管輸天然氣的節(jié)能降耗探討

摘 " " "要：管道輸送是天然氣運(yùn)輸?shù)闹匾\(yùn)輸方式，節(jié)能降耗是天然氣管輸亟需解決的問(wèn)題。分析天然氣管輸系統(tǒng)和設(shè)備能耗情況，從直接能耗和間接能耗兩方面，綜述管輸天然氣節(jié)能降耗措施如下：①合理選擇壓縮機(jī)組及其驅(qū)動(dòng)方式，優(yōu)化壓縮機(jī)組運(yùn)行工況，定期維護(hù)保養(yǎng)，降低壓縮機(jī)組能耗；②采用高壓輸氣、降低輸氣溫度、管內(nèi)壁涂減阻內(nèi)涂層、合理的設(shè)備和管道路由等措施降低輸氣管道摩阻損失；③采取措施預(yù)防輸氣管道泄漏和減小天然氣放空量，降低間接能耗；④融合大數(shù)據(jù)分析、天然氣管網(wǎng)仿真、人工智能等技術(shù)，做好管輸系統(tǒng)分析預(yù)測(cè)，優(yōu)化運(yùn)行及決策方案；⑤利用回收余熱、余壓以及利用新能源等措施，提高能源利用率。上述節(jié)能降耗措施對(duì)天然氣管輸?shù)墓?jié)能降耗、降低運(yùn)營(yíng)成本具有重要借鑒意義。

關(guān) "鍵 "詞：管輸天然氣；節(jié)能降耗；間接能耗；直接能耗；摩阻損失；優(yōu)化運(yùn)行

中圖分類號(hào)：TQ09 " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " "文章編號(hào)： 1004-0935（2023）04-0539-05

在“雙碳”目標(biāo)下，天然氣作為一種清潔、低碳、高熱值的綠色優(yōu)質(zhì)能源，將在能源結(jié)構(gòu)向低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中發(fā)揮重要作用，管道輸送是其重要的運(yùn)輸方式。天然氣管輸系統(tǒng)復(fù)雜，主要由氣源、管網(wǎng)、用戶及儲(chǔ)氣設(shè)施等要素構(gòu)成[1]。20世紀(jì)60年代，我國(guó)建成第一條天然氣輸送管道——巴渝線，發(fā)展至今已有50余年，輸氣管道建設(shè)取得豐碩成果[2]。截止2020年，我國(guó)的天然氣干線管道和城市燃?xì)夤艿赖目傞L(zhǎng)分別為10.2萬(wàn)km和86.04萬(wàn)km[3]，已逐步形成橫跨東西、縱貫?zāi)媳钡奶烊粴夤芫W(wǎng)，基本實(shí)現(xiàn)了“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸及就近供應(yīng)”的供氣格局[4-5]。近年來(lái)，國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷升級(jí)，對(duì)環(huán)境保護(hù)提出了更高要求，天然氣需求量持續(xù)增加，天然氣管輸系統(tǒng)規(guī)模日趨大型化，運(yùn)行工況復(fù)雜多變[6]，天然氣管輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的難度增大。天然氣管輸系統(tǒng)的高能消耗及天然氣消耗等問(wèn)題[7]，成為制約天然氣發(fā)展的重要因素和亟需解決的問(wèn)題。為降低天然氣管輸能耗，就必須分析管輸能耗產(chǎn)生的原因，提出了針對(duì)性的節(jié)能降耗措施。

1 "天然氣管輸能耗分析

天然氣管道輸送產(chǎn)生的能耗包括間接和直接能耗[8]。間接能耗是由管道漏氣和氣體放空等原因產(chǎn)生的，可通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段避免發(fā)生；直接能耗是氣體輸送中管道、設(shè)備、壓縮機(jī)阻力產(chǎn)生的，可通過(guò)改進(jìn)工藝、采用新設(shè)備、新技術(shù)等技術(shù)手段降低，但不可避免。因此，要降低管輸能耗，就必須分析兩種能耗形式產(chǎn)生的原因，采取有效節(jié)能技術(shù)對(duì)管輸能耗加以控制[35]。

