天然氣輸差系統(tǒng)診斷方法

張利華

中國(guó)石油西南油氣田分公司 重慶氣礦（重慶 400021）

0 引言

天然氣從地下開采出來變成終端商品，在生產(chǎn)、加工和集、輸、配過程中存在相當(dāng)數(shù)量的損耗，針對(duì)某一管網(wǎng)系統(tǒng)而言，天然氣輸入總量減去輸出總量的差值，習(xí)慣稱為輸差[1]。根據(jù)某氣田10 年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，輸差占天然氣總損耗的30%～55%[2]，對(duì)于一個(gè)年產(chǎn)天然氣數(shù)十億立方米規(guī)模的企業(yè)，輸差率0.1%都是損失巨大的，控制輸差對(duì)于降耗增效意義重大。且隨著天然氣需求的不斷增加和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)觀念的不斷增強(qiáng)，天然氣輸差困擾供需雙方的糾紛問題越發(fā)突出[3]。但影響輸差的因素復(fù)雜繁多，天然氣的多組分、安裝條件、操作條件、環(huán)境條件的變化和多參數(shù)測(cè)量都會(huì)影響天然氣計(jì)量準(zhǔn)確性[4]，造成輸差。所有的天然氣公司都不同程度面臨輸差問題的困擾，而繁瑣反復(fù)的輸差異常診斷過程是困擾計(jì)量人員的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響天然氣輸差的因素及對(duì)策進(jìn)行了很多研究，但目前未發(fā)現(xiàn)有序的、具有操作性的系統(tǒng)診斷方法，計(jì)量人員對(duì)輸差異常診斷一定程度憑借自己的經(jīng)驗(yàn)，具有隨意性，導(dǎo)致輸差異常診斷效率偏低，難以適應(yīng)天然氣工業(yè)高效高質(zhì)量發(fā)展的需要。

近年來，隨著國(guó)家管網(wǎng)互聯(lián)互通工作的全面開展和進(jìn)程加快[5-7]，管網(wǎng)天然氣動(dòng)向愈加錯(cuò)綜復(fù)雜，流程和氣量調(diào)整頻繁，供氣狀態(tài)變化加大，同時(shí)加大了輸差管控的難度。根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量工作經(jīng)驗(yàn)，基于目前天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用最多、輸差影響環(huán)節(jié)最復(fù)雜的孔板流量計(jì)開展研究再引申其他流量計(jì)，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)天然氣輸差的影響因素進(jìn)行全面分析研究，并按照診斷的難易程度進(jìn)行分解，規(guī)范診斷操作流程，借鑒企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化管理思路，最后形成系統(tǒng)診斷方法模版，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了良好效果。

1 天然氣輸差概述

天然氣從地下開采出來，在復(fù)雜的加工、集、輸和配氣過程中有非常大的損耗，主要包括天然氣處理加工的縮減量、管線事故或作業(yè)時(shí)放空量，這些損耗量和天然氣生產(chǎn)量、銷售量、回注量、自耗量、管存量等都可以通過直接儀表計(jì)量或間接公式計(jì)算得到其數(shù)量，天然氣輸差則是集輸管道內(nèi)平衡輸氣進(jìn)出量之差值。對(duì)某一平穩(wěn)供氣具有完整計(jì)量設(shè)備的輸氣管網(wǎng)而言，若不考慮計(jì)量誤差，理論上進(jìn)出量應(yīng)相等，即輸差應(yīng)為0。但由于計(jì)量設(shè)備本身存在誤差，計(jì)量方法及計(jì)量過程控制不完善也會(huì)導(dǎo)致計(jì)量誤差，實(shí)際輸差值不會(huì)為0，因此輸差是未被計(jì)量或計(jì)量誤差造成的，輸差是必然存在的。

