天然氣管道輸差成因及控制分析

王興智 何軍 薛斌

國家管網集團西氣東輸蘇北輸氣分公司，中國·江蘇 揚州 225000

1 引言

天然氣作為一種高效清潔能源，其消費量在全球范圍內急劇上升。2021年，中國天然氣產量2076×108m3，同比增長7.8%，連續五年增產超100×108m3。隨著天然氣消費需求的增加，管道作為天然氣運輸最經濟有效的方式，其建設速度也越來越快。2021年，中國主干天然氣管道里程達到11.6萬公里。

天然氣長輸管道輸送距離長、覆蓋面廣、分輸計量點多的特點，以及管道系統性能隨著時間的推移而有所降低，使得天然氣在管道輸送過程中不能完全避免輸差的產生[1]。管道輸差是天然氣企業極其注重的一個技術經濟指標，與企業的經濟效益息息相關。因此，分析天然氣管道輸差產生的原因和控制措施具有重要意義。

2 管道輸差的概念

天然氣管道輸差是指管道接收的天然氣量與輸送至用戶氣量間的體積差，其計算公式為：

式中，Q差為統計周期內的輸差，m3；Q1為輸入氣量，包括儲氣庫采氣量，m3；Q2為輸出氣量，包括儲氣庫注氣量和銷售氣量，m3；Q3為自用氣量，m3；Q4為放空氣量，m3；V1為期初管存量，m3；V2為期末管存量，m3；η為輸差率，%。

由上式可知，輸差產生的原因主要包括計量系統準確性、管存計算準確性、管道泄漏以及其他因素等，其中，計量系統誤差是導致輸差的主要原因[2,3]。在氣體研究所（Gas Research Institute，GRI）的研究中，計量系統測量誤差占輸差總量的81.5%，泄漏占9%，盜竊占6.5%，核算失誤占3%。

3 輸差成因分析

3.1 計量系統的準確性

天然氣計量包括體積計量、質量計量和能量計量三種形式。國際天然氣貿易交接廣泛采用能量計量的方式，而中國是目前仍然以體積計量為主的少數國家之一。

3.1.1 計量儀表的選型

計量儀表的型號與天然氣管道實際輸送條件的匹配程度直接決定了計量誤差的大小。實際運行過程中流量計量程與實際輸氣量相比過大或過小，都會造成測量數據與實際狀況存在較大差距。通常情況下，合理的流量計量程應當介于最大流量值的30%～80%范圍內。流量計只有工作在分界流量qt和最大流量qmax之間才能提供最佳的計量性能。管道實際流量不同，其最大允許誤差不同，qmin≤q≤qt時的流量計最大允許誤差甚至是qt≤q≤qmin的兩倍。另外，計量儀表的安裝及運行條件變化也會影響測量結果的準確度，且對不同流量計的影響程度不同。

3.1.2 壓力、溫度測量的準確度

壓力溫度的測量直接影響計量系統的準確度。以超聲波流量計為例，即使儀表檢定結果合格，由于儀表實際工作條件往往不能達到實驗室檢定校準條件，其計量結果仍然存在一定偏差，并且由于溫度或壓力測量的不準確給標準參比條件下體積量帶來的誤差可高達±0.5%。

3.2 管存計算準確性

3.2.1 管存計算方法

對管道企業而言，管存差屬于賬面輸差，但是期初與期末管存量的計算準確性直接關系到該周期內的輸差計算準確程度。目前管存量的計算方法通常有兩種：一是采用水力模擬計算軟件（SPS）進行動態計算；二是基于管道參數進行穩態計算。相同參數條件下，按穩定流法計算的管道儲氣量小于不穩定流的實測值。實際情況中，目前工程實際中大多仍采用穩態計算方法。

3.2.2 動態計量參數

穩態計算公式中的壓力和溫度屬于動態計量參數，取值準確與否直接影響到管存量計算準確度。為此，參數取值時間不宜在流量波動較為劇烈的早中晚時間段內，應盡量安排在運行穩定的夜間；用管壁溫度或管道附近地溫代替在管道閥室旁通管道上的天然氣溫度更能正確反映干線天然氣的溫度。

3.2.3 壓縮因子的計算

壓縮因子計算的準確性是管存計算準確性的決定性因素之一。常規計算方法主要有實驗法、SK圖版法、狀態方程法、AGA8-92DC計算方法以及經驗公式法等。不同壓縮因子計算算法的誤差可高達0.5%。另外，壓縮因子的計算需要知道氣體詳細的摩爾分數組成，在計算管段管存量時，應選擇在線色譜分析儀的氣體組分數據，沒有在線色譜分析儀的站場根據就近原則采用臨近站場的數據進行管存計算。

3.2.4 計算管存量的管段

天然氣管道管存量和對應管段的長度以及測量管段內徑等有關，且穩態公式只適合于內徑相同的連續管段。對于輸氣管道系統而言，由于閥室以及管道支線的存在，管道系統可能包括變徑管、彎頭等特殊管段，為提高計算的準確度，應將輸氣管道劃分為不同的管段逐一計算管存量再求和。管道劃分越細，管存量計算結果的精確度越高，閥室與閥室之間的管段是最小的劃分單元。

3.3 放空量計算準確性

放空氣是指站場或干線管道通過截斷其上下游閥門后進行放空或泄露損耗的天然氣，主要包括緊急搶修放空和計劃性放空，其中計劃性放空包括分離器排污放空、壓縮機定期檢修放空等。對西氣東輸管道，2003—2008年由于過濾器排污和壓縮機啟停產生的放空量占總放空量的50%以上。

