基于优化运行数据库的干线天然气管网优化研究

徐育斌 冷绪林 安云朋 刘少山 董平省

1浙江浙石油储运有限公司

2中国石油天然气管道工程有限公司

伴随着国家工业化和城市化的发展进程以及环保要求的不断提高，天然气作为一种高效的清洁能源，需求量逐年增加。管道输送是陆上天然气长距离运输的主要形式，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。随着我国横跨东西、纵贯南北的天然气管输网络的形成，保持天然气管网安全、高效、经济地运行迫在眉睫[1]。天然气干线管网通常具有多气源、多分输、多压力等级、多压气站类型等特点，在水力、热力系统方面具有复杂性，在气量分配、机组启停等方面具有多样性。这些因素决定了大型输气管网优化工作具有挑战性，随着天然气管网规模扩大及运行复杂程度的提高，对管网集中调控提出了更高的要求，仅凭调度员经验难以全面应对管网运行问题，亟需高效的优化工具辅助制订运行方案，调整日常工况[2～4]。

据统计，中国天然气管道输送中天然气耗用量占输气量的15‰以上，而欧洲的平均水平为3‰～8‰左右[4]，中国仍有较大的节能降耗潜力[5-6]。天然气管网的优化运行对减少气体排放、降低运行成本具有重要意义[7]。

1 天然气干线管网优化

以我国西部地区天然气管网为例，该管网是由西一线、轮吐支干线、西二线、西三线构成的环状管网（图1），具有塔里木气田、中亚管网来气（中亚A/B/C线）2个主要气源，气源供应的天然气量在天然气管网内各管道系统中的分配是该干线管网面临的第一个优化问题。此外，该天然气管网内机组包含燃驱机组和电驱机组2种驱动机类型，电价、气价的变化对管网运行费用具有直接影响，管网机组的启机类型及方案是该干线管网面临的第二个优化问题。

图1 西部天然气干线管网示意图Fig.1 Schematic diagram of the western natural gas main pipeline network

1.1 构建天然气管网优化数据库

天然气管网内的单条管道由管道系统和压缩机系统两部分构成。管道系统消耗的能源与压气站供应能源相平衡，保证单条管道系统低能耗即可达到控制管道系统低能耗的目标，因此，以保证管道平均高压为基本思想，把控单条管道运行的压力及压缩机组效率[8-9]，通过多个启机方案对比，在单条管道的适应输量、压力、燃驱/电驱优先级、环境参数下，计算得到单条管道运行的优化数据库，保证数据库内单条管道处于低能耗水平，为管网整体优化运行奠定基础。

1.2 天然气管网优化逻辑

对于单条天然气管道，根据能量守恒定律，压气站供能与管道系统耗能相平衡。输气管道耗能主要由天然气在管内流动摩擦所致，在稳态工况下，压降损失具有规律的水力学特性，管道压降随输气量呈规则的抛物线型关系[10]。根据能量守恒，在特定的压力、温度下，压缩机对气体做功与输气量也呈抛物线型关系，压缩机所做功W为

式中：W为压缩机做功，J；W1为驱动机做功，J；η1为驱动机做功效率；η2为压缩机做功效率。

在特定条件下，η1、η2为定值，压缩机站耗能与输气量同样呈规律的抛物线型关系。

以西二线、三线管道为例，在冬季工况下，压缩机出口压力等级为11.5 MPa，电驱机组优先启动的条件下，输气量在14 400×104～18 000×104m3/d（0℃、1 atm，下同）范围内，管道系统电驱机组耗电量与输气量的关系如图2所示。

天然气管网内的各单条管道，在相应的输量、压力、温度、燃驱/电驱启动优先级等确定条件下，均可计算得到单条管道全输量范围内的能耗值，获取能耗与输气量之间的曲线图。

采用最小二乘法对全输量范围内的单条管道能耗曲线进行数据拟合，即可建立单条管道输气量与管道能耗之间的关系方程。

图2 输气管道能耗（耗电量）与输气量的关系Fig.2 Relation of energy consumption(power consumption)and gas transmission rate

