天然氣管道自動分輸模式及應用

孫曉波

（中國石油北京油氣調控中心，北京 100007）

0 引言

天然氣長輸管道持續(xù)快速發(fā)展，天然氣用戶規(guī)模也不斷擴大［1］。手動為用戶分輸需要耗費大量人力且分輸控制準確性不高，為了提高管道運行效率和用戶分輸控制水平需要利用自動分輸手段給用戶供氣。自動分輸主要是根據分輸用戶的供氣特點，制定不同的自動分輸控制邏輯，自動完成用戶分輸的各項操作。借助自動分輸可以降低用戶日指定量和實際用氣量的偏差，降低分輸控制工作量。基于中國石油北京油氣調控中心在相關領域的研究和工程應用實踐經驗，總結適應不同用戶需求的自動分輸供氣模式，提出各種供氣模式的控制邏輯和自動分輸安全保護邏輯，通過實踐應用檢驗不同的自動分輸控制邏輯可否滿足用戶供氣需求［2-4］。

1 用戶用氣特點和自動分輸方式

1.1 用戶類型和用氣規(guī)律

北京油氣調控中心負責向華北地區(qū)長輸管網天然氣用戶供氣，根據用戶用氣特點和歷史供氣經驗，可以將用戶分為以下6 種類型：①居民用戶：用氣波峰波谷較為明顯，用氣量隨時間波動較大，通常夜間為用氣低谷，需要保證最低供氣壓力；②綜合性用戶：通常同時包含民用用戶和工業(yè)用戶。有一定的基礎用氣，在此基礎上存在用氣量的波動；③一般工業(yè)用戶：用氣較為穩(wěn)定，時段性不明顯；④不可中斷工業(yè)用戶：用氣壓力要求較高，產生壓力波動可能會造成嚴重后果，如煉化廠、電廠、玻璃廠等；⑤CNG 加氣站等間歇性供氣用戶：不定時用氣，沒有可利用管存，用氣期間要求壓力平穩(wěn)；⑥間歇性供氣用戶：管存容量大，或有多方氣源，以間斷方式進行供氣。

以上6 種用戶類型中居民用戶、一般工業(yè)用戶、綜合性用戶是有一定用氣規(guī)律的用戶，用戶用氣量隨時間變化，遵循一定的規(guī)律。CNG 加氣站用戶和間歇性供氣用戶的用氣量變化與時間無明顯關系，用氣隨機性較強，無明顯的用氣規(guī)律。不可中斷工業(yè)用戶用氣穩(wěn)定，用氣壓力要求敏感，產生壓力波動可能會造成嚴重后果。

1.2 自動分輸方式

針對不同的用戶供氣需求，基于到量停輸法、恒壓控制法、剩余平均法、不均勻系數法4種不同的自動分輸控制算法，將其整合為一套自動分輸控制程序以適應各種不同用戶自動化控制的需求，實現(xiàn)日指定的自動精準控制。不同用戶供氣需求可采用不同的自動分輸方式（表1）：①對不可中斷且有供氣壓力需求的用戶采用不均勻系數控制方法按日指定量進行自動分輸供氣；②對可中斷用戶采用到量停輸法實現(xiàn)自動分輸供氣；③對無壓力限制的用戶采用剩余平均控制法或到量停輸控制法實現(xiàn)自動分輸供氣；④對穩(wěn)定供氣的不可中斷用戶采用恒壓控制法或剩余平均流量法實現(xiàn)自動分輸供氣。

表1 用戶及自動分輸方式對應表

2 自動分輸控制邏輯

天然氣管網運行人員每天根據批復的用戶日指定量進行輸氣作業(yè)。運行監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動采集當日批復的日指定量，由運行人員進行一鍵下發(fā)到自動分輸控制系統(tǒng)，再由自動分輸控制系統(tǒng)根據用戶日指定量進行自動分輸控制。自動分輸控制主要依靠分輸調節(jié)閥的自動調節(jié)模式來實現(xiàn)，分輸調節(jié)閥的自動調節(jié)模式有壓力調節(jié)和流量調節(jié)兩種控制方式。在壓力控制模式下，能夠自動檢測當前壓力和目標壓力，通過調節(jié)閥門開度使得當前壓力達到目標壓力。在流量控制模式下，能夠自動檢測當前流量和目標流量，通過調節(jié)閥門開度使得當前流量達到目標流量［5-8］。

2.1 恒壓控制法控制邏輯

對于穩(wěn)定供氣的不可中斷用戶，自動分輸時采用設定的壓力值進行恒壓供氣。在恒壓控制模式下，管道分輸控制閥保持常開，采用壓力控制，壓力設定值按照需要的運行壓力設定［9］。當日指定量完成率達到99.8%時，繼續(xù)保持當前壓力設定值進行輸氣。恒壓控制下，日指定控制由用戶自主完成，程序不進行干預［10-11］。

2.2 剩余平均法控制邏輯

剩余平均法適用于用戶各時段用氣分布比較均勻且無壓力限制的用戶。剩余平均法將每天劃分成若干個時段，在每個時段輸氣開始前，按照用戶日指定量和當日已完成的輸氣量計算出的剩余時間的平均供氣量并按照剩余平均流量值控制分輸調節(jié)閥對用戶進行供氣。完成當日分輸后，系統(tǒng)保持當前輸氣狀況不變，并按照第二天新下發(fā)的日指定量進行供氣。

