下，2014年較2013年自耗氣量降低3 838.25×104m3，氣單耗降低6.84 m3/（107m3·km），全線耗氣占比降低0.08%；全線離心壓縮機(jī)平均效率為82.72%，較2013年同期上升0.21%；全線機(jī)組轉(zhuǎn)速負(fù)荷率主要分布于90%～100%區(qū)間內(nèi)，較2013年約提高5%；全線壓氣站出站壓力9.50～9.65 MPa壓力區(qū)間占比為14.65%，較去年同期升高6.60%。

圖8 中亞天然氣管道AB線實(shí)際運(yùn)行中管存量控制情況圖（2013年）

圖9 中亞天然氣管道AB線實(shí)際運(yùn)行中管存量控制情況圖（2014年）

4 結(jié)束語

通過建立3層級天然氣管道管存量控制原則，確定了管存量控制值，可以滿足輸氣管道實(shí)際運(yùn)行中供氣保障、事故處置和節(jié)能降耗等方面的要求。應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃法確定管道的最大、最小安全管存量是一種全新的思路，巧妙地解決了管道全線各站間管段的管存量最優(yōu)分配問題。這套管存量控制原則與方法在中亞天然氣管道上的實(shí)際應(yīng)用效果良好，可以推廣應(yīng)用于其他輸氣管道。