天然气输差系统诊断方法

张利华

中国石油西南油气田分公司 重庆气矿（重庆 400021）

0 引言

天然气从地下开采出来变成终端商品，在生产、加工和集、输、配过程中存在相当数量的损耗，针对某一管网系统而言，天然气输入总量减去输出总量的差值，习惯称为输差[1]。根据某气田10 年的生产数据，输差占天然气总损耗的30%～55%[2]，对于一个年产天然气数十亿立方米规模的企业，输差率0.1%都是损失巨大的，控制输差对于降耗增效意义重大。且随着天然气需求的不断增加和市场经济观念的不断增强，天然气输差困扰供需双方的纠纷问题越发突出[3]。但影响输差的因素复杂繁多，天然气的多组分、安装条件、操作条件、环境条件的变化和多参数测量都会影响天然气计量准确性[4]，造成输差。所有的天然气公司都不同程度面临输差问题的困扰，而繁琐反复的输差异常诊断过程是困扰计量人员的难点。国内外学者对影响天然气输差的因素及对策进行了很多研究，但目前未发现有序的、具有操作性的系统诊断方法，计量人员对输差异常诊断一定程度凭借自己的经验，具有随意性，导致输差异常诊断效率偏低，难以适应天然气工业高效高质量发展的需要。

近年来，随着国家管网互联互通工作的全面开展和进程加快[5-7]，管网天然气动向愈加错综复杂，流程和气量调整频繁，供气状态变化加大，同时加大了输差管控的难度。根据多年现场计量工作经验，基于目前天然气生产现场使用最多、输差影响环节最复杂的孔板流量计开展研究再引申其他流量计，对生产现场天然气输差的影响因素进行全面分析研究，并按照诊断的难易程度进行分解，规范诊断操作流程，借鉴企业标准化管理思路，最后形成系统诊断方法模版，在现场应用中取得了良好效果。

1 天然气输差概述

天然气从地下开采出来，在复杂的加工、集、输和配气过程中有非常大的损耗，主要包括天然气处理加工的缩减量、管线事故或作业时放空量，这些损耗量和天然气生产量、销售量、回注量、自耗量、管存量等都可以通过直接仪表计量或间接公式计算得到其数量，天然气输差则是集输管道内平衡输气进出量之差值。对某一平稳供气具有完整计量设备的输气管网而言，若不考虑计量误差，理论上进出量应相等，即输差应为0。但由于计量设备本身存在误差，计量方法及计量过程控制不完善也会导致计量误差，实际输差值不会为0，因此输差是未被计量或计量误差造成的，输差是必然存在的。

天然气输差是某一段时间输气管道内平衡输气量之差值[8]，其理论计算公式为：

为便于理解，可简化为

式中：Q差为某一时间输气管道内的输差，m3；Q1为同一时间内的输入气量，m3；Q2为同一时间内的输出气量，m3；Q3为同一时间内输气单位的生产、生活用气量，m3；Q4为同一时间内放空气量，m3；V1为计算时间开始时，管道计算段内的储存气量，m3；V2为计算时间终了时，管道计算段内的储存气量，m3;∑Q入为同一时间内输入总气量，m3；∑Q出为同一时间内输出总气量，m3；V初存为同一时间内开始时刻的管存量，m3；V末存为同一时间内终了时刻的管存量，m3。

其中，天然气输出总量包括所有输出量和损耗量之和，目前天然气气量结算不是以很短的时间点结算，而是以某时间段内（通常以月为时间单位）的气量进行结算，也为了简化计算，对日常平稳运行、节点压力变化不大的管网，管存变化量可以忽略不计，计算输差时可以不考虑管存。在具体计算时，为了统计分析天然气输入和输出量是否平衡，需要每天把某特定区域某时间段内全部输入和输出的天然气量准确地列出来，监视输差异常走势，可以及时发现和处理计量问题或管网泄漏问题，以维护企业合法利益。

因此，天然气输差管理是天然气生产经营管理非常重要的环节。计量人员每天密切监控输差变化，发现输差异常时，及时进行原因分析。

2 天然气输差异常原因分析

由于天然气管网较长，进、出口众多交错，天然气供气调配变化多，造成天然气输差异常的原因很多，既有计量误差引起的输差也有未被计量引起的输差，具体有管路系统内外泄漏、计量误差、盗气、计算和记录不正确等。需要说明的是：设备设计、制造、安装不合规范；设备选型不合理；设备的准确度不够等，属于系统原因，在站场、管网投产时就已经存在了，这里不做讨论。主要讨论天然气在生产运行中出现输差异常的非系统原因。

