摘 " " "要：管道輸送是天然氣運輸?shù)闹匾\輸方式，節(jié)能降耗是天然氣管輸亟需解決的問題。分析天然氣管輸系統(tǒng)和設備能耗情況，從直接能耗和間接能耗兩方面，綜述管輸天然氣節(jié)能降耗措施如下：①合理選擇壓縮機組及其驅動方式，優(yōu)化壓縮機組運行工況，定期維護保養(yǎng)，降低壓縮機組能耗；②采用高壓輸氣、降低輸氣溫度、管內(nèi)壁涂減阻內(nèi)涂層、合理的設備和管道路由等措施降低輸氣管道摩阻損失；③采取措施預防輸氣管道泄漏和減小天然氣放空量，降低間接能耗；④融合大數(shù)據(jù)分析、天然氣管網(wǎng)仿真、人工智能等技術，做好管輸系統(tǒng)分析預測，優(yōu)化運行及決策方案；⑤利用回收余熱、余壓以及利用新能源等措施，提高能源利用率。上述節(jié)能降耗措施對天然氣管輸?shù)墓?jié)能降耗、降低運營成本具有重要借鑒意義。

關 "鍵 "詞：管輸天然氣；節(jié)能降耗；間接能耗；直接能耗；摩阻損失；優(yōu)化運行

中圖分類號：TQ09 " " 文獻標識碼： A " " "文章編號： 1004-0935（2023）04-0539-05

在“雙碳”目標下，天然氣作為一種清潔、低碳、高熱值的綠色優(yōu)質能源，將在能源結構向低碳轉型過程中發(fā)揮重要作用，管道輸送是其重要的運輸方式。天然氣管輸系統(tǒng)復雜，主要由氣源、管網(wǎng)、用戶及儲氣設施等要素構成[1]。20世紀60年代，我國建成第一條天然氣輸送管道——巴渝線，發(fā)展至今已有50余年，輸氣管道建設取得豐碩成果[2]。截止2020年，我國的天然氣干線管道和城市燃氣管道的總長分別為10.2萬km和86.04萬km[3]，已逐步形成橫跨東西、縱貫南北的天然氣管網(wǎng)，基本實現(xiàn)了“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸及就近供應”的供氣格局[4-5]。近年來，國家能源產(chǎn)業(yè)結構不斷升級，對環(huán)境保護提出了更高要求，天然氣需求量持續(xù)增加，天然氣管輸系統(tǒng)規(guī)模日趨大型化，運行工況復雜多變[6]，天然氣管輸系統(tǒng)實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、高效運行的難度增大。天然氣管輸系統(tǒng)的高能消耗及天然氣消耗等問題[7]，成為制約天然氣發(fā)展的重要因素和亟需解決的問題。為降低天然氣管輸能耗，就必須分析管輸能耗產(chǎn)生的原因，提出了針對性的節(jié)能降耗措施。

1 "天然氣管輸能耗分析

天然氣管道輸送產(chǎn)生的能耗包括間接和直接能耗[8]。間接能耗是由管道漏氣和氣體放空等原因產(chǎn)生的，可通過先進的技術手段避免發(fā)生；直接能耗是氣體輸送中管道、設備、壓縮機阻力產(chǎn)生的，可通過改進工藝、采用新設備、新技術等技術手段降低，但不可避免。因此，要降低管輸能耗，就必須分析兩種能耗形式產(chǎn)生的原因，采取有效節(jié)能技術對管輸能耗加以控制[35]。

2 "降低輸氣管道直接能耗措施

2.1 "壓縮機組

壓縮機組主要應用于壓氣站，是天然氣管輸系統(tǒng)必不可少的一項設備，為整個系統(tǒng)提供動力，是壓氣站運行的主要耗能裝置，其經(jīng)營成本高，約占天然氣管輸系統(tǒng)運營成本的40%～50%[28-29]。因此，對壓縮機組進行改進，對管輸天然氣的節(jié)能降耗尤為重要。

2.1.1 "壓縮機組的選擇

天然氣管輸系統(tǒng)常用的壓縮機類型為往復式和離心式。兩類壓縮機的使用范圍不同，但各具優(yōu)勢。往復式壓縮機的壓縮效率較高，可提供更高壓力，但周期性的往復運動導致能耗增多，適用于低排量、高壓比的工況，壓比通常為3∶1或4∶1；離心式壓縮機的壓縮效率相對較低，易于實現(xiàn)自動控制和動態(tài)調節(jié)，適用于大排量、低壓比工況。根據(jù)兩種壓縮機特點和輸氣工況，合理選擇壓縮機組?？紤]到管輸天然氣具有輸量大，運行穩(wěn)定，不易損耗部件，管道維修頻率低等特點，宜選用離心式壓縮機[9]。

