□ 文/中國石油北京油氣調控中心

天然氣管網(wǎng)集中調控運行優(yōu)化管理創(chuàng)新體系

□ 文/中國石油北京油氣調控中心

中國石油北京油氣調控中心（以下簡稱調控中心）是中國石油為優(yōu)化管道運營管理體制、適應管道業(yè)務的快速發(fā)展，于2006年5月8日正式成立，主要職能是對中國石油所屬長輸油氣管道實施集中調度指揮、遠程監(jiān)控操作、維修作業(yè)協(xié)調和管網(wǎng)運行優(yōu)化。

截至2016年底，調控中心集中調控運行的長輸油氣管道總里程達5.4萬公里，已成為世界上調度運行的管線最多、管道運送介質最全、運行環(huán)境最復雜的長輸油氣管道控制中樞之一。

近幾年來，調控中心充分發(fā)揮集中調控優(yōu)勢，制定實施了多項天然氣管網(wǎng)優(yōu)化運行舉措，形成了一套科學的天然氣管網(wǎng)集中調控運行優(yōu)化管理創(chuàng)新體系（以下簡稱優(yōu)化管理創(chuàng)新體系），有效控制了管道生產(chǎn)能耗，促進了管道企業(yè)降本增效，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

強化適應性，實現(xiàn)管網(wǎng)規(guī)劃與調控運行的有效聯(lián)動

天然氣用戶需求增長的連續(xù)性和資源開發(fā)及管道建設的階段性特點決定了上中下游各環(huán)節(jié)發(fā)展不協(xié)調的問題將長期存在。其中，管網(wǎng)調控運行中，天然氣市場不規(guī)范，管網(wǎng)和用戶自身調峰設施不足，都給管網(wǎng)運行帶來了諸多困難。調控中心通過系統(tǒng)分析，核算進銷平衡與管道輸送能力的匹配性，歸納運行中存在的瓶頸，提出站場適應性改造及管道運行優(yōu)化建議。

天然氣管網(wǎng)集中調控運行優(yōu)化管理創(chuàng)新體系示意圖

一、基于管理體制，劃分區(qū)域管網(wǎng)。對于大型天然氣管網(wǎng)，由于連接關系較為復雜，根據(jù)資源平衡及轉供能力，以相互關聯(lián)較為密切的管道組合成一個系統(tǒng)，將天然氣管網(wǎng)模型分割成若干個水力系統(tǒng)進行單獨計算，分別確定區(qū)域管網(wǎng)輸氣能力及瓶頸。目前，根據(jù)中國石油天然氣管網(wǎng)布局、連接及運行特點，以中衛(wèi)、廣州等關鍵節(jié)點分割形成多個區(qū)域管網(wǎng)系統(tǒng)。

二、結合設計條件，校核輸氣能力。依托天然氣管網(wǎng)仿真軟件，根據(jù)區(qū)域管網(wǎng)劃分結果收集現(xiàn)役管道基礎資料，建立區(qū)域管網(wǎng)模型，并結合投產(chǎn)信息，將即將投產(chǎn)的管道整合到模型中?；诠艿喇斍斑\行情況和初步設計資料，選取模型計算邊界條件，確定管網(wǎng)的物理狀況、壓力限值、壓縮機機組能力和管道之間的相互轉供點等信息。通過對現(xiàn)役管網(wǎng)和即將投產(chǎn)管道模型的模擬運算，校核管道、重點區(qū)域的最大輸氣能力。

三、編制運行方案，分析輸送瓶頸。根據(jù)天然氣管網(wǎng)進銷計劃和管存情況，在區(qū)域管網(wǎng)最大輸氣能力范圍內，制定各條管道安全、可行的運行方案，包括：進銷計劃平衡表、輸量分配表、機組配置表和運行參數(shù)表，協(xié)調優(yōu)化各地區(qū)管道的管輸流量和流向。抽取不同季節(jié)高峰月進行資源平衡和管輸計算，反映未來管道運行中可能出現(xiàn)的瓶頸問題，對計劃管道投產(chǎn)和待建管道規(guī)劃提出合理化建議，指導規(guī)劃管道的建設和當前管網(wǎng)的改造。

