中國石油北京油氣調(diào)控中心
目前,我國天然氣主干管道已達(dá)6.4×104km,已建成西氣東輸管道、川氣東送管道、陜京管道和中緬中貴管道等多個大型天然氣輸送管道,聯(lián)絡(luò)線、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)不斷完善[1-3]。天然氣能夠安全平穩(wěn)地從上游輸送到下游,管道壓氣站的調(diào)控運行極為重要[4-6]。做好天然氣管道壓氣站的調(diào)控運行工作首先要解讀天然氣管道的壓力坡降圖,其次要關(guān)注壓氣站機(jī)組的運行方式[7-8]。壓氣站機(jī)組的運行方式一般根據(jù)實際運行經(jīng)驗及仿真模擬綜合確定。本文對實際天然氣管道運行時的多種工況進(jìn)行詳細(xì)的分析,找出每種工況的運行規(guī)律及特點,并提出相應(yīng)的建議,為長輸天然氣管道調(diào)控運行提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗,具有一定的指導(dǎo)意義。
平穩(wěn)工況即天然氣管線進(jìn)出平衡(管線的進(jìn)氣量等于出氣量,出氣量又等于銷售量與轉(zhuǎn)供量之和)。各壓氣站進(jìn)出站壓力基本維持不變,整體管線壓力也基本平穩(wěn),波動不大。平穩(wěn)工況在實際應(yīng)用中一般有兩種情況。
如圖1所示,假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa,氣源壓力8.5 MPa,A、B、C、D 站均為壓氣站,E站為輸氣末站,其進(jìn)站壓力不得低于5.0 MPa。A、B、C、D 站進(jìn)站壓力6.5 MPa,出站壓力9.5 MPa;E 站進(jìn)站壓力5.5 MPa。在上述工況下,天然氣經(jīng)各壓氣站壓縮保持較高的壓力,保證下游用戶的正常用氣。這種壓力坡降圖是大部分天然氣管道所具有的特性,長輸天然氣管道的壓力坡降圖中起始點壓力為天然氣管道氣源的進(jìn)氣壓力,豎直線代表壓氣站所提升的壓力,斜線為壓縮天然氣沿管線流動的壓力損失情況。
圖1 管線出氣量主要分布在下游工況Fig.1 Condition of gas output mainly distributed in the downstream of the pipeline
如圖2所示,假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa,氣源壓力8.0 MPa,A、B、C、D、E、F 站均為壓氣站,G站為輸氣末站,其進(jìn)站壓力不得低于5.0 MPa。A、B、C 站進(jìn)站壓力6.5 MPa,出站壓力9.5 MPa;D、E、F 站進(jìn)站壓力6 MPa,出站壓力9 MPa;G 站進(jìn)站壓力5.8 MPa。上述工況中,C 站與D 站之間有明顯的壓力降,此狀態(tài)表示為在C 站有一部分氣量沒有流向管線下游,而是轉(zhuǎn)出至別的管道,所以會有明顯的壓力下降趨勢。這種情況在當(dāng)前天然氣管道連接成網(wǎng)的情況下也頗為常見,這是因為經(jīng)常存在大管道向其支線或小管道轉(zhuǎn)供的情況。
圖2 管道中游有轉(zhuǎn)供量且銷氣量分布在下游工況Fig.2 Condition of transfer capacity in the middle and the sales volume in the downstream of the pipeline
啟機(jī)工況主要是指管線下游壓力不夠,需要增啟機(jī)組或增加壓氣站來維持下游管線壓力。啟機(jī)工況多發(fā)生在管線進(jìn)氣量小于出氣量的情況。
如圖3所示,假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa,氣源壓力8.0 MPa,A、B、C、D 站均為壓氣站,E站為輸氣末站,其進(jìn)站壓力不得低于5.0 MPa。A、B 站進(jìn)站壓力6.5 MPa,出站壓力9.5 MPa;C 站進(jìn)站壓力7.2 MPa,出站壓力9.0 MPa;D 站進(jìn)站壓力6.3 MPa,出站9.2 MPa;E 站進(jìn)站壓力5.0 MPa。上述工況中,A、B、D 站進(jìn)出口壓力差值較大,C 站進(jìn)出口壓力的差值相比其他站減小很多,末站E 站壓力較低。產(chǎn)生這種情況的原因是C 站雖然也有機(jī)組運行,但啟動的機(jī)組較少,無法達(dá)到需要的出口壓力,進(jìn)而導(dǎo)致下游壓力達(dá)不到要求。因此,需要C 站增啟機(jī)組來滿足此輸量情況下的管線增壓。
