天然氣管輸系統(tǒng)輸氣潛力分析及精細(xì)化管理研究

■ 岑康 劉丹

西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院 成都 610500

0 引言

2017年6月，國家發(fā)展改革委印發(fā)了《關(guān)于加強配氣價格監(jiān)管的指導(dǎo)意見》通知，用于加強城鎮(zhèn)燃?xì)馀渌铜h(huán)節(jié)的價格監(jiān)管，文件指出配氣價格應(yīng)按照企業(yè)年度準(zhǔn)許總收入除以年度輸、配送氣量計算確定[1]。因此天然氣管輸系統(tǒng)的輸配氣能力成為了影響天然氣定價水平的關(guān)鍵因素。對天然氣管輸系統(tǒng)的最大輸氣潛力進行評估，既可以確定合理的配氣價格，又能提高供氣調(diào)度的準(zhǔn)確度和可靠性。

國內(nèi)外學(xué)者在管道輸氣潛力的分析中進行了大量研究。王雪[2]（2014）選擇某市外環(huán)高壓管道作為研究對象，研究了管道儲氣能力在一定時間范圍內(nèi)的變化情況。張瑞洪[3]（2011）分析了高壓、次高壓、中壓管道的輸氣潛力，并提出了管道輸氣潛力改進的措施。蔡志剛[4]（2014）選擇某長輸管道為研究對象，采用TGNET 軟件對其最大輸氣量進行模擬計算。Yu 等[5]（2018）提出了燃?xì)夤?yīng)滿意度和燃?xì)夤?yīng)保障性2個可靠性指標(biāo)來量化燃?xì)夤?yīng)能力。Zuo 等[6]（2009）對4 種典型冬季高負(fù)荷周的短期調(diào)峰方案進行了分析、評價和優(yōu)化，得到了技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)的調(diào)峰方案。Yu 等[7]提出了一種評估天然氣輸氣管道供氣可靠性的方法。戴慧芳等[8]（2016）以成都某天然氣公司為例，用TGNET 軟件分析了現(xiàn)役管道輸配能力。胡艷嬌[9]（2011）基于合理假設(shè)，建立了氣體等溫流動方程組，并與計算機編程結(jié)合，分析了輸氣管道末段儲氣能力。

精細(xì)化管理是一種通過明晰責(zé)任、細(xì)化任務(wù)、明確措施等步驟分析、解決問題，最終確保有效落實的科學(xué)管理辦法[10]。眾多學(xué)者在天然氣工程中的精細(xì)化管理方面也進行了相關(guān)研究，其中劉蓬勃[11]（2019）研究了油氣長輸管道的精細(xì)化管理。李春雨等[12]（2019）以中亞天然管道線站外的供水管道為例，從設(shè)計、施工、經(jīng)營等方面深入闡述了精細(xì)化管理。劉敏[13]（2019）基于精細(xì)化管理，從采用先進防腐材料、執(zhí)行巡檢制度、設(shè)置穩(wěn)定鋼樁3個方面對長輸管道安全運行提出了保障措施。趙延榮[14]（2019）對高壓管道的施工過程進行了精細(xì)化管理研究。王吉庫[15]（2018）針對輸氣站場的安全運行進行研究。

表1 商品天然氣組分

綜合國內(nèi)外學(xué)者對管道輸氣潛力的研究進展，發(fā)現(xiàn)多集中在儲氣調(diào)峰、管道供應(yīng)能力、以及管道儲氣能力的分析上。而對于整個管輸系統(tǒng)輸氣潛力的研究較少，且未結(jié)合實際運行情況，并考慮安全運行和降噪的要求，進行全面可靠的分析。此外，天然氣管道工程精細(xì)化管理相關(guān)方面的研究主要以保障其安全運行為目的，以提高天然氣管道工程輸氣潛力為目的的精細(xì)化管理措施尚不明確。因此，本文以廣安天然氣管輸系統(tǒng)為研究對象，利用TGNET 仿真模擬軟件，從站場工藝管道流速限制、輸氣干線管道流速限制、其他限制條件3 個方面，分析滿足安全運行與降噪要求下天然氣管輸系統(tǒng)的最大輸氣潛力；并基于精細(xì)化管理的角度，從設(shè)備維修、設(shè)備維護、建立設(shè)備管理案例庫、建立獎懲制度4 個方面，對提高管輸系統(tǒng)的輸氣潛力提出建議。該系統(tǒng)起于大安首站，止于新橋末站。管道全長25.946 km，外直徑406.4 mm，壁厚9 mm，設(shè)計壓力4.0 MPa，設(shè)計輸氣量300×104m3/d。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