2.1.2 "優(yōu)化壓縮機運

根據(jù)壓縮機特性可知，壓縮機組存在最佳工作工況。當輸氣量波動時，會破壞最佳工況，導致機組的工作效率大大降低和增加能耗。因此，可增加管道末端儲氣設備、儲氣能力、緩沖用戶等措施，有效調整輸氣管道供需平衡，保持輸氣系統(tǒng)的輸氣量穩(wěn)定，降低壓縮機的耗能[10]。

2.1.3 "合理選用壓縮機的驅動方式

對于天然氣管輸系統(tǒng)，壓縮機驅動方式選擇對管道運行及管輸能耗影響較大[38]，主要有2種驅動方式：電動機驅動和燃氣輪機驅動。電動機的結構簡單，運行可靠，受工況影響小；燃氣輪機實際運轉平穩(wěn)，不受外界干擾，易于與壓縮機匹配，但熱效率較低，主要用于大排量壓縮機。因此，在電力充足地區(qū)優(yōu)先考慮電動機；對于電力匱乏的邊遠地區(qū)，則宜選用燃氣輪機[8]，但要選用效率高的機組。

燃氣渦輪機組的啟動與停止會有大量天然氣放空。另外，天然氣的耗損量與系統(tǒng)的制造和運行年限、機組效率、診斷水平有關系[10]。因此，要加強對燃氣渦輪機組的檢查、定期保養(yǎng)，保障電源供應，盡可能減少燃氣渦輪機組的啟停。

2.2 "降低輸氣管道摩阻損失

管道內(nèi)的摩擦阻力是天然氣長輸管道產(chǎn)生能耗的主要原因。根據(jù)輸氣管道水力計算公式（1）可知，輸氣能耗大小取決于管道內(nèi)天然氣的溫度、流動狀態(tài)及管道內(nèi)壁粗糙度。

（1）

式中： —工程標況下（ ， ）的體積

流量，m3/d；

—輸氣計算管段的起點壓力，MPa；

—輸氣計算管段的終點壓力，MPa；

—輸氣管道內(nèi)徑，cm；

—水力摩阻系數(shù)；

—計算管段的天然氣在平均壓力和平均溫度下的壓縮因子；

—天然氣的相對密度；

—輸氣計算管段的平均輸氣溫度，K；

—輸氣計算管段的長度，km。

2.2.1 "采用高壓輸氣

提高輸氣壓力會使管輸天然氣密度增加，降低天然氣的實際流速，減小天然氣與管壁的摩擦，進而使沿程摩阻損失減少。另外，提高天然氣輸送壓力能使輸氣能耗降低，加大輸氣效率，是管輸天然氣節(jié)能降耗的重要途徑。因受輸氣壓縮機組能力和管材機械性能所限，輸氣工藝不會允許無限制的加大壓力與管徑來降低能耗[11-13]。

2.2.2 "降低輸氣溫度

在天然氣升壓過程中，由于壓縮機組對天然氣做功，導致天然氣溫度升高。根據(jù)輸氣管道水力計算公式（1）分析可知，在輸氣量和壓力一定時，溫度升高，輸氣系統(tǒng)能耗增加。根據(jù)離心式壓縮機軸功率計算公式（2）分析可知，在壓縮比和輸量一定時，天然氣溫度升高會導致壓縮機組的耗功增加，效率降低。

（2）

式中： —離心式壓縮機軸功率，kW；

—壓縮機進口氣體溫度，K；

—氣體常數(shù)；

—氣體平均壓縮因子；

—壓縮比；

—壓縮機效率；

—天然氣質量流量，kg/s；

—天然氣多變指數(shù)。

因此，應在壓縮機組的下游合理設置空冷器，實現(xiàn)常溫輸氣，達到節(jié)約能耗的目的[1]。但為防止溫度過低使天然氣水合物生成造成管道堵塞，不能盲目降低天然氣溫度。

2.2.3 "采用減阻內(nèi)涂層

由式（1）可知，管輸天然氣的水力摩阻系數(shù)增大，沿程摩阻損失增加，而管內(nèi)壁粗糙度是其主要影響因素。輸氣管道內(nèi)壁的減阻內(nèi)涂層，可減小管內(nèi)壁粗糙度，大幅降低摩阻系數(shù)，從而減小天然氣管輸過程的壓能損耗，進而提高輸氣效率。此外，還可以有效的防止管道腐蝕，降低清管器清管和固體顆粒對管道造成的磨損[36-37]。檢測數(shù)據(jù)表明，涂層可以使天然氣輸氣管道得輸氣量提高6%～10%，最高可達18%[37]。

