輸氣管道管存控制分析

丁 媛 宮 敬 戴征宇，3 王茂西

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

0 引言

管存是指管道內儲存的氣體量，即管道運行時實際儲存的天然氣在標準狀態下（絕對壓力101.325 kPa，溫度293.15K）的體積，是管道運行效率、壓力、溫度以及運行配置的綜合指標[1-2]。在國外，管存數據統計及管理是一項重要的日常運行管理內容。國內一般將管存用于運行輸差的分析，在日常運行中應用并不廣泛。為了優化管道的運行管理，我國已逐漸引入了管存控制理念，中國石油應用系統管道生產管理系統（PPS）每天定時計算輸氣管道管存量并實施動態監控。

1 合理控制管存的意義

管存隨進氣量、銷氣量、轉供量、壓氣站運行配置等參數的變化而波動。管存過低時不能滿足分輸用戶需求，管存過高時會對管道承壓及沿線壓縮機運行安全帶來風險。因此，在輸氣管道運行中，確定合理的管存范圍十分重要[3]。

1.1 合理確定運行參數

管存可以反應出管道運行的壓力、壓縮機配置以及管道氣進出量是否平衡等綜合情況；可以作為上游進氣、下游銷氣、儲氣庫注采以及管網轉供量的控制依據。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，有利于輸氣管道的安全平穩運行。

1.2 儲氣調峰

管道本身具有一定的儲氣調峰能力，是管道短期調峰的重要手段。當銷氣量不足時，將富余的進氣量儲存進管道；當銷氣量充裕時，將儲存在管道里的天然氣分輸出去。其中陜京管道冬季用氣結構中城市燃氣用戶比例日益增高，用氣受氣溫影響明顯。為滿足冬季用氣高峰需求，可以根據用氣規律預測用氣高峰量，提前儲備管存以提高短期調峰能力。

1.3 臨時保障供氣

保障用戶用氣安全是管道運行的重要任務。當用氣量激增而上游氣源不能及時補充時，或上游氣源量下降而用戶不允許停氣時，可利用管存應急供氣。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、儲氣和應急功能，能夠應對銷氣量、轉供量的峰谷值變化，事故發生時可以提供一定的應急儲備做到臨時供氣應急。根據我國的實際情況，建議將管存控制分為高／低安全管存區、允許高/低管存區和目標高／低管存區，管存控制區范圍根據實際情況進行調整。

2 管存計算

2.1 理論公式

管存計算的依據為實際氣體狀態方程（pV＝ZRT），計算公式為[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為管道起點的壓力，MPa； pz為管道終點的壓力，MPa；Tz為管道終點的溫度，K；Tq為管道起點的溫度，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度、內徑有關。對于長距離輸氣管道，涉及彎頭、閥室、站場等原因，沿線內徑是變化的。為確保管存精確度，管存計算宜采用分段計算最終求和的方式。

2）壓力。輸氣管道沿線設置多個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，氣質參數也隨之變化，這些參數變化都會影響最終的計算結果。

3）溫度。輸氣管道與周圍環境進行熱交換，環境溫度會影響管道的輸送溫度，進而影響管存量。環境溫度主要指土壤溫度和當地氣溫，與季節變化緊密相關。

4）壓縮因子。壓縮因子規定著氣體管道在正常壓力下氣體的壓縮程度及所處狀態。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方程都會發生偏差，而且壓力越高溫度越低，這種偏差就會越大。因此，選取合適的壓縮因子計算方法是提高管存計算精確度的關鍵。

除了以上4個因素，管存計算時間、管道落差、進氣量、銷氣量和轉供量也是影響管存量的重要因素。

2.3 管存計算方法

管存的計算方法主要有兩種，一種是通過管存計算系統計算，另一種是通過模擬軟件測算。不論何種計算方法，其理論依據均為實際氣體狀態方程。

1）管存計算系統。中國石油應用PPS系統計算管存，數據來源分為靜態數據（管容）和SCADA（數據采集與監視系統）系統采集的動態數據。靜態數據來源于管道竣工資料，穩定性良好；動態數據主要是各個閥室、站場的進出口壓力、溫度，SCADA系統采集數據的全面、準確、及時性決定了管存計算結果的精確度和時效性。

2）模擬軟件測算。我國陸續引進了一些主流的輸氣管道模擬軟件，例如SPS、TGNET等，通過模擬軟件測算可以得到輸氣管道的管存。輸氣管道運行始終是處于非穩態工況的，沿線閥室、站場的壓力、溫度等參數一直處于波動狀態。瞬態模擬計算考慮了管道流量隨時間變化的規律，減少了因各參數隨時間變化產生的偏差，因此采用瞬態模擬計算軟件SPS可以更準確地計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，途經陜西、內蒙古、山西、河北、北京、天津三省兩市一區。目前陜京輸氣管道實現了管道間的物理連接，方便輸氣管道間的天然氣調配。陜京一線、四線在運行上的調節空間較??；陜京二、三線基本并行鋪設，兩條管道在沿線的3座壓氣站設計聯合增壓流程，并在多個閥室設計連通流程，可通過切換以上位置流程，實現陜京二、三線聯合運行和獨立運行的切換。陜京二、三線沿線壓氣站數目多、機組配置方式多，為管存控制提供了較大的空間。

