“雙碳”背景下輸氣管道的高效管理與安全運(yùn)行

相澤厚， 高勝寒

(1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、地?zé)崮?、潮汐能等各種低碳能源相繼成為能源產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[1-2]。加快對(duì)重工業(yè)企業(yè)的綠色低碳改造，一方面是限制部分高耗能高碳排放量的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促使傳統(tǒng)高耗能的重工業(yè)向高端制造業(yè)及高技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展[3]；另一方面則是以科技創(chuàng)新推動(dòng)智能化進(jìn)程，尤其在傳統(tǒng)能源行業(yè)中，推進(jìn)石油與天然氣鉆采與運(yùn)輸一體化[4]，改進(jìn)石油煉化工藝流程[5]，建設(shè)數(shù)字化管道和實(shí)施管理運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)[6-8]等，從而提升傳統(tǒng)能源利用效率，大幅度減少基礎(chǔ)工藝或輸油輸氣過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。

對(duì)于油氣行業(yè)來(lái)說(shuō)，天然氣作為一種低碳化石能源，在中國(guó)能源系統(tǒng)中具有特殊的地位和意義，天然氣輸氣管道的建設(shè)與管理在“碳達(dá)峰、碳中和”的進(jìn)程中不可或缺[9-12]。輸氣管道是天然氣運(yùn)輸?shù)闹匾溃S著居民天然氣消費(fèi)量的不斷增長(zhǎng)，如何解決輸氣管道運(yùn)行管理過(guò)程中的各種問(wèn)題，推動(dòng)管道低碳條件下的安全運(yùn)行[13-14]；如何落實(shí)管道管理責(zé)任，有效管控管道風(fēng)險(xiǎn)，持續(xù)優(yōu)化管道低碳安全運(yùn)行等工作顯得尤為重要。

隨著管道工程技術(shù)的不斷發(fā)展，輸氣管道的建設(shè)與管理均呈現(xiàn)出逐漸智能化和系統(tǒng)化的趨勢(shì)，逐漸明確影響輸氣管道低碳化運(yùn)行機(jī)制與管理過(guò)程的外部影響因素。尤其在管道腐蝕防護(hù)管理、減少輸氣管道中天然氣的損耗、智能化監(jiān)測(cè)與管理以及排除外部工程因素等保障管道完整性方面，都對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著重要作用。

1 低碳化輸氣管道運(yùn)行機(jī)制

保障天然氣供應(yīng)是每個(gè)運(yùn)行企業(yè)面臨的難題，我國(guó)始終存在冬季用氣緊張、夏季氣源過(guò)剩矛盾，為了解決季節(jié)用氣調(diào)峰、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，國(guó)家通過(guò)建設(shè)互聯(lián)互通管道將國(guó)內(nèi)的輸氣主干管道連接成管網(wǎng)，互為備用，根據(jù)地區(qū)和用戶用氣量實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)整[15-17]。通過(guò)加大儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)，將供氣源多余的天然氣儲(chǔ)存起來(lái)，上游來(lái)氣緊張時(shí)將儲(chǔ)存的氣體釋放出來(lái)，緩解管網(wǎng)的壓力，進(jìn)行整體調(diào)控[18-19]。在管網(wǎng)運(yùn)行管理過(guò)程中，注重管道防腐措施、設(shè)置監(jiān)測(cè)裝置、明確高后果區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、定期開(kāi)展管道清管作業(yè)及管道內(nèi)部檢測(cè)，均能降低輸氣過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生概率，避免環(huán)境污染的同時(shí)減少輸送環(huán)節(jié)的能耗，推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

1.1 管道防腐措施

天然氣管道在鋪設(shè)過(guò)程中往往會(huì)經(jīng)過(guò)不同地區(qū)，其穿越環(huán)境與氣候變化較大，暴露在空氣中的管道的管壁容易遭受雨水的侵蝕，而長(zhǎng)期埋藏于地下的輸氣管道則會(huì)受到土壤和地下水的腐蝕[20-21]。因此，管道防腐工作是保證天然氣安全運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵，完整的管道腐蝕防護(hù)管理機(jī)制能夠減少輸氣過(guò)程中的天然氣損失，減少氣體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)及降低事故的發(fā)生概率，對(duì)提高環(huán)境污染防治具有重要意義。

