天然氣長輸管道的節能措施分析

張旭東（中國石油北京天然氣管道有限公司）

為應對日益增長的天然氣需求，我國正積極打造天然氣輸送管網，根據規劃，預計到2015年，我國天然氣管道規劃總長將接近10萬公里。油氣管道在把能源輸送給用戶的同時，自身也要消耗能源。隨著我國油氣管道建設的快速發展，油氣管道運輸量大幅增長，管道自耗能也相應有較大增長。搞好管道運輸的節能降耗也就顯得越來越迫切[1]。

1 天然氣長輸管道的節能潛力

天然氣長輸管道節能是一個系統工程，要從源頭開始考慮。從管道設計開始，包含管道優化運行、壓縮機等重點耗能設備的運行維護以及充分利用余熱余壓和新能源。對于運行中的長輸管道，節能的關鍵是提高管道運行的能源利用效率，減少燃料動力消耗。

2 節能技措分析

2.1 設計節能

2.1.1 系統工藝設計的優化

在目前管道大發展階段及以后的管道建設和運行中，很難有單一輸氣管道獨立運行，基本形成區域管網系統。在新管線設計時，必須既滿足新老管線系統安全可靠供氣，又能達到新建系統投資最省，運營費用最低的效果[2]。

要實現上述功能，使系統構成最優化，必須將新老系統有機結合，構成一個完整的可以實現靈活調配的管網系統，進行工況模擬計算、分析，對管網系統構成方案進行優化，才能實現在充分利用已建設施的基礎上，新建系統投資省、安全、環保和節能的目的[3]。

2.1.2 管道內涂層設計節能分析

天然氣在輸送過程中，要克服管道摩阻。影響摩阻的主要因素是管內壁粗糙度。在輸送量和出口壓力一定時，內壁粗糙度越大，輸送壓降越大。

管道內涂層技術在可以有效防止管道內腐蝕發生的同時，也是提高輸量的有效手段，尤其是對長輸輸氣管道更顯著。實際檢測表明，內涂層能夠使管道的輸氣量提高4%～8%[4]。輸氣管道采用內涂層，可以使管道內表面光滑、降低粗糙度、減小水力摩阻系數，從而達到提高管道輸氣量；在相同輸氣量條件下，可以降低壓縮機需用功率，既能減少機組建設的投資費用，又能減少投運后壓縮機的能耗費用和維護費用。

如果從經濟性方面考慮，是否采取內涂層需要將管道全生命周期發生的費用合并計算。如果從節能減排方面考慮，采用內涂層后將擴大壓氣站的間距，減少壓氣站的數量和總裝機功率，從而降低燃料動力消耗。

2.1.3 合理選擇壓縮機組類型

壓縮機組是壓氣站乃至長輸管道的心臟。壓縮機組的原動機比較常用的是電動機和燃氣輪機。因電動機和燃氣輪機在機組效率和燃料排放折標煤系數上差別很大。因此，在充分考慮壓氣站當地能源供應的情況下，如何選擇原動機的類型達到節能減排的目的需要在設計時重點研究。如高壓大功率變頻器在陜京二線榆林壓氣站的應用，不僅能更好地滿足輸氣工藝變工況的要求，而且還能節省約10.45%的用電量，節能效果明顯[5]。

2.2 管道運行節能

2.2.1 管道運行優化

天然氣管道的優化運行就是在管道系統物理參數已經確定的條件下，根據氣源的供氣情況和各用戶的用氣情況，對管道系統的運行參數進行優化，既能滿足安全平穩輸氣和供氣，也能使管道總的燃料動力費用最低。由于優化的目標函數是以管道總能耗或者總功率最低，所以對于長輸管道來說，管道的優化運行是管道企業最大的節能技措。

管道優化運行的影響因素較多。目前國內常用離線模擬軟件TGNET、SPS進行優化運行分析。通過SCADA系統將實際能耗數據在線采集上來，與方案進行對比分析，及時調整運行方案。

