陳利瓊 高茂萍 王力勇 劉思良張廷廷 吳 霞 藍(lán)浩杰 郭少鋒

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國石化天然氣榆濟(jì)管道分公司

0 引言

隨著西氣東輸管道系統(tǒng)、陜京天然氣管道系統(tǒng)、川氣東送管道系統(tǒng)等的相繼投產(chǎn)，國家基礎(chǔ)干道天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)基本形成；而天然氣進(jìn)口方面有在建的中亞D線和已完工的中俄東線天然氣管道、中緬油氣管道和東南沿海10余座LNG接收站；再加上京津冀、長三角和珠三角等重點(diǎn)區(qū)域天然氣管網(wǎng)的建設(shè)與投產(chǎn)，全國天然氣管道“主干互聯(lián)、區(qū)域成網(wǎng)”的基礎(chǔ)格局逐漸形成[1-2]?！笆濉蹦茉窗l(fā)展計(jì)劃明確指出，2020年中國的非石化能源和天然氣消費(fèi)量占比將超過能源消費(fèi)總量的68%，可見即使當(dāng)前天然氣管道建設(shè)進(jìn)程加快，輸送任務(wù)卻并不會因此減輕[3]。2019年底，國有資本控股、投資主體多元化的國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司（以下簡稱管網(wǎng)公司）已經(jīng)正式掛牌成立[4]。在輸氣管網(wǎng)“互聯(lián)互通”的大背景下，中石油已完成相關(guān)工程20余項(xiàng)，中石化和中海油也有不小進(jìn)展[5]。但所謂“互聯(lián)互通”并不僅僅是各輸氣干線的相互連接，而是希望通過此種方式實(shí)現(xiàn)輸氣通道多元化，提升國內(nèi)天然氣串換調(diào)峰能力[6]。但大多干線在建設(shè)之初并沒有考慮到要滿足當(dāng)下“互聯(lián)互通”的需求，所設(shè)計(jì)的管徑、站場規(guī)模和設(shè)備載荷等可能難以完成部分多管輸氣串換的工況。

在“互聯(lián)互通”背景下，隨著各輸氣干線的相互連接，管網(wǎng)規(guī)模逐日擴(kuò)大，管道分支和氣源增加且分布不集中、輸送方向可變。這使得輸氣方案更加靈活，可以更好地解決某些地域的供氣問題。但是，各輸氣干線現(xiàn)有的站場及設(shè)備配置可能不允許完成一些極限工況，使得“互聯(lián)互通”的初衷難以實(shí)現(xiàn)。為了使得現(xiàn)有各輸氣干線在相互聯(lián)通之后，可以完成更多的多線組合工況，需要對其組合的某些極限工況進(jìn)行分析研究。本文在分析“互聯(lián)互通”背景下M管網(wǎng)發(fā)生的工況變化之后，專門開發(fā)了對應(yīng)的軟件進(jìn)行M管網(wǎng)水力仿真和壓氣站方案制訂，經(jīng)驗(yàn)證軟件計(jì)算誤差滿足要求；然后列舉了3種極限工況，并對每種工況下的不同流量情況進(jìn)行了試算分析，并針對不同工況分別提出了對應(yīng)的管網(wǎng)改進(jìn)建議，使M管網(wǎng)可以完成更多的多線組合工況，去踐行真正互聯(lián)互通的輸氣方案；對于M管網(wǎng)生產(chǎn)單位而言，也可以充分利用已敷設(shè)的管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)利潤最大化。

1 “互聯(lián)互通”背景下的管網(wǎng)特點(diǎn)

在國內(nèi)輸氣管道“互聯(lián)互通”工程不斷推進(jìn)的背景下，各管道的運(yùn)行工況也發(fā)生了一些變化，下面以圖1所示的M輸氣管網(wǎng)為例進(jìn)行具體分析。

