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      復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型及其應用——以川渝天然氣管網(wǎng)為例

      2013-10-20 06:43:24段言志何潤民
      天然氣工業(yè) 2013年7期
      關(guān)鍵詞:管輸周轉(zhuǎn)量管段

      張 威 姚 莉 段言志 何潤民

      1.中國石油西南油氣田公司生產(chǎn)運行處 2.中國石油西南油氣田公司天然氣經(jīng)濟研究所

      天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量指天然氣管道在報告期內(nèi)輸送的天然氣量與輸送距離乘積的累計數(shù)。它是反映管道運輸業(yè)生產(chǎn)總成果的重要指標,也是編制和檢查天然氣管輸調(diào)度計劃,計算管輸效率、核算管輸單位現(xiàn)金成本的主要基礎資料[1-2]。

      1 復雜天然氣管網(wǎng)的特點及周轉(zhuǎn)量測算存在的問題

      1.1 復雜天然氣管網(wǎng)的特點

      復雜天然氣管網(wǎng)是指由枝狀管網(wǎng)和環(huán)形管網(wǎng)交錯結(jié)合在一起的管網(wǎng)系統(tǒng)。這種管網(wǎng)系統(tǒng)具有進出氣點多、管線壓力等級復雜、天然氣輸配調(diào)度靈活、調(diào)峰方式多樣等特點。以川渝天然氣管網(wǎng)為例,該管網(wǎng)是國內(nèi)最復雜的區(qū)域性管網(wǎng),目前基本形成“兩橫兩縱”及“高低壓分輸”的格局,現(xiàn)已建成集輸氣管道總長度約1.8×104km,年輸送能力250×108m3左右,天然氣凈化能力150×108m3,肩負著向四川、重慶、云南、貴州4省市供氣的輸送任務[3]。其主要特點如下。

      1.1.1 管網(wǎng)進出氣點、分輸點、管線、輸配氣場站數(shù)量眾多

      隨著主力氣源的東移和大力發(fā)展西部用戶,氣源由各氣礦的區(qū)域管網(wǎng)輸入,且遠離消費中心,管道沿線用戶需要從環(huán)網(wǎng)上分輸天然氣,整個環(huán)形管網(wǎng)沿線共有20多個進氣點,80多個輸出點,10多個倒輸氣點,輸配氣站場100多座。

      1.1.2 管網(wǎng)調(diào)度靈活,輸配任務繁重

      川渝氣田主產(chǎn)區(qū)距離天然氣消費中心較遠,天然氣輸送呈東氣南送西調(diào)的格局,天然氣調(diào)配主要靠環(huán)行管網(wǎng)來實現(xiàn),部分管線必要時還要進行倒輸[4]。四川盆地用氣需求主要集中在盆地西部的成都、樂山等地區(qū),管網(wǎng)輸送距離較長,輸送壓損較大,管道運行負荷不均衡[5]。

      1.1.3 管徑規(guī)格、壓力等級差異較大

      從壓力最高的臥兩線、石渡線6.3MPa,到壓力最低的主干線成德線1.6MPa,支線最低的犍南線0.8 MPa,共有7個壓力等級。最常見的為4MPa。管徑規(guī)格包括108~813mm共17種。

      1.1.4 輸氣管網(wǎng)沿線無增壓站,管輸能耗小,人工成本高

      川渝環(huán)形管網(wǎng)極少使用增壓機等高能耗設備,增壓主要在勘探開發(fā)階段,除單井排水采氣工藝措施是用于氣田生產(chǎn)外,大部分增壓站都是通過增壓機對井口進行增壓,以實現(xiàn)集輸管線增壓輸送至環(huán)形管網(wǎng)。因此,管輸能耗較小,但所在管線跨越地區(qū)多為山區(qū)和丘陵地帶,沿線地形復雜人口稠密,管網(wǎng)維護管理難度大,管線人員成本高[6-7]。

      1.2 周轉(zhuǎn)量的一般計算方法

      按照周轉(zhuǎn)量的定義,天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量應由管道輸送的天然氣量(Q)乘以天然氣輸送距離(L)確定,與運輸行業(yè)周轉(zhuǎn)量的計算方法一致[8]。目前,大部分管輸企業(yè)采用周轉(zhuǎn)量計算軟件自動計算管輸周轉(zhuǎn)量。其中,管輸量由SCADA系統(tǒng)自動采集,管道長度由系統(tǒng)預先輸入。

      1.3 復雜管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量測算存在的問題

      復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量測算存在天然氣氣體流向復雜、進出氣量變化大、計算周期難以確定等問題[9]。以川渝天然氣復雜管網(wǎng)為例進行說明。