天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)分析業(yè)務流程圖

四、收集歷史數(shù)據(jù)，總結用氣規(guī)律。天然氣管網(wǎng)規(guī)模越來越大，天然氣管網(wǎng)用戶越來越多，各類型用戶受季節(jié)、節(jié)假日、氣溫等因素影響，用氣規(guī)律各不相同。在總結近幾年用戶用氣歷史數(shù)據(jù)的基礎上，通過對于主要用戶類型（城市燃氣用戶、工業(yè)用戶以及調峰電廠）用氣量研究，分別用月度不均勻系數(shù)、日不均勻系數(shù)以及小時不均勻系數(shù)等參數(shù)來總結用戶的用氣規(guī)律，為調峰適應性分析提供依據(jù)。

五、開展動態(tài)模擬，挖掘調峰潛能。在天然氣管網(wǎng)典型用戶用氣不均勻性的基礎上，利用仿真模擬，通過管存變化及關鍵點壓力變化最大化地反映未來管道運行中的調峰問題。根據(jù)天然氣管網(wǎng)產(chǎn)運銷平衡，分析天然氣管網(wǎng)季節(jié)調峰問題，并根據(jù)用戶實際用氣規(guī)律分析管網(wǎng)日調峰和小時調峰問題。儲氣庫是解決天然氣管網(wǎng)季節(jié)調峰的最有效手段，但在目前管網(wǎng)儲氣庫的工作氣量及最大采氣能力無法完全滿足冬季生產(chǎn)需求的情況下，儲氣庫調峰能力不足仍是管網(wǎng)運行中的重大風險。調控中心積極協(xié)調新建儲氣庫加快投產(chǎn)進度，推動在役儲氣庫進行擴容建設，同時根據(jù)實際調峰能力安排冬季銷售計劃，以提高冬季供應保障。

優(yōu)化時間維度，構建月、周、日三級優(yōu)化管理模式

天然氣管網(wǎng)調控運行優(yōu)化管理創(chuàng)新體系實施前，調控操作經(jīng)驗的積累主要來自單條天然氣管道。相比管網(wǎng)，單條管道日常操作較少，影響范圍較小，工況恢復較快。因此，時間管理維度到月基本可以滿足運行管理需要。天然氣管道聯(lián)網(wǎng)運行后，整個管網(wǎng)作為統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，瞬態(tài)特性更加明顯，一些簡單操作都可能會對整個管網(wǎng)運行狀態(tài)產(chǎn)生影響，且很長時間都無法恢復穩(wěn)定。因此，必須對天然氣管網(wǎng)調控運行的時間維度進行細化，才能有效管理整個天然氣管網(wǎng)。

調控中心在原有月度計劃的基礎上，結合穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運行優(yōu)化技術，創(chuàng)新提出了“月方案優(yōu)化、周預測控制、日平衡調整”三級優(yōu)化管理模式。

一、細化“月方案”編制，優(yōu)化輸送任務與落實。根據(jù)氣源和用戶的月度計劃以及各條管道的維檢修作業(yè)計劃，利用管道穩(wěn)態(tài)仿真和優(yōu)化軟件，編制系統(tǒng)能耗（費用）最低的月度運行方案，優(yōu)化資源和市場配置，協(xié)調各條管道維檢修作業(yè)，合理安排機組運行，明確管道不同時間的優(yōu)化控制點。

管網(wǎng)月度方案編制過程中，自下而上可分為三個層次：單條管線運行方案、區(qū)域管網(wǎng)運行方案和整個中國石油干線管網(wǎng)運行方案。針對單條管線，依據(jù)運行經(jīng)驗將輸量按臺階劃分形成輸量臺階表，每個輸量臺階下都有較優(yōu)的全線壓力分布和開機方案，以支撐上層區(qū)域管網(wǎng)和干線管網(wǎng)月度方案制定；不同管線組成區(qū)域管網(wǎng)后，通過在關鍵聯(lián)絡站進行轉供，協(xié)調各管線間的流量分配，將多年運行工況總結成運行方案庫并不斷更新，使區(qū)域優(yōu)化效果最佳；在此基礎上，形成整個干線管網(wǎng)的月度方案，既滿足了整體進銷計劃和管輸任務的要求，也通過提前運行調整落實了現(xiàn)場作業(yè)的需求。