輸氣管道通常采用防腐層和陰極保護(hù)聯(lián)合的防腐蝕措施，管道內(nèi)壁涂刷防腐涂層，管道外壁則采用3PE防腐層防護(hù)。陰極保護(hù)的防腐措施，一般選用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極保護(hù)兩種措施。管道防腐的日常管理運(yùn)行過(guò)程中，需要進(jìn)行保護(hù)電位的測(cè)試，電位測(cè)試樁與通電點(diǎn)處的通電電位每月進(jìn)行一次測(cè)試，斷點(diǎn)電位每年進(jìn)行一次測(cè)試，同時(shí)對(duì)恒電位儀等電源設(shè)備、測(cè)試樁、均壓線連接點(diǎn)等定期進(jìn)行維護(hù)。天然氣在管道內(nèi)輸送的過(guò)程中，會(huì)受到雜質(zhì)影響，在一定的溫度條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成不同形態(tài)的其他物質(zhì)，并與天然氣管道內(nèi)壁發(fā)生摩擦，加快管道的損壞，因此還需要定期對(duì)天然氣管道內(nèi)的化學(xué)成分進(jìn)行分析化驗(yàn)，從而盡量減少發(fā)生腐蝕的情況。

1.2 監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)置

設(shè)置監(jiān)測(cè)裝置，能夠?qū)μ烊粴夤芫€泄漏進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏風(fēng)險(xiǎn)，在延長(zhǎng)管線使用壽命的同時(shí)，降低環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)并減少經(jīng)濟(jì)損失。為了減少輸氣過(guò)程中的損失、維護(hù)管道的正常運(yùn)行、提高監(jiān)測(cè)裝置的敏感性與運(yùn)行的正常，必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)裝置的日常維護(hù)與檢修。泄漏監(jiān)測(cè)的常用方法有負(fù)壓波、聲波、光纖傳感器檢測(cè)及地面間接法等[22]。

近年來(lái)，為了對(duì)輸氣管道內(nèi)的各種參數(shù)進(jìn)行采集和定量化分析，SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)控測(cè)試、ESD功能測(cè)試等數(shù)字化系統(tǒng)不斷升級(jí)?；谟?jì)算機(jī)、通訊和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，能夠高效地實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的壓力與流量調(diào)節(jié)、天然氣計(jì)量、閥門開(kāi)關(guān)、自動(dòng)報(bào)警與保護(hù)、數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)戎T多功能。及時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與調(diào)控，可以保證輸氣管道的安全運(yùn)行與生產(chǎn)，提高了長(zhǎng)輸管線天然氣的輸送效率，為清潔能源的輸送提供更高效更安全的保障。

1.3 高后果區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

高后果區(qū)指管道發(fā)生泄漏后會(huì)嚴(yán)重危害公共安全或?qū)Νh(huán)境造成較大破壞的區(qū)域[23-25]。由于高后果區(qū)內(nèi)人員密集或處于國(guó)家水源保護(hù)區(qū)等地，使得其發(fā)生事故后的人員傷亡、環(huán)境損失和經(jīng)濟(jì)損失都十分嚴(yán)重。因此，進(jìn)行高后果區(qū)輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施和管理手段，是保障管道安全運(yùn)行的重點(diǎn)。在役管道及周邊環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行修改，對(duì)高后果區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害敏感管段，應(yīng)加強(qiáng)人工巡護(hù)與數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)，并對(duì)可能存在的管道腐蝕、氣體泄漏、管道壓力過(guò)高等各類突發(fā)情況進(jìn)行及時(shí)處理，及時(shí)修訂環(huán)境污染防治的應(yīng)急預(yù)案。

1.4 定期開(kāi)展管道清管作業(yè)