      1.3.1 氣質(zhì)流向十分復雜

      目前川渝管網(wǎng)內(nèi)氣體流向北干線自東向西,南干線自東向南,但環(huán)形管網(wǎng)由于存在返輸情況,某管段的氣質(zhì)流向會發(fā)生變化,相應的進氣點和出氣點的氣量也發(fā)生變化,計算周期內(nèi)的周轉(zhuǎn)量也就發(fā)生了變化。而周轉(zhuǎn)量計算系統(tǒng)要求要有固定的管段起始端,川渝環(huán)形管網(wǎng)內(nèi)氣質(zhì)流向的不確定也是影響周轉(zhuǎn)量測算的一個問題。

      1.3.2 原始數(shù)據(jù)采集不實時

      川渝管網(wǎng)由于建設年代久遠,受歷史條件和科學技術(shù)水平等諸多因素的制約,信息化程度不高,長久以來數(shù)據(jù)的監(jiān)控和采集基本靠人工記錄和錄入上報,近幾年開始推廣SCADA系統(tǒng)可以實行實時監(jiān)控采集數(shù)據(jù),但未能實現(xiàn)對每條管線和節(jié)點的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集,部分老管線仍需要人工完成數(shù)據(jù)采集,使周轉(zhuǎn)量計算可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不具備足夠準確性和實時性的問題[10]。

      1.3.3 計算周期難確定

      川渝地區(qū)天然氣由于供應范圍大,環(huán)形管網(wǎng)的進氣點和出氣點多,雖然從大的供氣流向基本確定,但由于管道檢修、用戶氣量改變等多種原因經(jīng)常出現(xiàn)某管道返輸現(xiàn)象,且這種不確定的現(xiàn)象時有發(fā)生,不利于計算周轉(zhuǎn)量時確定最小的計算周期。

      2 復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型

      2.1 枝狀管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型

      對一般枝狀管線,場站與管道的連接形態(tài)可用圖1的結(jié)構(gòu)來表示。其中,1~9表示各個場站。枝狀管線的氣體流動方向是確定的,圖1中箭頭方向表示氣流方向。

      圖1 枝狀管網(wǎng)物理模型圖

      采用“細分”和“微元”的原理和方法,將整個管線系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量視為局部周轉(zhuǎn)量之和,將場站到場站作為一個計算區(qū)間進行測算,再累加求和。例如對圖2的系統(tǒng),假設場站1到場站2氣量為Q12,距離為L12,場站2到場站3氣量為Q23,距離為L23,場站2到場站4氣量為Q24,距離為L24。根據(jù)質(zhì)量守恒,有

      圖2 枝狀管網(wǎng)局部模型圖

      按照定義,系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量為:

      可見,系統(tǒng)管輸周轉(zhuǎn)量可視為場站間周轉(zhuǎn)量的累加,即場站間距離和場站間輸送氣量乘積的累加[11]。

      類似地,對圖1所示的系統(tǒng),將某時間段內(nèi)整個系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量記為M,有如下公式:

      因此,一般枝狀管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型為:

      式中Qij表示某時間段內(nèi)場站i與場站j間輸送的天然氣量;Lij表示場站i與場站j之間的管道距離,均為標量。

      2.2 環(huán)形管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型

      環(huán)形管網(wǎng)與枝狀管線的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)中存在一個閉合的環(huán),環(huán)上的每一點既能是起點也能是終點。在這種情況下,氣流的方向變得不確定。根據(jù)氣體流動特性,天然氣總是從高氣壓方向向低氣壓方向流動。以圖3的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例,當場站1的氣壓高于場站8的氣壓時,天然氣從1流向8,當場站8氣壓高于場站7氣壓時,天然氣進一步流向場站7,反之亦然。

      圖3 環(huán)形管網(wǎng)物理模型圖

      計算方法:將“微元”思想推廣到環(huán)形管網(wǎng)中。將環(huán)形管網(wǎng)中每個場站間的周轉(zhuǎn)量計算后,累加可以得到整個管網(wǎng)系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量。

      對圖3的環(huán)形管網(wǎng),將某時間段內(nèi)整個系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量記為M,有如下公式:

      環(huán)形管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型為:

      2.3 復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型

      2.3.1 設計思路

      復雜天然氣管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量的計算采用“微元法”原理和方法,將管網(wǎng)按照管理層級層層分解。以川渝復雜管網(wǎng)為例,將管網(wǎng)按照公司、礦區(qū)(處)、作業(yè)區(qū)層層分解,對作業(yè)區(qū)的管道再按管線細分到每一管段,通過正算、反算、混合計算等方法分別計算每一管段的流量,再輸入每一管段的距離,可以分別測算每一管段的周轉(zhuǎn)量,將作業(yè)區(qū)每一管段的周轉(zhuǎn)量加總即得各個作業(yè)區(qū)總的管道周轉(zhuǎn)量;再將每一礦區(qū)各作業(yè)區(qū)的周轉(zhuǎn)量加總,即得到礦區(qū)(處)總的周轉(zhuǎn)量;最后將各礦區(qū)(處)的周轉(zhuǎn)量加總,即得到公司的總周轉(zhuǎn)量。

