基于優(yōu)化運行數(shù)據(jù)庫的干線天然氣管網(wǎng)優(yōu)化研究

徐育斌 冷緒林 安云朋 劉少山 董平省

1浙江浙石油儲運有限公司

2中國石油天然氣管道工程有限公司

伴隨著國家工業(yè)化和城市化的發(fā)展進程以及環(huán)保要求的不斷提高，天然氣作為一種高效的清潔能源，需求量逐年增加。管道輸送是陸上天然氣長距離運輸?shù)闹饕问?，在國民?jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著我國橫跨東西、縱貫?zāi)媳钡奶烊粴夤茌斁W(wǎng)絡(luò)的形成，保持天然氣管網(wǎng)安全、高效、經(jīng)濟地運行迫在眉睫[1]。天然氣干線管網(wǎng)通常具有多氣源、多分輸、多壓力等級、多壓氣站類型等特點，在水力、熱力系統(tǒng)方面具有復(fù)雜性，在氣量分配、機組啟停等方面具有多樣性。這些因素決定了大型輸氣管網(wǎng)優(yōu)化工作具有挑戰(zhàn)性，隨著天然氣管網(wǎng)規(guī)模擴大及運行復(fù)雜程度的提高，對管網(wǎng)集中調(diào)控提出了更高的要求，僅憑調(diào)度員經(jīng)驗難以全面應(yīng)對管網(wǎng)運行問題，亟需高效的優(yōu)化工具輔助制訂運行方案，調(diào)整日常工況[2～4]。

據(jù)統(tǒng)計，中國天然氣管道輸送中天然氣耗用量占輸氣量的15‰以上，而歐洲的平均水平為3‰～8‰左右[4]，中國仍有較大的節(jié)能降耗潛力[5-6]。天然氣管網(wǎng)的優(yōu)化運行對減少氣體排放、降低運行成本具有重要意義[7]。

1 天然氣干線管網(wǎng)優(yōu)化

以我國西部地區(qū)天然氣管網(wǎng)為例，該管網(wǎng)是由西一線、輪吐支干線、西二線、西三線構(gòu)成的環(huán)狀管網(wǎng)（圖1），具有塔里木氣田、中亞管網(wǎng)來氣（中亞A/B/C線）2個主要氣源，氣源供應(yīng)的天然氣量在天然氣管網(wǎng)內(nèi)各管道系統(tǒng)中的分配是該干線管網(wǎng)面臨的第一個優(yōu)化問題。此外，該天然氣管網(wǎng)內(nèi)機組包含燃驅(qū)機組和電驅(qū)機組2種驅(qū)動機類型，電價、氣價的變化對管網(wǎng)運行費用具有直接影響，管網(wǎng)機組的啟機類型及方案是該干線管網(wǎng)面臨的第二個優(yōu)化問題。

圖1 西部天然氣干線管網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the western natural gas main pipeline network

1.1 構(gòu)建天然氣管網(wǎng)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫

天然氣管網(wǎng)內(nèi)的單條管道由管道系統(tǒng)和壓縮機系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。管道系統(tǒng)消耗的能源與壓氣站供應(yīng)能源相平衡，保證單條管道系統(tǒng)低能耗即可達到控制管道系統(tǒng)低能耗的目標，因此，以保證管道平均高壓為基本思想，把控單條管道運行的壓力及壓縮機組效率[8-9]，通過多個啟機方案對比，在單條管道的適應(yīng)輸量、壓力、燃驅(qū)/電驅(qū)優(yōu)先級、環(huán)境參數(shù)下，計算得到單條管道運行的優(yōu)化數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)庫內(nèi)單條管道處于低能耗水平，為管網(wǎng)整體優(yōu)化運行奠定基礎(chǔ)。

1.2 天然氣管網(wǎng)優(yōu)化邏輯

對于單條天然氣管道，根據(jù)能量守恒定律，壓氣站供能與管道系統(tǒng)耗能相平衡。輸氣管道耗能主要由天然氣在管內(nèi)流動摩擦所致，在穩(wěn)態(tài)工況下，壓降損失具有規(guī)律的水力學(xué)特性，管道壓降隨輸氣量呈規(guī)則的拋物線型關(guān)系[10]。根據(jù)能量守恒，在特定的壓力、溫度下，壓縮機對氣體做功與輸氣量也呈拋物線型關(guān)系，壓縮機所做功W為

