天然气管道输差成因及控制分析

2023-01-06王兴智何军薛斌

工程技术与管理 2022年18期

王兴智何军薛斌

国家管网集团西气东输苏北输气分公司，中国·江苏扬州 225000

1 引言

天然气作为一种高效清洁能源，其消费量在全球范围内急剧上升。2021年，中国天然气产量2076×108m3，同比增长7.8%，连续五年增产超100×108m3。随着天然气消费需求的增加，管道作为天然气运输最经济有效的方式，其建设速度也越来越快。2021年，中国主干天然气管道里程达到11.6万公里。

天然气长输管道输送距离长、覆盖面广、分输计量点多的特点，以及管道系统性能随着时间的推移而有所降低，使得天然气在管道输送过程中不能完全避免输差的产生[1]。管道输差是天然气企业极其注重的一个技术经济指标，与企业的经济效益息息相关。因此，分析天然气管道输差产生的原因和控制措施具有重要意义。

2 管道输差的概念

天然气管道输差是指管道接收的天然气量与输送至用户气量间的体积差，其计算公式为：

式中，Q差为统计周期内的输差，m3；Q1为输入气量，包括储气库采气量，m3；Q2为输出气量，包括储气库注气量和销售气量，m3；Q3为自用气量，m3；Q4为放空气量，m3；V1为期初管存量，m3；V2为期末管存量，m3；η为输差率，%。

由上式可知，输差产生的原因主要包括计量系统准确性、管存计算准确性、管道泄漏以及其他因素等，其中，计量系统误差是导致输差的主要原因[2,3]。在气体研究所（Gas Research Institute，GRI）的研究中，计量系统测量误差占输差总量的81.5%，泄漏占9%，盗窃占6.5%，核算失误占3%。

3 输差成因分析

3.1 计量系统的准确性

天然气计量包括体积计量、质量计量和能量计量三种形式。国际天然气贸易交接广泛采用能量计量的方式，而中国是目前仍然以体积计量为主的少数国家之一。

3.1.1 计量仪表的选型

计量仪表的型号与天然气管道实际输送条件的匹配程度直接决定了计量误差的大小。实际运行过程中流量计量程与实际输气量相比过大或过小，都会造成测量数据与实际状况存在较大差距。通常情况下，合理的流量计量程应当介于最大流量值的30%～80%范围内。流量计只有工作在分界流量qt和最大流量qmax之间才能提供最佳的计量性能。管道实际流量不同，其最大允许误差不同，qmin≤q≤qt时的流量计最大允许误差甚至是qt≤q≤qmin的两倍。另外，计量仪表的安装及运行条件变化也会影响测量结果的准确度，且对不同流量计的影响程度不同。

3.1.2 压力、温度测量的准确度

压力温度的测量直接影响计量系统的准确度。以超声波流量计为例，即使仪表检定结果合格，由于仪表实际工作条件往往不能达到实验室检定校准条件，其计量结果仍然存在一定偏差，并且由于温度或压力测量的不准确给标准参比条件下体积量带来的误差可高达±0.5%。

3.2 管存计算准确性

3.2.1 管存计算方法

对管道企业而言，管存差属于账面输差，但是期初与期末管存量的计算准确性直接关系到该周期内的输差计算准确程度。目前管存量的计算方法通常有两种：一是采用水力模拟计算软件（SPS）进行动态计算；二是基于管道参数进行稳态计算。相同参数条件下，按稳定流法计算的管道储气量小于不稳定流的实测值。实际情况中，目前工程实际中大多仍采用稳态计算方法。

3.2.2 动态计量参数

稳态计算公式中的压力和温度属于动态计量参数，取值准确与否直接影响到管存量计算准确度。为此，参数取值时间不宜在流量波动较为剧烈的早中晚时间段内，应尽量安排在运行稳定的夜间；用管壁温度或管道附近地温代替在管道阀室旁通管道上的天然气温度更能正确反映干线天然气的温度。

3.2.3 压缩因子的计算

压缩因子计算的准确性是管存计算准确性的决定性因素之一。常规计算方法主要有实验法、SK图版法、状态方程法、AGA8-92DC计算方法以及经验公式法等。不同压缩因子计算算法的误差可高达0.5%。另外，压缩因子的计算需要知道气体详细的摩尔分数组成，在计算管段管存量时，应选择在线色谱分析仪的气体组分数据，没有在线色谱分析仪的站场根据就近原则采用临近站场的数据进行管存计算。

3.2.4 计算管存量的管段

天然气管道管存量和对应管段的长度以及测量管段内径等有关，且稳态公式只适合于内径相同的连续管段。对于输气管道系统而言，由于阀室以及管道支线的存在，管道系统可能包括变径管、弯头等特殊管段，为提高计算的准确度，应将输气管道划分为不同的管段逐一计算管存量再求和。管道划分越细，管存量计算结果的精确度越高，阀室与阀室之间的管段是最小的划分单元。