二、控制“周預測”變化，優(yōu)化運行跟蹤與分析。由于氣源和用戶的實際供（提）氣量與計劃氣量經(jīng)常出現(xiàn)偏差，尤其是城市燃氣用戶更為明顯，導致月度方案執(zhí)行中存在不確定性。根據(jù)氣源或用戶已經(jīng)發(fā)生的實際供氣量及用氣量，結合月度生產(chǎn)運行方案，預測未來一周各氣源、各銷售公司及重點用戶的用氣量變化趨勢，以及大管網(wǎng)和區(qū)域管網(wǎng)（線）的管存變化情況，結合仿真軟件和穩(wěn)態(tài)優(yōu)化軟件的計算結果，提前針對月度方案進行適度調整，制定周運行方案，優(yōu)化本周內管網(wǎng)運行。

六大優(yōu)化控制點示意圖

當時間維度細化到周的層面時，對進銷和管存變化趨勢的預測更加準確。此時，根據(jù)管網(wǎng)實際運行情況，結合仿真模擬和穩(wěn)態(tài)優(yōu)化技術，對月度方案進行適當調整，將整個管網(wǎng)控制在一個較優(yōu)的運行水平。特別是針對一周內工作日和周末用戶用氣規(guī)律存在差異的情況，進一步制定出工作日和周末（含節(jié)假日）兩套運行方案，實現(xiàn)對管網(wǎng)運行狀況的有效跟蹤與分析。

三、調整“日平衡”波動，優(yōu)化實時監(jiān)控與操作。通過每日統(tǒng)計氣源進氣量、用戶用氣量和管存變化情況，分析管網(wǎng)運行優(yōu)化空間，結合對運行的實時監(jiān)測，借助在線仿真模擬以及指定時段優(yōu)化等技術，提出具體、可操作的優(yōu)化調整建議，通過調整管道之間的轉供量，壓縮機組的運行方式，保障管網(wǎng)的供銷氣量平衡和管存的穩(wěn)定，實時優(yōu)化管網(wǎng)運行。

優(yōu)化空間維度，嚴把六大優(yōu)化控制點

優(yōu)化管理創(chuàng)新體系實施前，管網(wǎng)在空間維度上的管理無法覆蓋從資源到市場的天然氣管輸產(chǎn)業(yè)鏈，系統(tǒng)性不足、可操作性不強。通過梳理總結多年集中調控的關鍵控制點，調控中心創(chuàng)新形成了涵蓋油氣管網(wǎng)集中調控全產(chǎn)業(yè)鏈的“資源優(yōu)化、銷售優(yōu)化、流向優(yōu)化、機組優(yōu)化、管存優(yōu)化、壓力優(yōu)化”六大優(yōu)化控制點。

資源優(yōu)化，全面提升管網(wǎng)供氣能力。資源優(yōu)化主要是考慮各進口管道（中亞和中緬管道）氣量是否與管輸能力匹配，是否按最優(yōu)量進氣；針對國內外資源，比選其經(jīng)濟性，配置國產(chǎn)氣與進口氣、以及進口管道氣與LNG的比例；平衡進口氣照付不議與國產(chǎn)氣增產(chǎn)增量配比。當整個管網(wǎng)系統(tǒng)資源供給不足時，調控中心充分發(fā)揮多氣源優(yōu)勢，經(jīng)過優(yōu)化分析統(tǒng)籌協(xié)調各氣源比例，整體提升管網(wǎng)供氣能力，以滿足供需要求。當資源供給基本平衡時，結合仿真及優(yōu)化軟件，考慮管輸能力、工藝流程、機組配置、設備狀況和生產(chǎn)能耗等多方面因素，研究得出各進氣口經(jīng)濟和非經(jīng)濟輸量區(qū)間，通過計劃安排和日常調整，在完成各資源計劃的基礎上，盡量做到最優(yōu)進氣。資源優(yōu)化在全面提升管網(wǎng)供氣能力的同時，為天然氣管道輸送業(yè)務和發(fā)展規(guī)劃提供了大量建議，一定程度上促進了管道業(yè)務各項工作的發(fā)展。

