基于優化運行數據庫的干線天然氣管網優化研究

徐育斌 冷緒林 安云朋 劉少山 董平省

1浙江浙石油儲運有限公司

2中國石油天然氣管道工程有限公司

伴隨著國家工業化和城市化的發展進程以及環保要求的不斷提高，天然氣作為一種高效的清潔能源，需求量逐年增加。管道輸送是陸上天然氣長距離運輸的主要形式，在國民經濟中發揮著越來越重要的作用。隨著我國橫跨東西、縱貫南北的天然氣管輸網絡的形成，保持天然氣管網安全、高效、經濟地運行迫在眉睫[1]。天然氣干線管網通常具有多氣源、多分輸、多壓力等級、多壓氣站類型等特點，在水力、熱力系統方面具有復雜性，在氣量分配、機組啟停等方面具有多樣性。這些因素決定了大型輸氣管網優化工作具有挑戰性，隨著天然氣管網規模擴大及運行復雜程度的提高，對管網集中調控提出了更高的要求，僅憑調度員經驗難以全面應對管網運行問題，亟需高效的優化工具輔助制訂運行方案，調整日常工況[2～4]。

據統計，中國天然氣管道輸送中天然氣耗用量占輸氣量的15‰以上，而歐洲的平均水平為3‰～8‰左右[4]，中國仍有較大的節能降耗潛力[5-6]。天然氣管網的優化運行對減少氣體排放、降低運行成本具有重要意義[7]。

1 天然氣干線管網優化

以我國西部地區天然氣管網為例，該管網是由西一線、輪吐支干線、西二線、西三線構成的環狀管網（圖1），具有塔里木氣田、中亞管網來氣（中亞A/B/C線）2個主要氣源，氣源供應的天然氣量在天然氣管網內各管道系統中的分配是該干線管網面臨的第一個優化問題。此外，該天然氣管網內機組包含燃驅機組和電驅機組2種驅動機類型，電價、氣價的變化對管網運行費用具有直接影響，管網機組的啟機類型及方案是該干線管網面臨的第二個優化問題。

圖1 西部天然氣干線管網示意圖Fig.1 Schematic diagram of the western natural gas main pipeline network

1.1 構建天然氣管網優化數據庫

天然氣管網內的單條管道由管道系統和壓縮機系統兩部分構成。管道系統消耗的能源與壓氣站供應能源相平衡，保證單條管道系統低能耗即可達到控制管道系統低能耗的目標，因此，以保證管道平均高壓為基本思想，把控單條管道運行的壓力及壓縮機組效率[8-9]，通過多個啟機方案對比，在單條管道的適應輸量、壓力、燃驅/電驅優先級、環境參數下，計算得到單條管道運行的優化數據庫，保證數據庫內單條管道處于低能耗水平，為管網整體優化運行奠定基礎。

1.2 天然氣管網優化邏輯

對于單條天然氣管道，根據能量守恒定律，壓氣站供能與管道系統耗能相平衡。輸氣管道耗能主要由天然氣在管內流動摩擦所致，在穩態工況下，壓降損失具有規律的水力學特性，管道壓降隨輸氣量呈規則的拋物線型關系[10]。根據能量守恒，在特定的壓力、溫度下，壓縮機對氣體做功與輸氣量也呈拋物線型關系，壓縮機所做功W為

式中：W為壓縮機做功，J；W1為驅動機做功，J；η1為驅動機做功效率；η2為壓縮機做功效率。

在特定條件下，η1、η2為定值，壓縮機站耗能與輸氣量同樣呈規律的拋物線型關系。

以西二線、三線管道為例，在冬季工況下，壓縮機出口壓力等級為11.5 MPa，電驅機組優先啟動的條件下，輸氣量在14 400×104～18 000×104m3/d（0℃、1 atm，下同）范圍內，管道系統電驅機組耗電量與輸氣量的關系如圖2所示。

天然氣管網內的各單條管道，在相應的輸量、壓力、溫度、燃驅/電驅啟動優先級等確定條件下，均可計算得到單條管道全輸量范圍內的能耗值，獲取能耗與輸氣量之間的曲線圖。

采用最小二乘法對全輸量范圍內的單條管道能耗曲線進行數據擬合，即可建立單條管道輸氣量與管道能耗之間的關系方程。

圖2 輸氣管道能耗（耗電量）與輸氣量的關系Fig.2 Relation of energy consumption(power consumption)and gas transmission rate