3.3 放空量计算准确性

放空气是指站场或干线管道通过截断其上下游阀门后进行放空或泄露损耗的天然气，主要包括紧急抢修放空和计划性放空，其中计划性放空包括分离器排污放空、压缩机定期检修放空等。对西气东输管道，2003—2008年由于过滤器排污和压缩机启停产生的放空量占总放空量的50%以上。

目前基本采用计算管段管存差的方式来估算管道放空气量，但这种方法所需压力温度等数据往往不具备良好的测量条件且易受外界环境和人为因素影响，存在较大的不确定性，导致其存在计算偏差。另外，国内大部分站场将压缩机启停吹扫作业产生的放空量默认为固定值，这种做法不利于贸易计量交接，易引起贸易双方的计量纠纷。

3.4 管道泄漏

输气管道系统泄漏包括偶然性泄漏、长期泄漏和普通运行泄漏。一般来说，输气系统的泄漏大部分都属于偶然性泄漏。造成管道泄漏的主要原因包括因气体组分不纯造成的内部腐蚀和硫化应力腐蚀、制管和安装焊接质量差导致的管道断裂以及外力或人为导致的管道破坏等。

3.5 其他因素

主要包括人为因素、意外事故以及偷盗气等，其中人为因素包括主观和客观因素。人为主观因素是指操作人员在作业过程中人为干预结果的行为，客观因素指个人业务能力水平限制等。

4 输差分析方法

当天然气管道输差异常时，需要及时进行输差分析及定位，一方面促使计量人员进行计量仪表的校准，确定输差产生的原因，另一方面也有助于巡线人员针对性地巡线。常见的输差分析定位方法有计量先行法、瞬时流量平衡法、曲线对比法、量值溯源法以及缩短周期法等。此外，水力摩阻系数法、不确定合成法以及灰色关联分析法也可进行输差定位分析。

4.1 水力摩阻系数法

管道水力摩阻系数决定管道压力降，而压力降的异常可以用来进行输差预警。建立计量数据库，在数据库中应用计算机实时计算各段管道的当量水力摩阻系数，寻找与其相似边界条件的水力摩阻系数，通过对比，就能发现输差存在问题的管段。

4.2 不确定度合成法

不确定度合成法是根据计量仪表的精度和不确定度通过不确定度合成理论得到的干线输气管道由于仪表不确定度带来的可能的计量偏差。设干线输气管道具有M条进气支线和N条出气支线如图1所示，其中进气支线流量为Q入，总进气量；出气支线流量为Q出j，总出气量为。假设进出气支线各台流量计流量测量相互独立，则可将整个干线输气系统看成是由进气端和出气端两部分并联组成，其中进、出气端分别是由M、N条计量支线并联组成。

图1 输气干线系统模型

由于整个干线输气系统可以看成是由进气端和出气端两部分并联组成，由此就可以得到干线输气系统由于不确定度带来的可能的计量偏差ΔQmax和计量偏差率ω，将计量偏差率与输差率进行对比，可以起到输差预警的作用。

4.3 灰色关联分析法

灰色关联分析法的原理是根据参考序列与比较序列的关联度大小来判断两者之间的联系紧密度，关联度越大，则比较数列对参考数列的影响越大，反之则越小。

当输差异常时，将输差率作为参考数列，支线流量、管存量、放空气量以及自用气量作为比较数列，根据灰色关联分析法原理计算参考数列与比较数列之间的关联度，并依关联度大小依次检查，可有效缩短输差定位时间。

5 降低输差的相关措施

5.1 加强管道建设管理，正确选择仪表

管道企业要提高经营管理水平，降低输差，就必须做好测量仪表的选型工作。流量计选型时，应根据各种流量计的优缺点以及流量计流量范围、操作压力、流动状态、物性参数以及检定条件等因素综合考虑选用合适的流量计，避免仪表的实际工作处于量程的10%以下，从而造成测量误差处在扩展误差限内。

5.2 加强管道运行管理，减少放空气量

管道放空作业不仅造成能源的浪费，而且对环境具有较大的污染。以下方面有助于输差管理。①加强站场和管道的日常巡检管理，严控跑、冒、滴、漏现象的发生；②压缩机组是站场自耗气最大的设备，优化调整压缩机组运行方案，减少启停次数，可有效降低机组的放空量；③合理安排需要较大气量放空作业的设备维护周期，尽量减少维护次数。

5.3 加强计量系统的管理，提高计量准确度

计量系统的准确性直接关系输差大小，着重加强技术和人员管理。技术方面，应严格按照计量仪表安装技术要求进行安装，避免和消除安装误差；定期对计量设备进行检查、维护、保养工作，延长使用寿命，减少磨损、脏污以及脉动流等带来的计量误差；对计量设备进行强制检定或校准，保证计量精度在规定范围之内。人员方面，加强计量操作人员业务培训，提高专业能力和责任心。