输气管道（网）系统供气调峰方法概述

陈 海 宏（中国石油大学（北京），北京 昌平 102249）



输气管道（网）系统供气调峰方法概述

陈 海 宏
（中国石油大学（北京），北京 昌平 102249）

摘要：输气管道建设的飞速发展，但与之配套的供气调峰设施建设和调峰技术仍然很落后。首先介绍了国内外输气管道的发展概况，然后详细综述了国内外主要的供气调峰措施，最后简要描述了在供气调峰中如何应用输气管道仿真软件。

关键词：输气管道；供气系统；调峰；仿真

1　输气管道发展概况

自 1990年开始，中国天然气勘探开发技术迅速发展，天然气产量迅速增加。但是我国的天然气资源分配很不均匀，主要分布在中西部地区，其产量占全国产量的70%以上。而消费市场主要是珠江三角洲、长江三角洲和环渤海地区。天然气运输与油品运输不同，除了要考虑气田就近原则，更要考虑市场的因素，这种资源与市场的隔离加大了管道建设的长度和难度。为了满足消费市场的需求和国家能源战略要求，我国正加快建设安全可靠的大型输气管网。其特点如下：

（1）陆上三大油气进口管道成型。西北方向，建设了中亚天然气管道与西气东输二线衔接。西南方向，建设了中缅管道天然气管道。东北方向，建设了中俄原油管道。

（2）全国性天然气管网加速建设。西气东输二线和川气东送分别于2012年12月30日和2010 年8月31日全部建成投产。西气东输三线工程于2012年10月16日开工，首次引入社会资本和民营资本参与建设，预计 2016年投产，可向市场提供300亿m3/a天然气。西气东输四线、五线也在积极规划中。

（3）区域性天然气管网不断完善。珠三角地区和中南地区已形成区域管网主体框架，川渝地区和华北地区已也已形成较完善的区域性管网［1］。

我国输气管道的建设正构成一个全国网络，可将柴达木、塔里木、川渝和长庆气田的联网，初步形成了安全的供气网络。不过，我国输气管道运输仍存在一些问题。虽然我国长距离输气管道建设正处于爆发性的增长期，但基础设施的建设和调峰技术却很落后，主要表现为调峰方式单一、调峰能力不足、调峰设施不能与管道建设同步。我国输气管道（网）系统调峰设施的建设仍然落后，需加快调峰设施建设的步伐。

2　输气管道（网）系统供气调峰措施

2.1输气管道（网）系统供气调峰的必要性

近年来，天然气需求量在不断增加。2013年我国天然气消费量达到1 676亿m3，2014年为1 830 亿m3，2015年预计为2 000亿m3。快速膨胀的天然气市场需求、对进口天然气的过度依赖、资源与市场的分离的现状要求必须加快建设天然气供气调峰设施，进一步完善供气调峰技术。

天然气用户的用气流量一般随时间变化，而管道输气流量通常比较稳定。为保证用气的可靠性与安全性，调节不均衡用气与均衡供气之间的矛盾，需对用气规律深入分析，选择安全、可靠、经济的调峰设施。在用气低谷时，储存富余的天然气，以便在用气高峰时弥补供气量的欠缺，满足用户用气变化的需求，保证供气的连续性和可靠性。

2.2城市燃气用气负荷预测

准确地预测城市燃气用气负荷量，才能为调峰储气设施的确定及城市燃气优化调度提供最基本的设计参数。城市燃气用气负荷预测方法，就是根据负荷历史数据和气象资料（包括云层、温度和风速）等信息，对未来的用气负荷量进行估计。在燃气运行系统中，负荷预测是必不可少的环节。目前，燃气公司主要采用传统的人工预报方法。该方法允许调度员自由处理各种因素对用气负荷的影响，但是要求调度员的经验相当丰富。

城市燃气用气负荷预测的理论方法主要有：经典回归法、时间序列法、灰色预测法、专家系统法、模糊数学法、神经网络法、优选组合法以及小波分析法。这些方法的详细预测过程本文不作介绍。

2.3供气调峰设施

在管网日臻完善的形势下，利用管道气源、输气管网和储气设施有效联合调峰是未来天然气用户系统的调峰趋势，其中气源是基础，输气管网是辅助，储气设施是主导。

天然气管道的调峰方式主要有两类：调节用户用气量和建设调峰设施。用户管理的调峰方式主要有：调整峰谷用气价格来调节用户用气需求、挑选可切换燃料系统的企业作为可中断或缓冲用户。

建设调峰设施的调峰方法如下［2-16］

（1）上游气田调峰。当调峰量较小时，可利用管道富余的输气能力、气田生产井余量和自身的产能储备进行调节。当调峰量较大时，上述方式会使得管道和上游的投资过大，并且会降低整个输气系统的效率变低。

（2）地下储气库调峰。储气库储存的天然气主要用于季节调峰和日调峰，同时也用于国家的战略储备以及事故应急储备。为保证储气库可以及时响应用户用气量的波动，一般选择在用气负荷中心附近建设地下储气库。尤其当管道输气能力的不足，导致供气不足时，只有在管道末段附近建设储气库，才能满足用户用气需求。

一般来说，地下储气库要求具有特定的地址条件，并不是每一条输气管道末段都具备建库条件。按地质构造划分，地下储气库可分为：盐穴型储气库；含水层储气库；废弃矿井型储气库；枯竭油气田储气库，其经济性最好。