M管網(wǎng)歷經(jīng)圖1-a～d十幾年的發(fā)展，輸氣干線管網(wǎng)逐步形成，工況變化主要為：①各輸氣干線相互聯(lián)通；②各輸氣干線可選氣源增多；③輸氣干線輸氣方向可變；④同一輸氣干線不同管段的輸氣方向可以不一致。與原來相互獨(dú)立開來的輸氣干線相比，以上4點(diǎn)工況變化使得輸氣干線管網(wǎng)輸氣方案更加靈活，在生產(chǎn)任務(wù)確定的情況下輸送方案不再唯一，也更好地解決了氣源分布地域不均勻的問題[7-8]。輸氣干線 “互聯(lián)互通”帶來好處的同時，也相應(yīng)增大了生產(chǎn)調(diào)控難度[9]，使得不同生產(chǎn)單位之間更難協(xié)調(diào)配合；更重要的是對于某些特殊的極限工況，管網(wǎng)現(xiàn)有的站場及設(shè)備配置可能難以實(shí)現(xiàn)，需要對其進(jìn)行一定的調(diào)整改進(jìn)，以此實(shí)現(xiàn)輸氣干線管網(wǎng)的靈活調(diào)控。下面列舉了3種極限工況，對M管網(wǎng)在“互聯(lián)互通”背景下應(yīng)該如何改進(jìn)調(diào)整進(jìn)行了具體研究。

2 管網(wǎng)極限工況研究

2.1 研究基礎(chǔ)

本文所提出的“極限工況”即M管網(wǎng)在（1 000～1 400）×104m3/d（標(biāo)準(zhǔn)條件下，下同）這種輸氣任務(wù)較大、單氣源供氣、全線無分輸、輸送距離超過1 000 km的工況；不同管網(wǎng)輸送距離的允許輸氣范圍不一樣，比如西氣東輸三線管道1 400×104m3/d的日輸氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其設(shè)計(jì)流量，而1 000 km的輸送距離也只占其全線距離的1/5，但是對于M管網(wǎng)而言，1 000 km基本代表著從管網(wǎng)一個邊界站場到另一個邊界站場的距離，所以可以看作是極限輸送距離。

為了研究M管網(wǎng)的極限工況，需要針對M管網(wǎng)建立專門的水力仿真模型和壓氣站單站運(yùn)行方案制訂模型，并開發(fā)了對應(yīng)的軟件；除此之外，還需要給站場及設(shè)備給定邊界條件。

2.1.1 軟件開發(fā)

開發(fā)的軟件中包含了M管網(wǎng)的水力仿真計(jì)算模塊、H站及J站的單站運(yùn)行方案制訂模塊。

基于現(xiàn)行的輸氣管道水力仿真理論[10-13]，開發(fā)了M管網(wǎng)的水力計(jì)算模塊。

將軟件水力計(jì)算模塊所得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的水力參數(shù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性，結(jié)果如圖2所示。

圖1 M管網(wǎng)發(fā)展示意圖

圖2 軟件水力計(jì)算模塊準(zhǔn)確性驗(yàn)證圖

圖3 軟件壓縮機(jī)壓比值計(jì)算相對誤差圖

從圖2可以看出，軟件水力仿真的絕對誤差絕對值在0.05 MPa以內(nèi)，滿足后面研究M管網(wǎng)極限工況的要求。

M管網(wǎng)H站和J站的壓縮機(jī)使用已經(jīng)有一定年限，即使是同一型號的壓縮機(jī)在投入生產(chǎn)后因?yàn)檫\(yùn)行時間不同而性能有所差別[14]，而且也會與壓縮機(jī)出廠性能曲線有較大差異[15-16]，所以在編寫軟件時針對每臺壓縮機(jī)分別建立了對應(yīng)的性能計(jì)算模型[17-20]，并將模型計(jì)算數(shù)據(jù)與壓縮機(jī)實(shí)際性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，軟件計(jì)算所得的壓縮機(jī)壓比值與實(shí)際壓比相對誤差在3%以內(nèi)，滿足后面研究M管網(wǎng)極限工況的要求。在此基礎(chǔ)上，軟件開發(fā)了單站壓縮機(jī)運(yùn)行方案制訂模塊。