從提高管道輸氣能力、壓氣站間距和輸氣能耗等方面，文獻[15]對內(nèi)涂技術用于商業(yè)管道進行了詳細的經(jīng)濟效益分析，指出采用內(nèi)涂技術可明顯提高管輸天然氣的節(jié)能效益和經(jīng)濟效益。

3 "降低輸氣管道間接能耗措施

3.1 "預防天然氣泄漏措施

天然氣泄漏包括輸氣管道泄漏和輸氣設備泄漏。

輸氣管道泄漏的解決對策：①對有損壞的輸氣管道進行檢修或者更換，并對管道進行安全評估；②定期進行檢查，并做好管道的陰極的保護和防腐涂層工作；③增加員工培訓力度，提高員工操作水平，防止錯誤操作導致的管道的損壞；④在管道路線上建立標志，加大管道路線上的巡查力度，防止人為損壞管道事故的發(fā)生；⑤使用高靈敏度的在線檢測系統(tǒng)加強管道的檢測，實時掌握管道運行狀態(tài)，快速準確檢測泄漏位置，并及時處理，恢復系統(tǒng)的安全運行狀態(tài)。

輸氣設備泄漏可采取定期檢查及時進行更換等措施。

3.2 "天然氣放空

在管輸天然氣過程中，因壓縮機的啟停、管線施工、站場設備檢修以及緊急情況等原因，產(chǎn)生天然氣放空問題[18]。在天然氣管道運行過程中，合理安排管道施工作業(yè)方案和優(yōu)化壓縮機的啟停，具體措施如下：

1）在天然氣輸送管道上安裝截斷閥。每當進行維修或事故處理時，可通過截斷閥控制，降低天然氣的放空量。

2）配備移動式車載壓縮機組。在輸氣管段天然氣放空時，將移動式壓縮機組接入線路閥門旁通管線處設置預留閥門，使放空天然氣轉為相鄰的管道運輸，保證長輸系統(tǒng)的密閉性[19]。

3）在清管作業(yè)時，必須保持管路密封，正常輸氣，避免管道內(nèi)天然氣放空。

由于各種原因在操作過程中的天然氣管道，對壓縮機的排氣的要求，如啟動和停止的通風口，通風管道施工，維修站設備和緊急通風口等。在生產(chǎn)運行過程中，要使放空次數(shù)與放空量減少，必須要通過管道施工的方案和壓縮機的啟動與優(yōu)化來[20]。

4 "天然氣管輸優(yōu)化設計與運行

將SCADA系統(tǒng)應用于天然氣管輸系統(tǒng)，對管輸系統(tǒng)和關鍵設備運行產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的采集與管理[17]，實現(xiàn)對系統(tǒng)能耗的實時有效檢測，以及對系統(tǒng)工作狀態(tài)及時調整，進而有效降低系統(tǒng)的能耗[25]。針對輸氣規(guī)模大、運行復雜的天然氣管網(wǎng)，有效優(yōu)化其運行參數(shù)對實現(xiàn)天然氣管輸系統(tǒng)的經(jīng)濟運行意義重大[27]?；谔烊粴夤芫W(wǎng)仿真技術，對天然氣管輸系統(tǒng)進行運行仿真優(yōu)化，可大大提高輸送效率，降低輸氣能耗，并能形成運行決策方案[26]。基于大數(shù)據(jù)分析方法，深度挖掘天然氣管輸系統(tǒng)運行與管理積累的大量數(shù)據(jù)中蘊含的有價值信息，實現(xiàn)對天然氣管輸系統(tǒng)負荷預測、安全預警、調度評估與優(yōu)化以及設備性能監(jiān)視與回歸等作用[30]。為應對天然氣管網(wǎng)規(guī)模不斷擴大對管網(wǎng)調度、安全經(jīng)濟運行等方面提出的更高要求，將大數(shù)據(jù)分析、天然氣管輸系統(tǒng)仿真、人工智能等新興技術融合，實現(xiàn)智能管道建設成為天然氣管輸系統(tǒng)發(fā)展的重要方向[31-34]。及時精準分析和預測管輸系統(tǒng)氣源、管道、設備及用戶的運行狀態(tài)，優(yōu)化管輸系統(tǒng)運行并給出決策方案，實現(xiàn)對天然氣管網(wǎng)的高效管理和合理調度，從而確保天然氣管輸系統(tǒng)處于高效安全經(jīng)濟運行狀態(tài)，達到節(jié)能降耗目的。

5 "其他節(jié)能降耗措施

5.1 "余熱利用

壓縮機組的余熱回收是重要的節(jié)能措施。對于燃氣壓縮機組，燃氣輪機高溫煙氣的余熱，不僅可通過余熱鍋爐生產(chǎn)熱水或蒸汽，滿足站場采暖、生活熱水和空調制冷等生產(chǎn)和生活需求，但回收的熱能僅為燃氣輪機余熱的1%，此外，還可用于發(fā)電。

