基于陜京管道系統(tǒng)能耗計算的優(yōu)化運行分析

陳嘉琦 郭 杰 蒲 明 魏開華 周 英

1. 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院, 北京 100089;2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

長輸天然氣管道的運行需要大量的能耗,主要包括壓縮機(jī)組的燃料消耗、管道和設(shè)備的摩阻損失等[1-3]。如何通過優(yōu)化輸送方案減少能耗,從而節(jié)約能源、提高能源利用效率一直是研究重點[4-6]。對于長輸天然氣管道,采用高壓力、大口徑管道輸送能夠有效降低輸送能耗,提高能源利用效率[7-10]。因此,在陜京管道系統(tǒng)的生產(chǎn)運行中,普遍認(rèn)為減少陜京一線這類低壓、小口徑管道輸氣量,將氣量轉(zhuǎn)至陜京二線、陜京三線和陜京四線這類高壓大口徑管道輸送,有利于降低管網(wǎng)系統(tǒng)總體運行能耗。但通過研究分析發(fā)現(xiàn),在陜京管道系統(tǒng)處于高負(fù)荷輸氣工況下,提高陜京一線輸氣量,相應(yīng)減少陜京管道系統(tǒng)其他管線輸氣量可以使陜京管道系統(tǒng)總體運行能耗更低。本文以陜京一線、陜京二線為研究對象,運用TGNET仿真模擬軟件,在能耗分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化研究,為制定天然氣管道系統(tǒng)的最優(yōu)流量分配方案提供依據(jù)。

1 陜京管道系統(tǒng)概況

陜京管道系統(tǒng)是聯(lián)通西部進(jìn)口和國產(chǎn)天然氣資源與華北市場的重要通道,其安全高效運行對滿足華北地區(qū)巨大用氣需求和支撐華北地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[11-13]。為滿足京津冀地區(qū)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)靈活調(diào)運的需求,需要對陜京管道系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析來實現(xiàn)合理輸氣量配置及運行方案優(yōu)化。

陜京管道系統(tǒng)途經(jīng)陜西、內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津三省一區(qū)兩市,管道干線包括陜京一線、陜京二線、陜京三線、陜京四線、永唐秦管道、唐山LNG外輸管線和大唐煤制氣管道北京段等。主力管線陜京一線、陜京二線、陜京三線和陜京四線的設(shè)計最大輸氣能力合計650×108m3/a。其中,陜京一線設(shè)計輸量36×108m3/a,設(shè)計壓力6.4 MPa,管徑660 mm;陜京二線設(shè)計輸量170×108m3/a,設(shè)計壓力10.0 MPa,管徑1 016 mm。陜京管道具體參數(shù)見表1。

表1 陜京管道系統(tǒng)參數(shù)表

2 陜京管道系統(tǒng)能耗分析

根據(jù)陜京系統(tǒng)管道基本參數(shù)、氣源構(gòu)成、壓縮機(jī)配置以及分輸用戶情況,利用TGNET軟件建立管道系統(tǒng)模型,用于計算不同工況下的管道能耗。TGNET軟件可以建立包含氣源、用戶及管道站場主要設(shè)備的長輸管道仿真模擬模型,由英國ESI能源集團(tuán)開發(fā),是業(yè)界領(lǐng)先的管道模擬軟件之一,廣泛應(yīng)用于長輸天然氣管道的仿真模擬[14-17]。

2.1 能耗計算方法

目前,中國評價長輸天然氣管道能耗時主要采用以單耗為主的指標(biāo)體系[18-20],單耗即單位周轉(zhuǎn)量生產(chǎn)能耗,是生產(chǎn)能源消耗量與周轉(zhuǎn)量的比值。周轉(zhuǎn)量、生產(chǎn)總能耗和生產(chǎn)單耗的具體計算方法見式(1)～(6)。

2.1.1 周轉(zhuǎn)量

Q=G×L

(1)

Q=(G-G-G)×L

(2)

Qq

(3)

