丁 媛 宮 敬 戴征宇，3 王茂西

（1.中國(guó)石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司物資裝備部，北京 100007；4.中國(guó)石油西南油氣田公司，四川 成都 610051）

0 引言

管存是指管道內(nèi)儲(chǔ)存的氣體量，即管道運(yùn)行時(shí)實(shí)際儲(chǔ)存的天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（絕對(duì)壓力101.325 kPa，溫度293.15K）的體積，是管道運(yùn)行效率、壓力、溫度以及運(yùn)行配置的綜合指標(biāo)[1-2]。在國(guó)外，管存數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及管理是一項(xiàng)重要的日常運(yùn)行管理內(nèi)容。國(guó)內(nèi)一般將管存用于運(yùn)行輸差的分析，在日常運(yùn)行中應(yīng)用并不廣泛。為了優(yōu)化管道的運(yùn)行管理，我國(guó)已逐漸引入了管存控制理念，中國(guó)石油應(yīng)用系統(tǒng)管道生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PPS）每天定時(shí)計(jì)算輸氣管道管存量并實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

1 合理控制管存的意義

管存隨進(jìn)氣量、銷氣量、轉(zhuǎn)供量、壓氣站運(yùn)行配置等參數(shù)的變化而波動(dòng)。管存過(guò)低時(shí)不能滿足分輸用戶需求，管存過(guò)高時(shí)會(huì)對(duì)管道承壓及沿線壓縮機(jī)運(yùn)行安全帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在輸氣管道運(yùn)行中，確定合理的管存范圍十分重要[3]。

1.1 合理確定運(yùn)行參數(shù)

管存可以反應(yīng)出管道運(yùn)行的壓力、壓縮機(jī)配置以及管道氣進(jìn)出量是否平衡等綜合情況；可以作為上游進(jìn)氣、下游銷氣、儲(chǔ)氣庫(kù)注采以及管網(wǎng)轉(zhuǎn)供量的控制依據(jù)。合理控制管存可以將管道的工作壓力控制在允許的范圍以內(nèi)，有利于輸氣管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 儲(chǔ)氣調(diào)峰

管道本身具有一定的儲(chǔ)氣調(diào)峰能力，是管道短期調(diào)峰的重要手段。當(dāng)銷氣量不足時(shí)，將富余的進(jìn)氣量?jī)?chǔ)存進(jìn)管道；當(dāng)銷氣量充裕時(shí)，將儲(chǔ)存在管道里的天然氣分輸出去。其中陜京管道冬季用氣結(jié)構(gòu)中城市燃?xì)庥脩舯壤找嬖龈撸脷馐軞鉁赜绊懨黠@。為滿足冬季用氣高峰需求，可以根據(jù)用氣規(guī)律預(yù)測(cè)用氣高峰量，提前儲(chǔ)備管存以提高短期調(diào)峰能力。

1.3 臨時(shí)保障供氣

保障用戶用氣安全是管道運(yùn)行的重要任務(wù)。當(dāng)用氣量激增而上游氣源不能及時(shí)補(bǔ)充時(shí)，或上游氣源量下降而用戶不允許停氣時(shí)，可利用管存應(yīng)急供氣。合理控制管存，可以將管道事故造成的損失降到最低。

因此，合理控制管存可以使輸氣管道兼具輸氣、儲(chǔ)氣和應(yīng)急功能，能夠應(yīng)對(duì)銷氣量、轉(zhuǎn)供量的峰谷值變化，事故發(fā)生時(shí)可以提供一定的應(yīng)急儲(chǔ)備做到臨時(shí)供氣應(yīng)急。根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，建議將管存控制分為高／低安全管存區(qū)、允許高/低管存區(qū)和目標(biāo)高／低管存區(qū)，管存控制區(qū)范圍根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

2 管存計(jì)算

2.1 理論公式

管存計(jì)算的依據(jù)為實(shí)際氣體狀態(tài)方程（pV＝ZRT），計(jì)算公式為[4-5]：

式中，Vc為管存，m3；Vgd為管道固定容積，m3；ppj為管道平均壓力，MPa；T0為管道參比條件下的溫度，K；Z0為參比條件下的壓縮因子；p0為管道參比條件下的壓力，MPa；Tpj為管道平均溫度，K；Zgz為工作條件下的壓縮因子； pq為管道起點(diǎn)的壓力，MPa； pz為管道終點(diǎn)的壓力，MPa；Tz為管道終點(diǎn)的溫度，K；Tq為管道起點(diǎn)的溫度，K。

