張 威 姚 莉 段言志 何潤(rùn)民

1．中國(guó)石油西南油氣田公司生產(chǎn)運(yùn)行處 2．中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣經(jīng)濟(jì)研究所

天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量指天然氣管道在報(bào)告期內(nèi)輸送的天然氣量與輸送距離乘積的累計(jì)數(shù)。它是反映管道運(yùn)輸業(yè)生產(chǎn)總成果的重要指標(biāo)，也是編制和檢查天然氣管輸調(diào)度計(jì)劃，計(jì)算管輸效率、核算管輸單位現(xiàn)金成本的主要基礎(chǔ)資料［1－2］。

1 復(fù)雜天然氣管網(wǎng)的特點(diǎn)及周轉(zhuǎn)量測(cè)算存在的問題

1．1 復(fù)雜天然氣管網(wǎng)的特點(diǎn)

復(fù)雜天然氣管網(wǎng)是指由枝狀管網(wǎng)和環(huán)形管網(wǎng)交錯(cuò)結(jié)合在一起的管網(wǎng)系統(tǒng)。這種管網(wǎng)系統(tǒng)具有進(jìn)出氣點(diǎn)多、管線壓力等級(jí)復(fù)雜、天然氣輸配調(diào)度靈活、調(diào)峰方式多樣等特點(diǎn)。以川渝天然氣管網(wǎng)為例，該管網(wǎng)是國(guó)內(nèi)最復(fù)雜的區(qū)域性管網(wǎng)，目前基本形成“兩橫兩縱”及“高低壓分輸”的格局，現(xiàn)已建成集輸氣管道總長(zhǎng)度約1．8×104km，年輸送能力250×108m3左右，天然氣凈化能力150×108m3，肩負(fù)著向四川、重慶、云南、貴州4省市供氣的輸送任務(wù)［3］。其主要特點(diǎn)如下。

1．1．1 管網(wǎng)進(jìn)出氣點(diǎn)、分輸點(diǎn)、管線、輸配氣場(chǎng)站數(shù)量眾多

隨著主力氣源的東移和大力發(fā)展西部用戶，氣源由各氣礦的區(qū)域管網(wǎng)輸入，且遠(yuǎn)離消費(fèi)中心，管道沿線用戶需要從環(huán)網(wǎng)上分輸天然氣，整個(gè)環(huán)形管網(wǎng)沿線共有20多個(gè)進(jìn)氣點(diǎn)，80多個(gè)輸出點(diǎn)，10多個(gè)倒輸氣點(diǎn)，輸配氣站場(chǎng)100多座。

1．1．2 管網(wǎng)調(diào)度靈活，輸配任務(wù)繁重

川渝氣田主產(chǎn)區(qū)距離天然氣消費(fèi)中心較遠(yuǎn)，天然氣輸送呈東氣南送西調(diào)的格局，天然氣調(diào)配主要靠環(huán)行管網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，部分管線必要時(shí)還要進(jìn)行倒輸［4］。四川盆地用氣需求主要集中在盆地西部的成都、樂山等地區(qū)，管網(wǎng)輸送距離較長(zhǎng)，輸送壓損較大，管道運(yùn)行負(fù)荷不均衡［5］。

1．1．3 管徑規(guī)格、壓力等級(jí)差異較大

從壓力最高的臥兩線、石渡線6．3MPa，到壓力最低的主干線成德線1．6MPa，支線最低的犍南線0．8 MPa，共有7個(gè)壓力等級(jí)。最常見的為4MPa。管徑規(guī)格包括108～813mm共17種。

1．1．4 輸氣管網(wǎng)沿線無(wú)增壓站，管輸能耗小，人工成本高

川渝環(huán)形管網(wǎng)極少使用增壓機(jī)等高能耗設(shè)備，增壓主要在勘探開發(fā)階段，除單井排水采氣工藝措施是用于氣田生產(chǎn)外，大部分增壓站都是通過增壓機(jī)對(duì)井口進(jìn)行增壓，以實(shí)現(xiàn)集輸管線增壓輸送至環(huán)形管網(wǎng)。因此，管輸能耗較小，但所在管線跨越地區(qū)多為山區(qū)和丘陵地帶，沿線地形復(fù)雜人口稠密，管網(wǎng)維護(hù)管理難度大，管線人員成本高［6－7］。