式中：W為壓縮機做功，J；W1為驅(qū)動機做功，J；η1為驅(qū)動機做功效率；η2為壓縮機做功效率。

在特定條件下，η1、η2為定值，壓縮機站耗能與輸氣量同樣呈規(guī)律的拋物線型關(guān)系。

以西二線、三線管道為例，在冬季工況下，壓縮機出口壓力等級為11.5 MPa，電驅(qū)機組優(yōu)先啟動的條件下，輸氣量在14 400×104～18 000×104m3/d（0℃、1 atm，下同）范圍內(nèi)，管道系統(tǒng)電驅(qū)機組耗電量與輸氣量的關(guān)系如圖2所示。

天然氣管網(wǎng)內(nèi)的各單條管道，在相應(yīng)的輸量、壓力、溫度、燃驅(qū)/電驅(qū)啟動優(yōu)先級等確定條件下，均可計算得到單條管道全輸量范圍內(nèi)的能耗值，獲取能耗與輸氣量之間的曲線圖。

采用最小二乘法對全輸量范圍內(nèi)的單條管道能耗曲線進行數(shù)據(jù)擬合，即可建立單條管道輸氣量與管道能耗之間的關(guān)系方程。

圖2 輸氣管道能耗（耗電量）與輸氣量的關(guān)系Fig.2 Relation of energy consumption(power consumption)and gas transmission rate

在整個天然氣管網(wǎng)中，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，各單條管道的入口輸氣量之和與總供氣量之和保持一致，即

式中：Q為管網(wǎng)系統(tǒng)總供氣量，104m3/d；Qi為第i條管道入口輸氣量，104m3/d。

根據(jù)管網(wǎng)內(nèi)單條管道能耗隨輸氣量的變化曲線，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合可得到天然氣管網(wǎng)內(nèi)各單條管道的能耗方程組為

式中：Eqi為單條管道產(chǎn)生的能耗（耗氣與耗電），m3或kWh；a、b、c為各能耗方程系數(shù)。

根據(jù)單條管道的能耗計算值與能耗單價（耗氣價格與電價），可得到單條管道的運行能耗費用為

式中：Costi為單條管道能耗費用，元；P為能耗單價，元。

全管網(wǎng)能耗為各單條管道能耗之和，即

為了達到全管網(wǎng)能耗尋優(yōu)的目的，根據(jù)各單條管道輸氣量與能耗之間的關(guān)系方程，在各單條管道輸量范圍內(nèi)進行輸量的全面組合，將總輸氣量在全管網(wǎng)完成分配，找到輸量分配能耗最低的方案，確定管網(wǎng)優(yōu)化氣量分配方案。以輸氣量為線索，調(diào)用各單條輸氣管道優(yōu)化運行數(shù)據(jù)庫，確定優(yōu)化方案對應(yīng)的詳細運行方案，包括整個天然氣管網(wǎng)的壓氣站啟動數(shù)量及壓縮機組的類型。

根據(jù)上述方法，以西部天然氣管網(wǎng)為例，按照圖3所示的邏輯圖（圖中虛框為可選項），完成優(yōu)化軟件的編制。

圖3中QH為西二線、三線霍爾果斯來氣流量，QTLM為塔里木氣田來氣流量，QLT為輪吐線輸氣量，QXYX為西一線輸氣量，QLMQ為西二線、三線連木沁壓氣站進站流量，QWLMQ為西二線、三線烏魯木齊分輸下載氣量；QHHQ為西二線、三線霍爾果斯—吐魯番段壓氣站耗氣量，QLTHQ為輪吐線壓氣站耗氣量；CostH為西二線、三線霍爾果斯—吐魯番段管道能耗費用， EqH為該管道能耗方程組〔公式（3），下同〕；CostLT為輪吐線管道能耗費用，EqLT為該管道能耗方程組；CostXYX為西一線管道能耗費用，EqXYX為該管道能耗方程組；CostLMQ為西二線、三線連木沁—中衛(wèi)段管道能耗費用， EqLMQ為該管道能耗方程組；Costmin為管網(wǎng)運行最小能耗費用值，當(dāng)CostSUM＜Costmin，CostSUM覆蓋Costmin。

