上海天然氣管網(wǎng)有限公司 蘇杰斌

關(guān)鍵字：壓力控制 小時(shí)流量 調(diào)峰 運(yùn)行邊界

0 概述

國(guó)家發(fā)改委在總結(jié) 2017年冬季天然氣供應(yīng)保高峰情況時(shí)表?yè)P(yáng)了上海，這是對(duì)我們從業(yè)人員的鞭策和鼓勵(lì)。目前，上海與全國(guó)的天然氣供應(yīng)趨勢(shì)一致，也面臨著供應(yīng)不足的困難。同時(shí)，在高壓管網(wǎng)調(diào)度和輸配運(yùn)行方面，存在著氣源分布與用氣重心不完全匹配、缺少調(diào)峰氣量，以及部分站點(diǎn)和管線壓損較大等不利因素。為了充分發(fā)揮天然氣高壓管線的輸送調(diào)節(jié)能力，我們?cè)谂R港氣源點(diǎn)探索采用“壓力控制運(yùn)行模式”，即利用上海液化天然氣公司所屬的臨港末站的調(diào)流調(diào)壓裝置，在可運(yùn)行的流量范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)出站壓力的運(yùn)行控制方式向上海市高壓天然氣管網(wǎng)輸送天然氣。

1 供應(yīng)氣源概況

管網(wǎng)運(yùn)行測(cè)算的目的是建立一個(gè)可預(yù)期、可實(shí)現(xiàn)的管網(wǎng)運(yùn)行控制方式，在滿足下游用戶合同用氣需求的條件下計(jì)算出各個(gè)氣源點(diǎn)配氣量和輸氣工藝控制參數(shù)。目前，高壓管網(wǎng)主要有五大供應(yīng)氣源，見表1。

表1 上海天然氣主干管網(wǎng)各氣源

從南到北按順時(shí)針方向依次為：洋山LNG、西氣東輸二線、川氣東送、西氣東輸一線、東海天然氣，此外還有五號(hào)溝 LNG備用補(bǔ)充氣源。其對(duì)應(yīng)輸氣站點(diǎn)分別為：臨港末站/首站、金衛(wèi)末站/首站、練塘末站/首站、白鶴末站/首站、天然氣處理廠/新港首站、五號(hào)溝LNG站。

西氣東輸一線是國(guó)內(nèi)最早建成投運(yùn)的超長(zhǎng)距離天然氣長(zhǎng)輸管線，冬季全線滿負(fù)荷，供給上海管網(wǎng)的氣量550～650萬m3/d，采取24 h均勻輸送；西氣東輸二線供給上海管網(wǎng)的氣量250～300萬m3/d，采取 8:00～9:00間開始輸氣，輸完關(guān)閥的方式，小時(shí)輸氣量在20～25萬m3；東海天然氣田已進(jìn)入產(chǎn)氣末期，采取24 h輸氣，約2萬m3/h；川氣的提供氣量較少，亦采取開閥即送，輸完關(guān)閥的方式；五號(hào)溝LNG備用補(bǔ)充氣源是2017年底新投產(chǎn)項(xiàng)目，出站管線接入次高壓的1.6 MPa管網(wǎng)，受外輸管線壓力級(jí)制和口徑的影響，該站尚不能達(dá)到設(shè)計(jì)輸出能力。

洋山 LNG和西氣東輸一線是上海地區(qū)的主供氣源，尤其是洋山LNG，冬季高峰時(shí)段占上海供氣量的58%～60%，基本上接近滿負(fù)荷運(yùn)行(如1月30日洋山供應(yīng)負(fù)荷為87.5%即2 100萬m3，高峰小時(shí)負(fù)荷93.4%)；而且今年年底其新擴(kuò)建的SCV氣化器(氣化負(fù)荷15萬m3/h至125萬m3/h)即將投運(yùn)，因此，洋山 LNG能夠作為上海的主力調(diào)峰氣源，承擔(dān)著天然氣供應(yīng)的月度調(diào)峰、日調(diào)峰、小時(shí)調(diào)峰的作用。

