長(zhǎng)輸天然氣管道輸差分析及改進(jìn)探討

郭永，孟虎林，朱興艷，陳相均，楊艷

(1. 國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道有限責(zé)任公司 塔里木輸油氣分公司，新疆 庫爾勒 841000；2. 中國石油青海油田分公司 管道處，青海 格爾木 816000；3. 國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司 油氣計(jì)量中心，四川 成都 610000；4. 國家管網(wǎng)集團(tuán) 山東天然氣管道有限公司，山東 淄博 255000)

以西氣東輸、陜京線、中俄東線大型天然氣管道為代表，天然氣管道在促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用[1]。輸差是長(zhǎng)輸天然氣管道運(yùn)行管理中的重要內(nèi)容，也是衡量管道企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)營(yíng)管理水平的重要指標(biāo)[2]。以某輸送能力為1×1010m3/a長(zhǎng)輸天然氣管道為例，若輸差率為1%(轉(zhuǎn)、接、銷氣站輸差可能高達(dá)2%～3%)，則實(shí)際天然氣損失量高達(dá)1×108m3。輸差對(duì)于管道企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益損失、環(huán)境危害以及社會(huì)影響都是巨大的[3]。為保證管道行業(yè)高效運(yùn)行、降本增效，應(yīng)建立科學(xué)、系統(tǒng)的管道輸差分析方法和機(jī)制。

1 天然氣管道輸差定義及分類

輸差定義為長(zhǎng)輸天然氣管道輸送過程中天然氣中間計(jì)量與交接計(jì)量之間輸送量的差值。從表征方法角度，輸差分為絕對(duì)輸差和相對(duì)輸差；從統(tǒng)計(jì)描述角度，輸差分為站輸差、線輸差和綜合輸差，綜合輸差等于所有站輸差和線輸差之和。長(zhǎng)輸天然氣管道輸差計(jì)算如式(1)所示：

ΔV=(V1+V2)-(V3+V4+V5+V6)

(1)

式中： ΔV——某時(shí)刻輸氣管道輸差，m3；V2，V3——某時(shí)刻輸氣管道輸入、輸出氣量，m3；V4——某時(shí)刻管道生產(chǎn)運(yùn)行用氣量，m3；V5——某時(shí)刻管道放空氣量，m3；V1，V6——管道計(jì)算管段內(nèi)儲(chǔ)存氣量，m3。

相對(duì)誤差計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：η——相對(duì)誤差，%。

2 天然氣管道輸差產(chǎn)生原因分析

天然氣管道輸差產(chǎn)生原因分為三類： 一是計(jì)量系統(tǒng)誤差，即儀表安裝不合理、精度低、故障失準(zhǔn)；二是非計(jì)量系統(tǒng)誤差，即輸氣管道因設(shè)備質(zhì)量、腐蝕、運(yùn)行管理等造成泄漏損失[3]；三是計(jì)量系統(tǒng)不確定度，即由天然氣計(jì)量測(cè)試中人員、環(huán)境等客觀因素影響，使得天然氣計(jì)量過程中產(chǎn)生輸差。

1)計(jì)量系統(tǒng)誤差。計(jì)量系統(tǒng)誤差是指由于計(jì)量?jī)x表故障或測(cè)試方法誤差產(chǎn)生輸差。計(jì)量系統(tǒng)誤差典型示例是節(jié)流裝置制造或安裝誤差，例如孔板偏心和彎曲變形，孔板與節(jié)流裝置直管段不完全對(duì)中；天然氣相對(duì)密度、壓力、溫度測(cè)量誤差，例如天然氣除塵處理不徹底，內(nèi)腐蝕產(chǎn)物及雜質(zhì)附著在孔板截面和孔口邊緣處流速突變，影響孔板內(nèi)壁摩阻系數(shù)和流出系數(shù)，并對(duì)孔板產(chǎn)生沖刷磨蝕。

