长输天然气管道压气站运行分析

2020-08-15

油气田地面工程 2020年8期

中国石油北京油气调控中心

目前，我国天然气主干管道已达6.4×104km，已建成西气东输管道、川气东送管道、陕京管道和中缅中贵管道等多个大型天然气输送管道，联络线、区域网络不断完善[1-3]。天然气能够安全平稳地从上游输送到下游，管道压气站的调控运行极为重要[4-6]。做好天然气管道压气站的调控运行工作首先要解读天然气管道的压力坡降图，其次要关注压气站机组的运行方式[7-8]。压气站机组的运行方式一般根据实际运行经验及仿真模拟综合确定。本文对实际天然气管道运行时的多种工况进行详细的分析，找出每种工况的运行规律及特点，并提出相应的建议，为长输天然气管道调控运行提供了宝贵的借鉴经验，具有一定的指导意义。

1 平稳工况

平稳工况即天然气管线进出平衡（管线的进气量等于出气量，出气量又等于销售量与转供量之和）。各压气站进出站压力基本维持不变，整体管线压力也基本平稳，波动不大。平稳工况在实际应用中一般有两种情况。

1.1 管线出气量主要分布在下游

如图1所示，假设天然气管线设计压力10.0 MPa，气源压力8.5 MPa，A、B、C、D 站均为压气站，E站为输气末站，其进站压力不得低于5.0 MPa。A、B、C、D 站进站压力6.5 MPa，出站压力9.5 MPa；E 站进站压力5.5 MPa。在上述工况下，天然气经各压气站压缩保持较高的压力，保证下游用户的正常用气。这种压力坡降图是大部分天然气管道所具有的特性，长输天然气管道的压力坡降图中起始点压力为天然气管道气源的进气压力，竖直线代表压气站所提升的压力，斜线为压缩天然气沿管线流动的压力损失情况。

图1 管线出气量主要分布在下游工况Fig.1 Condition of gas output mainly distributed in the downstream of the pipeline

1.2 管线中游有分出的转供量且销气量分布在管线下游

如图2所示，假设天然气管线设计压力10.0 MPa，气源压力8.0 MPa，A、B、C、D、E、F 站均为压气站，G站为输气末站，其进站压力不得低于5.0 MPa。A、B、C 站进站压力6.5 MPa，出站压力9.5 MPa；D、E、F 站进站压力6 MPa，出站压力9 MPa；G 站进站压力5.8 MPa。上述工况中，C 站与D 站之间有明显的压力降，此状态表示为在C 站有一部分气量没有流向管线下游，而是转出至别的管道，所以会有明显的压力下降趋势。这种情况在当前天然气管道连接成网的情况下也颇为常见，这是因为经常存在大管道向其支线或小管道转供的情况。

图2 管道中游有转供量且销气量分布在下游工况Fig.2 Condition of transfer capacity in the middle and the sales volume in the downstream of the pipeline

2 启机工况

启机工况主要是指管线下游压力不够，需要增启机组或增加压气站来维持下游管线压力。启机工况多发生在管线进气量小于出气量的情况。

2.1 压气站增启机组

如图3所示，假设天然气管线设计压力10.0 MPa，气源压力8.0 MPa，A、B、C、D 站均为压气站，E站为输气末站，其进站压力不得低于5.0 MPa。A、B 站进站压力6.5 MPa，出站压力9.5 MPa；C 站进站压力7.2 MPa，出站压力9.0 MPa；D 站进站压力6.3 MPa，出站9.2 MPa；E 站进站压力5.0 MPa。上述工况中，A、B、D 站进出口压力差值较大，C 站进出口压力的差值相比其他站减小很多，末站E 站压力较低。产生这种情况的原因是C 站虽然也有机组运行，但启动的机组较少，无法达到需要的出口压力，进而导致下游压力达不到要求。因此，需要C 站增启机组来满足此输量情况下的管线增压。