圖3 壓氣站增啟機(jī)組工況Fig,3 Condition of adding unit in compressor station
如圖4所示,假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa,氣源壓力8.0 MPa,A、B、C、D、E、F 站均為壓氣站,G站為輸氣末站,其進(jìn)站壓力不得低于4.0 MPa。A、B 站進(jìn)站壓力6.5 MPa,出站壓力9.0 MPa;C 站進(jìn)站壓力6.7 MPa,出站壓力9.7 MPa;D 站未啟機(jī);E 站進(jìn)站壓力5.5 MPa,出站壓力8 MPa;F 站進(jìn)站壓力5 MPa,出站壓力7 MPa;G 站進(jìn)站壓力4.5 MPa。上述工況中,C 站出站壓力已經(jīng)接近最高壓力,E 站、F 站進(jìn)站壓力仍較低,導(dǎo)致G 站越來越趨于最低壓力。這說明在C 站和E 站之間,氣體流量大、流動摩阻大,需要增啟D 站機(jī)組,增加下游壓力來補(bǔ)充部分的流動摩阻損失。
圖4 增啟1 個壓氣站工況Fig.4 Condition of adding a compressor station
如圖5所示,假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa,氣源壓力8.0 MPa,A、B、C、D、E 站均為壓氣站,G站為輸氣末站,其進(jìn)站壓力不得低于4.0 MPa。A站進(jìn)站壓力6.5 MPa,出站壓力9.5 MPa;C 站進(jìn)站壓力6 MPa,出站壓力9 MPa;E站進(jìn)站壓力5.5 MPa,出站壓力8.5 MPa;B、D 站未啟機(jī);G 站進(jìn)站壓力4.4 MPa。上述工況中,A、C、E 站壓縮機(jī)組已達(dá)最大轉(zhuǎn)速,但進(jìn)、出站壓力仍很低,管線整體處于輸量大且壓力低的狀態(tài)。此情況表明管線所啟的壓氣站明顯不夠,需增啟B、D 站的壓縮機(jī)組,來滿足管線輸量和壓力的要求。
圖5 增啟多個壓氣站工況Fig.5 Condition of adding multiple compressor stations
停機(jī)工況主要是指壓氣站出站壓力太高且一直保持快速上漲趨勢,必須停止機(jī)組運行。停機(jī)工況多發(fā)生在管線進(jìn)氣量大于出氣量的情況。
如圖6所示,假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa,氣源壓力8.0 MPa,A、B、C、D、E 站均為壓氣站,F(xiàn) 站為輸氣末站,其進(jìn)站壓力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站進(jìn)站壓力6.5 MPa,出站壓力9.2 MPa;D 站進(jìn)站壓力7 MPa,出站壓力9.5 MPa;E 站進(jìn)站壓力7.5 MPa,出站壓力9.85 MPa;F 站進(jìn)站壓力8 MPa。上述工況中,E 站機(jī)組在最低轉(zhuǎn)速,出站壓力已經(jīng)接近設(shè)計壓力,且仍處于上漲趨勢。因此應(yīng)及時采取措施,停運E 站1 臺或多臺機(jī)組,或者停運D 站的1 臺或多臺機(jī)組來緩解E 站的運行壓力。同時相應(yīng)減少上游各站的機(jī)組轉(zhuǎn)速,減小輸量,保證安全運行。
圖6 單個壓氣站停運機(jī)組工況Fig.6 Condition of unit shutdown in single compressor station