1．2 周轉(zhuǎn)量的一般計(jì)算方法

按照周轉(zhuǎn)量的定義，天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量應(yīng)由管道輸送的天然氣量（Q）乘以天然氣輸送距離（L）確定，與運(yùn)輸行業(yè)周轉(zhuǎn)量的計(jì)算方法一致［8］。目前，大部分管輸企業(yè)采用周轉(zhuǎn)量計(jì)算軟件自動(dòng)計(jì)算管輸周轉(zhuǎn)量。其中，管輸量由SCADA系統(tǒng)自動(dòng)采集，管道長(zhǎng)度由系統(tǒng)預(yù)先輸入。

1．3 復(fù)雜管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量測(cè)算存在的問題

復(fù)雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量測(cè)算存在天然氣氣體流向復(fù)雜、進(jìn)出氣量變化大、計(jì)算周期難以確定等問題［9］。以川渝天然氣復(fù)雜管網(wǎng)為例進(jìn)行說明。

1．3．1 氣質(zhì)流向十分復(fù)雜

目前川渝管網(wǎng)內(nèi)氣體流向北干線自東向西，南干線自東向南，但環(huán)形管網(wǎng)由于存在返輸情況，某管段的氣質(zhì)流向會(huì)發(fā)生變化，相應(yīng)的進(jìn)氣點(diǎn)和出氣點(diǎn)的氣量也發(fā)生變化，計(jì)算周期內(nèi)的周轉(zhuǎn)量也就發(fā)生了變化。而周轉(zhuǎn)量計(jì)算系統(tǒng)要求要有固定的管段起始端，川渝環(huán)形管網(wǎng)內(nèi)氣質(zhì)流向的不確定也是影響周轉(zhuǎn)量測(cè)算的一個(gè)問題。

1．3．2 原始數(shù)據(jù)采集不實(shí)時(shí)

川渝管網(wǎng)由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，受歷史條件和科學(xué)技術(shù)水平等諸多因素的制約，信息化程度不高，長(zhǎng)久以來(lái)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和采集基本靠人工記錄和錄入上報(bào)，近幾年開始推廣SCADA系統(tǒng)可以實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控采集數(shù)據(jù)，但未能實(shí)現(xiàn)對(duì)每條管線和節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，部分老管線仍需要人工完成數(shù)據(jù)采集，使周轉(zhuǎn)量計(jì)算可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不具備足夠準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的問題［10］。

1．3．3 計(jì)算周期難確定

川渝地區(qū)天然氣由于供應(yīng)范圍大，環(huán)形管網(wǎng)的進(jìn)氣點(diǎn)和出氣點(diǎn)多，雖然從大的供氣流向基本確定，但由于管道檢修、用戶氣量改變等多種原因經(jīng)常出現(xiàn)某管道返輸現(xiàn)象，且這種不確定的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不利于計(jì)算周轉(zhuǎn)量時(shí)確定最小的計(jì)算周期。

2 復(fù)雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計(jì)算模型

2．1 枝狀管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計(jì)算模型

對(duì)一般枝狀管線，場(chǎng)站與管道的連接形態(tài)可用圖1的結(jié)構(gòu)來(lái)表示。其中，1～9表示各個(gè)場(chǎng)站。枝狀管線的氣體流動(dòng)方向是確定的，圖1中箭頭方向表示氣流方向。

圖1 枝狀管網(wǎng)物理模型圖

采用“細(xì)分”和“微元”的原理和方法，將整個(gè)管線系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量視為局部周轉(zhuǎn)量之和，將場(chǎng)站到場(chǎng)站作為一個(gè)計(jì)算區(qū)間進(jìn)行測(cè)算，再累加求和。例如對(duì)圖2的系統(tǒng)，假設(shè)場(chǎng)站1到場(chǎng)站2氣量為Q12，距離為L(zhǎng)12，場(chǎng)站2到場(chǎng)站3氣量為Q23，距離為L(zhǎng)23，場(chǎng)站2到場(chǎng)站4氣量為Q24，距離為L(zhǎng)24。根據(jù)質(zhì)量守恒，有