2.3 不均勻系數法控制邏輯

不均勻系數控制模式首先將每天劃分成若干個時段，根據過去7天用氣規(guī)律，計算當天各時段所占的不均勻系數。在每個時段輸氣開始前，根據當日日指定量和該時段的不均勻系數計算當前時段輸氣量分配值并進行流量調節(jié)（圖1）。完成當日分輸后，系統(tǒng)保持當前輸氣狀況不變，等待下發(fā)新的日指定量，然后重新計算預估偏差率、不均勻系數等參數，第二天開始自動分輸。每個時段的不均勻系數計算公式如式（1）所示。

式中，Xwt為每個時段的不均勻系數；Qh為過去M天此時段的實際輸氣量，m3；Qd為過去M 天每天的總輸氣量，m3。

2.4 到量停輸控制邏輯

圖1 理想情況不均勻系數法供氣曲線圖

正常輸氣時采用恒壓控制法、剩余平均控制法或不均勻系數法3種控制方式中的一種，因為這3種供氣方式同一時間只能啟用一種。到量停輸控制邏輯可以與上述3種方式同時啟用，也可以不啟用。一般對于可中斷分輸用戶可以采用到量停輸法實現(xiàn)自動分輸控制。實行到量停輸控制邏輯時，系統(tǒng)實時監(jiān)測當前用戶總輸氣量，當輸氣量到達日指定量的99.8%時發(fā)出日指定量完成報警，并根據到量停輸功能是否啟用確定是否執(zhí)行停輸操作。如果允許停輸，則關閉分輸用戶并發(fā)出報警，如果不允許關閉用戶，則保持原有供氣邏輯繼續(xù)供氣。當完成供氣量的時間在7∶40-8∶10 范圍內，程序不再執(zhí)行到量停輸邏輯。

2.5 輔助控制邏輯

為了保證用戶的供氣安全和供氣精準度，開發(fā)了壓力超限控制、低流量保護、偏差調校3種輔助控制程序，其與到量停輸法、恒壓控制法、不均勻系數法、剩余平均法同時啟用。①壓力超限控制邏輯：在調節(jié)閥流量調節(jié)模式下根據用戶要求設置最低分輸壓力和最高分輸壓力限值。在限值范圍內系統(tǒng)進行流量調節(jié)，當壓力達到上、下限值時系統(tǒng)切換為壓力調節(jié)，當壓力恢復正常范圍后再切換為流量調節(jié)。②低流量保護控制邏輯（圖2a）：在自動分輸過程中，當瞬時流量連續(xù)300秒小于最低流量限值時自動關閉供氣管路閥門，當供氣壓力低于控制壓力低限時重新打開供氣管路閥門繼續(xù)進行輸氣。目的是為了使流量計在量程范圍內進行計量，使計量結果更準確。③預期偏差調校功能（圖2b）：當用戶實際需求量與日指定輸氣量偏差較大時，系統(tǒng)能夠及早采取糾偏控制。系統(tǒng)計算日指定輸氣量與預估用氣量偏差率。如果偏差率小于±20%，系統(tǒng)啟動預期偏差調校，采用最低分輸壓力進行恒壓輸氣；如果偏差率大于±20%，采用最高分輸壓力進行恒壓輸氣。當預期偏差調校啟用時，每個時段輸氣完成后系統(tǒng)根據當前實際輸氣量計算日指定輸氣量與當日預估輸氣量偏差，如果偏差調校成功則停止預期偏差調校切換至原有控制模式，否則繼續(xù)保持預期偏差調校模式。

圖2 自動分輸輔助控制邏輯圖

3 自動分輸應用

西沙屯站屬于北京油氣調控中心管理，是向下游用戶北京燃氣公司供氣的分輸站，高峰期供氣量達到2 500×104m3／d。未自動分輸前是由人工進行日指定控制，偏差率波動較大且耗費大量人力。2018年11月12日，西沙屯站自動分輸改造完畢，開始采用不均勻系數法控制，投用后經過不斷發(fā)現(xiàn)解決問題，整體偏差率曲線趨平緩。具體情況見圖3所示。

圖3 西沙屯站不均勻系數法日指定控制情況圖

4 結論

1）自動分輸功能實施后，用戶日指定量與實際完成量偏差均在1%以內，說明自動分輸能夠實現(xiàn)精準的日指定量控制，而且控制過程中除需下發(fā)日指定量外完全不需要人為操作，極大降低了分輸控制的工作量，減少了因日指定數據人工錄入錯誤造成的控制偏差。

2）自動分輸技術與集中遠程控制的運行模式相結合，為天然氣管網全面遠控奠定了基礎，同時也為站場的區(qū)域化管理模式變革提供了條件。

3）各管道公司大力推行無人站場加區(qū)域化管理的管控模式，將大量現(xiàn)場人員從重復工作中解放出來，投入到設備、線路、檢修等工作中，真正實現(xiàn)了減人增效［12］。

4）自動分輸控制邏輯能夠在保障用戶供氣安全的情況下自動完成當天的輸氣任務并滿足用戶自動分輸的控制要求，有較高的參考價值和現(xiàn)實應用價值，可以大范圍地推廣使用［13］。