天然氣輸差是某一段時(shí)間輸氣管道內(nèi)平衡輸氣量之差值[8]，其理論計(jì)算公式為：

為便于理解，可簡(jiǎn)化為

式中：Q差為某一時(shí)間輸氣管道內(nèi)的輸差，m3；Q1為同一時(shí)間內(nèi)的輸入氣量，m3；Q2為同一時(shí)間內(nèi)的輸出氣量，m3；Q3為同一時(shí)間內(nèi)輸氣單位的生產(chǎn)、生活用氣量，m3；Q4為同一時(shí)間內(nèi)放空氣量，m3；V1為計(jì)算時(shí)間開始時(shí)，管道計(jì)算段內(nèi)的儲(chǔ)存氣量，m3；V2為計(jì)算時(shí)間終了時(shí)，管道計(jì)算段內(nèi)的儲(chǔ)存氣量，m3;∑Q入為同一時(shí)間內(nèi)輸入總氣量，m3；∑Q出為同一時(shí)間內(nèi)輸出總氣量，m3；V初存為同一時(shí)間內(nèi)開始時(shí)刻的管存量，m3；V末存為同一時(shí)間內(nèi)終了時(shí)刻的管存量，m3。

其中，天然氣輸出總量包括所有輸出量和損耗量之和，目前天然氣氣量結(jié)算不是以很短的時(shí)間點(diǎn)結(jié)算，而是以某時(shí)間段內(nèi)（通常以月為時(shí)間單位）的氣量進(jìn)行結(jié)算，也為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)日常平穩(wěn)運(yùn)行、節(jié)點(diǎn)壓力變化不大的管網(wǎng)，管存變化量可以忽略不計(jì)，計(jì)算輸差時(shí)可以不考慮管存。在具體計(jì)算時(shí)，為了統(tǒng)計(jì)分析天然氣輸入和輸出量是否平衡，需要每天把某特定區(qū)域某時(shí)間段內(nèi)全部輸入和輸出的天然氣量準(zhǔn)確地列出來，監(jiān)視輸差異常走勢(shì)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理計(jì)量問題或管網(wǎng)泄漏問題，以維護(hù)企業(yè)合法利益。

因此，天然氣輸差管理是天然氣生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理非常重要的環(huán)節(jié)。計(jì)量人員每天密切監(jiān)控輸差變化，發(fā)現(xiàn)輸差異常時(shí)，及時(shí)進(jìn)行原因分析。

2 天然氣輸差異常原因分析

由于天然氣管網(wǎng)較長(zhǎng)，進(jìn)、出口眾多交錯(cuò)，天然氣供氣調(diào)配變化多，造成天然氣輸差異常的原因很多，既有計(jì)量誤差引起的輸差也有未被計(jì)量引起的輸差，具體有管路系統(tǒng)內(nèi)外泄漏、計(jì)量誤差、盜氣、計(jì)算和記錄不正確等。需要說明的是：設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝不合規(guī)范；設(shè)備選型不合理；設(shè)備的準(zhǔn)確度不夠等，屬于系統(tǒng)原因，在站場(chǎng)、管網(wǎng)投產(chǎn)時(shí)就已經(jīng)存在了，這里不做討論。主要討論天然氣在生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)輸差異常的非系統(tǒng)原因。

2.1 人為失誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤

由于很多天然氣集輸管道、場(chǎng)站具有點(diǎn)多線長(zhǎng)面廣的特點(diǎn)，且多處于人煙稀少、自然環(huán)境惡劣的地方，而且生產(chǎn)區(qū)域分散，有很多場(chǎng)站未能實(shí)現(xiàn)站控自動(dòng)化，信息讀取、錄入、計(jì)算仍需人工完成，存在人為失誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的可能，從而造成輸差異常。很多單位輸差監(jiān)控表數(shù)據(jù)是鏈接在生產(chǎn)調(diào)度運(yùn)行報(bào)表上，屬于數(shù)據(jù)二次傳遞，如果數(shù)據(jù)傳遞出現(xiàn)問題，也會(huì)造成輸差異常。這類由于人為失誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤引起輸差異常占有比例比較高。

2.2 工藝流程和進(jìn)出點(diǎn)氣量調(diào)整

天然氣管網(wǎng)互聯(lián)互通基本建設(shè)進(jìn)程越來越快，管網(wǎng)調(diào)配越來越復(fù)雜，工藝流程、進(jìn)出點(diǎn)氣量調(diào)整和變化越來越頻繁，加大了輸差管控難度。如果計(jì)量人員未能及時(shí)變更調(diào)整后的輸差進(jìn)出點(diǎn)，就無法平衡氣量，造成輸差異常。