如圖7所示,假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa,氣源壓力9.0 MPa,A、B、C、D、E 站均為壓氣站,F(xiàn) 站為輸氣末站,其進(jìn)站壓力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站進(jìn)站壓力7.5 MPa,出站壓力9.7 MPa;D 站進(jìn)站壓力8 MPa,出站壓力9.8 MPa;E 站進(jìn)站壓力8.2 MPa,出站壓力9.85 MPa;F 站進(jìn)站壓力8 MPa。上述工況中,全線壓氣站出站壓力均較高,且仍具有上漲趨勢。同時,每個壓氣站的壓力差非常小,且機(jī)組處于最低轉(zhuǎn)速。此工況說明該管線不需要啟多機(jī)組或壓氣站來維持較小輸量下的運行,因此,可以采取全線各壓氣站各停運1 臺或多臺機(jī)組或者間隔停運多個壓氣站運行。這樣操作既能避免管線超壓的風(fēng)險,又可以保證管線的輸氣壓力,并且極大地降低運行成本,達(dá)到節(jié)能降耗的效果。
圖7 全線壓氣站均停運機(jī)組或全線停運多個壓氣站工況Fig.7 Condition of all compressor stations units shutdown or multiple compressor stations shutdown
特殊工況是指不經(jīng)常出現(xiàn)或為了達(dá)到某種目的而必須維持的工況。
如圖8所示,假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa,氣源壓力9.0 MPa,A、B、C、D、E 站均為壓氣站,F(xiàn) 站為輸氣末站,其進(jìn)站壓力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站進(jìn)站壓力7.5 MPa,出站壓力9.7 MPa;D 站進(jìn)站壓力8 MPa,出站壓力9.8 MPa;E 站進(jìn)站壓力8.2 MPa,出站壓力9.85 MPa;F 站進(jìn)站壓力8 MPa。此種情況為管線高管存、壓氣站低壓差、機(jī)組低轉(zhuǎn)速的工況。與圖7 所不同的是此工況進(jìn)出基本平衡,各壓氣站進(jìn)出站壓力沒有明顯的波動,較為平穩(wěn)。這種工況一般出現(xiàn)在第2 天管線下游銷售量有急劇的增加,需要管線維持高管存狀態(tài)來應(yīng)對,并且假如沒有啟這么多機(jī)組,而第2 天銷售增加后再啟機(jī)的反應(yīng)時間不夠的情況。
圖8 管線高管存、壓氣站低壓差、機(jī)組低轉(zhuǎn)速工況Fig.8 Condition of high pipeline storage,low pressure difference of compressor station and low speed of unit
這種工況雖說可以保證高管存來應(yīng)對銷售的急劇增加,但實際運行風(fēng)險較大,需要各壓氣站及調(diào)度人員密切關(guān)注壓力、溫度等參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)組故障停機(jī),應(yīng)立即重啟機(jī)組或啟備用機(jī)組。若長時間無法啟機(jī),則會造成上游壓氣站聯(lián)鎖停機(jī)的大型事故。
應(yīng)特別注意的是,天然氣銷售早晚不均,晚間銷氣瞬時量相比白天有所減小,需要管線留出一部分空間來充裝減小的氣量,否則也會造成超壓。
類似的工況如圖9 所示,該工況為管存適中、壓氣站高壓差、機(jī)組高轉(zhuǎn)速。A、B、C 站進(jìn)站壓力6.5 MPa,出站壓力9.7 MPa;D 站進(jìn)站壓力6.7 MPa,出站壓力9.8 MPa;E 站進(jìn)站壓力6.9 MPa,出站壓力9.85 MPa;F 站進(jìn)站壓力7 MPa。
圖9 管線管存適中、壓氣站高壓差、機(jī)組高轉(zhuǎn)速工況Fig.9 Condition of moderate pipeline storage,high pressure difference of compressor station and high speed of unit