2.1 人为失误导致数据错误

由于很多天然气集输管道、场站具有点多线长面广的特点，且多处于人烟稀少、自然环境恶劣的地方，而且生产区域分散，有很多场站未能实现站控自动化，信息读取、录入、计算仍需人工完成，存在人为失误导致数据错误的可能，从而造成输差异常。很多单位输差监控表数据是链接在生产调度运行报表上，属于数据二次传递，如果数据传递出现问题，也会造成输差异常。这类由于人为失误导致数据错误引起输差异常占有比例比较高。

2.2 工艺流程和进出点气量调整

天然气管网互联互通基本建设进程越来越快，管网调配越来越复杂，工艺流程、进出点气量调整和变化越来越频繁，加大了输差管控难度。如果计量人员未能及时变更调整后的输差进出点，就无法平衡气量，造成输差异常。

进出点气量调整可能会导致孔板流量计差压运行范围超限，造成“小马拉大车、大马拉小车”的非计量漏失，引起输差异常。

2.3 管网内外泄漏、放空、盗气

管网泄漏分客观因素和人为因素，客观因素包括腐蚀穿孔泄漏、流程密闭性差泄漏、自然灾害造成管道断裂等；人为因素包括施工无意损伤、打孔盗气等[9]，天然气管网泄漏的损失是难以估计的。管线由于紧急情况破裂或施工作业需要人为放空，未正确记录管线管径、压力变化、距离、时间等，以致于未能准确估算气量损失。这些未计量的管网内外泄漏、放空、盗气等原因都会造成输差异常。

2.4 计量参数录入错误

从天然气流量计算公式可知，参与流量计算的参数有数十个，计量参数录入不正确将对输差影响较大。计量参数包括气质参数（相对密度、甲烷等天然气组分）和计量设备参数（测量管内径D20、取压方式、测量管内壁绝对粗糙度kD、孔板内径d20、孔板连续使用时间（年）、孔板入口边缘圆角半径rk、当地大气压P0、流量计量状态、静压量程Pm、差压量程Hm、温度测量范围Tmin～Tmax、小信号切除信号H(Pa)、智能流量计仪表K系数），这些参数如果录入错误，将会导致计量漏失从而引起输差异常。

2.5 计量系统配套仪表误差

计量仪表误差对输差有较大影响。孔板流量计的节流件——孔板对计量准确性有非常大的影响，如果孔板表面堆积污物过多、孔板安装方向错误、入口尖锐度磨损等，都会造成比较大的计量误差。压力、差压、温度、安全栅(隔离器)和A/D转换器等仪表设备在使用过程中会出现示值漂移、仪表故障等问题，从而引起计量误差造成输差异常。

2.6 其他使用条件和环境条件变化影响

由于天然气的气体流态特征，各种使用条件和环境条件的变化都会对计量结果产生直接影响，从而引起输差异常。气举、排水作业、清管、流量计上游端调压阀的操作、计量前后压缩机的启停和运行、电磁干扰等会对天然气的流态产生较大影响，从而引起输差异常。

3 天然气输差诊断方法

一些学者和计量人员对输差异常的诊断提出“输差一出，仪表先行”的原则[10-12]，首先把输差异常的原因定位于计量仪表的问题。但根据笔者多年的输差管理经验，仪表按周期进行了维护、检定、校准，出现问题几率相对较小；根据多年追踪天然气输差异常的经验，仪表问题占比不是特别大；天然气场站很多在偏远分散的地方，诊断仪表问题需要消耗人力、检测设备和车辆成本，不利于企业提质增效。

从输差异常出现问题频率最高、成本最低和诊断相对简单易行的数据可靠性分析最可行，“输差一出，数据先行”是效率最高的方式，据此研究出天然气输差异常诊断的系统方法。

3.1 天然气输差异常诊断流程

当输差监控系统发生异常报警时，就需要进行密切关注。根据输差后期的走势进行原因诊断和处理。按照诊断的难易程度和人、物成本投入高低，从易到难进行梳理，采取步步确认方式逐项排查，诊断流程如图1所示。

图1 天然气输差异常诊断流程图

3.2 天然气输差异常诊断方法模版的建立

根据天然气输差异常诊断流程图（图1），细化诊断步骤，参照标准化管理思路，建立天然气输差异常诊断模版（表1、表2、表3），此模版包括3部分：数据核查、计量系统核查、使用环境核查，建议先使用快速简易方法核查，发现可疑再细致准备核查[13-19]。一旦出现输差异常情况，计量人员不再随意无序进行诊断，可以依据该模版进行排查，最后进行结论分析和处理。该模版主要根据诊断的难易程度、出现频率和消耗成本的多少，按照数据（含流程）、计量系统（含范围、参数、仪表）、环境、结果处理等4个方面来进行确认[20-24]。