2.1.2 生產(chǎn)總能耗

E=rd(E+E)rqE

(4)

Es

(5)

2.1.3 生產(chǎn)單耗

(6)

2.2 陜京一線與陜京二線能耗水平比較

為研究陜京一線與陜京二線的能耗水平,在陜京一線榆林壓氣站進(jìn)站壓力4.1 MPa,石景山站交氣壓力不低于3.0 MPa,陜京二線來氣壓力7.4 MPa，采育站交氣壓力不低于6.5 MPa的條件下,計算不同輸氣量臺階下管道的周轉(zhuǎn)量、生產(chǎn)總能耗和生產(chǎn)單耗,陜京一線與陜京二線的能耗。計算結(jié)果見表2～5。

表2 不同輸量下陜京一線運行參數(shù)表

表3 不同輸量下陜京一線能耗表

表4 不同輸量下陜京二線運行參數(shù)表

表5 不同輸量下陜京二線能耗表

根據(jù)表2～5計算結(jié)果,隨著輸氣量的增加，陜京一線與陜京二線的生產(chǎn)單耗均逐漸上升,陜京一線在設(shè)計輸氣量下的生產(chǎn)單耗約為118.3 kgce/(107m3·km),陜京二線在設(shè)計輸氣量下的生產(chǎn)單耗為79.91 kgce/(107m3·km)。陜京一線與陜京二線的能耗水平對比見圖1。

圖1 陜京一線與陜京二線生產(chǎn)單耗對比圖Fig.1 Comparison of energy consumption per unit transmitted overthe pipeline network of the first and second Shaanxi-Beijing pipelines

盡管陜京一線與陜京二線的設(shè)計輸氣量相差較大,但圖1中可明顯看出陜京二線的能耗水平遠(yuǎn)低于陜京一線。與陜京一線相比,陜京二線的管道壓力更高、管徑更大、輸送效率更高,運行過程中生產(chǎn)單耗更低。

3 優(yōu)化分析

根據(jù)2.2節(jié)的能耗計算結(jié)果,陜京二線能耗水平遠(yuǎn)低于陜京一線,符合高壓力、大管徑管道有利于節(jié)能降耗的普遍認(rèn)識及目前天然氣管道向高壓力、大管徑發(fā)展的總體趨勢。然而,在實際生產(chǎn)運行中,管道系統(tǒng)的總輸氣量存在波動,在輸氣量增加時,管道系統(tǒng)中不同管道的輸氣量配置應(yīng)以管網(wǎng)總能耗最低為目標(biāo),僅根據(jù)單條管道能耗水平制定輸氣量方案難以實現(xiàn)管道系統(tǒng)的能耗最優(yōu)。陜京一線與陜京二線在不同輸氣量下生產(chǎn)總能耗對比見圖2。

圖2 陜京一線、陜京二線生產(chǎn)總能耗對比圖Fig.2 Comparison of total energy consumption ofthe first and second Shaanxi-Beijing pipelines

根據(jù)圖2,從陜京管道系統(tǒng)總能耗角度來看,當(dāng)陜京二線輸氣量超過3 500×104m3/d時,輸氣量的增加會導(dǎo)致管道系統(tǒng)生產(chǎn)總能耗顯著增加,若此時在不超過陜京一線設(shè)計輸氣量條件下采用陜京一線增輸,系統(tǒng)總能耗的增加將遠(yuǎn)小于采用陜京二線增輸。

為了更精準(zhǔn)地確定不同條件下管道輸氣量的最優(yōu)配置方案,計算由陜京一線和陜京二線組成的陜京管道系統(tǒng)在不同負(fù)荷率下增輸?shù)纳a(chǎn)總能耗。由陜京一線和陜京二線組成的管道系統(tǒng)增輸時,有兩種輸量分配方案，方案1是陜京一線增輸,陜京二線輸氣量不變;方案2是陜京一線輸量不變,陜京二線增輸。