管道清管作業(yè)的主要目的是確保輸氣管道的安全運(yùn)行，防止出現(xiàn)管道堵塞或管道內(nèi)部壓力過(guò)大等問(wèn)題，保證輸氣管道的通暢和安全[26]。通過(guò)定期的管道清管作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣的高效輸送和管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行，從而減少輸氣管道中天然氣的損耗，同時(shí)減少殘留在管道中的硫化鐵粉，避免安全事故的發(fā)生以及對(duì)環(huán)境污染的危害。清管作業(yè)采用管輸效率與最長(zhǎng)周期原則，采用潘漢德公式進(jìn)行計(jì)算，一般而言對(duì)于公稱通徑在500 mm以下且管輸效率小于90%以及公稱通徑在500 mm以上且管輸效率小于95%的管道，應(yīng)當(dāng)安排清管作業(yè)；輸氣管道清管周期原則上為3個(gè)月，對(duì)氣質(zhì)控制較好且連續(xù)兩次以上清理后雜質(zhì)小于10 kg的管道，可以經(jīng)由管理部門審查后暫緩清理。優(yōu)先選擇機(jī)械清管器或高密度泡沫清管器并安裝相應(yīng)的定位跟蹤器，在清管過(guò)程中采用濕式作業(yè)以避免管道中的硫化鐵粉自燃，清出的雜質(zhì)送到相應(yīng)的地點(diǎn)進(jìn)行合理的分解處理，避免對(duì)環(huán)境的二次污染。

1.5 管道內(nèi)部定期檢測(cè)

由于管道長(zhǎng)期運(yùn)行，以及外部應(yīng)力變化、管道內(nèi)涂層的腐蝕，管道外觀及管道內(nèi)部原有的缺陷會(huì)發(fā)生變化。智能檢測(cè)技術(shù)包含核心標(biāo)準(zhǔn)幾何檢測(cè)(EGP)和高分辨率漏磁檢測(cè)(CDP)。其中EGP用于探測(cè)和測(cè)量管線幾何變形(內(nèi)徑變化)、橢圓變形和其他管道設(shè)施的尺寸和位置，為CDP提供通球速度、溫度等詳細(xì)的參數(shù)。CDP屬于高分辨率MFL檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備能準(zhǔn)確測(cè)量管道內(nèi)壁的異常點(diǎn)，可高效檢測(cè)出管道的腐蝕、凹坑、鑿槽、焊縫外觀、金屬缺失等缺陷。智能檢測(cè)可準(zhǔn)確測(cè)量管線的變形點(diǎn)、腐蝕情況，精準(zhǔn)描述出管道的現(xiàn)狀，為正確判斷管道運(yùn)行狀況采取相應(yīng)的措施提供技術(shù)保障。

2 管道低碳化管理的外部影響及措施

2.1 加強(qiáng)管道運(yùn)行管理

輸氣管道的運(yùn)行管理包括工作計(jì)劃管理、人員管理、腐蝕防護(hù)管理、完整性檢測(cè)評(píng)價(jià)管理、檢修與維修管理、安全及應(yīng)急處理等多方面。為實(shí)現(xiàn)管道安全平穩(wěn)運(yùn)行，根據(jù)企業(yè)規(guī)定制定基本的細(xì)則，同時(shí)對(duì)輸氣管道的巡護(hù)，按照各公司輸氣管道巡護(hù)管理辦法執(zhí)行。管道低碳化的管理與運(yùn)行遵循“統(tǒng)一管理、分級(jí)負(fù)責(zé)、業(yè)務(wù)主導(dǎo)、協(xié)同配合”的原則，充分利用現(xiàn)有的數(shù)字化技術(shù)、系統(tǒng)化的管理流程以及HSE管理等方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管道管理的高效技術(shù)手段，保證生產(chǎn)的低碳安全運(yùn)行。

對(duì)輸氣管道歸口管理部門，需要明確機(jī)構(gòu)職責(zé)，貫徹執(zhí)行行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)各種規(guī)章制度進(jìn)行完善與修訂，因地制宜地根據(jù)地區(qū)特性提出相應(yīng)的管道管理辦法，內(nèi)部各單位統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，厘清責(zé)任，建立完善的考核制度。同時(shí)與各大研究院所保持聯(lián)系，推進(jìn)輸氣工藝與自動(dòng)化控制的研究、管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行與管道規(guī)劃研究等，做好跟蹤評(píng)價(jià)，落實(shí)輸氣管網(wǎng)的智能化研究工作。以科研成果為基礎(chǔ)，結(jié)合一線生產(chǎn)，共同推動(dòng)輸氣管網(wǎng)的低碳化運(yùn)行。