壓縮機出口天然氣溫度很高，可達100 ℃以上，可采用余熱回收技術回收熱量，用于職工生活用熱水和采暖等，經(jīng)技術經(jīng)濟分析可得，節(jié)能效果良好[14]。

5.2 "壓能回收利用

目前，長輸管道天然氣輸送大多采用高壓輸送，須經(jīng)調壓后，再進入城市燃氣管網(wǎng)，調壓方式一般為調壓閥降壓，導致該過程產(chǎn)生的壓能損失不能回收利用[21-22]。實際上，天然氣調壓過程產(chǎn)生的壓能損失巨大，以高壓天然氣由4.0 MPa降為0.4 MPa為例，可回收的最大壓力能約為322 kJ/kg，以120×108 m3/a的輸氣量計算，每年管網(wǎng)可回收的最大壓力能約為3.5×1012kJ[23]，因此天然氣長輸管道的壓能回收具有很大的潛力?；厥盏奶烊粴夤芫W(wǎng)壓能常用于發(fā)電和制冷，有效減少了壓力能損失，實現(xiàn)了能源的高效利用。陜京線實踐證明[24]，分輸站場差壓發(fā)電在一定程度上可以滿足輔助設施的用電需求，降低系統(tǒng)整體能耗。

5.3 "應用新能源

在天然氣長輸管道經(jīng)過的地區(qū)，風能、太陽能和地熱能較為豐富，且較易獲取，將其用于發(fā)電，供給輸氣相關設備使用，可大大降低電能消耗，同時還能夠減少發(fā)電設備的維護數(shù)量和大大降低維護成本。因此，要加強新能源的合理利用，實現(xiàn)節(jié)能降耗目標。

6 "輸氣管道節(jié)能建議

天然氣管道輸送的節(jié)能降耗要以降低直接能耗、避免間接能耗、管輸系統(tǒng)優(yōu)化運行、余能回收和新能源利用為著力點。

1）合理選擇壓縮機組及其驅動方式，優(yōu)化壓縮機組運行方案，并做好定期維護保養(yǎng)，降低壓縮機組能耗；

2）采用高壓輸氣、降低輸氣溫度、管內(nèi)壁涂減阻內(nèi)涂層、合理的設備和管道路由等措施降低輸氣管道摩阻損失；

3）通過采用新技術、新工藝以及定期檢維修等手段，減少天然氣放空和泄漏事故，盡量避免間接損耗；

4）融合大數(shù)據(jù)分析、天然氣管網(wǎng)仿真、人工智能等技術，做好管輸系統(tǒng)分析預測，優(yōu)化運行及決策方案；

5）回收輸氣過程的余能（如燃氣壓縮機組的余熱和壓力能）和利用新能源，提高能源利用率，減少能源浪費。

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Discussion on Energy Saving and Consumption

Reduction of Natural Gas Transmission by Pipeline

ZHAI Ke-ping

（Hebei Petroleum University of Technology， Chengde Hebei 067000， China）

Abstract： "Pipeline transportation is an important transportation method for natural gas transportation. Energy saving and consumption reduction are urgent problems to be solved in natural gas pipeline transportation. The energy consumption of natural gas pipeline transportation system and equipment was analyzed from the two aspects of direct energy consumption and indirect energy consumption， the measures for energy saving and consumption reduction of natural gas pipeline transportation were summarized as follows： ① In order to reduce the energy consumption of the compressor unit， the compressor unit and its driving mode should be reasonably selected， the operating conditions of the compressor unit should be optimized， and regular maintenance should be carried out; ② Measures such as high-pressure gas transmission， lowering the gas transmission temperature， coating the inner wall of the pipe with a drag-reducing inner coating， and reasonable equipment and pipeline routing should be used to reduce the friction loss of the gas transmission pipeline; ③Measures to prevent the gas leakage of natural gas pipelines and reduce natural gas venting should be taken to decrease indirect energy consumption; ④Integrate technologies such as big data analysis， natural gas pipeline network simulation， artificial intelligence should be used to analyze and predict the pipeline transportation system， and propose optimal operation and decision-making plans; ⑤waste heat and waste pressure should be recycled and new energy should be used to improve energy utilization. The above measures to reduce energy consumption have important reference significance for energy conservation， consumption reduction and operation cost reduction of natural gas pipeline transportation.

Key words： "Pipeline natural gas; Energy saving and consumption reduction; Indirect energy consumption; Direct energy consumption; Friction loss; Optimal operation