銷售優(yōu)化，顯著提高管網(wǎng)整體效益。銷售優(yōu)化主要以增大銷售量為目的，考慮多供氣點用戶的分輸位置和不均衡用氣等因素，采取日指定控制、分輸量匹配、壓力和流量調節(jié)（對于工業(yè)用戶一般采取壓力控制，對于城市用戶一般采取壓力、流量綜合控制）等優(yōu)化措施，維持管網(wǎng)運行穩(wěn)定；同時，根據(jù)管網(wǎng)負荷率，向銷售公司提供銷售優(yōu)化建議，增加管網(wǎng)整體效益。對于像北京燃氣集團有限責任公司這類具有多供氣口的用戶，根據(jù)多年運行經(jīng)驗，應盡量增大采育站、通州東站的日指定量，避免石景山站因進站壓力較低出現(xiàn)供應不足的風險；而對于只有單一供氣口的上海站，分輸應盡量采取均衡控制，充分發(fā)揮用戶（上海燃氣有限公司）自身LNG調峰優(yōu)勢，減小用氣波動對管網(wǎng)及干線的影響。

流向優(yōu)化，充分發(fā)掘管網(wǎng)輸送潛力。針對管網(wǎng)進行區(qū)域劃分后，根據(jù)氣源供氣量和用戶用氣需求，調整各區(qū)域管網(wǎng)的流量分配以及區(qū)域管網(wǎng)間的流向和流量，降低管網(wǎng)系統(tǒng)的生產(chǎn)能耗，保障管網(wǎng)的平穩(wěn)運行。以長三角地區(qū)天然氣管網(wǎng)為例，該區(qū)域管道互聯(lián)互通，轉供點較多，機組配置復雜，形成了北線、中線和南線三個流向通道，在相同的總輸量下，有多種輸量分配和機組配置方式。當該區(qū)域管網(wǎng)輸量為6000萬方/天時，存在5種轉供方式、23種運行工況，以經(jīng)濟運行為指導目標，優(yōu)選運行方案，總結出該區(qū)域管網(wǎng)流向優(yōu)化規(guī)律，指導區(qū)域管網(wǎng)優(yōu)化運行。

管存優(yōu)化，有效增強管網(wǎng)應急能力。管存作為管道的“第二氣源”，在日常運行中發(fā)揮著重要的調峰作用。管存控制不僅可以有效地降低生產(chǎn)能耗，同時還能減少突發(fā)異常工況對運行的影響，有效增強管網(wǎng)應急能力。管存優(yōu)化的核心是對管存進行有效管理，為此，調控中心建立了“目標管存—應急管存—極限管存”的多區(qū)間管存管理體系。通過管道仿真模擬與歷史運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，針對不同季節(jié)、不同輸量、不同機組配置，計算各管道管存的調節(jié)范圍，劃分相應的控制區(qū)間，制定管存管理規(guī)定。此外，管存優(yōu)化措施還包括：充分利用管道末端儲氣能力，應對用戶小時不均衡用氣特性；針對計劃性作業(yè)，在作業(yè)前通過管存分布調整，降低作業(yè)對氣源和用戶的影響；利用管存氣，滿足下游用戶應急用氣需求。

壓力優(yōu)化，有力保障管網(wǎng)運行安全。壓力優(yōu)化主要是以降低天然氣管網(wǎng)能耗和控制目標管存為目的，通過機組運行工況及轉供氣量的調整，優(yōu)化管網(wǎng)關鍵節(jié)點的運行壓力。壓力優(yōu)化覆蓋了整個天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)，主要包括：首站壓力優(yōu)化：嚴格控制管道首站進站壓力在合理范圍內，確保資源按計劃進氣，盡可能利用氣源壓力。中間壓氣站壓力優(yōu)化：根據(jù)輸量要求合理調節(jié)壓縮機組運行狀態(tài)，確保壓縮機組運行處于最優(yōu)工況。聯(lián)絡站壓力優(yōu)化：控制天然氣管網(wǎng)關鍵轉供節(jié)點的運行壓力，在確保轉供任務完成的同時，盡量減少節(jié)流損失。分輸站壓力優(yōu)化：針對分輸壓氣站，采用壓縮機進口匯管向用戶分輸，在降低壓縮機負荷并減少能耗的同時，避免分輸壓降過大所帶來的冰堵風險；針對分輸站，在保證用戶分輸需求的條件下，盡可能降低分輸站分輸壓力。末站壓力優(yōu)化：合理控制管道末站進站壓力，在滿足每日壓力波動要求的同時，盡量降低管道運行壓力。