2 "降低輸氣管道直接能耗措施

2.1 "壓縮機(jī)組

壓縮機(jī)組主要應(yīng)用于壓氣站，是天然氣管輸系統(tǒng)必不可少的一項(xiàng)設(shè)備，為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，是壓氣站運(yùn)行的主要耗能裝置，其經(jīng)營(yíng)成本高，約占天然氣管輸系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本的40%～50%[28-29]。因此，對(duì)壓縮機(jī)組進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)管輸天然氣的節(jié)能降耗尤為重要。

2.1.1 "壓縮機(jī)組的選擇

天然氣管輸系統(tǒng)常用的壓縮機(jī)類型為往復(fù)式和離心式。兩類壓縮機(jī)的使用范圍不同，但各具優(yōu)勢(shì)。往復(fù)式壓縮機(jī)的壓縮效率較高，可提供更高壓力，但周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致能耗增多，適用于低排量、高壓比的工況，壓比通常為3∶1或4∶1；離心式壓縮機(jī)的壓縮效率相對(duì)較低，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，適用于大排量、低壓比工況。根據(jù)兩種壓縮機(jī)特點(diǎn)和輸氣工況，合理選擇壓縮機(jī)組?？紤]到管輸天然氣具有輸量大，運(yùn)行穩(wěn)定，不易損耗部件，管道維修頻率低等特點(diǎn)，宜選用離心式壓縮機(jī)[9]。

2.1.2 "優(yōu)化壓縮機(jī)運(yùn)

根據(jù)壓縮機(jī)特性可知，壓縮機(jī)組存在最佳工作工況。當(dāng)輸氣量波動(dòng)時(shí)，會(huì)破壞最佳工況，導(dǎo)致機(jī)組的工作效率大大降低和增加能耗。因此，可增加管道末端儲(chǔ)氣設(shè)備、儲(chǔ)氣能力、緩沖用戶等措施，有效調(diào)整輸氣管道供需平衡，保持輸氣系統(tǒng)的輸氣量穩(wěn)定，降低壓縮機(jī)的耗能[10]。

2.1.3 "合理選用壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式

對(duì)于天然氣管輸系統(tǒng)，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式選擇對(duì)管道運(yùn)行及管輸能耗影響較大[38]，主要有2種驅(qū)動(dòng)方式：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，受工況影響??；燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不受外界干擾，易于與壓縮機(jī)匹配，但熱效率較低，主要用于大排量壓縮機(jī)。因此，在電力充足地區(qū)優(yōu)先考慮電動(dòng)機(jī)；對(duì)于電力匱乏的邊遠(yuǎn)地區(qū)，則宜選用燃?xì)廨啓C(jī)[8]，但要選用效率高的機(jī)組。

燃?xì)鉁u輪機(jī)組的啟動(dòng)與停止會(huì)有大量天然氣放空。另外，天然氣的耗損量與系統(tǒng)的制造和運(yùn)行年限、機(jī)組效率、診斷水平有關(guān)系[10]。因此，要加強(qiáng)對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)組的檢查、定期保養(yǎng)，保障電源供應(yīng)，盡可能減少燃?xì)鉁u輪機(jī)組的啟停。

2.2 "降低輸氣管道摩阻損失

管道內(nèi)的摩擦阻力是天然氣長(zhǎng)輸管道產(chǎn)生能耗的主要原因。根據(jù)輸氣管道水力計(jì)算公式（1）可知，輸氣能耗大小取決于管道內(nèi)天然氣的溫度、流動(dòng)狀態(tài)及管道內(nèi)壁粗糙度。

（1）

式中： —工程標(biāo)況下（ ， ）的體積

流量，m3/d；

—輸氣計(jì)算管段的起點(diǎn)壓力，MPa；

—輸氣計(jì)算管段的終點(diǎn)壓力，MPa；

—輸氣管道內(nèi)徑，cm；

—水力摩阻系數(shù)；

—計(jì)算管段的天然氣在平均壓力和平均溫度下的壓縮因子；

—天然氣的相對(duì)密度；

—輸氣計(jì)算管段的平均輸氣溫度，K；

—輸氣計(jì)算管段的長(zhǎng)度，km。

2.2.1 "采用高壓輸氣

提高輸氣壓力會(huì)使管輸天然氣密度增加，降低天然氣的實(shí)際流速，減小天然氣與管壁的摩擦，進(jìn)而使沿程摩阻損失減少。另外，提高天然氣輸送壓力能使輸氣能耗降低，加大輸氣效率，是管輸天然氣節(jié)能降耗的重要途徑。因受輸氣壓縮機(jī)組能力和管材機(jī)械性能所限，輸氣工藝不會(huì)允許無(wú)限制的加大壓力與管徑來(lái)降低能耗[11-13]。