2.2.2 提高壓縮機的運行效率

壓氣站的運行費用占管道總運營費用的50%左右，壓縮機及其配套的原動機的能耗占壓氣站運營費用的70%以上，占長輸管道能耗費用的96%左右。因此，提高壓縮機組的效率將是降低輸氣能耗的重要措施。各類型機組在滿負荷時，電驅機組的效率為70%～85%，燃驅機組的效率為25%～40%。雖然機組的效率均在正常范圍內，但是效率相對低的壓縮機組就有節能的空間。壓縮機組在非滿負荷的情況下，通過提高入口壓力和調整壓縮機余隙達到提高運行效率降低能耗的目的。

2.2.3 減少天然氣放空

天然氣長輸管道在運行過程中，由于各種原因需要進行天然氣放空，如壓縮機的啟停放空、管線施工放空、站場設備的維檢修放空以及緊急情況的應急放空等。在生產運行過程中，通過合理安排管道施工作業方案和優化壓縮機的啟停，減少放空的次數并盡可能降低放空壓力，使放空量減少。

2.3 利用余熱余壓節能

2.3.1 壓縮機余熱節能技措

余熱發電是利用生產過程中多余的熱能轉換為電能的技術。根據調查，各行業的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。余熱發電不僅節能，還有利于環境保護。

目前輸氣管道壓氣站驅動方式有燃驅和電驅，燃驅站使用的燃機排煙溫度接近500℃，燃機標態工況排煙量為93.7 kg/s，屬于比較優良的余熱資源，正常情況下直接排放到大氣中。通過余熱發電技術，將高溫的排煙廢氣作為熱源，通過余熱鍋爐生產蒸汽進入蒸汽輪發電機組用于發電。以某一壓氣站3臺30MW燃氣輪機壓縮機組為例，按壓縮機組采用2用1備方式年運行各8 000 h計算，年發電量約1×108kWh，投資回收期不超過5年。

2.3.2 分輸站場壓差發電

目前，我國長輸天然氣大多采用高壓管輸方式，輸送的高壓天然氣經分輸站調壓降至中壓標準進入城市管網。天然氣在調壓過程中將損失大量的壓力能，如果能采取適當的措施回收利用壓力能，將提高能源的利用率，減少資源浪費，對提高天然氣管網運行的經濟性具有重大意義[6]。

天然氣壓差發電就是利用高壓氣體在降壓時產生的能量發電，亦稱“氣體直接膨脹方式”，主要設備是天然氣透平膨脹發電機組。以某一天然氣分輸站調壓壓降為2.5MPa，年輸量在5×108m3，供氣時間8 000 h計算，年發電量約為987×104kWh。如果所發電量能夠上網，投資回收期在3年以內，是非常好的節能項目。

2.4 新能源利用

目前可以在長輸管道站場應用的新能源有太陽能和地熱能。利用太陽能發電可以替代天然氣管道閥室中的TEG發電設備，可以減少TEG所帶來的維護量、高維護成本和部分安全隱患，該節能技術尤其適用于邊遠地區不易引入外電的閥室。

3 結論

在天然氣長輸管道的設計及運行過程中，根據不同管道的具體特點，積極有效的開展各項節能措施，將會明顯地提高長輸管道輸氣效率和降低管道能耗，同時也能降低管道運輸成本。

[1]劉冰.油氣管道能效管理[M].北京:地質出版社,2011.

[2]任啟瑞.輸氣工藝系統優化設計[J].天然氣與石油,2007,25(6):1-7.

[3]GB 50251—2003輸氣管道工程設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[4]權忠輿.研究與應用輸氣管道內壁涂層技術是明智之舉[J].油氣儲運,2000,19(9):1-5.

[5]王柱華.榆林壓氣站高壓變頻調速節能技術[J].天然氣與石油,2007,25(6):36-38.

[6]陳紹凱.高壓天然氣管道壓力能的回收與利用技術[J].油氣儲運,2009,28(2):51-54.