在整個天然氣管網中，根據質量守恒定律，各單條管道的入口輸氣量之和與總供氣量之和保持一致，即

式中：Q為管網系統總供氣量，104m3/d；Qi為第i條管道入口輸氣量，104m3/d。

根據管網內單條管道能耗隨輸氣量的變化曲線，經數據擬合可得到天然氣管網內各單條管道的能耗方程組為

式中：Eqi為單條管道產生的能耗（耗氣與耗電），m3或kWh；a、b、c為各能耗方程系數。

根據單條管道的能耗計算值與能耗單價（耗氣價格與電價），可得到單條管道的運行能耗費用為

式中：Costi為單條管道能耗費用，元；P為能耗單價，元。

全管網能耗為各單條管道能耗之和，即

為了達到全管網能耗尋優的目的，根據各單條管道輸氣量與能耗之間的關系方程，在各單條管道輸量范圍內進行輸量的全面組合，將總輸氣量在全管網完成分配，找到輸量分配能耗最低的方案，確定管網優化氣量分配方案。以輸氣量為線索，調用各單條輸氣管道優化運行數據庫，確定優化方案對應的詳細運行方案，包括整個天然氣管網的壓氣站啟動數量及壓縮機組的類型。

根據上述方法，以西部天然氣管網為例，按照圖3所示的邏輯圖（圖中虛框為可選項），完成優化軟件的編制。

圖3中QH為西二線、三線霍爾果斯來氣流量，QTLM為塔里木氣田來氣流量，QLT為輪吐線輸氣量，QXYX為西一線輸氣量，QLMQ為西二線、三線連木沁壓氣站進站流量，QWLMQ為西二線、三線烏魯木齊分輸下載氣量；QHHQ為西二線、三線霍爾果斯—吐魯番段壓氣站耗氣量，QLTHQ為輪吐線壓氣站耗氣量；CostH為西二線、三線霍爾果斯—吐魯番段管道能耗費用， EqH為該管道能耗方程組〔公式（3），下同〕；CostLT為輪吐線管道能耗費用，EqLT為該管道能耗方程組；CostXYX為西一線管道能耗費用，EqXYX為該管道能耗方程組；CostLMQ為西二線、三線連木沁—中衛段管道能耗費用， EqLMQ為該管道能耗方程組；Costmin為管網運行最小能耗費用值，當CostSUM＜Costmin，CostSUM覆蓋Costmin。

圖3 西部管網優化運行軟件編制邏輯簡圖Fig.3 Diagram of optimal operation software compilation logic for western pipeline network

2 管網優化前后結果對比

隨機選取西部管道公司2017年10月31日的天然氣生產報表，當日，塔里木氣田外輸天然氣總量為5 881.6×104m3/d，霍爾果斯口岸中亞進口天然氣為11 636.0×104m3/d，昌吉與烏魯木齊集中分輸下載量為914.9×104m3/d。其中，輪吐線調氣量為2 527×104m3/d，西一線輸氣量為3 354.6×104m3/d。經統計：①管網西一線運行機組平均出口壓力為9.46 MPa，西二線、三線系統機組平均出口壓力為11.16 MPa，輪吐線機組平均出口壓力為9.39 MPa；②管網內西一線耗電量為41.31×104kWh，輪吐線耗電量為7.22×104kWh，西二線、三線聯合系統耗電量為456.55×104kWh，則整個管網總耗電量為505.08×104kWh；③管網西一線耗氣量為62.4×104m3，輪吐線耗氣量為14.0×104m3，西二線、三線聯合系統耗氣量為229.6×104m3，則整個管網總耗氣量為306.0×104m3。結合相應的電價、氣價，經計算，西部天然氣管網當日的運行費用為578.42萬元。

在相同的輸量邊界條件下，采用優化運行軟件進行優化，選取西一線和輪吐線運行壓力等級為9.5 MPa，西二線、三線系統運行壓力為11.5 MPa。重新確定管網氣量分配與運行方案：輪吐線調氣量為2 403×104m3，西一線輸氣量為3 478.6×104m3，全管網燃驅/電驅混合站均電驅壓縮機組優先啟動。

優化后，西部天然氣管網的運行能耗數據：西一線耗氣量為67.02×104m3，耗電量為39.52×104kWh；輪吐線耗氣量為11.37×104m3，輪吐線耗電量為18.39×104kWh；西二線、三線耗氣量為183.39×104m3，西二線、三線耗電量為418.7×104kWh。則整個管網總耗氣量為261.78×104m3，總耗電量為476.61×104kWh，結合相應的電價、氣價可知，管網運行費用為512.9萬元。

對比優化前后的天然氣管網運行方案，管網能耗費用可節約65.5萬元，降低了11.33%，這在后續的實際應用中也得到了驗證。

3 結束語

以天然氣管網運行能耗費用為優化目標，在管網內單條管道優化運行的基礎上，建立了整個天然氣管網的優化運行數據庫；依據天然氣管道能耗與單條管道輸氣量之間的特性關系，確立了單條管道輸氣量與其能耗之間的關系方程組；進一步通過輸氣量優化分配邏輯，確定最優的管網輸氣量分配方案，同時，通過調取運行優化數據庫提供最優工況的運行方案，從而解決天然氣干線管網的優化問題。該優化方法在西部管網進行了實際應用，對比2017年10月31日的天然氣生產日報表，采用優化運行方案，運行能耗費用可降低11.33%，具有良好的應用效果。