在整个天然气管网中，根据质量守恒定律，各单条管道的入口输气量之和与总供气量之和保持一致，即

式中：Q为管网系统总供气量，104m3/d；Qi为第i条管道入口输气量，104m3/d。

根据管网内单条管道能耗随输气量的变化曲线，经数据拟合可得到天然气管网内各单条管道的能耗方程组为

式中：Eqi为单条管道产生的能耗（耗气与耗电），m3或kWh；a、b、c为各能耗方程系数。

根据单条管道的能耗计算值与能耗单价（耗气价格与电价），可得到单条管道的运行能耗费用为

式中：Costi为单条管道能耗费用，元；P为能耗单价，元。

全管网能耗为各单条管道能耗之和，即

为了达到全管网能耗寻优的目的，根据各单条管道输气量与能耗之间的关系方程，在各单条管道输量范围内进行输量的全面组合，将总输气量在全管网完成分配，找到输量分配能耗最低的方案，确定管网优化气量分配方案。以输气量为线索，调用各单条输气管道优化运行数据库，确定优化方案对应的详细运行方案，包括整个天然气管网的压气站启动数量及压缩机组的类型。

根据上述方法，以西部天然气管网为例，按照图3所示的逻辑图（图中虚框为可选项），完成优化软件的编制。

图3中QH为西二线、三线霍尔果斯来气流量，QTLM为塔里木气田来气流量，QLT为轮吐线输气量，QXYX为西一线输气量，QLMQ为西二线、三线连木沁压气站进站流量，QWLMQ为西二线、三线乌鲁木齐分输下载气量；QHHQ为西二线、三线霍尔果斯—吐鲁番段压气站耗气量，QLTHQ为轮吐线压气站耗气量；CostH为西二线、三线霍尔果斯—吐鲁番段管道能耗费用， EqH为该管道能耗方程组〔公式（3），下同〕；CostLT为轮吐线管道能耗费用，EqLT为该管道能耗方程组；CostXYX为西一线管道能耗费用，EqXYX为该管道能耗方程组；CostLMQ为西二线、三线连木沁—中卫段管道能耗费用， EqLMQ为该管道能耗方程组；Costmin为管网运行最小能耗费用值，当CostSUM＜Costmin，CostSUM覆盖Costmin。

图3 西部管网优化运行软件编制逻辑简图Fig.3 Diagram of optimal operation software compilation logic for western pipeline network

2 管网优化前后结果对比

随机选取西部管道公司2017年10月31日的天然气生产报表，当日，塔里木气田外输天然气总量为5 881.6×104m3/d，霍尔果斯口岸中亚进口天然气为11 636.0×104m3/d，昌吉与乌鲁木齐集中分输下载量为914.9×104m3/d。其中，轮吐线调气量为2 527×104m3/d，西一线输气量为3 354.6×104m3/d。经统计：①管网西一线运行机组平均出口压力为9.46 MPa，西二线、三线系统机组平均出口压力为11.16 MPa，轮吐线机组平均出口压力为9.39 MPa；②管网内西一线耗电量为41.31×104kWh，轮吐线耗电量为7.22×104kWh，西二线、三线联合系统耗电量为456.55×104kWh，则整个管网总耗电量为505.08×104kWh；③管网西一线耗气量为62.4×104m3，轮吐线耗气量为14.0×104m3，西二线、三线联合系统耗气量为229.6×104m3，则整个管网总耗气量为306.0×104m3。结合相应的电价、气价，经计算，西部天然气管网当日的运行费用为578.42万元。

在相同的输量边界条件下，采用优化运行软件进行优化，选取西一线和轮吐线运行压力等级为9.5 MPa，西二线、三线系统运行压力为11.5 MPa。重新确定管网气量分配与运行方案：轮吐线调气量为2 403×104m3，西一线输气量为3 478.6×104m3，全管网燃驱/电驱混合站均电驱压缩机组优先启动。

优化后，西部天然气管网的运行能耗数据：西一线耗气量为67.02×104m3，耗电量为39.52×104kWh；轮吐线耗气量为11.37×104m3，轮吐线耗电量为18.39×104kWh；西二线、三线耗气量为183.39×104m3，西二线、三线耗电量为418.7×104kWh。则整个管网总耗气量为261.78×104m3，总耗电量为476.61×104kWh，结合相应的电价、气价可知，管网运行费用为512.9万元。

对比优化前后的天然气管网运行方案，管网能耗费用可节约65.5万元，降低了11.33%，这在后续的实际应用中也得到了验证。

3 结束语

以天然气管网运行能耗费用为优化目标，在管网内单条管道优化运行的基础上，建立了整个天然气管网的优化运行数据库；依据天然气管道能耗与单条管道输气量之间的特性关系，确立了单条管道输气量与其能耗之间的关系方程组；进一步通过输气量优化分配逻辑，确定最优的管网输气量分配方案，同时，通过调取运行优化数据库提供最优工况的运行方案，从而解决天然气干线管网的优化问题。该优化方法在西部管网进行了实际应用，对比2017年10月31日的天然气生产日报表，采用优化运行方案，运行能耗费用可降低11.33%，具有良好的应用效果。