圖2 枝狀管網(wǎng)局部模型圖

按照定義，系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量為：

可見，系統(tǒng)管輸周轉(zhuǎn)量可視為場(chǎng)站間周轉(zhuǎn)量的累加，即場(chǎng)站間距離和場(chǎng)站間輸送氣量乘積的累加［11］。

類似地，對(duì)圖1所示的系統(tǒng)，將某時(shí)間段內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量記為M，有如下公式：

因此，一般枝狀管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計(jì)算模型為：

式中Qij表示某時(shí)間段內(nèi)場(chǎng)站i與場(chǎng)站j間輸送的天然氣量；Lij表示場(chǎng)站i與場(chǎng)站j之間的管道距離，均為標(biāo)量。

2．2 環(huán)形管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計(jì)算模型

環(huán)形管網(wǎng)與枝狀管線的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)閉合的環(huán)，環(huán)上的每一點(diǎn)既能是起點(diǎn)也能是終點(diǎn)。在這種情況下，氣流的方向變得不確定。根據(jù)氣體流動(dòng)特性，天然氣總是從高氣壓方向向低氣壓方向流動(dòng)。以圖3的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)場(chǎng)站1的氣壓高于場(chǎng)站8的氣壓時(shí)，天然氣從1流向8，當(dāng)場(chǎng)站8氣壓高于場(chǎng)站7氣壓時(shí)，天然氣進(jìn)一步流向場(chǎng)站7，反之亦然。

圖3 環(huán)形管網(wǎng)物理模型圖

計(jì)算方法：將“微元”思想推廣到環(huán)形管網(wǎng)中。將環(huán)形管網(wǎng)中每個(gè)場(chǎng)站間的周轉(zhuǎn)量計(jì)算后，累加可以得到整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量。

對(duì)圖3的環(huán)形管網(wǎng)，將某時(shí)間段內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量記為M，有如下公式：

環(huán)形管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計(jì)算模型為：

2．3 復(fù)雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計(jì)算模型

2．3．1 設(shè)計(jì)思路

復(fù)雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量的計(jì)算采用“微元法”原理和方法，將管網(wǎng)按照管理層級(jí)層層分解。以川渝復(fù)雜管網(wǎng)為例，將管網(wǎng)按照公司、礦區(qū)（處）、作業(yè)區(qū)層層分解，對(duì)作業(yè)區(qū)的管道再按管線細(xì)分到每一管段，通過正算、反算、混合計(jì)算等方法分別計(jì)算每一管段的流量，再輸入每一管段的距離，可以分別測(cè)算每一管段的周轉(zhuǎn)量，將作業(yè)區(qū)每一管段的周轉(zhuǎn)量加總即得各個(gè)作業(yè)區(qū)總的管道周轉(zhuǎn)量；再將每一礦區(qū)各作業(yè)區(qū)的周轉(zhuǎn)量加總，即得到礦區(qū)（處）總的周轉(zhuǎn)量；最后將各礦區(qū)（處）的周轉(zhuǎn)量加總，即得到公司的總周轉(zhuǎn)量。

因此，川渝天然氣復(fù)雜管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計(jì)算模型可用下式表示：

式中Qkzgi表示公司k礦區(qū)（處）所屬z作業(yè)區(qū)g管線i管段輸氣量，108m3／a；Lkzgi表示公司k礦區(qū)（處）所屬z作業(yè)區(qū)g管線i管段的長(zhǎng)度，km；i表示某管線的管段數(shù)量；g表示某作業(yè)區(qū)管線數(shù)量；z表示某礦區(qū)（處）作業(yè)區(qū)數(shù)量；k表示公司礦區(qū)（處）數(shù)量。

采用統(tǒng)計(jì)方法分別統(tǒng)計(jì)每一礦區(qū)（處）每一作業(yè)區(qū)每條管線每一管段的輸氣量和管段長(zhǎng)度，即運(yùn)用上述模型直接計(jì)算出分公司天然氣管網(wǎng)的總周轉(zhuǎn)量。