2.2 影響因素

1）固定管容。輸氣管道固定管容與管道的長(zhǎng)度、內(nèi)徑有關(guān)。對(duì)于長(zhǎng)距離輸氣管道，涉及彎頭、閥室、站場(chǎng)等原因，沿線內(nèi)徑是變化的。為確保管存精確度，管存計(jì)算宜采用分段計(jì)算最終求和的方式。

2）壓力。輸氣管道沿線設(shè)置多個(gè)壓氣站為天然氣增壓，出站后由于摩阻損失，壓力逐漸降低。因此，輸氣管道每一段壓力都不相同。壓氣站的配置方式影響管道壓力，隨著壓力不同，氣質(zhì)參數(shù)也隨之變化，這些參數(shù)變化都會(huì)影響最終的計(jì)算結(jié)果。

3）溫度。輸氣管道與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，環(huán)境溫度會(huì)影響管道的輸送溫度，進(jìn)而影響管存量。環(huán)境溫度主要指土壤溫度和當(dāng)?shù)貧鉁?，與季節(jié)變化緊密相關(guān)。

4）壓縮因子。壓縮因子規(guī)定著氣體管道在正常壓力下氣體的壓縮程度及所處狀態(tài)。輸氣管道壓力較大溫度較低，在高壓低溫情況下任何氣體理想狀態(tài)方程都會(huì)發(fā)生偏差，而且壓力越高溫度越低，這種偏差就會(huì)越大。因此，選取合適的壓縮因子計(jì)算方法是提高管存計(jì)算精確度的關(guān)鍵。

除了以上4個(gè)因素，管存計(jì)算時(shí)間、管道落差、進(jìn)氣量、銷氣量和轉(zhuǎn)供量也是影響管存量的重要因素。

2.3 管存計(jì)算方法

管存的計(jì)算方法主要有兩種，一種是通過(guò)管存計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算，另一種是通過(guò)模擬軟件測(cè)算。不論何種計(jì)算方法，其理論依據(jù)均為實(shí)際氣體狀態(tài)方程。

1）管存計(jì)算系統(tǒng)。中國(guó)石油應(yīng)用PPS系統(tǒng)計(jì)算管存，數(shù)據(jù)來(lái)源分為靜態(tài)數(shù)據(jù)（管容）和SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)）系統(tǒng)采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)源于管道竣工資料，穩(wěn)定性良好；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要是各個(gè)閥室、站場(chǎng)的進(jìn)出口壓力、溫度，SCADA系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的全面、準(zhǔn)確、及時(shí)性決定了管存計(jì)算結(jié)果的精確度和時(shí)效性。

2）模擬軟件測(cè)算。我國(guó)陸續(xù)引進(jìn)了一些主流的輸氣管道模擬軟件，例如SPS、TGNET等，通過(guò)模擬軟件測(cè)算可以得到輸氣管道的管存。輸氣管道運(yùn)行始終是處于非穩(wěn)態(tài)工況的，沿線閥室、站場(chǎng)的壓力、溫度等參數(shù)一直處于波動(dòng)狀態(tài)。瞬態(tài)模擬計(jì)算考慮了管道流量隨時(shí)間變化的規(guī)律，減少了因各參數(shù)隨時(shí)間變化產(chǎn)生的偏差，因此采用瞬態(tài)模擬計(jì)算軟件SPS可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出輸氣管道的管存[6]。

3 陜京輸氣管道合理管存的確定

陜京輸氣管道主干線由陜京一線、二線、三線和四線組成，途經(jīng)陜西、內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津三省兩市一區(qū)。目前陜京輸氣管道實(shí)現(xiàn)了管道間的物理連接，方便輸氣管道間的天然氣調(diào)配。陜京一線、四線在運(yùn)行上的調(diào)節(jié)空間較??；陜京二、三線基本并行鋪設(shè)，兩條管道在沿線的3座壓氣站設(shè)計(jì)聯(lián)合增壓流程，并在多個(gè)閥室設(shè)計(jì)連通流程，可通過(guò)切換以上位置流程，實(shí)現(xiàn)陜京二、三線聯(lián)合運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行的切換。陜京二、三線沿線壓氣站數(shù)目多、機(jī)組配置方式多，為管存控制提供了較大的空間。