2)計(jì)量系統(tǒng)不確定度。天然氣計(jì)量技術(shù)是一種多參數(shù)、間接動(dòng)態(tài)測(cè)量過程。由于人員操作、環(huán)境條件和管理因素，天然氣計(jì)量具有一定不確定度，可能高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6143—2004《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》中計(jì)算方法確定的不確定度[4-5]。

目前，超聲波流量計(jì)最高精度等級(jí)為0.5級(jí)，但成本高、檢定困難，只在主干線關(guān)鍵站點(diǎn)應(yīng)用，輸氣管道計(jì)量主要還是采用孔板和渦輪流量計(jì)。以中國天然氣管道廣泛應(yīng)用的孔板智能型差壓式流量計(jì)系統(tǒng)為例，基本配置為差壓變送器(精度為0.2級(jí))、壓力變送器(精度為0.2級(jí))、溫度變送器(精度為0.5級(jí))和求積儀(精度為0.5級(jí))。根據(jù)誤差理論，計(jì)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏差是流量測(cè)量不確定度的0.5倍。經(jīng)測(cè)算，流量測(cè)量不確定度最大值和最小值分別為1.02%和0.79%，計(jì)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.385%和0.51%。

肉牛日增重、日糧養(yǎng)分消化率和氮利用率隨日糧蛋白質(zhì)水平從10.91%增加到13.07%，或添加75 mg RPFA顯著提高。但日糧蛋白質(zhì)水平與RPFA之間沒有交互作用。

3)非計(jì)量系統(tǒng)誤差。非計(jì)量系統(tǒng)誤差是由于管道運(yùn)行條件突變產(chǎn)生測(cè)量誤差，或者設(shè)備質(zhì)量維護(hù)不佳產(chǎn)生內(nèi)部漏失，輸氣管道第三方破壞、打孔盜氣或腐蝕穿孔泄漏，以及輸氣站場(chǎng)維修改造進(jìn)行放空作業(yè)造成氣體損失[6]。

孔板流量計(jì)設(shè)計(jì)依據(jù)是穩(wěn)定流動(dòng)參數(shù)，如氣田來氣量變化，或者輸氣管道干線末段儲(chǔ)氣或用戶氣量波動(dòng)，引起流速突變，管道內(nèi)氣體液態(tài)產(chǎn)生紊流脈動(dòng)，脈動(dòng)氣流是由多個(gè)脈動(dòng)源形成的非周期性變化的復(fù)雜流型，脈動(dòng)流對(duì)孔板流量計(jì)的信號(hào)傳遞、轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和計(jì)算方法產(chǎn)生影響，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生較大誤差。以輸氣管道運(yùn)行壓力2 MPa，運(yùn)行溫度20 ℃為例，管存變化過程中，壓力誤差為0.1 MPa，產(chǎn)生輸差率為4.76%；溫度偏差為±1 ℃，產(chǎn)生輸差率為0.34%。

天然氣管道運(yùn)行過程中不能保證完全密閉性，設(shè)施漏氣產(chǎn)生輸差，例如管道接頭質(zhì)量差、松動(dòng)，設(shè)備管件腐蝕開裂，輸氣站由于環(huán)境溫度、管內(nèi)氣體溫度變化造成漏氣，自然災(zāi)害造成管道損壞、閥門及儀表接頭處漏氣等[7]。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)某省輸氣管網(wǎng)在社會(huì)治安較差地區(qū)，可能引起輸氣量1%的輸差。

3 天然氣管道輸差分析方法

管道輸差分析應(yīng)從計(jì)量數(shù)據(jù)入手，定量分析輸差異常程度，定性分析輸差產(chǎn)生原因，定位輸差發(fā)生區(qū)域。如必要，采取管道運(yùn)行控制措施，將輸差控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。輸差分析應(yīng)每日進(jìn)行，分析結(jié)果應(yīng)及時(shí)反饋給計(jì)量人員和巡護(hù)人員，計(jì)量人員校準(zhǔn)計(jì)量?jī)x表，確認(rèn)輸差原因；增加巡護(hù)人員巡線頻率，盡快找到泄漏位置。目前較為公認(rèn)的輸差分析方法和基本原則如下：