2.2 排除管道外部工程隱患

當(dāng)出現(xiàn)影響管道正常運(yùn)行的第三方工程施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格監(jiān)管并避免其在輸氣管線中發(fā)生破壞事件，第三方應(yīng)按照《中華人民共和國(guó)石油天然氣管道保護(hù)法》規(guī)定的“后建服從先建”的原則，遷改或施工過(guò)程中造成的影響及損失均由后建方單位承擔(dān)。第三方單位在施工前，首先必須提供承接工程相適應(yīng)的資質(zhì)及工作計(jì)劃安排，施工過(guò)程中做好現(xiàn)場(chǎng)警示標(biāo)志、加密巡檢，確保管道安全運(yùn)行。

在天然氣管道兩側(cè)5 m范圍內(nèi)的建筑物、輸送介質(zhì)中硫化氫含量在75 g/m3及以上的高含硫天然氣管道兩側(cè)20 m范圍內(nèi)的建筑物以及輸氣管道兩側(cè)50 m范圍內(nèi)的大型建筑物，均為不安全的建筑物。對(duì)該類在管道建成后重新修建的違章建筑，采用改線或拆除兩種模式，第一時(shí)間確定施工方人員信息，現(xiàn)場(chǎng)加密設(shè)置安全警示標(biāo)志，對(duì)施工作業(yè)人員進(jìn)行管道安全保護(hù)的宣傳，以保證輸氣管道的正常使用，避免因施工開(kāi)挖管道受損導(dǎo)致天然氣泄漏而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染與人員財(cái)產(chǎn)的損失。因此，對(duì)外部隱患的排查工作，需要切實(shí)落實(shí)到每一條管段，加強(qiáng)巡查制度，對(duì)管道附近的居民及施工人員做好管道安全保護(hù)的宣傳工作。

2.3 建設(shè)智能化管理系統(tǒng)

智能化輸氣管道管理系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)、智能化傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化控制與決策系統(tǒng)等組成。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)是輸氣管道系統(tǒng)的中心控制平臺(tái)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)管道運(yùn)行狀態(tài)、管道安全性以及對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事故的快速響應(yīng)；智能化傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道數(shù)據(jù)，包括輸氣管道的溫度、壓力和流量等參數(shù)，以便操作和維護(hù)人員能夠?qū)崟r(shí)獲取管道當(dāng)前的狀態(tài)；智能化控制與決策系統(tǒng)能對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，基于大數(shù)據(jù)分析、模型預(yù)測(cè)等，提取對(duì)管道運(yùn)行控制相關(guān)性較高的參數(shù)，為后續(xù)的管理和人工調(diào)節(jié)提供智能化的決策體系。采用智能化管理系統(tǒng)能夠大幅提高管道運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

智能化的輸氣管道管理系統(tǒng)可以提高管道運(yùn)行的效率和避免天然氣輸送過(guò)程中的損耗，智能化傳感器和數(shù)據(jù)采集能夠收集和分析管道中氣體的成分和質(zhì)量數(shù)據(jù)，從而降低輸送過(guò)程中其他雜質(zhì)成分的含量，與節(jié)能減排的目標(biāo)相匹配；通過(guò)建立穩(wěn)定的氣流狀態(tài)，可以避免管道運(yùn)行中的流動(dòng)不暢和流量波動(dòng)，降低能源消耗和碳排放。同時(shí)，智能化的輸氣管道管理系統(tǒng)在維護(hù)管理上，能精準(zhǔn)找到需要維護(hù)的管段，減少了人力成本與時(shí)間成本，能最大程度地提高管道維護(hù)過(guò)程中的安全性。通過(guò)推進(jìn)智能化的應(yīng)用，能夠在管道運(yùn)輸中提高效率、降低排放、提升運(yùn)行效果，使得管道運(yùn)輸更加節(jié)能環(huán)保，在雙碳目標(biāo)中起到了重要的推動(dòng)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，可以通過(guò)采用先進(jìn)的管道防腐技術(shù)并定期進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)、配置完整的管道檢測(cè)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道運(yùn)行異常情況、制定高后果區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方案和應(yīng)急預(yù)案、定期開(kāi)展管道清管作業(yè)保證天然氣的正常輸送，逐步實(shí)現(xiàn)輸氣管道智能化、系統(tǒng)化管理。加強(qiáng)管道運(yùn)行管理、排除管道外部破壞隱患是實(shí)現(xiàn)管道低碳化管理的重要措施，結(jié)合智能化管道管理系統(tǒng)的建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸氣管道的智能化運(yùn)行、管理和監(jiān)控，從而提高管道運(yùn)行效率和生產(chǎn)效益，更好地為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供支撐。