表1 天然气输差异常系统诊断方法模版中的数据核查

表2 天然气输差异常系统诊断方法模版的计量系统核查

续表2

表3 天然气输差异常系统诊断方法模版的使用环境核查

4 天然气输差异常诊断模版的应用及效果

天然气输差异常诊断模版研究完成后，应用在某气田输差异常诊断工作上，取得了良好的效果。主要在以下几个方面得到体现。

4.1 天然气输差异常诊断效率和准确性得到提高

由于诊断方法模版的建立，获得天然气输差异常诊断的最佳秩序，遇到输差异常问题，根据诊断模板，从数据的正确与否开始分析，再进行流程的梳理、仪表运行范围核查、计量参数的核查、计量系统及仪表的校验、流态及综合因素的核查。通过3年来在某气田的实际应用，天然气输差异常诊断的效率提高了很多。2020 年4 月中旬，发现进大管线的气量计算错误，把578.11×104m3错误计算为483.63×104m3，影响气量94.48×104m3。诊断、处理此类输差异常问题，原来需要1～5 d，现在利用了诊断模板，仅仅用了不到30 min 就处理完毕，极大提高了工作效率。

诊断方法体系的构建，让天然气输差异常诊断准确性也大大提高。2020 年8 月上旬，发现某气田某输气干线的输差突然异常报警，偏离正常值6%，通过对数据的反复核查、流程的梳理检查，发现是误把某管线反输计量装置的旁通阀打开，天然气约少计量37×104m3/d，4 d少计量148×104m3。

4.2 天然气输差异常诊断成本降低、输损降低，效益提高

天然气生产场站大部分比较偏远，有的单程都需要几个小时，而且输差线计量进出点多，频繁奔波现场，人员、检测设备和车辆的消耗都较高。

天然气输差异常诊断模版的应用，使诊断流程步骤清晰，当输差出现异常时不是盲目地、重复地查找原因和反复往返于现场，甚至漏掉重要的环节，而是根据诊断模版有序进行诊断和处理，减少了异常输差诊断的随意性，减少了不必要的成本消耗。

在某天然气产销气矿4 年来的实施应用，实施前一年，2016年输差损耗为9 001×104m3，从2017年实施以来，输差损耗得到了降低，2017～2020 年输差损耗分别为6 845×104、5 168×104、6 604×104、6 021×104m3，年平均天然气输差损耗为（6 845+5 168+6 604+6 021）/4=6 160×104m3，输差损耗年均降低30%左右，总共产生上亿元的经济效益。

4.3 计量人员能力短时间内得到显著提升

天然气输差异常诊断模版是一个清晰明确的行动指南，具有可操作性，对计量人员有序高效地进行输差异常诊断、快速提升处理问题的能力提供了有力技术支持。

诊断模板步骤清晰，技术要求明确，而且有具体的记录填写要求，也能有效克服计量人员不记录或漏记录的问题，避免了在现场清清楚楚，回来后又模模糊糊的低效状态。天然气输差异常诊断模版的步骤，包含了计量管理的大部分系统综合知识，而非零碎片面的知识。按照模版流程开展诊断后，能力提升显著，半年到一年时间可以掌握需要几年时间学习和积累的知识与技术。

5 结论

1）天然气输差异常系统诊断方法借鉴了标准化管理思路，并和天然气生产实际相结合，具有可操作性，在某气田得到了广泛应用。当输差监控系统出现异常警示，按诊断方法模版进行诊断和处理，目标导向明确，工作有序、高效，为计量标准化、智慧化、低碳化发展提供技术支撑。

2）天然气输差异常系统诊断方法不仅规范了天然气输差异常诊断的秩序，减少了计量人员的主观性和随意性，而且输差管控能力得到显著提升，为维护企业合法效益提供了技术支撑。

3）天然气输差异常系统诊断方法是长期计量工作技术和经验的积累，是宝贵的技术储备，并得到了保存，转化为企业的财富，不会因人员的流动而流失，使不同员工的工作效率和质量得到保证，也为员工教育培训提供了实用的资源。

4）天然气输差异常系统诊断方法为广大天然气计量工作者提供了一种较好的管理思路，并在生产实践中不断丰富、完善和改进，为天然气产销企业输差管理提供借鉴和参考，为天然气高质量发展提供技术支撑。