1)計(jì)量?jī)?yōu)先原則。輸差異常應(yīng)首先考慮計(jì)量?jī)x表原因，不應(yīng)將輸差異常歸結(jié)于管道泄漏，原因是計(jì)量?jī)x表系統(tǒng)故障概率遠(yuǎn)高于管道腐蝕泄漏和打孔盜氣概率。因此，應(yīng)堅(jiān)持輸差異常、計(jì)量先行的原則，也有利于輸差異常事件的解決。

3)計(jì)量數(shù)據(jù)追溯法。天然氣管道計(jì)量數(shù)據(jù)具有量值傳遞特性，判斷某個(gè)計(jì)量?jī)x表的準(zhǔn)確性，可通過對(duì)比分析該儀表上下游計(jì)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。例如貿(mào)易交接計(jì)量?jī)x表下游安裝的用戶核查流量計(jì)，通過分析該流量計(jì)量差規(guī)律，判定貿(mào)易交接計(jì)量?jī)x表是否準(zhǔn)確以及管道輸差變化趨勢(shì)。

4)多輸差曲線對(duì)比法。采集統(tǒng)計(jì)大量歷史管道計(jì)量數(shù)據(jù)，可繪制多條站輸差、線輸差和綜合輸差曲線，如發(fā)現(xiàn)與歷史輸差曲線存在較大偏差，該輸差存在問題可能性較大。

5)運(yùn)行參數(shù)增加分析頻次。天然氣管道輸差是一個(gè)長(zhǎng)期累積的過程，一些情形下僅日輸差分析不能查找原因，應(yīng)縮短分析周期，調(diào)度人員可利用監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)自動(dòng)分析輸差及預(yù)警，每1～2 h分析管線各站壓力、溫度和流量數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確確定管道輸差規(guī)律，及時(shí)作出應(yīng)急措施，降低輸差[8]。

6)輸差異常定位技術(shù)。輸氣管道輸差異常定位技術(shù)原理是建立管道運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫，存檔管道每時(shí)刻運(yùn)行參數(shù)，利用商業(yè)仿真軟件判定各段管道水力摩阻系數(shù)細(xì)微異常情況，通過分析異常壓降預(yù)警輸差，進(jìn)而定位發(fā)生輸差異常的管段。輸氣管道水力摩阻系數(shù)計(jì)算如式(3)所示：

(3)

式中：λ——天然氣管道水力摩阻系數(shù)，量綱一的量；C——單位換算系數(shù)，量綱一的量；p1，p2——管道首站、末站壓力，MPa；δ——天然氣相對(duì)密度，量綱一的量；D——管徑，m；L——管段長(zhǎng)度，m；Z——天然氣壓縮因子，量綱一的量；T——管道內(nèi)氣體平均溫度，K；qVn——管道體積流量，m3/s。

7)建立量值溯源管理體系。量值溯源管理體系是指涵蓋不確定度的連續(xù)性、不間斷的比較鏈條曲線，使得測(cè)量結(jié)果與執(zhí)行的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)天然氣管道輸差實(shí)時(shí)監(jiān)控，既保證計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)計(jì)量?jī)x表故障，也是天然氣管道輸差分析技術(shù)的發(fā)展方向。

4 天然氣管道輸差減緩控制措施

管道輸差控制應(yīng)考慮時(shí)效性和技術(shù)可行性，即及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸差異常，應(yīng)對(duì)措施可行有效，都需要在管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、精細(xì)化管理等多個(gè)方面加以改進(jìn)。