計算陜京一線負(fù)荷率分別為29%、39%、49%、58%、68%、78%時,陜京二線不同負(fù)荷率下采用兩種方案增輸200×104m3/d 的管道系統(tǒng)生產(chǎn)總能耗。部分計算結(jié)果見圖3。

a)陜京一線負(fù)荷率29%a)The first Shaanxi-Beijing pipeline with 29% load rate

b)陜京一線負(fù)荷率39%b)The first Shaanxi-Beijing pipeline with 39% load rate

c)陜京一線負(fù)荷率49%c)The first Shaanxi-Beijing pipeline with 49% load rate

d)陜京一線負(fù)荷率58%d)The first Shaanxi-Beijing pipeline with 58% load rate

根據(jù)圖3計算結(jié)果,在陜京一線負(fù)荷率為29%(300×104m3/d)時,陜京二線負(fù)荷率超過42%后,采用陜京一線增輸會使陜京系統(tǒng)生產(chǎn)總能耗更低;在陜京一線負(fù)荷率為39%(400×104m3/d)時,陜京二線負(fù)荷率超過70%后,采用陜京一線增輸陜京管道系統(tǒng)生產(chǎn)總能耗更低。此后,隨著陜京一線負(fù)荷率增大到49%、58%和68%,方案1的生產(chǎn)總能耗在陜京二線負(fù)荷率分別超過78%、84%和91%時開始低于方案2,即采用陜京一線增輸更低。當(dāng)陜京一線負(fù)荷率達(dá)到約80%時,采用陜京二線增輸?shù)姆桨干a(chǎn)總能耗較低,因此不再建議采用陜京一線增輸。

根據(jù)圖3計算結(jié)果可得出，陜京一線、陜京二線在不同負(fù)荷率下增輸方案的選擇范圍。當(dāng)陜京一線榆林壓氣站進(jìn)站壓力達(dá)到4.5 MPa,輸氣量低于500×104m3/d時,壓縮機(jī)不啟動也可保證石景山站交氣壓力不低于3.0 MPa;當(dāng)陜京二線中靖來氣壓力7.4 MPa,輸氣量低于1 500×104m3/d時,壓縮機(jī)不啟動可滿足采育站交氣壓力不低于6.5 MPa,此時采用2條管道輸送均不產(chǎn)生總生產(chǎn)能耗。增輸方案選擇范圍見圖4。

圖4 增輸方案選擇范圍圖Fig.4 Range of the throughput increase scheme

綜上分析可知,對于多條管道組成的管道系統(tǒng),輸氣量配置優(yōu)先選擇高壓力、大管徑管道并非是絕對的最優(yōu)方案,在一定條件下采用小管徑、低壓力的管道增輸可能使管道系統(tǒng)總能耗更小,有利于節(jié)能降耗。因此,在實際生產(chǎn)中,能耗最優(yōu)的輸送方案需要根據(jù)管道輸氣量情況具體分析。

4 結(jié)論

根據(jù)陜京管道系統(tǒng)以往的生產(chǎn)運行經(jīng)驗,普遍認(rèn)為減少陜京一線這類低壓小口徑管道輸氣量,將氣量轉(zhuǎn)至陜京二線、陜京三線、陜京四線這類高壓大口徑管道輸送,有利于降低管道系統(tǒng)總能耗。通過研究分析發(fā)現(xiàn),在陜京管道系統(tǒng)處于高負(fù)荷輸氣工況下,提高陜京一線輸氣量,相應(yīng)減少陜京二線輸氣量,陜京管道系統(tǒng)總能耗更低。

雖然從優(yōu)化結(jié)果來看,在陜京二線高負(fù)荷率輸氣時,增加陜京一線輸氣量,能夠降低系統(tǒng)總能耗,但考慮到陜京一線服役年限較長,管道沿線社會環(huán)境變化大,不穩(wěn)定因素多,高負(fù)荷運行存在較大的安全隱患,出于安全防控考慮,可以適當(dāng)降低陜京一線輸氣量,緩解安全生產(chǎn)的壓力。