進(jìn)出點(diǎn)氣量調(diào)整可能會(huì)導(dǎo)致孔板流量計(jì)差壓運(yùn)行范圍超限，造成“小馬拉大車、大馬拉小車”的非計(jì)量漏失，引起輸差異常。

2.3 管網(wǎng)內(nèi)外泄漏、放空、盜氣

管網(wǎng)泄漏分客觀因素和人為因素，客觀因素包括腐蝕穿孔泄漏、流程密閉性差泄漏、自然災(zāi)害造成管道斷裂等；人為因素包括施工無意損傷、打孔盜氣等[9]，天然氣管網(wǎng)泄漏的損失是難以估計(jì)的。管線由于緊急情況破裂或施工作業(yè)需要人為放空，未正確記錄管線管徑、壓力變化、距離、時(shí)間等，以致于未能準(zhǔn)確估算氣量損失。這些未計(jì)量的管網(wǎng)內(nèi)外泄漏、放空、盜氣等原因都會(huì)造成輸差異常。

2.4 計(jì)量參數(shù)錄入錯(cuò)誤

從天然氣流量計(jì)算公式可知，參與流量計(jì)算的參數(shù)有數(shù)十個(gè)，計(jì)量參數(shù)錄入不正確將對(duì)輸差影響較大。計(jì)量參數(shù)包括氣質(zhì)參數(shù)（相對(duì)密度、甲烷等天然氣組分）和計(jì)量設(shè)備參數(shù)（測(cè)量管內(nèi)徑D20、取壓方式、測(cè)量管內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度kD、孔板內(nèi)徑d20、孔板連續(xù)使用時(shí)間（年）、孔板入口邊緣圓角半徑rk、當(dāng)?shù)卮髿鈮篜0、流量計(jì)量狀態(tài)、靜壓量程Pm、差壓量程Hm、溫度測(cè)量范圍Tmin～Tmax、小信號(hào)切除信號(hào)H(Pa)、智能流量計(jì)儀表K系數(shù)），這些參數(shù)如果錄入錯(cuò)誤，將會(huì)導(dǎo)致計(jì)量漏失從而引起輸差異常。

2.5 計(jì)量系統(tǒng)配套儀表誤差

計(jì)量?jī)x表誤差對(duì)輸差有較大影響?？装辶髁坑?jì)的節(jié)流件——孔板對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性有非常大的影響，如果孔板表面堆積污物過多、孔板安裝方向錯(cuò)誤、入口尖銳度磨損等，都會(huì)造成比較大的計(jì)量誤差。壓力、差壓、溫度、安全柵(隔離器)和A/D轉(zhuǎn)換器等儀表設(shè)備在使用過程中會(huì)出現(xiàn)示值漂移、儀表故障等問題，從而引起計(jì)量誤差造成輸差異常。

2.6 其他使用條件和環(huán)境條件變化影響

由于天然氣的氣體流態(tài)特征，各種使用條件和環(huán)境條件的變化都會(huì)對(duì)計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生直接影響，從而引起輸差異常。氣舉、排水作業(yè)、清管、流量計(jì)上游端調(diào)壓閥的操作、計(jì)量前后壓縮機(jī)的啟停和運(yùn)行、電磁干擾等會(huì)對(duì)天然氣的流態(tài)產(chǎn)生較大影響，從而引起輸差異常。

3 天然氣輸差診斷方法

一些學(xué)者和計(jì)量人員對(duì)輸差異常的診斷提出“輸差一出，儀表先行”的原則[10-12]，首先把輸差異常的原因定位于計(jì)量?jī)x表的問題。但根據(jù)筆者多年的輸差管理經(jīng)驗(yàn)，儀表按周期進(jìn)行了維護(hù)、檢定、校準(zhǔn)，出現(xiàn)問題幾率相對(duì)較?。桓鶕?jù)多年追蹤天然氣輸差異常的經(jīng)驗(yàn)，儀表問題占比不是特別大；天然氣場(chǎng)站很多在偏遠(yuǎn)分散的地方，診斷儀表問題需要消耗人力、檢測(cè)設(shè)備和車輛成本，不利于企業(yè)提質(zhì)增效。