2.2.2 "降低輸氣溫度

在天然氣升壓過(guò)程中，由于壓縮機(jī)組對(duì)天然氣做功，導(dǎo)致天然氣溫度升高。根據(jù)輸氣管道水力計(jì)算公式（1）分析可知，在輸氣量和壓力一定時(shí)，溫度升高，輸氣系統(tǒng)能耗增加。根據(jù)離心式壓縮機(jī)軸功率計(jì)算公式（2）分析可知，在壓縮比和輸量一定時(shí)，天然氣溫度升高會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)組的耗功增加，效率降低。

（2）

式中： —離心式壓縮機(jī)軸功率，kW；

—壓縮機(jī)進(jìn)口氣體溫度，K；

—?dú)怏w常數(shù)；

—?dú)怏w平均壓縮因子；

—壓縮比；

—壓縮機(jī)效率；

—天然氣質(zhì)量流量，kg/s；

—天然氣多變指數(shù)。

因此，應(yīng)在壓縮機(jī)組的下游合理設(shè)置空冷器，實(shí)現(xiàn)常溫輸氣，達(dá)到節(jié)約能耗的目的[1]。但為防止溫度過(guò)低使天然氣水合物生成造成管道堵塞，不能盲目降低天然氣溫度。

2.2.3 "采用減阻內(nèi)涂層

由式（1）可知，管輸天然氣的水力摩阻系數(shù)增大，沿程摩阻損失增加，而管內(nèi)壁粗糙度是其主要影響因素。輸氣管道內(nèi)壁的減阻內(nèi)涂層，可減小管內(nèi)壁粗糙度，大幅降低摩阻系數(shù)，從而減小天然氣管輸過(guò)程的壓能損耗，進(jìn)而提高輸氣效率。此外，還可以有效的防止管道腐蝕，降低清管器清管和固體顆粒對(duì)管道造成的磨損[36-37]。檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，涂層可以使天然氣輸氣管道得輸氣量提高6%～10%，最高可達(dá)18%[37]。

從提高管道輸氣能力、壓氣站間距和輸氣能耗等方面，文獻(xiàn)[15]對(duì)內(nèi)涂技術(shù)用于商業(yè)管道進(jìn)行了詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)效益分析，指出采用內(nèi)涂技術(shù)可明顯提高管輸天然氣的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 "降低輸氣管道間接能耗措施

3.1 "預(yù)防天然氣泄漏措施

天然氣泄漏包括輸氣管道泄漏和輸氣設(shè)備泄漏。

輸氣管道泄漏的解決對(duì)策：①對(duì)有損壞的輸氣管道進(jìn)行檢修或者更換，并對(duì)管道進(jìn)行安全評(píng)估；②定期進(jìn)行檢查，并做好管道的陰極的保護(hù)和防腐涂層工作；③增加員工培訓(xùn)力度，提高員工操作水平，防止錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的管道的損壞；④在管道路線上建立標(biāo)志，加大管道路線上的巡查力度，防止人為損壞管道事故的發(fā)生；⑤使用高靈敏度的在線檢測(cè)系統(tǒng)加強(qiáng)管道的檢測(cè)，實(shí)時(shí)掌握管道運(yùn)行狀態(tài)，快速準(zhǔn)確檢測(cè)泄漏位置，并及時(shí)處理，恢復(fù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行狀態(tài)。

輸氣設(shè)備泄漏可采取定期檢查及時(shí)進(jìn)行更換等措施。

3.2 "天然氣放空

在管輸天然氣過(guò)程中，因壓縮機(jī)的啟停、管線施工、站場(chǎng)設(shè)備檢修以及緊急情況等原因，產(chǎn)生天然氣放空問(wèn)題[18]。在天然氣管道運(yùn)行過(guò)程中，合理安排管道施工作業(yè)方案和優(yōu)化壓縮機(jī)的啟停，具體措施如下：