      因此,川渝天然氣復雜管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量計算模型可用下式表示:

      式中Qkzgi表示公司k礦區(qū)(處)所屬z作業(yè)區(qū)g管線i管段輸氣量,108m3/a;Lkzgi表示公司k礦區(qū)(處)所屬z作業(yè)區(qū)g管線i管段的長度,km;i表示某管線的管段數(shù)量;g表示某作業(yè)區(qū)管線數(shù)量;z表示某礦區(qū)(處)作業(yè)區(qū)數(shù)量;k表示公司礦區(qū)(處)數(shù)量。

      采用統(tǒng)計方法分別統(tǒng)計每一礦區(qū)(處)每一作業(yè)區(qū)每條管線每一管段的輸氣量和管段長度,即運用上述模型直接計算出分公司天然氣管網(wǎng)的總周轉(zhuǎn)量。

      2.3.2Q取值

      川渝管網(wǎng)對場站輸送天然氣量的取值有兩種方式。對一部分采用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的管線,采取自動采集的方式。利用該系統(tǒng)可以對天然氣管輸量進行實時監(jiān)控,每3~5s為一個周期進行數(shù)據(jù)更新。對另一部分尚未應用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的管線,采用人工錄入的方式。人工錄入是按日的周期進行上報。

      2.3.3L取值

      由于除了管道運營最初期或管道維護修理期間外,天然氣管輸均具有連續(xù)性的特點。因此,可以把系統(tǒng)對某部分天然氣的運輸距離取為管道長度以簡化計算,將L定義為天然氣管道的長度。

      3 計算實例

      采用分類統(tǒng)計的方法,對川渝天然氣管網(wǎng)按管理歸屬對每條管線輸氣量、輸送距離分別列表進行統(tǒng)計,按照周轉(zhuǎn)量計算公式,分別將各管段周轉(zhuǎn)量累加,最終計算出總周轉(zhuǎn)量值。計算方法和步驟如下。

      1)分單位統(tǒng)計管道板塊資產(chǎn),每條管線名稱、起點、終點位置、管徑、長度、輸氣量。

      2)按照周轉(zhuǎn)量計算公式M=QL,分別計算出每條管道的周轉(zhuǎn)量。

      川渝地區(qū)部分管道周轉(zhuǎn)量測算結(jié)果見表1。

      3)將各單位的周轉(zhuǎn)量值進行匯總。

      川渝氣田管道各單位周轉(zhuǎn)量測算結(jié)果見表2。

      表1 川渝地區(qū)某礦區(qū)管道周轉(zhuǎn)量測算結(jié)果表

      4 結(jié)論及建議

      4.1 采用“微元法”計算環(huán)形管網(wǎng)周轉(zhuǎn)量是合理的,但需要配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能實現(xiàn)

      對氣體流向不太固定的復雜管網(wǎng),采用“微元法”將復雜管網(wǎng)分解成一小段一小段的枝狀管網(wǎng)來計算周轉(zhuǎn)量是合理的。周轉(zhuǎn)量計算模型對氣體流向相對固定的全國天然氣大管網(wǎng)也是適用的,可為全國聯(lián)網(wǎng)天然氣管道周轉(zhuǎn)量的測算提供借鑒,對聯(lián)網(wǎng)管道的銷售管理、結(jié)算管理和運行管理均有參考價值。但采用這種方法需要完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)的實時采集和自動傳輸,采用計算機編程才能得以實現(xiàn)[12]。

      表2 川渝氣田管道各單位周轉(zhuǎn)量測算結(jié)果表

      4.2 鑒于復雜天然氣管網(wǎng)的特殊性,可采用年度或季度平均法,在統(tǒng)計分析的基礎上計算周轉(zhuǎn)量

      由于川渝天然氣管線已形成區(qū)域性環(huán)形管網(wǎng),管道內(nèi)氣體的流向十分復雜,環(huán)形管網(wǎng)進出氣點多,輸量變化大;而一個大用戶的關(guān)停、凈化廠的檢修、下載氣量的變化、用戶調(diào)峰等生產(chǎn)調(diào)度手段也會對整個管網(wǎng)的氣體流向產(chǎn)生影響。因此,建議周轉(zhuǎn)量的計算可采用年度或季度平均法,在各作業(yè)區(qū)建立統(tǒng)計報表制度,由作業(yè)區(qū)每年/每季度統(tǒng)計輸氣量,運用周轉(zhuǎn)量計算公式算出周轉(zhuǎn)量,再通過匯總層層上報,可計算出川渝天然氣區(qū)域管網(wǎng)的周轉(zhuǎn)量計算值。

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