2.1.2 邊界條件

除了軟件開發(fā)外，在進(jìn)行M管網(wǎng)極限工況研究之前，還需要給定一些初始條件和邊界條件，便于計(jì)算。具體為：①各輸氣干線沿線無分輸；②各輸氣站場的進(jìn)站壓力不小于5 MPa；③H站壓縮機(jī)組的最大出口壓力為9.6 MPa，J站壓縮機(jī)組的最大出口壓力為10 MPa；④各輸氣干線管道最大允許壓力為10 MPa?；谏鲜?點(diǎn)前提對M管網(wǎng)進(jìn)行極限工況研究。

2.2 管網(wǎng)極限工況研究

2.2.1 工況1研究

第1種極限工況為從氣源5經(jīng)L站進(jìn)氣向H站供氣，此工況的輸氣方案如圖4所示，目前該管段常用工況為以K站為分界線，輸氣方向皆為向K站輸氣。從圖4可以看出，沿線只有J站一個壓氣站，因?yàn)镵站與H站之間地形起伏較大，呈上升趨勢，可能會存在氣體動力不足的情況。

圖4 工況1輸氣方案示意圖

對于此種工況的研究，分別取氣源5來氣量為1 000×104m3/d、1 200×104m3/d、1 400×104m3/d的3種情況對此種極限工況進(jìn)行研究。

當(dāng)氣源5來氣量為1 000×104m3/d時，運(yùn)用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況1氣源5來氣量為1 000×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖5可知，方案一沒有開啟J站的壓縮機(jī)對氣體進(jìn)行增壓，氣體輸送至H站時壓力降至2.5 MPa，未能達(dá)到最低進(jìn)站壓力為5 MPa的要求，所以方案一不可行；而方案二在J站經(jīng)增壓后可以順利達(dá)到H站，運(yùn)用軟件的單站優(yōu)化模塊計(jì)算可得J站需開啟壓縮機(jī)2臺，轉(zhuǎn)速分別為7 563 r/min和7 404 r/min。

當(dāng)氣源5來氣量為1 200×104m3/d時，運(yùn)用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。

圖6 工況1氣源5來氣量為1 200×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖6可知，方案一中氣流還未輸?shù)絁站壓力就已經(jīng)降至5 MPa以下了，未達(dá)到J站的最低進(jìn)站壓力要求，所以不可行；方案二中J站若不增壓，氣體流至H站時壓力已經(jīng)降至5 MPa以下，因此最終選擇方案三，在J站至少增壓至8.6 MPa，氣體流至H站時方可達(dá)到最小進(jìn)站壓力大于5 MPa的要求。

當(dāng)氣源5來氣量為1 400×104m3/d時，運(yùn)用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 工況1氣源5來氣量為1 400×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖7可知，當(dāng)輸氣量為1 400×104m3/d時，此方案暫時不能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闅庠?的來氣即使輸?shù)絃站都不能滿足最低進(jìn)站壓力大于5 MPa的要求，更是難以輸送到H站。目前“氣源5～L站”管段的實(shí)際日輸氣量大約為200×104m3/d，水力壓降小于0.5 MPa，但當(dāng)日輸氣量達(dá)到1 400×104m3/d時，由于管線輸氣壓力必須保證不大于10 MPa，即使將氣源5來氣增壓到10 MPa，也不能滿足L站的最低進(jìn)站壓力。因此該線不能滿足此極限輸送情況，不建議該管段在沿途不分輸?shù)那闆r下日輸氣量達(dá)到1 400×104m3/d。若未來有該種工況的輸氣規(guī)劃，可以在氣源5與L站之間增設(shè)增壓站或者增大該管段的管徑。