目前基本采用計算管段管存差的方式來估算管道放空氣量，但這種方法所需壓力溫度等數據往往不具備良好的測量條件且易受外界環境和人為因素影響，存在較大的不確定性，導致其存在計算偏差。另外，國內大部分站場將壓縮機啟停吹掃作業產生的放空量默認為固定值，這種做法不利于貿易計量交接，易引起貿易雙方的計量糾紛。

3.4 管道泄漏

輸氣管道系統泄漏包括偶然性泄漏、長期泄漏和普通運行泄漏。一般來說，輸氣系統的泄漏大部分都屬于偶然性泄漏。造成管道泄漏的主要原因包括因氣體組分不純造成的內部腐蝕和硫化應力腐蝕、制管和安裝焊接質量差導致的管道斷裂以及外力或人為導致的管道破壞等。

3.5 其他因素

主要包括人為因素、意外事故以及偷盜氣等，其中人為因素包括主觀和客觀因素。人為主觀因素是指操作人員在作業過程中人為干預結果的行為，客觀因素指個人業務能力水平限制等。

4 輸差分析方法

當天然氣管道輸差異常時，需要及時進行輸差分析及定位，一方面促使計量人員進行計量儀表的校準，確定輸差產生的原因，另一方面也有助于巡線人員針對性地巡線。常見的輸差分析定位方法有計量先行法、瞬時流量平衡法、曲線對比法、量值溯源法以及縮短周期法等。此外，水力摩阻系數法、不確定合成法以及灰色關聯分析法也可進行輸差定位分析。

4.1 水力摩阻系數法

管道水力摩阻系數決定管道壓力降，而壓力降的異常可以用來進行輸差預警。建立計量數據庫，在數據庫中應用計算機實時計算各段管道的當量水力摩阻系數，尋找與其相似邊界條件的水力摩阻系數，通過對比，就能發現輸差存在問題的管段。

4.2 不確定度合成法

不確定度合成法是根據計量儀表的精度和不確定度通過不確定度合成理論得到的干線輸氣管道由于儀表不確定度帶來的可能的計量偏差。設干線輸氣管道具有M條進氣支線和N條出氣支線如圖1所示，其中進氣支線流量為Q入，總進氣量；出氣支線流量為Q出j，總出氣量為。假設進出氣支線各臺流量計流量測量相互獨立，則可將整個干線輸氣系統看成是由進氣端和出氣端兩部分并聯組成，其中進、出氣端分別是由M、N條計量支線并聯組成。

圖1 輸氣干線系統模型

由于整個干線輸氣系統可以看成是由進氣端和出氣端兩部分并聯組成，由此就可以得到干線輸氣系統由于不確定度帶來的可能的計量偏差ΔQmax和計量偏差率ω，將計量偏差率與輸差率進行對比，可以起到輸差預警的作用。

4.3 灰色關聯分析法

灰色關聯分析法的原理是根據參考序列與比較序列的關聯度大小來判斷兩者之間的聯系緊密度，關聯度越大，則比較數列對參考數列的影響越大，反之則越小。

當輸差異常時，將輸差率作為參考數列，支線流量、管存量、放空氣量以及自用氣量作為比較數列，根據灰色關聯分析法原理計算參考數列與比較數列之間的關聯度，并依關聯度大小依次檢查，可有效縮短輸差定位時間。

5 降低輸差的相關措施

5.1 加強管道建設管理，正確選擇儀表

管道企業要提高經營管理水平，降低輸差，就必須做好測量儀表的選型工作。流量計選型時，應根據各種流量計的優缺點以及流量計流量范圍、操作壓力、流動狀態、物性參數以及檢定條件等因素綜合考慮選用合適的流量計，避免儀表的實際工作處于量程的10%以下，從而造成測量誤差處在擴展誤差限內。

5.2 加強管道運行管理，減少放空氣量

管道放空作業不僅造成能源的浪費，而且對環境具有較大的污染。以下方面有助于輸差管理。①加強站場和管道的日常巡檢管理，嚴控跑、冒、滴、漏現象的發生；②壓縮機組是站場自耗氣最大的設備，優化調整壓縮機組運行方案，減少啟停次數，可有效降低機組的放空量；③合理安排需要較大氣量放空作業的設備維護周期，盡量減少維護次數。

5.3 加強計量系統的管理，提高計量準確度

計量系統的準確性直接關系輸差大小，著重加強技術和人員管理。技術方面，應嚴格按照計量儀表安裝技術要求進行安裝，避免和消除安裝誤差；定期對計量設備進行檢查、維護、保養工作，延長使用壽命，減少磨損、臟污以及脈動流等帶來的計量誤差；對計量設備進行強制檢定或校準，保證計量精度在規定范圍之內。人員方面，加強計量操作人員業務培訓，提高專業能力和責任心。

5.4 合理改進工藝流程，減少脈動流的影響

流量瞬間急劇變化、閥門突然開關以及管道積液等都會使管道中氣體的流速及壓力突然變化而造成脈動流，脈動流的存在會嚴重影響計量儀表的性能，產生較大誤差。為此，應盡量減少脈動流的產生，抑制脈動流的方法有：①采用高效分離器及時排除管道積液，或在脈動源后附加脈動衰減器；②控制計量管段下游閥；③安裝調壓閥。

6 結論

天然氣管道輸差是管道企業極其注重的一個技術經濟指標，直接關乎企業的經濟效益。通過分析管道輸差成因及影響因素，總結輸差分析方法，提出了天然氣管道輸差管理的相關措施。