图3 压气站增启机组工况Fig,3 Condition of adding unit in compressor station

2.2 增启1 个压气站

如图4所示，假设天然气管线设计压力10.0 MPa，气源压力8.0 MPa，A、B、C、D、E、F 站均为压气站，G站为输气末站，其进站压力不得低于4.0 MPa。A、B 站进站压力6.5 MPa，出站压力9.0 MPa；C 站进站压力6.7 MPa，出站压力9.7 MPa；D 站未启机；E 站进站压力5.5 MPa，出站压力8 MPa；F 站进站压力5 MPa，出站压力7 MPa；G 站进站压力4.5 MPa。上述工况中，C 站出站压力已经接近最高压力，E 站、F 站进站压力仍较低，导致G 站越来越趋于最低压力。这说明在C 站和E 站之间，气体流量大、流动摩阻大，需要增启D 站机组，增加下游压力来补充部分的流动摩阻损失。

图4 增启1 个压气站工况Fig.4 Condition of adding a compressor station

2.3 增启多个压气站

如图5所示，假设天然气管线设计压力10.0 MPa，气源压力8.0 MPa，A、B、C、D、E 站均为压气站，G站为输气末站，其进站压力不得低于4.0 MPa。A站进站压力6.5 MPa，出站压力9.5 MPa；C 站进站压力6 MPa，出站压力9 MPa；E站进站压力5.5 MPa，出站压力8.5 MPa；B、D 站未启机；G 站进站压力4.4 MPa。上述工况中，A、C、E 站压缩机组已达最大转速，但进、出站压力仍很低，管线整体处于输量大且压力低的状态。此情况表明管线所启的压气站明显不够，需增启B、D 站的压缩机组，来满足管线输量和压力的要求。

图5 增启多个压气站工况Fig.5 Condition of adding multiple compressor stations

3 停机工况

停机工况主要是指压气站出站压力太高且一直保持快速上涨趋势，必须停止机组运行。停机工况多发生在管线进气量大于出气量的情况。

3.1 单个压气站停运机组

如图6所示，假设天然气管线设计压力10.0 MPa，气源压力8.0 MPa，A、B、C、D、E 站均为压气站，F 站为输气末站，其进站压力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站进站压力6.5 MPa，出站压力9.2 MPa；D 站进站压力7 MPa，出站压力9.5 MPa；E 站进站压力7.5 MPa，出站压力9.85 MPa；F 站进站压力8 MPa。上述工况中，E 站机组在最低转速，出站压力已经接近设计压力，且仍处于上涨趋势。因此应及时采取措施，停运E 站1 台或多台机组，或者停运D 站的1 台或多台机组来缓解E 站的运行压力。同时相应减少上游各站的机组转速，减小输量，保证安全运行。

图6 单个压气站停运机组工况Fig.6 Condition of unit shutdown in single compressor station

3.2 全线压气站均停运机组或全线停运多个压气站

如图7所示，假设天然气管线设计压力10.0 MPa，气源压力9.0 MPa，A、B、C、D、E 站均为压气站，F 站为输气末站，其进站压力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站进站压力7.5 MPa，出站压力9.7 MPa；D 站进站压力8 MPa，出站压力9.8 MPa；E 站进站压力8.2 MPa，出站压力9.85 MPa；F 站进站压力8 MPa。上述工况中，全线压气站出站压力均较高，且仍具有上涨趋势。同时，每个压气站的压力差非常小，且机组处于最低转速。此工况说明该管线不需要启多机组或压气站来维持较小输量下的运行，因此，可以采取全线各压气站各停运1 台或多台机组或者间隔停运多个压气站运行。这样操作既能避免管线超压的风险，又可以保证管线的输气压力，并且极大地降低运行成本，达到节能降耗的效果。

图7 全线压气站均停运机组或全线停运多个压气站工况Fig.7 Condition of all compressor stations units shutdown or multiple compressor stations shutdown

4 特殊工况

特殊工况是指不经常出现或为了达到某种目的而必须维持的工况。

4.1 管线高管存、压气站低压差、机组低转速

如图8所示，假设天然气管线设计压力10.0 MPa，气源压力9.0 MPa，A、B、C、D、E 站均为压气站，F 站为输气末站，其进站压力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站进站压力7.5 MPa，出站压力9.7 MPa；D 站进站压力8 MPa，出站压力9.8 MPa；E 站进站压力8.2 MPa，出站压力9.85 MPa；F 站进站压力8 MPa。此种情况为管线高管存、压气站低压差、机组低转速的工况。与图7 所不同的是此工况进出基本平衡，各压气站进出站压力没有明显的波动，较为平稳。这种工况一般出现在第2 天管线下游销售量有急剧的增加，需要管线维持高管存状态来应对，并且假如没有启这么多机组，而第2 天销售增加后再启机的反应时间不够的情况。