天然氣輸氣管道系統(tǒng)的管道單元模型，可以用氣體在管道內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動的連續(xù)性方程、運動方程、能量方程、狀態(tài)方程、內(nèi)能方程、焓方程來表示[16]：

連續(xù)性方程：

運動方程：

能量方程：

狀態(tài)方程：

內(nèi)能方程：

焓方程：

表2 廣安天然氣管輸系統(tǒng)基礎(chǔ)信息

表3 模擬結(jié)果與實際運行結(jié)果誤差統(tǒng)計

圖2 廣安天然氣管輸系統(tǒng)計算模型

式中：p為氣體絕對壓力，MPa；T為氣體絕對溫度，K；ρ為氣體密度，kg/m3；w為氣體流速，m/s；A為管道橫截面積，m2；u為單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能，J；h為單位質(zhì)量氣體的熱焓，J；x為距管段起點的距離，m；τ為描述流動過程的時間，s；s為管段上各橫截面處的高程，m；g為重力加速度，m/s2；λ為管段的水力摩阻系數(shù)；Q為在[0，x]管段上管內(nèi)氣流向周圍環(huán)境的散熱流量，m3/s。

1.2 物理模型

1.2.1 基本參數(shù)

廣安天然氣管輸系統(tǒng)輸送的商品天然氣組分如表1所示。輸氣管道規(guī)格為?406.4×6.3、長度為26.1 km，管道沿線高程如圖1所示。站場規(guī)模、設(shè)計壓力、進站壓力、出站壓力等如表2所示。

1.2.2 模型驗證

利用TGNET 對廣安天然氣管輸系統(tǒng)進行建模。大安首站采用壓力控制模式，新橋末站采用流量控制模式，建立的計算模型如圖2所示。

表3為模擬結(jié)果與實際運行結(jié)果誤差統(tǒng)計表，從表3可知，針對輸配站提供的任意2 個不同時刻的管道運行數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果均與現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)吻合良好，最大誤差僅1.18%。表明運用TGNET 軟件能準(zhǔn)確模擬管道在不同工況下的運行狀態(tài)。

表4 廣安天然氣管輸系統(tǒng)各管段流速表（240×104 Nm3/d）

表5 廣安天然氣管輸系統(tǒng)各管段流速表（300×104 Nm3/d）

表6 廣安天然氣管輸系統(tǒng)各管段流速表（400×104 Nm3/d）

3 結(jié)果與分析

3.1 站場工藝管道流速限制

根據(jù)各管段壓力、溫度以及對應(yīng)輸氣量數(shù)據(jù)，計算得到站內(nèi)各管段內(nèi)氣體的實際流速。本文分別選取240×104Nm3/d、300×104Nm3/d、400×104Nm3/d 這3 種日輸氣量工況，計算得到各管段內(nèi)流速如表4～6所示。

由表4～6 可知：3 種工況下，調(diào)壓后直管段流速均最大，流速分別達到16 m/s、19 m/s、25 m/s。現(xiàn)有的工程設(shè)計經(jīng)驗一般要求天然氣站場工藝管道內(nèi)流速控制在25m/s，以有效控制噪聲污染。因此，從降噪角度看，大安首站站內(nèi)工藝管道在操作壓力滿足設(shè)計要求的前提下，其最大輸氣量約為400×104Nm3/d。