機組優(yōu)化，大幅降低管網(wǎng)系統(tǒng)能耗。壓縮機組是管網(wǎng)主要耗能設備，其運行狀況好壞直接決定著管網(wǎng)系統(tǒng)能耗水平。經(jīng)過多年運行經(jīng)驗的積累，調控中心形成了一系列機組優(yōu)化原則，確保機組在高效區(qū)運行，大幅降低管網(wǎng)系統(tǒng)能耗。其中，各運行壓縮機組要具備一定的上、下調節(jié)能力，確保在單個機組出現(xiàn)故障的情況下，其上、下游機組還能有一定的調節(jié)余量，以減小機組失效對全線運行的影響。實時監(jiān)控各壓縮機組運行工況，通過分析機組運行綜合效率，對運行效率低的機組做出及時調整。

強化技術和人才保障，確保優(yōu)化管理創(chuàng)新體系高效運轉

一、引進吸收與自主研發(fā)相結合，構建三大技術保障。研發(fā)管道運行數(shù)據(jù)分析技術，依托大數(shù)據(jù)研究方法，挖掘數(shù)據(jù)價值，細化數(shù)據(jù)分析方法，深化分析力度，總結生產(chǎn)運行規(guī)律。綜合運用管道仿真模擬技術，以相似理論、控制論等相關專業(yè)技術和計算機仿真技術為基礎，建立天然氣管道仿真模型，通過對仿真模型的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)分析，實現(xiàn)實際管道運行工況分析、控制決策優(yōu)化、未來風險預測等功能，輔助并優(yōu)化實際生產(chǎn)運行。在管道運行參數(shù)實時監(jiān)控、管存分布、氣體流向安排、管網(wǎng)運行瓶頸排查、調峰適應性分析、異常工況分析、應急預案編制等方面都發(fā)揮了重要的作用。始終推動對天然氣管網(wǎng)優(yōu)化技術的研究，不斷夯實相關優(yōu)化技術成果的應用基礎，攻克了天然氣管網(wǎng)優(yōu)化運行評價準則、運行方案庫、壓縮機性能優(yōu)化、管網(wǎng)監(jiān)測分析以及天然氣管道穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)優(yōu)化等技術難題，開發(fā)完成了優(yōu)化管理創(chuàng)新技術保障平臺，形成一系列行之有效的運行優(yōu)化技術。

二、優(yōu)化分析與生產(chǎn)運行相統(tǒng)籌，構建專業(yè)化人才保障。優(yōu)化管理創(chuàng)新體系既需要專業(yè)化的優(yōu)化運行專家隊伍，又需要具備運行優(yōu)化理念和能力的日常調度運行人員。調控中心根據(jù)多層次、立體化的優(yōu)化管理創(chuàng)新體系需要，培養(yǎng)打造了一支覆蓋優(yōu)化運行、工藝技術、運營管理等多個領域的專業(yè)化人才隊伍。首先設置了專職優(yōu)化分析崗位，主要負責天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)分析、優(yōu)化運行工作；其次建立了“調度員執(zhí)業(yè)資格認證機制”和“三長管理機構”，按照業(yè)務素質、工作經(jīng)歷等，開展調度員一、二、三級執(zhí)業(yè)資格認證，依照運行優(yōu)化責任體系，搭建綜合調度長、值班調度長和調度臺長的三級管理架構；最后加強優(yōu)化管理創(chuàng)新體系人才培養(yǎng)，緊密結合業(yè)務特點組織技術培訓，扎實推進導師帶徒、現(xiàn)場實訓、崗位交流、掛職鍛煉等工作，促進了全員能力素質提升。加強培訓平臺建設，培訓平臺已成為集團公司指定的唯一油氣管道調度執(zhí)業(yè)資格認證機構。