這種工況相比圖8 工況是比較安全的,因為一旦下游機(jī)組長時間故障停機(jī),上游壓氣站機(jī)組有足夠的空間可以降低轉(zhuǎn)速來應(yīng)對此異常情況。
如圖10 所示,假設(shè)天然氣管線設(shè)計壓力10.0 MPa,氣源壓力7.0 MPa,A、B、C、D、E 站均為壓氣站,F(xiàn) 站為輸氣末站,其進(jìn)站壓力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站進(jìn)站壓力5 MPa,出站壓力8 MPa;D 站進(jìn)站壓力4.8 MPa,出站壓力7.8 MPa;E 站進(jìn)站壓力4.5 MPa,出站壓力7.5 MPa;F 站進(jìn)站壓力4.2 MPa。此種情況為管線低管存、壓氣站高壓差、機(jī)組高轉(zhuǎn)速的工況。此工況為氣源壓力低、管線進(jìn)出平衡,整體管線接近最低管存。這種情況一般是氣源的進(jìn)氣量剛好滿足銷氣量,但無多余的氣量給管線充壓造成的。
圖10 管線低管存、壓氣站高壓差、機(jī)組高轉(zhuǎn)速工況Fig.10 Condition of low pipeline storage,high pressure difference of compressor station and high speed of unit
此種工況實際運行風(fēng)險也比較大,需要各壓氣站及調(diào)度人員密切關(guān)注壓力、溫度等參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)組故障停機(jī),應(yīng)立即重啟機(jī)組或啟備用機(jī)組。若長時間無法啟機(jī),則會造成下游壓氣站機(jī)組入口壓力達(dá)到最低壓力停機(jī)值而聯(lián)鎖停機(jī),使得無法保證用戶分輸壓力,造成輸氣中斷的嚴(yán)重事故。
不管是單個壓氣站切換機(jī)組或兩個壓氣站切換,首先遵循的原則是在條件滿足下先啟后停。
一般壓氣站配置為3+1(該壓氣站有4 臺機(jī)組,最大輸量下3 臺啟機(jī),1 臺備用)、2+1(該壓氣站有3 臺機(jī)組,最大輸量下2 臺啟機(jī),1 臺備用)或1+1(該壓氣站有2 臺機(jī)組,最大輸量下1臺啟機(jī),1 臺備用),且大部分站場具備機(jī)組全部啟運的能力。
當(dāng)該壓氣站因某項作業(yè)需要切換機(jī)組時,應(yīng)當(dāng)要求壓氣站先啟備用機(jī)組,再停需停機(jī)組,將對管線運行的影響降至最低。
下游壓氣站切換至上游壓氣站:應(yīng)該先要求上游壓氣站啟運,啟運成功之后保持低轉(zhuǎn)速運行,再將下游壓氣站停運。因為下游壓氣站停運后,在該下游壓氣站進(jìn)出站壓力持平之前,上游壓氣站的出口壓力是持續(xù)上升的。所以應(yīng)繼續(xù)觀察上游壓氣站的壓力上漲情況,再相應(yīng)提升機(jī)組轉(zhuǎn)速至合適的出站壓力,否則容易造成超壓。
上游壓氣站切換至下游壓氣站:應(yīng)該先要求下游壓氣站啟運,啟運成功之后保持低轉(zhuǎn)速運行,再將上游壓氣站停運。因為上游壓氣站停運后,在該上游壓氣站進(jìn)出站壓力持平之前,下游壓氣站的入口壓力是持續(xù)下降的。所以應(yīng)繼續(xù)觀察下游壓氣站的壓力下降情況,待下游壓氣站進(jìn)站壓力有上升趨勢之后,再相應(yīng)提升機(jī)組轉(zhuǎn)速至合適的出站壓力,否則容易造成機(jī)組入口壓力低而停機(jī)。
通過對天然氣管線壓氣站多種運行工況的特點、規(guī)律以及切換過程進(jìn)行分析得出如下結(jié)論:
(1)長輸天然氣管道壓氣站的調(diào)控運行應(yīng)根據(jù)管道進(jìn)銷平衡及全線機(jī)組運行情況,采取控制轉(zhuǎn)速、啟機(jī)、停機(jī)等相應(yīng)的調(diào)整措施,保證管道運行安全。
(2)壓氣站或壓縮機(jī)組的切換應(yīng)首先遵循先啟后停的原則,并應(yīng)注意上、下游的壓力,合理調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速,保證切換過程中的運行平穩(wěn)。