3.1 管存控制區

在給定天然氣輸量的條件下，壓氣站以最低進站壓力工作時管存最低，若低于該壓力則壓縮機無法正常工作，此時的管存可以作為最低管存；維持氣體輸量不變，逐步提高進站壓力，相應的出站壓力也提升，當出站壓力達到最高允許的操作壓力時，管存也將達到最大值，此時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作為最高風險管存的邊界條件。相應的目標管存、允許管存按均分原則確定，即以最低進站壓力與最高進站壓力為邊界，平均分成6段得到進站壓力的設定值，依次按每個設定值計算相應的管存[7]。

3.2 合理管存范圍的確定

確定合理管存范圍時，應遵守管道運行的安全性、可靠性和高效性原則[8-9]。首先，為保證管道安全運行，管道壓力應維持在最高和最低允許操作壓力的范圍內。只有管道運行壓力不超標，運行設備才不會出現故障損壞等問題；其次，管道應保質保量地完成輸送任務，管存控制工況應滿足用戶接收壓力要求并具備一定的調峰和應急能力，當發生異常工況可降低風險；最后，管存控制工況中壓縮機組運行應處于性能曲線的高效區，避免能源損失[10]。依照以上原則制定的管存控制方案為：在最低進站壓力控制下，隨著輸量的增大壓縮機開機數量增加，此時最低管存會逐步下降；當全線壓縮機都啟動后，隨著輸量的上升，管存也會逐步上升，低管存呈現出先下降后上升的趨勢。在最高出站壓力控制下，隨著輸量的增大壓縮機開機數量增加，管存隨之逐漸增加；當全部壓縮機都啟動后，繼續增加輸量管存反而逐步下降。高管存的變化趨勢與低管存的相反，是先上升后下降的[11]。因此，管存控制區隨著氣體輸量的增加呈現出一個由小到大、再由大到小的趨勢，管存控制區呈現為紡錘形（圖1）。

圖1 陜京二、三線管存控制區圖

4 結束語

2017-2018年冬季，城市工業鍋爐煤改氣力度加大，城市燃氣消費量同比顯著增長；隨著國內經濟形勢回暖，發電用氣量高速增長，化工等工業用氣量也顯著回升，尤其是華北地區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嚴峻，且華北地區主要以民用氣為主，短期調峰任務較重。確定合理管存控制區，為輸氣管道的安全輸送提供指導依據，可作為上游進氣、下游銷氣、儲氣庫采氣和管道轉供的重要依據，以確保系統平衡。輸氣管道運行時，其管存應始終處于合理的管存范圍內。在正常運行狀態下，應維持在目標管存區內；在運行調整或處于應急工況時， 管存可在允許管存區內波動， 應盡量避免進入高／低安全管存區。

[1]周建，許紅川，李琦，等.川渝輸氣管網管存控制技術及案例分析[J]. 天然氣工業，2013（1）：132-136.

[2]焦金改，馬燕，王樂蓮，等.天然氣管道生產運行中管存的合理控制[J].中國石油和化工標準與質量，2014（5）：236.

[3]張超，郝多虎，盧洪生.管存計算在川氣東送三維管道GIS系統中的研究與應用[J].計算機關盤軟件與應用，2012（22）：219-220.

[4]朱瑞華，郭偉.天然氣長輸管道管存計算方法研究[J].管道技術與設備，2016（6）：56-58.

[5]謝躍輝，趙秀芳，李朝臣.長距離輸氣管道管存計算及應用[J]. 化學工程與裝備，2014（9）：78-79.

[6]鄭志煒，吳長春，蔡莉.輸氣管道末段儲氣能力穩態計算法偏差分析[J]. 油氣儲運，2012（5）：37-40.

[7]丁媛.陜京輸氣系統運行方案優選[D].青島：中國石油大學（華東），2012.

[8]張樹林.長距離輸氣管道管存計算及應用研究[J].化工管理，2016（4）：119.

[9]杜潔，王欣楠，范豆.信息技術在氣體管道管存計算領域的應用[J]. 化工管理，2016（7）：99.

[10]林楊，關木應子，亓偉.信息技術在氣體管道管存計算領域的應用研究[J].石油規劃設計，2009（1）：533-536.

[11]周英，陳鳳，孫在蓉.陜京輸氣系統整合優化[J].天然氣與石油，2011（1）：5-8.