1）在天然氣輸送管道上安裝截?cái)嚅y。每當(dāng)進(jìn)行維修或事故處理時(shí)，可通過(guò)截?cái)嚅y控制，降低天然氣的放空量。

2）配備移動(dòng)式車載壓縮機(jī)組。在輸氣管段天然氣放空時(shí)，將移動(dòng)式壓縮機(jī)組接入線路閥門(mén)旁通管線處設(shè)置預(yù)留閥門(mén)，使放空天然氣轉(zhuǎn)為相鄰的管道運(yùn)輸，保證長(zhǎng)輸系統(tǒng)的密閉性[19]。

3）在清管作業(yè)時(shí)，必須保持管路密封，正常輸氣，避免管道內(nèi)天然氣放空。

由于各種原因在操作過(guò)程中的天然氣管道，對(duì)壓縮機(jī)的排氣的要求，如啟動(dòng)和停止的通風(fēng)口，通風(fēng)管道施工，維修站設(shè)備和緊急通風(fēng)口等。在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，要使放空次數(shù)與放空量減少，必須要通過(guò)管道施工的方案和壓縮機(jī)的啟動(dòng)與優(yōu)化來(lái)[20]。

4 "天然氣管輸優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行

將SCADA系統(tǒng)應(yīng)用于天然氣管輸系統(tǒng)，對(duì)管輸系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的采集與管理[17]，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)能耗的實(shí)時(shí)有效檢測(cè)，以及對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)及時(shí)調(diào)整，進(jìn)而有效降低系統(tǒng)的能耗[25]。針對(duì)輸氣規(guī)模大、運(yùn)行復(fù)雜的天然氣管網(wǎng)，有效優(yōu)化其運(yùn)行參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)天然氣管輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大[27]?；谔烊粴夤芫W(wǎng)仿真技術(shù)，對(duì)天然氣管輸系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行仿真優(yōu)化，可大大提高輸送效率，降低輸氣能耗，并能形成運(yùn)行決策方案[26]?；诖髷?shù)據(jù)分析方法，深度挖掘天然氣管輸系統(tǒng)運(yùn)行與管理積累的大量數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的有價(jià)值信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管輸系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)、安全預(yù)警、調(diào)度評(píng)估與優(yōu)化以及設(shè)備性能監(jiān)視與回歸等作用[30]。為應(yīng)對(duì)天然氣管網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大對(duì)管網(wǎng)調(diào)度、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面提出的更高要求，將大數(shù)據(jù)分析、天然氣管輸系統(tǒng)仿真、人工智能等新興技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)智能管道建設(shè)成為天然氣管輸系統(tǒng)發(fā)展的重要方向[31-34]。及時(shí)精準(zhǔn)分析和預(yù)測(cè)管輸系統(tǒng)氣源、管道、設(shè)備及用戶的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化管輸系統(tǒng)運(yùn)行并給出決策方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管網(wǎng)的高效管理和合理調(diào)度，從而確保天然氣管輸系統(tǒng)處于高效安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能降耗目的。

5 "其他節(jié)能降耗措施

5.1 "余熱利用

壓縮機(jī)組的余熱回收是重要的節(jié)能措施。對(duì)于燃?xì)鈮嚎s機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)高溫?zé)煔獾挠酂?，不僅可通過(guò)余熱鍋爐生產(chǎn)熱水或蒸汽，滿足站場(chǎng)采暖、生活熱水和空調(diào)制冷等生產(chǎn)和生活需求，但回收的熱能僅為燃?xì)廨啓C(jī)余熱的1%，此外，還可用于發(fā)電。

壓縮機(jī)出口天然氣溫度很高，可達(dá)100 ℃以上，可采用余熱回收技術(shù)回收熱量，用于職工生活用熱水和采暖等，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可得，節(jié)能效果良好[14]。