图8 管线高管存、压气站低压差、机组低转速工况Fig.8 Condition of high pipeline storage，low pressure difference of compressor station and low speed of unit

这种工况虽说可以保证高管存来应对销售的急剧增加，但实际运行风险较大，需要各压气站及调度人员密切关注压力、温度等参数。一旦发现机组故障停机，应立即重启机组或启备用机组。若长时间无法启机，则会造成上游压气站联锁停机的大型事故。

应特别注意的是，天然气销售早晚不均，晚间销气瞬时量相比白天有所减小，需要管线留出一部分空间来充装减小的气量，否则也会造成超压。

类似的工况如图9 所示，该工况为管存适中、压气站高压差、机组高转速。A、B、C 站进站压力6.5 MPa，出站压力9.7 MPa；D 站进站压力6.7 MPa，出站压力9.8 MPa；E 站进站压力6.9 MPa，出站压力9.85 MPa；F 站进站压力7 MPa。

图9 管线管存适中、压气站高压差、机组高转速工况Fig.9 Condition of moderate pipeline storage，high pressure difference of compressor station and high speed of unit

这种工况相比图8 工况是比较安全的，因为一旦下游机组长时间故障停机，上游压气站机组有足够的空间可以降低转速来应对此异常情况。

4.2 管线低管存、压气站高压差、机组高转速

如图10 所示，假设天然气管线设计压力10.0 MPa，气源压力7.0 MPa，A、B、C、D、E 站均为压气站，F 站为输气末站，其进站压力不得低于4.0 MPa。A、B、C 站进站压力5 MPa，出站压力8 MPa；D 站进站压力4.8 MPa，出站压力7.8 MPa；E 站进站压力4.5 MPa，出站压力7.5 MPa；F 站进站压力4.2 MPa。此种情况为管线低管存、压气站高压差、机组高转速的工况。此工况为气源压力低、管线进出平衡，整体管线接近最低管存。这种情况一般是气源的进气量刚好满足销气量，但无多余的气量给管线充压造成的。

图10 管线低管存、压气站高压差、机组高转速工况Fig.10 Condition of low pipeline storage，high pressure difference of compressor station and high speed of unit

此种工况实际运行风险也比较大，需要各压气站及调度人员密切关注压力、温度等参数。一旦发现机组故障停机，应立即重启机组或启备用机组。若长时间无法启机，则会造成下游压气站机组入口压力达到最低压力停机值而联锁停机，使得无法保证用户分输压力，造成输气中断的严重事故。

5 压气站或机组切换

不管是单个压气站切换机组或两个压气站切换，首先遵循的原则是在条件满足下先启后停。

5.1 单个压气站切换机组

一般压气站配置为3+1（该压气站有4 台机组，最大输量下3 台启机，1 台备用）、2+1（该压气站有3 台机组，最大输量下2 台启机，1 台备用）或1+1（该压气站有2 台机组，最大输量下1台启机，1 台备用），且大部分站场具备机组全部启运的能力。

当该压气站因某项作业需要切换机组时，应当要求压气站先启备用机组，再停需停机组，将对管线运行的影响降至最低。

5.2 两个压气站切换

下游压气站切换至上游压气站：应该先要求上游压气站启运，启运成功之后保持低转速运行，再将下游压气站停运。因为下游压气站停运后，在该下游压气站进出站压力持平之前，上游压气站的出口压力是持续上升的。所以应继续观察上游压气站的压力上涨情况，再相应提升机组转速至合适的出站压力，否则容易造成超压。

上游压气站切换至下游压气站：应该先要求下游压气站启运，启运成功之后保持低转速运行，再将上游压气站停运。因为上游压气站停运后，在该上游压气站进出站压力持平之前，下游压气站的入口压力是持续下降的。所以应继续观察下游压气站的压力下降情况，待下游压气站进站压力有上升趋势之后，再相应提升机组转速至合适的出站压力，否则容易造成机组入口压力低而停机。