表7 管輸量與首站出口壓力關(guān)系表

圖3 管道里程與管內(nèi)實際流速關(guān)系圖

3.2 輸氣干線管道流速限制

分別模擬了廣安天然氣管輸系統(tǒng)在300×104m3/d、325×104m3/d、350×104m3/d、375×104m3/d、409×104m3/d5種輸量工況下（首站出口壓力3.8MPa）管道的沿程流速分布，得到管道里程與管內(nèi)實際流速的關(guān)系圖，如圖3所示。由圖3 可知，管內(nèi)實際流速隨著管道里程的增加而增大，且管內(nèi)流量越大，管內(nèi)實際流速增長越快。這是由于管內(nèi)存在摩阻，因此管內(nèi)的壓力不斷降低，管內(nèi)實際流速隨之增加。當(dāng)管內(nèi)流量越大，壓降增長幅度越大，管內(nèi)實際流速的增幅也越大。

若輸氣干線管道內(nèi)天然氣流速過快，在彎頭等處可能產(chǎn)生較大沖擊、沖蝕、振動等問題，從而產(chǎn)生較大安全隱患，故在當(dāng)前工程實踐中，天然氣輸氣干線內(nèi)的氣體流速一般控制在15 m/s 以內(nèi)。因此，從流速控制角度，該天然氣管輸系統(tǒng)輸氣潛力可高達409×104m3/d。

3.3 其他限制條件

3.3.1 分離器處理能力

該管輸系統(tǒng)共有2 個處理器，每個分離器的處理能力為170×104Nm3/d。在滿足分離器處理能力的前提下，其最大輸氣量為340×104Nm3/d。

3.3.2 首站/末站壓力

針對末站實際2.9 MPa 的最低進站壓力，模擬了首站不同出口壓力下，輸氣管道的運行狀況，得出管輸量與首站出口壓力關(guān)系，如表7所示。由表7 可以看出，管輸量隨著首站出口壓力的增大而增大，且首站出口壓力越大，管輸量越大。廣安天然氣管輸系統(tǒng)的設(shè)計壓力為4.0 MPa，而實際首站最大出站壓力為3.8 MPa，考慮實際運行情況，該管道的最大輸送量為335×104 m3/d。

3.4 最大輸氣潛力分析

綜上所述，在站場工藝管道流速限制條件下，該天然氣管輸系統(tǒng)的最大輸氣量為400×104m3/d；在輸氣干線管道流速限制條件下，其最大輸氣量為409×104m3/d；在其他限制條件下，其最大輸氣量為335×104m3/d。綜合考慮以上所有限制條件，該管輸系統(tǒng)的最大輸氣潛力為335×104m3/d。

4 精細(xì)化管理

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，其他限制條件中的首站/末站壓力對廣安天然氣管輸系統(tǒng)的輸氣潛力影響最大，因此若能提高出站壓力，可提高管輸系統(tǒng)的輸氣潛力。造成出站壓力偏低的主要原因是雜質(zhì)堵塞過濾器、壓縮機故障。故本文基于精細(xì)化管理的角度，從以下4 個方面對其提出改進措施。

表8 巡檢風(fēng)險自評表

4.1 設(shè)備維修

對過濾器和壓縮機進行檢修，查看是由哪些因素引起的出站壓力偏低。找到故障原因后，應(yīng)首先向站場領(lǐng)導(dǎo)申請維修，得到批準(zhǔn)后方可實施維修作業(yè)。其次在過濾器或壓縮機周圍設(shè)置好安全警示牌、隔離警示帶等，并觀察周邊是否存在危險隱患。再次由專業(yè)操作人員根據(jù)安全操作的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)對過濾器或壓縮機進行維修，維修完成后應(yīng)檢查各閥門狀態(tài)是否正確。最后應(yīng)向站場領(lǐng)導(dǎo)匯報過濾器或壓縮機維修的具體時間及維修結(jié)果。