圖3 西部管網(wǎng)優(yōu)化運行軟件編制邏輯簡圖Fig.3 Diagram of optimal operation software compilation logic for western pipeline network

2 管網(wǎng)優(yōu)化前后結(jié)果對比

隨機選取西部管道公司2017年10月31日的天然氣生產(chǎn)報表，當(dāng)日，塔里木氣田外輸天然氣總量為5 881.6×104m3/d，霍爾果斯口岸中亞進口天然氣為11 636.0×104m3/d，昌吉與烏魯木齊集中分輸下載量為914.9×104m3/d。其中，輪吐線調(diào)氣量為2 527×104m3/d，西一線輸氣量為3 354.6×104m3/d。經(jīng)統(tǒng)計：①管網(wǎng)西一線運行機組平均出口壓力為9.46 MPa，西二線、三線系統(tǒng)機組平均出口壓力為11.16 MPa，輪吐線機組平均出口壓力為9.39 MPa；②管網(wǎng)內(nèi)西一線耗電量為41.31×104kWh，輪吐線耗電量為7.22×104kWh，西二線、三線聯(lián)合系統(tǒng)耗電量為456.55×104kWh，則整個管網(wǎng)總耗電量為505.08×104kWh；③管網(wǎng)西一線耗氣量為62.4×104m3，輪吐線耗氣量為14.0×104m3，西二線、三線聯(lián)合系統(tǒng)耗氣量為229.6×104m3，則整個管網(wǎng)總耗氣量為306.0×104m3。結(jié)合相應(yīng)的電價、氣價，經(jīng)計算，西部天然氣管網(wǎng)當(dāng)日的運行費用為578.42萬元。

在相同的輸量邊界條件下，采用優(yōu)化運行軟件進行優(yōu)化，選取西一線和輪吐線運行壓力等級為9.5 MPa，西二線、三線系統(tǒng)運行壓力為11.5 MPa。重新確定管網(wǎng)氣量分配與運行方案：輪吐線調(diào)氣量為2 403×104m3，西一線輸氣量為3 478.6×104m3，全管網(wǎng)燃驅(qū)/電驅(qū)混合站均電驅(qū)壓縮機組優(yōu)先啟動。

優(yōu)化后，西部天然氣管網(wǎng)的運行能耗數(shù)據(jù)：西一線耗氣量為67.02×104m3，耗電量為39.52×104kWh；輪吐線耗氣量為11.37×104m3，輪吐線耗電量為18.39×104kWh；西二線、三線耗氣量為183.39×104m3，西二線、三線耗電量為418.7×104kWh。則整個管網(wǎng)總耗氣量為261.78×104m3，總耗電量為476.61×104kWh，結(jié)合相應(yīng)的電價、氣價可知，管網(wǎng)運行費用為512.9萬元。

對比優(yōu)化前后的天然氣管網(wǎng)運行方案，管網(wǎng)能耗費用可節(jié)約65.5萬元，降低了11.33%，這在后續(xù)的實際應(yīng)用中也得到了驗證。

3 結(jié)束語

以天然氣管網(wǎng)運行能耗費用為優(yōu)化目標，在管網(wǎng)內(nèi)單條管道優(yōu)化運行的基礎(chǔ)上，建立了整個天然氣管網(wǎng)的優(yōu)化運行數(shù)據(jù)庫；依據(jù)天然氣管道能耗與單條管道輸氣量之間的特性關(guān)系，確立了單條管道輸氣量與其能耗之間的關(guān)系方程組；進一步通過輸氣量優(yōu)化分配邏輯，確定最優(yōu)的管網(wǎng)輸氣量分配方案，同時，通過調(diào)取運行優(yōu)化數(shù)據(jù)庫提供最優(yōu)工況的運行方案，從而解決天然氣干線管網(wǎng)的優(yōu)化問題。該優(yōu)化方法在西部管網(wǎng)進行了實際應(yīng)用，對比2017年10月31日的天然氣生產(chǎn)日報表，采用優(yōu)化運行方案，運行能耗費用可降低11.33%，具有良好的應(yīng)用效果。