從輸差異常出現(xiàn)問題頻率最高、成本最低和診斷相對(duì)簡(jiǎn)單易行的數(shù)據(jù)可靠性分析最可行，“輸差一出，數(shù)據(jù)先行”是效率最高的方式，據(jù)此研究出天然氣輸差異常診斷的系統(tǒng)方法。

3.1 天然氣輸差異常診斷流程

當(dāng)輸差監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生異常報(bào)警時(shí)，就需要進(jìn)行密切關(guān)注。根據(jù)輸差后期的走勢(shì)進(jìn)行原因診斷和處理。按照診斷的難易程度和人、物成本投入高低，從易到難進(jìn)行梳理，采取步步確認(rèn)方式逐項(xiàng)排查，診斷流程如圖1所示。

圖1 天然氣輸差異常診斷流程圖

3.2 天然氣輸差異常診斷方法模版的建立

根據(jù)天然氣輸差異常診斷流程圖（圖1），細(xì)化診斷步驟，參照標(biāo)準(zhǔn)化管理思路，建立天然氣輸差異常診斷模版（表1、表2、表3），此模版包括3部分：數(shù)據(jù)核查、計(jì)量系統(tǒng)核查、使用環(huán)境核查，建議先使用快速簡(jiǎn)易方法核查，發(fā)現(xiàn)可疑再細(xì)致準(zhǔn)備核查[13-19]。一旦出現(xiàn)輸差異常情況，計(jì)量人員不再隨意無序進(jìn)行診斷，可以依據(jù)該模版進(jìn)行排查，最后進(jìn)行結(jié)論分析和處理。該模版主要根據(jù)診斷的難易程度、出現(xiàn)頻率和消耗成本的多少，按照數(shù)據(jù)（含流程）、計(jì)量系統(tǒng)（含范圍、參數(shù)、儀表）、環(huán)境、結(jié)果處理等4個(gè)方面來進(jìn)行確認(rèn)[20-24]。

表1 天然氣輸差異常系統(tǒng)診斷方法模版中的數(shù)據(jù)核查

表2 天然氣輸差異常系統(tǒng)診斷方法模版的計(jì)量系統(tǒng)核查

續(xù)表2

表3 天然氣輸差異常系統(tǒng)診斷方法模版的使用環(huán)境核查

4 天然氣輸差異常診斷模版的應(yīng)用及效果

天然氣輸差異常診斷模版研究完成后，應(yīng)用在某氣田輸差異常診斷工作上，取得了良好的效果。主要在以下幾個(gè)方面得到體現(xiàn)。

4.1 天然氣輸差異常診斷效率和準(zhǔn)確性得到提高

由于診斷方法模版的建立，獲得天然氣輸差異常診斷的最佳秩序，遇到輸差異常問題，根據(jù)診斷模板，從數(shù)據(jù)的正確與否開始分析，再進(jìn)行流程的梳理、儀表運(yùn)行范圍核查、計(jì)量參數(shù)的核查、計(jì)量系統(tǒng)及儀表的校驗(yàn)、流態(tài)及綜合因素的核查。通過3年來在某氣田的實(shí)際應(yīng)用，天然氣輸差異常診斷的效率提高了很多。2020 年4 月中旬，發(fā)現(xiàn)進(jìn)大管線的氣量計(jì)算錯(cuò)誤，把578.11×104m3錯(cuò)誤計(jì)算為483.63×104m3，影響氣量94.48×104m3。診斷、處理此類輸差異常問題，原來需要1～5 d，現(xiàn)在利用了診斷模板，僅僅用了不到30 min 就處理完畢，極大提高了工作效率。

診斷方法體系的構(gòu)建，讓天然氣輸差異常診斷準(zhǔn)確性也大大提高。2020 年8 月上旬，發(fā)現(xiàn)某氣田某輸氣干線的輸差突然異常報(bào)警，偏離正常值6%，通過對(duì)數(shù)據(jù)的反復(fù)核查、流程的梳理檢查，發(fā)現(xiàn)是誤把某管線反輸計(jì)量裝置的旁通閥打開，天然氣約少計(jì)量37×104m3/d，4 d少計(jì)量148×104m3。