項目實施效果

一、提升了天然氣管網(wǎng)管控能力。在優(yōu)化管理創(chuàng)新體系帶動下，天然氣管網(wǎng)運行調度人員的運行優(yōu)化意識顯著增強，從被動優(yōu)化轉變?yōu)橹鲃觾?yōu)化，從被動運行調整轉變?yōu)橹鲃觾?yōu)化調整。此外，調控中心積極推動各管道相關方強化管網(wǎng)運行優(yōu)化意識，統(tǒng)籌做好管網(wǎng)平衡與區(qū)域優(yōu)化，提高了天然氣管網(wǎng)整體效能，充分體現(xiàn)了調控中心的價值。

二、創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益。通過在系統(tǒng)分析中應用優(yōu)化管理創(chuàng)新體系，提前預判和解決管道運行瓶頸，及時提出管道規(guī)劃建設和機組投產(chǎn)安排的優(yōu)化建議，為天然氣管網(wǎng)規(guī)劃建設、現(xiàn)有管道或站場改擴建、管網(wǎng)系統(tǒng)供銷平衡和優(yōu)化運行管理提供了支持和參考。其中，通過提出梧州、廣州等管道站場適應性改造建議，在滿足了下游市場需求增長的同時，大幅提高了管道利用率，增加管輸收益逾50億元。分析設備使用情況，通過設備利舊解決管輸瓶頸，為企業(yè)節(jié)省投資約5000萬元。提前對規(guī)劃管線進行研究，優(yōu)化投產(chǎn)時間，建議提前建設投產(chǎn)的管道為企業(yè)新增近25億元的管輸收益，建議緩建的部分壓氣站則為企業(yè)節(jié)省了1000余萬元的電費支出。近幾年來，累計為企業(yè)增加逾百億元的收益，創(chuàng)造了超過30億元的綜合效益。

2012至2016年，西氣東輸管道、陜京管道和澀寧蘭管道等主要耗能管道在輸量逐年增長的情況下，運行能耗反而顯著下降，管道生產(chǎn)單耗下降了近20%。天然氣管網(wǎng)整體能耗率（生產(chǎn)耗能與總輸量比值）由2012年的2.5%降至2016年的1.7%，運行優(yōu)化程度達到了世界先進水平(發(fā)達國家天然氣管網(wǎng)的能耗率通常為1.5%—2.5%)。如以2012年運行水平和耗能單價為對比基準（即假設管網(wǎng)運行始終維持2012年的優(yōu)化程度），則過去4年理論上合計節(jié)約的運行能耗成本超過22億元。由于2012-2016年期間存在多條新管線投產(chǎn)的情況，考慮到新增管線對降低管網(wǎng)整體負荷率和減少能耗的影響，在核算各年度理論能耗成本時以上年度的運行水平為對比基準（即對比基準逐年進行動態(tài)更新），則過去4年合計節(jié)約運行能耗成本約17億元。

三、能源利用效率提高，取得了良好的節(jié)能減排效果。近年來，隨著我國政府和社會對生態(tài)環(huán)境保護和空氣質量改善的持續(xù)關注，節(jié)能減排已成為企業(yè)生產(chǎn)的關鍵控制點，是推動企業(yè)科學發(fā)展的重要抓手。通過優(yōu)化管理創(chuàng)新體系的有效應用，2012-2016年合計節(jié)省管道生產(chǎn)能耗173萬噸標煤，減少碳排放逾500萬噸，顯著提高了能源利用效率，有效支撐了企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排目標，為我國生態(tài)環(huán)境、空氣質量的改善做出了重大貢獻。

（成果創(chuàng)造人：黃澤俊 楊毅 范莉 唐善華 徐春野 趙小川 劉松 刁洪濤 李博 楊興蘭 高義 梁志敏）

（本文獲中國石油企業(yè)協(xié)會行業(yè)部級2017年度全國石油石化行業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新優(yōu)秀成果評審一等獎）