2．3．2Q取值

川渝管網(wǎng)對(duì)場(chǎng)站輸送天然氣量的取值有兩種方式。對(duì)一部分采用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的管線，采取自動(dòng)采集的方式。利用該系統(tǒng)可以對(duì)天然氣管輸量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，每3～5s為一個(gè)周期進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。對(duì)另一部分尚未應(yīng)用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的管線，采用人工錄入的方式。人工錄入是按日的周期進(jìn)行上報(bào)。

2．3．3L取值

由于除了管道運(yùn)營(yíng)最初期或管道維護(hù)修理期間外，天然氣管輸均具有連續(xù)性的特點(diǎn)。因此，可以把系統(tǒng)對(duì)某部分天然氣的運(yùn)輸距離取為管道長(zhǎng)度以簡(jiǎn)化計(jì)算，將L定義為天然氣管道的長(zhǎng)度。

3 計(jì)算實(shí)例

采用分類統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)川渝天然氣管網(wǎng)按管理歸屬對(duì)每條管線輸氣量、輸送距離分別列表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照周轉(zhuǎn)量計(jì)算公式，分別將各管段周轉(zhuǎn)量累加，最終計(jì)算出總周轉(zhuǎn)量值。計(jì)算方法和步驟如下。

1）分單位統(tǒng)計(jì)管道板塊資產(chǎn)，每條管線名稱、起點(diǎn)、終點(diǎn)位置、管徑、長(zhǎng)度、輸氣量。

2）按照周轉(zhuǎn)量計(jì)算公式M＝QL，分別計(jì)算出每條管道的周轉(zhuǎn)量。

川渝地區(qū)部分管道周轉(zhuǎn)量測(cè)算結(jié)果見表1。

3）將各單位的周轉(zhuǎn)量值進(jìn)行匯總。

川渝氣田管道各單位周轉(zhuǎn)量測(cè)算結(jié)果見表2。

表1 川渝地區(qū)某礦區(qū)管道周轉(zhuǎn)量測(cè)算結(jié)果表

4 結(jié)論及建議

4．1 采用“微元法”計(jì)算環(huán)形管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量是合理的，但需要配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)

對(duì)氣體流向不太固定的復(fù)雜管網(wǎng)，采用“微元法”將復(fù)雜管網(wǎng)分解成一小段一小段的枝狀管網(wǎng)來(lái)計(jì)算周轉(zhuǎn)量是合理的。周轉(zhuǎn)量計(jì)算模型對(duì)氣體流向相對(duì)固定的全國(guó)天然氣大管網(wǎng)也是適用的，可為全國(guó)聯(lián)網(wǎng)天然氣管道周轉(zhuǎn)量的測(cè)算提供借鑒，對(duì)聯(lián)網(wǎng)管道的銷售管理、結(jié)算管理和運(yùn)行管理均有參考價(jià)值。但采用這種方法需要完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和自動(dòng)傳輸，采用計(jì)算機(jī)編程才能得以實(shí)現(xiàn)［12］。

表2 川渝氣田管道各單位周轉(zhuǎn)量測(cè)算結(jié)果表

4．2 鑒于復(fù)雜天然氣管網(wǎng)的特殊性，可采用年度或季度平均法，在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上計(jì)算周轉(zhuǎn)量

由于川渝天然氣管線已形成區(qū)域性環(huán)形管網(wǎng)，管道內(nèi)氣體的流向十分復(fù)雜，環(huán)形管網(wǎng)進(jìn)出氣點(diǎn)多，輸量變化大；而一個(gè)大用戶的關(guān)停、凈化廠的檢修、下載氣量的變化、用戶調(diào)峰等生產(chǎn)調(diào)度手段也會(huì)對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的氣體流向產(chǎn)生影響。因此，建議周轉(zhuǎn)量的計(jì)算可采用年度或季度平均法，在各作業(yè)區(qū)建立統(tǒng)計(jì)報(bào)表制度，由作業(yè)區(qū)每年／每季度統(tǒng)計(jì)輸氣量，運(yùn)用周轉(zhuǎn)量計(jì)算公式算出周轉(zhuǎn)量，再通過匯總層層上報(bào)，可計(jì)算出川渝天然氣區(qū)域管網(wǎng)的周轉(zhuǎn)量計(jì)算值。