從工況1的研究結(jié)果可知，輸氣量為1 000×104m3/d時利用M管網(wǎng)現(xiàn)有站場配置即可完成生產(chǎn)任務(wù)；當(dāng)輸氣量為1 200×104m3/d時需要在站場K安裝壓縮機(jī)組才能實(shí)現(xiàn)輸送目標(biāo)；而輸氣量為1 400×104m3/d時利用現(xiàn)有站場難以完成輸送任務(wù)，需要在L站與K站之間增設(shè)增壓站。因此若未來有工況1的輸氣規(guī)劃，M管網(wǎng)需要做如下調(diào)整改進(jìn)：在K站安裝壓縮機(jī)組，或者在K站與L站之間增設(shè)壓氣站。

2.2.2 工況2研究

第2種極限工況為從氣源5經(jīng)L站進(jìn)氣向H站供氣，此工況的輸氣方案如圖8所示，目前該線路常用工況為H站輸往K站，L站輸往K站，L站輸往E站。從圖8中可以看出，沿線只有H站和J站兩個壓氣站，因?yàn)樽訦站輸往K站方向地形高程呈下降趨勢，所以自H站輸往E站是可能出現(xiàn)的工況。

圖8 工況2輸氣方案示意圖

對于此種工況的研究，分別取氣源3來氣量為1 000×104m3/d、1 200×104m3/d、1 400×104m3/d的3種情況對此種極限工況進(jìn)行研究。

當(dāng)氣源3來氣量為1 000×104m3/d時，運(yùn)用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖9所示。

圖9 工況2氣源3來氣量為1 000×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖9可知，方案一沒有開啟J站的壓縮機(jī)對氣體進(jìn)行增壓，氣體輸送至E站時壓力降至3.87 MPa，未能達(dá)到最低進(jìn)站壓力為5 MPa的要求，所以方案一不可行；而方案二在K站經(jīng)增壓后可以順利達(dá)到H站，運(yùn)用軟件的單站優(yōu)化模塊計(jì)算可得K站需開啟壓縮機(jī)2臺，轉(zhuǎn)速分別為7 746 r/min和7 624 r/min。

當(dāng)氣源3來氣量為1 200×104m3/d時，運(yùn)用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖10所示。

圖10 工況2氣源3來氣量為1 200×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖10可知，方案一沒有開啟J站的壓縮機(jī)對氣體進(jìn)行增壓，氣體輸送至E站時壓力降至負(fù)壓，未能達(dá)到最低進(jìn)站壓力為5 MPa的要求，所以方案一不可行；而方案二在K站經(jīng)增壓后可以順利達(dá)到H站，運(yùn)用軟件的單站優(yōu)化模塊計(jì)算可得K站需開啟壓縮機(jī)2臺，轉(zhuǎn)速分別為9 450 r/min和9 252 r/min。與來氣量為1 200×104m3/d的工況差別不大，若未來有此輸送規(guī)劃可以在K站安裝壓縮機(jī)組。

當(dāng)氣源5來氣量為1 400×104m3/d時，運(yùn)用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖11所示。

圖11 工況2氣源5來氣量為1 400×104 m3/d的輸氣方案分析圖

由圖11可知，當(dāng)輸氣量為1 400×104m3/d時，方案一僅開啟H站的壓縮機(jī)組不能完成輸送任務(wù)；方案二增開了J站的壓縮機(jī)組將氣體增壓到10 MPa，氣體仍然不能滿足E站的最小入口壓力；方案三繼續(xù)增開K站的壓縮機(jī)組，氣體到達(dá)E站的入口壓力剛好為5 MPa，方案三H站開啟3臺壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速分別為11 000 r/min、11 050 r/min和11 124 r/min，J站開啟2臺壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速分別為10 596 r/min和10 493 r/min，H站開啟2臺壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速分別為9 450 r/min和9 252 r/min。在該輸氣量任務(wù)下，需要在K站安裝壓縮機(jī)組才能完成生產(chǎn)任務(wù)。