4.2 設(shè)備維護

對站內(nèi)工作人員進行分組，明確巡檢的意義、各巡檢段的責(zé)任人、巡檢的主要工作內(nèi)容、巡檢的地點、完成巡檢的方法和操作規(guī)程、巡檢的職責(zé)、巡檢工作的匯報對象。固定巡檢的時間段，確定巡檢周期，發(fā)現(xiàn)管道系統(tǒng)中存在的安全隱患后，填寫如表8所示的巡檢風(fēng)險自評表，并及時向小組負(fù)責(zé)人匯報，小組負(fù)責(zé)人再向站場負(fù)責(zé)人匯報，負(fù)責(zé)人即刻采取措施，將隱患扼殺。

選擇具有合適粘度、良好潤滑性能，且無腐蝕性的潤滑劑，“定點、定質(zhì)、定量、定期、定人、定法”對設(shè)備進行潤滑，降低設(shè)備的損耗，提高它的使用壽命。定點即確定每臺設(shè)備的潤滑位置，并對其進行編號。定質(zhì)即保證潤滑油的質(zhì)量，必須使用潤滑圖表所規(guī)定的潤滑油，且對使用中的潤滑油質(zhì)量進行監(jiān)控，若發(fā)生變質(zhì)，應(yīng)即刻更換。定量即嚴(yán)格按照操作章程上規(guī)定的加注數(shù)量涂抹潤滑油，不可偷工減料。定期即嚴(yán)格按照潤滑周期表進行操作，切不可更改時間。定人即規(guī)定操作的責(zé)任人，不可隨意更換責(zé)任人。定法即嚴(yán)格按照操作規(guī)程中的操作方法進行加注，不可胡亂操作，損傷設(shè)備。

4.3 建立設(shè)備管理案例庫

將每個設(shè)備的維修時間、維修次數(shù)、故障原因、解決方案等都記錄在案例庫里，確保在設(shè)備發(fā)生故障時可以迅速判斷故障原因，并提出合理有效的解決措施。其他兄弟公司值得借鑒的管理案例也可記錄在案例庫中，爭取做到一人出錯，多人得到經(jīng)驗教訓(xùn)。正視自己所犯的錯誤，也從別人的教訓(xùn)中學(xué)到經(jīng)驗。

4.4 建立獎懲制度

定期組織培訓(xùn)學(xué)習(xí)，培訓(xùn)可分為3個階段，第一階段由輸氣站的站長負(fù)責(zé)講解本站的工藝流程、以及安全工作的相關(guān)知識；第二階段由專業(yè)工程師講解設(shè)備的操作工序；第三階段由優(yōu)秀員工講解自己的工作心得與體會。并組織操作考試，在每次培訓(xùn)完畢后都進行考核，且留存檔案。對考核不及格的員工需扣當(dāng)月一定金額的獎金，對于考核的前三名員工給予一定額度的獎勵。

5 結(jié)論

本文結(jié)合廣安天然氣管輸系統(tǒng)的實際運行情況，考慮安全運行和降噪的要求，提出了計算天然氣管輸系統(tǒng)最大輸氣潛力的方法，并從精細(xì)化管理角度提出了提高管輸系統(tǒng)輸氣潛力的措施。得出了以下結(jié)論：

1.從站場工藝管道流速限制、輸氣干線管道流速限制、其他限制條件（分離器處理能力、首站/末站壓力）3個方面可以有效分析天然氣管輸系統(tǒng)的最大輸氣潛力，其中的首站/末站壓力對最大輸氣潛力影響最大。因此本文建議通過增大出站壓力來提高管輸系統(tǒng)的輸氣潛力。該分析方法能夠確定天然氣管輸系統(tǒng)的最大輸氣潛力，同樣也適用于其他的管輸系統(tǒng)。

2.基于精細(xì)化管理，從設(shè)備維修、設(shè)備維護、建立設(shè)備管理案例庫、建立獎懲制度4個方面，提出了提高天然氣管輸系統(tǒng)輸氣潛力的針對性措施。從而確定合理的配氣價格，提高供氣調(diào)度的準(zhǔn)確度和可靠性。