目前，上述各個(gè)氣源均采用控制小時(shí)輸氣流量的運(yùn)行模式向上海天然氣主干管網(wǎng)輸氣。據(jù)初步預(yù)測(cè)，2018年冬季將會(huì)有20～40萬m3/h的供需缺口。鑒于陸域各個(gè)管輸氣源供應(yīng)點(diǎn)在冬季的供應(yīng)緊張，不可能增加供氣量，因此只能探索在上海液化天然氣公司洋山氣化站和臨港輸氣站采取新的運(yùn)行控制模式，提升用氣低谷時(shí)上海天然氣主干管網(wǎng)運(yùn)行壓力，增加管道的儲(chǔ)氣量，即加大管容調(diào)節(jié)量。

2 天然氣用氣量測(cè)算

從上海天然氣日需求量數(shù)據(jù)觀察，存在多種復(fù)雜情況。為了便于分析和計(jì)算，除去極端運(yùn)行工況，可從每日氣量統(tǒng)計(jì)中選擇兩種典型情況作為日常的最高和最低需求氣量的邊界，以確定能否實(shí)施“臨港氣源點(diǎn)壓力控制運(yùn)行模式”，若兩天的管網(wǎng)運(yùn)行工況都能夠符合管網(wǎng)安全運(yùn)行要求，則可以實(shí)施該運(yùn)行模式；反之，需要進(jìn)一步研究調(diào)控措施。

2.1 最高用氣需求量的選定

通過對(duì)日用氣量記錄的篩選，選取 2018年3月21日運(yùn)行數(shù)據(jù)作為測(cè)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。選取該日數(shù)據(jù)，具有以下四個(gè)有利條件：

(1)用氣量數(shù)據(jù)與本次測(cè)算在時(shí)間上相距較近，各個(gè)用氣點(diǎn)需求與未來管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際工況最為接近；接近高壓管網(wǎng)輸氣能力上限。

(2)當(dāng)日氣溫為 2～9 ℃，基本能確定為冬季代表性的溫度范圍；城市及郊區(qū)銷售公司用氣雖低于冬季峰值，但是仍處于一個(gè)較高的水平。

(3)當(dāng)日發(fā)電用氣量不受冬季“壓非保民”限制，全天用氣量為1 330萬m3，其中各調(diào)峰電廠均有機(jī)組開啟，合計(jì)調(diào)峰電廠用氣量為930萬m3，發(fā)電用氣高峰與城市用氣高峰疊加，形成疊峰效應(yīng)，接近未來一段時(shí)期內(nèi)的真實(shí)需求。

(4)在上海地區(qū)，冬季被限制用氣量的用戶，已進(jìn)入正常用氣狀態(tài)。

2.2 最低用氣需求量下的選定

春秋季一般為用氣低谷，電廠調(diào)峰機(jī)組均未開機(jī)，僅有熱電聯(lián)供機(jī)組運(yùn)行，小時(shí)用氣高峰只要考慮城市用氣，不需要考慮電廠等疊加因素。因此，選取2018年5月22日運(yùn)行數(shù)據(jù)作為測(cè)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該日全網(wǎng)輸氣運(yùn)行負(fù)荷較輕，發(fā)電用氣量?jī)H為232萬m3，此時(shí)洋山氣化負(fù)荷也處于低位。

3 建立模型

上海高壓天然氣主干管網(wǎng)呈現(xiàn)“C”+“O”形狀布局，見圖1，其中粗實(shí)線所示的6.0 MPa管線由東南角的臨港首站，大致沿郊環(huán)線公路敷設(shè)至北端的石洞口地區(qū)，首尾相距177 km；1.6 MPa管網(wǎng)沿外環(huán)線公路呈環(huán)狀；在6.0 MPa管線和1.6 MPa管網(wǎng)之間布置了若干聯(lián)通管線，。