1)提高管道計(jì)量設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]。高精度計(jì)量設(shè)備配備不足是造成天然氣管道輸差的重要原因。在管道設(shè)計(jì)階段，應(yīng)保證專用計(jì)量資金投入，設(shè)計(jì)采用高可靠性、高精度計(jì)量設(shè)備，減少人為操作因素影響，例如除進(jìn)站位置外，加熱爐、放空火炬等重要設(shè)施配備計(jì)量裝置；此外還應(yīng)配備一定數(shù)量和等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)檢定儀器，可隨時(shí)進(jìn)行量值溯源和儀表檢定/校準(zhǔn)，按照規(guī)定周期進(jìn)行計(jì)量設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)和檢定，保證投運(yùn)率和準(zhǔn)確率，最大限度降低計(jì)量?jī)x表精度不足造成輸差。

2)重視計(jì)量?jī)x表對(duì)比驗(yàn)證和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。從管道運(yùn)行管理角度，應(yīng)加強(qiáng)計(jì)量?jī)x表對(duì)比檢驗(yàn)工作，特別是保證在貿(mào)易交接中氣量的對(duì)比計(jì)量。如在某管段或區(qū)域產(chǎn)生輸差異常，運(yùn)行參數(shù)應(yīng)增加分析頻次。建立流量計(jì)運(yùn)行檢定數(shù)據(jù)庫，及時(shí)掌握設(shè)備工作性能和實(shí)際狀況，為輸差分析提供依據(jù)。

3)計(jì)量數(shù)據(jù)核實(shí)確認(rèn)保證真實(shí)有效。計(jì)量數(shù)據(jù)雖然是客觀存在，但應(yīng)核實(shí)數(shù)據(jù)真實(shí)性，否則會(huì)給計(jì)量造成偏差。計(jì)量數(shù)據(jù)管理也是輸差研究的重要內(nèi)容，基本原則是專職人員進(jìn)行計(jì)量?jī)x表操作、維護(hù)、檢定和計(jì)算處理；儀表回零、校準(zhǔn)應(yīng)由2人以上合作完成；流量計(jì)算結(jié)果應(yīng)交接雙方核實(shí)確認(rèn)，簽訂《天然氣計(jì)量交接憑證》；計(jì)量管理部門定期抽檢計(jì)量設(shè)備完好性和歷史計(jì)量數(shù)據(jù)。

4)實(shí)現(xiàn)輸差網(wǎng)格化、精細(xì)化管理。以往管道企業(yè)輸差是粗放式管理，側(cè)重關(guān)注外銷計(jì)量，忽視內(nèi)部計(jì)量準(zhǔn)確性要求，分公司部門間缺乏主動(dòng)降低輸差的意識(shí)和責(zé)任。實(shí)際上管道企業(yè)的輸差應(yīng)具體分解到單個(gè)輸氣站場(chǎng)。應(yīng)制訂網(wǎng)格化、精細(xì)化輸差管理制度非常必要，此外還應(yīng)建立周期化輸差分析制度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處置、控制輸差異常。

5)應(yīng)用管道泄漏監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)，預(yù)防第三方施工破壞管道[10]。第三方施工打孔盜氣，以及管道搶修過程放空均造成氣體損失，加強(qiáng)管道巡線，注意關(guān)注管道沿線新動(dòng)土、新建筑、新種植物等，關(guān)注是否有天然氣泄漏特征，例如樹葉變黃、土質(zhì)變黑并白色霉變，水域出現(xiàn)氣泡等。

5 結(jié)束語

隨著國家對(duì)管道企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)監(jiān)管政策要求，天然氣管道輸差會(huì)得到企業(yè)管理層更加重視。管道運(yùn)行控制技術(shù)進(jìn)步以及管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量?jī)x表精度提高，天然氣管道輸差也會(huì)得到有效控制。可以預(yù)見，將管道輸差控制在較低范圍內(nèi)成為行業(yè)普遍共識(shí)和國家硬性規(guī)定，也將成為管道核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)和發(fā)展目標(biāo)。