4.2 天然氣輸差異常診斷成本降低、輸損降低，效益提高

天然氣生產(chǎn)場(chǎng)站大部分比較偏遠(yuǎn)，有的單程都需要幾個(gè)小時(shí)，而且輸差線計(jì)量進(jìn)出點(diǎn)多，頻繁奔波現(xiàn)場(chǎng)，人員、檢測(cè)設(shè)備和車輛的消耗都較高。

天然氣輸差異常診斷模版的應(yīng)用，使診斷流程步驟清晰，當(dāng)輸差出現(xiàn)異常時(shí)不是盲目地、重復(fù)地查找原因和反復(fù)往返于現(xiàn)場(chǎng)，甚至漏掉重要的環(huán)節(jié)，而是根據(jù)診斷模版有序進(jìn)行診斷和處理，減少了異常輸差診斷的隨意性，減少了不必要的成本消耗。

在某天然氣產(chǎn)銷氣礦4 年來的實(shí)施應(yīng)用，實(shí)施前一年，2016年輸差損耗為9 001×104m3，從2017年實(shí)施以來，輸差損耗得到了降低，2017～2020 年輸差損耗分別為6 845×104、5 168×104、6 604×104、6 021×104m3，年平均天然氣輸差損耗為（6 845+5 168+6 604+6 021）/4=6 160×104m3，輸差損耗年均降低30%左右，總共產(chǎn)生上億元的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 計(jì)量人員能力短時(shí)間內(nèi)得到顯著提升

天然氣輸差異常診斷模版是一個(gè)清晰明確的行動(dòng)指南，具有可操作性，對(duì)計(jì)量人員有序高效地進(jìn)行輸差異常診斷、快速提升處理問題的能力提供了有力技術(shù)支持。

診斷模板步驟清晰，技術(shù)要求明確，而且有具體的記錄填寫要求，也能有效克服計(jì)量人員不記錄或漏記錄的問題，避免了在現(xiàn)場(chǎng)清清楚楚，回來后又模模糊糊的低效狀態(tài)。天然氣輸差異常診斷模版的步驟，包含了計(jì)量管理的大部分系統(tǒng)綜合知識(shí)，而非零碎片面的知識(shí)。按照模版流程開展診斷后，能力提升顯著，半年到一年時(shí)間可以掌握需要幾年時(shí)間學(xué)習(xí)和積累的知識(shí)與技術(shù)。

5 結(jié)論

1）天然氣輸差異常系統(tǒng)診斷方法借鑒了標(biāo)準(zhǔn)化管理思路，并和天然氣生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，具有可操作性，在某氣田得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)輸差監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)異常警示，按診斷方法模版進(jìn)行診斷和處理，目標(biāo)導(dǎo)向明確，工作有序、高效，為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化、智慧化、低碳化發(fā)展提供技術(shù)支撐。

2）天然氣輸差異常系統(tǒng)診斷方法不僅規(guī)范了天然氣輸差異常診斷的秩序，減少了計(jì)量人員的主觀性和隨意性，而且輸差管控能力得到顯著提升，為維護(hù)企業(yè)合法效益提供了技術(shù)支撐。

3）天然氣輸差異常系統(tǒng)診斷方法是長(zhǎng)期計(jì)量工作技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，是寶貴的技術(shù)儲(chǔ)備，并得到了保存，轉(zhuǎn)化為企業(yè)的財(cái)富，不會(huì)因人員的流動(dòng)而流失，使不同員工的工作效率和質(zhì)量得到保證，也為員工教育培訓(xùn)提供了實(shí)用的資源。

4）天然氣輸差異常系統(tǒng)診斷方法為廣大天然氣計(jì)量工作者提供了一種較好的管理思路，并在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷豐富、完善和改進(jìn)，為天然氣產(chǎn)銷企業(yè)輸差管理提供借鑒和參考，為天然氣高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。