從工況2的研究結(jié)果可知，M管網(wǎng)在不增加輸氣站場的前提下可以完成上述3種輸氣量情況，但需要在K站安裝壓縮機(jī)組。

2.2.3 工況3研究

第3種極限工況為從氣源1經(jīng)A站進(jìn)氣向H站供氣，此工況的輸氣方案如圖12所示。從圖12可以看出，沿線只有J站一個壓氣站，因?yàn)樽訩站輸往H站方向地形高程呈上升趨勢，所以此種工況可能出現(xiàn)管內(nèi)氣體壓力不足的情況。其中氣源1為一個大型地下儲氣庫，專門應(yīng)對冬季部分地區(qū)氣荒問題。

圖12 工況3輸氣方案示意圖

對于此種工況的研究，僅選取氣源1來氣量為1 000×104m3/d的一種情況對此種極限工況進(jìn)行研究。

當(dāng)氣源1來氣量為1 000×104m3/d時，運(yùn)用所編寫軟件的水力仿真模塊對各處壓力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖13所示。

圖13 工況3氣源1輸氣量為1 000×104 m3/d的輸氣方案分析1圖

由圖13可知，方案一氣體輸送至J站時壓力降至負(fù)壓，J站無法對氣體增壓，所以方案一不可行；而方案二在K站經(jīng)增壓后可以順利達(dá)到J站，但是該管網(wǎng)現(xiàn)在所采用的壓縮機(jī)型號中入口壓力最低需要達(dá)到3 MPa，所以方案二因?yàn)樵O(shè)備限制原因同樣不可實(shí)現(xiàn)。因此只能選擇在氣源1即地下儲氣庫出口處安裝壓縮機(jī)組，若選用與J站同樣型號的機(jī)組可將氣體壓力升至7 MPa，結(jié)果如圖14所示。

圖14 工況3氣源1輸氣量為1 000×104 m3/d的輸氣方案分析2圖

圖14所述方案一氣體輸送至J站時壓力降至3.25 MPa，沒有滿足最小進(jìn)站壓力要求，所以不可行；方案二在K站增加了壓縮機(jī)組，將壓力增加至10 MPa，可以順利將氣體輸送至H站，其中氣源1處開啟2臺與J站同型號的壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速分別為7 436 r/min和7 529 r/min，K站同樣開啟2臺與J站同型號的壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速分別為10 439 r/min和10 396 r/min。

本種工況不再討論1 200×104m3/d和1 400×104m3/d兩種輸氣量情況，因?yàn)闅庠?至K站管段水力壓降不大，壓降主要在K站至H站管段，而上述方案增壓J站還未開啟，所以更大輸氣量下是可以完成生產(chǎn)任務(wù)的。

從工況3的研究結(jié)果可知，為了氣源1代表的地下儲氣庫在冬季能真正發(fā)揮作用，不需要增設(shè)輸氣站場，但在地下儲氣庫出口和K站需要增加壓縮機(jī)組。M管網(wǎng)需要做如下調(diào)整改進(jìn)：氣源1處和K站增加壓縮機(jī)組。

3 結(jié)論

各輸氣干線“互聯(lián)互通”之后，工況變化較大，為了實(shí)現(xiàn)輸氣干線管網(wǎng)的靈活調(diào)控，需要對現(xiàn)有管網(wǎng)進(jìn)行一定的調(diào)整及改進(jìn)。針對M管網(wǎng)的實(shí)際工況，開發(fā)了對應(yīng)軟件，利用軟件計(jì)算分析了M管網(wǎng)在3種極限工況下的運(yùn)行參數(shù)，并基于分析結(jié)果對M管網(wǎng)提出如下改進(jìn)建議。

1） K站增加壓縮機(jī)組，3種極限工況都有此需求。

2）工況1路線大輸氣量情況下，在K站與L站之間增設(shè)壓氣站。

3）工況3在現(xiàn)有站場及壓縮機(jī)配置情況下難以實(shí)現(xiàn)，需要在氣源1出口處安裝壓縮機(jī)組，這樣才能更好發(fā)揮氣源1地下儲氣庫的應(yīng)急調(diào)峰作用。

M管網(wǎng)在做了上述改進(jìn)調(diào)整之后，可以完成大部分的多線組合極限工況，使M管網(wǎng)真正可以完成互聯(lián)互通的輸氣方案。