［1］顏輝．周轉(zhuǎn)量在物流運(yùn)輸成本分析中的應(yīng)用［J］．工業(yè)工程，2010，13（1）：108－111．YAN Hui．Material handling cost analysis in facility layout design based on turnover volume［J］．Industrial Engineering Journal，2010，13（1）：108－111．

［2］馮偉，李建廷，宋漢成，等．天然氣管道運(yùn)行能效評(píng)價(jià)指標(biāo)探討［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29（4）：313－319．FENG Wei，LI Jianting，SONG Hancheng，et al．Assessment indexes on operation energy efficiency of natural gas pipelines［J］．Oil ＆ Gas Storage and Transportation，2010，29（4）：313－319．

［3］周志斌，楊毅．川渝天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)安全與效益優(yōu)化模型研究［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2009．ZHOU Zhibin，YANG Yi．Research on operation safety and efficiency optimization model of Sichuan－Chongqing natural gas pipeline network［M］．Beijing：Petroleum Industry Press，2009．

［4］徐俊平，施紀(jì)衛(wèi)，董忠民．天然氣管道經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析［J］．天然氣技術(shù)，2007，1（1）：58－62．XU Junping，SHI Jiwei，DONG Zhongmin．Economic operation analysis in natural gas transportation pipelines［J］．Natural Gas Technology，2007，1（1）：58－62．

［5］王良錦，熊偉，朱怡，等．聯(lián)網(wǎng)營(yíng)銷下川渝高效天然氣市場(chǎng)的培育［J］．天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2011，6（2）：59－61．WANG Liangjin，XIONG Wei，ZHU Yi，et al．Cultivating an efficient Sichuan－Chongqing natural gas market in the mode of pipeline networking marketing［J］．Natural Gas Technology and Economy，2011，6（2）：59－61．

［6］周建，許紅川，李琦，等．川渝輸氣管網(wǎng)管存控制技術(shù)及案例分析［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（1）：132－136．ZHOU Jian，XU Hongchuan，LI Qi，et al．Pipeline scheduling and management：A case history from the Sichuan－Chongqing Pipeline Network ［J］．Natural Gas Industry，2013，33（1）：132－136．

［7］王毅輝，李勇，蔣蓉，等．中國(guó)石油西南油氣田公司管道完整性管理研究與實(shí)踐［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（3）：78－83．WANG Yihui，LI Yong，JIANG Rong，et al．Research and practices of the integrity management of gas pipelines operated by PetroChina Southwest Oil ＆ Gasfield Company［J］．Natural Gas Industry，2013，33（3）：78－83．

［8］康壇．鐵路貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量預(yù)測(cè)模型的選擇及實(shí)證研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2008．KANG Tan．Empirical study on the choose of forecast model for railway freight turnover［D］．Beijing：Beijing Jiaotong University，2008．

［9］羅媛媛，劉志成．川渝地區(qū)天然氣管網(wǎng)存在的問題與對(duì)策［J］．重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2011，13（3）：79－80．LUO Yuanyuan，LIU Zhicheng．Problems on natural gas pipeline network in Sichuan－Chongqing area and the countermeasures［J］．Journal of Chongqing University of Science and Technology：Social Sciences Edition，2011，13（3）：79－80．

［10］屈彥．川東地區(qū)然氣生產(chǎn)SCADA系統(tǒng)的優(yōu)化改造［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（11）：88－92．QU Yan．Optimization and modification of a SCADA system for natural gas production in the eastern Sichuan Basin［J］．Natural Gas Industry，2011，31（11）：88－92．

［11］白蘭君．再論計(jì)算天然氣運(yùn)距的“順流周轉(zhuǎn)量分配法”［J］．天然氣工業(yè)，1991，11（6）：86－89．BAI Lanjun．Re－review of the“ConcurrentFlowTurnaroundQuantityDistributionMethod”of calculating natural gas transportation distance［J］．Natural Gas Industry，1991，11（6）：86－89．

［12］羅東曉．天然氣管網(wǎng)雙向計(jì)量系統(tǒng)及其技術(shù)的應(yīng)用［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（8）：94－95．LUO Dongxiao．Application of a bi－directional measuring system and its relevant techniques in two connected gas pipeline networks［J］．Natural Gas Industry，2011，31（8）：94－95．