3.1 管存控制區(qū)

在給定天然氣輸量的條件下，壓氣站以最低進(jìn)站壓力工作時(shí)管存最低，若低于該壓力則壓縮機(jī)無(wú)法正常工作，此時(shí)的管存可以作為最低管存；維持氣體輸量不變，逐步提高進(jìn)站壓力，相應(yīng)的出站壓力也提升，當(dāng)出站壓力達(dá)到最高允許的操作壓力時(shí)，管存也將達(dá)到最大值，此時(shí)的管存可以作為最高管存。陜京二、三線以壓氣站入口壓力5.0MPa作為最低安全管存的邊界條件；以壓氣站出站壓力9.85MPa作為最高風(fēng)險(xiǎn)管存的邊界條件。相應(yīng)的目標(biāo)管存、允許管存按均分原則確定，即以最低進(jìn)站壓力與最高進(jìn)站壓力為邊界，平均分成6段得到進(jìn)站壓力的設(shè)定值，依次按每個(gè)設(shè)定值計(jì)算相應(yīng)的管存[7]。

3.2 合理管存范圍的確定

確定合理管存范圍時(shí)，應(yīng)遵守管道運(yùn)行的安全性、可靠性和高效性原則[8-9]。首先，為保證管道安全運(yùn)行，管道壓力應(yīng)維持在最高和最低允許操作壓力的范圍內(nèi)。只有管道運(yùn)行壓力不超標(biāo)，運(yùn)行設(shè)備才不會(huì)出現(xiàn)故障損壞等問(wèn)題；其次，管道應(yīng)保質(zhì)保量地完成輸送任務(wù)，管存控制工況應(yīng)滿足用戶接收壓力要求并具備一定的調(diào)峰和應(yīng)急能力，當(dāng)發(fā)生異常工況可降低風(fēng)險(xiǎn)；最后，管存控制工況中壓縮機(jī)組運(yùn)行應(yīng)處于性能曲線的高效區(qū)，避免能源損失[10]。依照以上原則制定的管存控制方案為：在最低進(jìn)站壓力控制下，隨著輸量的增大壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)數(shù)量增加，此時(shí)最低管存會(huì)逐步下降；當(dāng)全線壓縮機(jī)都啟動(dòng)后，隨著輸量的上升，管存也會(huì)逐步上升，低管存呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。在最高出站壓力控制下，隨著輸量的增大壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)數(shù)量增加，管存隨之逐漸增加；當(dāng)全部壓縮機(jī)都啟動(dòng)后，繼續(xù)增加輸量管存反而逐步下降。高管存的變化趨勢(shì)與低管存的相反，是先上升后下降的[11]。因此，管存控制區(qū)隨著氣體輸量的增加呈現(xiàn)出一個(gè)由小到大、再由大到小的趨勢(shì)，管存控制區(qū)呈現(xiàn)為紡錘形（圖1）。

圖1 陜京二、三線管存控制區(qū)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

2017-2018年冬季，城市工業(yè)鍋爐煤改氣力度加大，城市燃?xì)庀M(fèi)量同比顯著增長(zhǎng)；隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)回暖，發(fā)電用氣量高速增長(zhǎng)，化工等工業(yè)用氣量也顯著回升，尤其是華北地區(qū)受煤改氣影響銷氣需求旺盛，輸氣管道資源不足，供氣矛盾異常突出，冬季高峰月保供形勢(shì)嚴(yán)峻，且華北地區(qū)主要以民用氣為主，短期調(diào)峰任務(wù)較重。確定合理管存控制區(qū)，為輸氣管道的安全輸送提供指導(dǎo)依據(jù)，可作為上游進(jìn)氣、下游銷氣、儲(chǔ)氣庫(kù)采氣和管道轉(zhuǎn)供的重要依據(jù)，以確保系統(tǒng)平衡。輸氣管道運(yùn)行時(shí)，其管存應(yīng)始終處于合理的管存范圍內(nèi)。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，應(yīng)維持在目標(biāo)管存區(qū)內(nèi)；在運(yùn)行調(diào)整或處于應(yīng)急工況時(shí)， 管存可在允許管存區(qū)內(nèi)波動(dòng)， 應(yīng)盡量避免進(jìn)入高／低安全管存區(qū)。

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