圖1 上海天然氣主干網(wǎng)模型

結(jié)合管網(wǎng)運(yùn)行情況，可以簡(jiǎn)單測(cè)算出主干管網(wǎng)6.0 MPa管線在24 h周期內(nèi)的儲(chǔ)氣量變化。其氣量平衡式是：

式中：Q供——各氣源站點(diǎn)小時(shí)供氣量合計(jì)，萬m3；Q銷——各站點(diǎn)小時(shí)銷售氣量合計(jì)，萬m3；

ΔQ儲(chǔ)——管道儲(chǔ)存氣量每小時(shí)增值，萬m3；

Q耗——輸氣損耗氣量，在無泄漏、無管道放氣作業(yè)的情況下為0。

在日常運(yùn)行中，洋山氣源氣化負(fù)荷調(diào)節(jié)作為主干管網(wǎng)小時(shí)調(diào)峰主要手段，其每小時(shí)天然氣供氣量是由銷售用氣需求倒算得出的，即：

依據(jù)以上氣量平衡計(jì)算公式，可建立24 h運(yùn)行周期內(nèi)管網(wǎng)所需的洋山LNG供氣量測(cè)算表，如表2、表3所示。

表2 洋山LNG供氣量測(cè)算(最高用氣需求量時(shí)）單位：萬m3/h

表2采用銷售氣高峰日數(shù)據(jù)，洋山LNG氣化輸出處于高負(fù)荷運(yùn)行。以2018年3月21日銷售負(fù)荷測(cè)算，日銷售氣量合計(jì)為3472.3萬m3，洋山LNG供氣2155.3萬m3。

表3 洋山LNG供氣量測(cè)算(最低用氣需求量時(shí)）單位：萬m3/小時(shí)

表3采用銷售氣低谷日數(shù)據(jù)，洋山LNG氣化輸出處于低負(fù)荷運(yùn)行。以2018年5月22日銷售負(fù)荷測(cè)算，日銷售氣量合計(jì)為1637.3萬m3，洋山LNG供氣701.7萬m3。

4 數(shù)據(jù)測(cè)算與臨港氣源點(diǎn)控制壓力值調(diào)整

實(shí)際運(yùn)行中，結(jié)合主干管網(wǎng)壓力變化情況，可估算出管網(wǎng)的儲(chǔ)量差值，然后對(duì)表2、表3中的洋山 LNG供氣量進(jìn)行修正，得到不同負(fù)荷運(yùn)行時(shí)洋山LNG修正氣量，即洋山LNG修正氣量=洋山供氣量+管網(wǎng)儲(chǔ)量差值。表4、表5分別為高負(fù)荷和低負(fù)荷運(yùn)行模式下管網(wǎng)各控制點(diǎn)壓力、相應(yīng)的儲(chǔ)量差值和修正后的洋山供氣量。

管網(wǎng)儲(chǔ)量差值估算方法：根據(jù)管網(wǎng)不同時(shí)刻的儲(chǔ)氣壓力值并結(jié)合分段的管線長(zhǎng)度計(jì)算出管道的儲(chǔ)氣量VS。本文將6.0 MPa管線以化工區(qū)為界分成兩段計(jì)算。將相鄰兩個(gè)時(shí)間段的儲(chǔ)氣量相減可得出管網(wǎng)在這一時(shí)段內(nèi)的儲(chǔ)氣量變化。