5.2 "壓能回收利用

目前，長(zhǎng)輸管道天然氣輸送大多采用高壓輸送，須經(jīng)調(diào)壓后，再進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，調(diào)壓方式一般為調(diào)壓閥降壓，導(dǎo)致該過(guò)程產(chǎn)生的壓能損失不能回收利用[21-22]。實(shí)際上，天然氣調(diào)壓過(guò)程產(chǎn)生的壓能損失巨大，以高壓天然氣由4.0 MPa降為0.4 MPa為例，可回收的最大壓力能約為322 kJ/kg，以120×108 m3/a的輸氣量計(jì)算，每年管網(wǎng)可回收的最大壓力能約為3.5×1012kJ[23]，因此天然氣長(zhǎng)輸管道的壓能回收具有很大的潛力。回收的天然氣管網(wǎng)壓能常用于發(fā)電和制冷，有效減少了壓力能損失，實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用。陜京線實(shí)踐證明[24]，分輸站場(chǎng)差壓發(fā)電在一定程度上可以滿足輔助設(shè)施的用電需求，降低系統(tǒng)整體能耗。

5.3 "應(yīng)用新能源

在天然氣長(zhǎng)輸管道經(jīng)過(guò)的地區(qū)，風(fēng)能、太陽(yáng)能和地?zé)崮茌^為豐富，且較易獲取，將其用于發(fā)電，供給輸氣相關(guān)設(shè)備使用，可大大降低電能消耗，同時(shí)還能夠減少發(fā)電設(shè)備的維護(hù)數(shù)量和大大降低維護(hù)成本。因此，要加強(qiáng)新能源的合理利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

6 "輸氣管道節(jié)能建議

天然氣管道輸送的節(jié)能降耗要以降低直接能耗、避免間接能耗、管輸系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、余能回收和新能源利用為著力點(diǎn)。

1）合理選擇壓縮機(jī)組及其驅(qū)動(dòng)方式，優(yōu)化壓縮機(jī)組運(yùn)行方案，并做好定期維護(hù)保養(yǎng)，降低壓縮機(jī)組能耗；

2）采用高壓輸氣、降低輸氣溫度、管內(nèi)壁涂減阻內(nèi)涂層、合理的設(shè)備和管道路由等措施降低輸氣管道摩阻損失；

3）通過(guò)采用新技術(shù)、新工藝以及定期檢維修等手段，減少天然氣放空和泄漏事故，盡量避免間接損耗；

4）融合大數(shù)據(jù)分析、天然氣管網(wǎng)仿真、人工智能等技術(shù)，做好管輸系統(tǒng)分析預(yù)測(cè)，優(yōu)化運(yùn)行及決策方案；

5）回收輸氣過(guò)程的余能（如燃?xì)鈮嚎s機(jī)組的余熱和壓力能）和利用新能源，提高能源利用率，減少能源浪費(fèi)。

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Discussion on Energy Saving and Consumption

Reduction of Natural Gas Transmission by Pipeline

ZHAI Ke-ping

（Hebei Petroleum University of Technology， Chengde Hebei 067000， China）

Abstract： "Pipeline transportation is an important transportation method for natural gas transportation. Energy saving and consumption reduction are urgent problems to be solved in natural gas pipeline transportation. The energy consumption of natural gas pipeline transportation system and equipment was analyzed from the two aspects of direct energy consumption and indirect energy consumption， the measures for energy saving and consumption reduction of natural gas pipeline transportation were summarized as follows： ① In order to reduce the energy consumption of the compressor unit， the compressor unit and its driving mode should be reasonably selected， the operating conditions of the compressor unit should be optimized， and regular maintenance should be carried out; ② Measures such as high-pressure gas transmission， lowering the gas transmission temperature， coating the inner wall of the pipe with a drag-reducing inner coating， and reasonable equipment and pipeline routing should be used to reduce the friction loss of the gas transmission pipeline; ③Measures to prevent the gas leakage of natural gas pipelines and reduce natural gas venting should be taken to decrease indirect energy consumption; ④Integrate technologies such as big data analysis， natural gas pipeline network simulation， artificial intelligence should be used to analyze and predict the pipeline transportation system， and propose optimal operation and decision-making plans; ⑤waste heat and waste pressure should be recycled and new energy should be used to improve energy utilization. The above measures to reduce energy consumption have important reference significance for energy conservation， consumption reduction and operation cost reduction of natural gas pipeline transportation.

Key words： "Pipeline natural gas; Energy saving and consumption reduction; Indirect energy consumption; Direct energy consumption; Friction loss; Optimal operation