式中：VSn、VS(n+1)——分別為管網(wǎng)第n和第n+1小時(shí)的儲(chǔ)量。

式中：VS——管道的儲(chǔ)氣量，m3；

VT——管道的幾何容積，m3；

pcp——管道的平均壓力(取pcp=2×pQ/3)，MPa；

pQ——管道的起點(diǎn)壓力，MPa；

Z——壓縮系數(shù)，采用美國(guó)加利福尼亞天然氣協(xié)會(huì)(CNGA)公式。

式中：p——?dú)怏w壓力(絕)，MPa；

T——?dú)怏w溫度，K；

Δ——?dú)怏w的相對(duì)密度。

表4 洋山LNG高負(fù)荷運(yùn)行模式

表5 洋山LNG低負(fù)荷運(yùn)行模式

管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)壓力根據(jù)實(shí)際記錄擬合公式計(jì)算，其結(jié)果與理論壓損基本一致。關(guān)于管網(wǎng)各段壓力損失測(cè)算，可在起始點(diǎn)一定的壓力條件下代入相鄰兩點(diǎn)間不同流量時(shí)實(shí)際壓力值確定一個(gè)二次函數(shù)，據(jù)此估算出該起始點(diǎn)壓力條件下對(duì)應(yīng)天然氣輸送流量的壓力損失值(本文省略)。目前，根據(jù)上游公司臨港末站調(diào)壓裝置實(shí)際控制值為＜5.70 MPa，因此在對(duì)管網(wǎng)氣源點(diǎn)控制壓力(管網(wǎng)公司臨港首站進(jìn)站壓力)測(cè)算、調(diào)整時(shí)，其數(shù)值不超過 5.60 MPa。通過不斷調(diào)整臨港輸氣末站輸出壓力，控制6.0 MPa高壓管網(wǎng)儲(chǔ)氣變化和壓差，使運(yùn)行平穩(wěn)并符合生產(chǎn)要求，得到以上數(shù)據(jù)。高峰時(shí)期，在臨港氣源點(diǎn)采用壓力控制運(yùn)行模式時(shí)，即控制上游臨港末站調(diào)壓裝置的壓力設(shè)置值，其顯示值為管網(wǎng)公司臨港首站進(jìn)站壓力值；洋山 LNG在日間及晚高峰時(shí)段需要全部開啟4臺(tái)海水氣化器之外還需要增開一臺(tái)應(yīng)急SCV氣化器，夜間可以開啟3臺(tái)海水氣化器運(yùn)行。白鶴出站最低壓力為：3.19 MPa，此點(diǎn)為天然氣主干管網(wǎng)正常運(yùn)行的最低壓力，即運(yùn)行邊界。低于此壓力，管網(wǎng)末端燃?xì)怆姀S將無法正常運(yùn)行。

在天然氣主干管網(wǎng)低負(fù)荷運(yùn)行模式下，全網(wǎng)壓差縮小，管容變化小，臨港氣源點(diǎn)采用壓力控制運(yùn)行模式時(shí)較為平穩(wěn)，洋山LNG開啟2臺(tái)海水氣化器運(yùn)行即可。

5 結(jié)論

引入天然氣主干管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，通過對(duì)臨港氣源點(diǎn)采用壓力控制運(yùn)行模式的測(cè)算，尋找到今年冬季保高峰的運(yùn)行邊界為3472萬m3/日；當(dāng)管網(wǎng)用氣量低于3472萬m3/日，可以通過調(diào)整臨港輸氣末站輸出壓力的方式進(jìn)行天然氣主干管網(wǎng)運(yùn)行控制；一旦預(yù)測(cè)到日用氣量高于3472萬m3，則需要提高西氣東輸、川氣東送在上海地區(qū)的日供氣量。以上結(jié)論對(duì)指導(dǎo)日常生產(chǎn)運(yùn)行有明確的指導(dǎo)意義，一旦預(yù)測(cè)到全市日用氣需求高于3472萬m3，已無管容調(diào)節(jié)平衡供需的余地，即可提請(qǐng)上級(jí)有關(guān)部門提前采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。在實(shí)際生產(chǎn)中，運(yùn)行控制應(yīng)有一定的容錯(cuò)空間，所以可以在上海天然氣主干管網(wǎng)全天用氣量低于3000萬m3的情況下，試驗(yàn)臨港氣源點(diǎn)壓力控制運(yùn)行模式。

此外，上海天然氣管網(wǎng)公司正在建設(shè)臨港至上?；^(qū)復(fù)線輸氣管線，可以減少輸氣壓力損失，提升管道輸氣能力，使主干管網(wǎng)運(yùn)行的更安全靠。