（3）输气管道末段供气调峰。其原理是利用输气管道末段（指最后一个压气站与城市间的输气管道）中气体压力的变化及气体的压缩性的改变其中气体充装量。管道末段储气能力越大，越有利于小时调峰。这种调峰方式是最有效、最经济、最方便的。

在实际运行过程中，由于城市用气量周期性的波动，引起末段管道终点的压力和流量也发生周期性的变化。尤其是，运行压力每天会发生周期性的增压、降压循环过程。当压力波动幅度过大时，这很容易增加管道的疲劳损害。因此，在满足供气调峰需求的前提下，应尽量降低管道的应力，增大安全系数，减小压力周期性波动幅度。

（4）城市管网储气调峰。城市燃气管网的设备和管径都是以月最大小时流量作为设计计算的依据，其输气能力富余量大，能够更快及时响应用气波动，非常有利于解决小时调峰。

（5）管束调峰。该方法是在地底下埋入多组钢管，利用高压下气体与理想气体的偏差及可压缩性进行储气，主要用于城市配气系统昼夜调峰。

（6）储气罐调峰。主要用于日调峰量较大的城市。储气罐分为高压储气罐和低压储气罐。高压储气罐的储气压力一般在0.8～2 MPa，储气空间恒定，需通过调整罐内压力来调节储气量。 低压储气罐的储气压力一般为l～4 kPa，接近大气压，并可保持恒定，并可通过调整储气空间的容积来调节储气量。

（7）液化石油气（LPG）调峰。这种方法需利用特定的措施和设备，掺混空气和丙烷，使得掺混后气体的华白指数与长距离天然气管道中气体华白指数接近，此时方可用于调峰。LPG便于运输和存储，可通过成品油管道或罐车将其运到指定的城市。存储方式既可在-40 ℃的低温常压存储，也可带压存储。缺点是一旦出现泄漏，由于气态丙烷密度比空气密度大，气态丙烷会在地面上沉积且不易扩散。

（8）液化天然气（LNG）调峰。LNG作为一种机动气源，是解决城市燃气短期调峰的有效手段。主要分为三类：终端LNG储罐调峰、小型LNG液化调峰、小型LNG气化调峰。

2.4调峰方式的选择

调峰方案和措施的选择与许多因素有关，其中一个关键因素是调峰周期。考虑到城市燃气用气的不均匀性，根据调峰周期长短，可分为短期（小于1个月）调峰、中长期（超过1个月）调峰。一般来说，调峰周期越长，调峰周期内用户的用气量变化越剧烈，完成调峰任务的难度和代价就越大。输气管道（网）系统供气调峰方式比较，见表1。

表1　不同输气管道（网）系统供气调峰方式Table1 Peak shaving methods of gas supply in gas pipeline （Network） system

为使供气系统能获得较好的经济效益，原则上不应采用调整干线管道工艺运行方案和气源供气量的办法进行调峰，即干线管道和气源设施基本上按各自的设计能力维持平稳运行。选择调峰方法时，必须统筹考虑经济性和工艺等因素，对比多种调峰方法，优选出最佳方案。

3　仿真软件在供气调峰中的应用

对于给定的输气管道（网）系统，在给定的时间范围内，已知该系统的气源供气能力、管道输送能力及用户的用气流量变化规律，如何才能确保提出的调峰方案的可行性和经济性？所谓可行性是指各供气点既能满足对最低允许供气压力的要求，又能满足供气流量的要求。由于输气管道（网）系统调峰过程是典型的非稳态工况，系统的运行参数变化规律相当复杂，调度人员难以根据经验制定既可行又经济的调峰方案。此时，需要分析用气波动时管道运行工况，结合管路、压气站及储气设施的运行规律，通过输气管道仿真软件来定量描述在不同边界条件下各节点和设备运行参数的变化过程，根据仿真结果进行调峰方案的评价与比选［18］。

长距离天然气管道仿真分为瞬态仿真、稳态仿真。由于中长期调峰问题具有周期长、用气量波动幅度大且持续时间长、难以准确预测该周期内用气量的具体变化规律等特点，一般应用稳态仿真软件进行中长期调峰过程仿真。而短期调峰过程的周期短，能够较准确描述用气量的具体变化规律，一般应用动态仿真软件进行短期调峰过程仿真［18］。

目前，国内还处于对单根管线的调峰过程仿真阶段。应用于输气管道（网）系统供气调峰过程仿真的软件主要有SPS、TGNET、SIMONE、GREEG、SIROGAS等。其中，TGNET是我国最早引进的输气管道仿真软件。

这些软件中，可以用于输气管道（网）系统供气调峰过程仿真的模块主要有：实时在线仿真、实时状态预测、离线仿真。

实时在线仿真模块根据实际的天然气管网中的管径、管长、调压器位置、气体热值等数据，建立管网仿真模型对实际管网运行状态进行实时持续的仿真。将SCADA系统数据（包括气源点的压力、调压站的出口压力以及管网系统的约束条件与边界值）实时地输入到仿真系统中，进行动态模拟管网的水力工况和热力工况，计算管网储气量，以及各节点的温度、流量和压力等其他参数。同时在线仿真软件利用该模块还可以实时跟踪管网中各点的气源比例。

实时状态预测可分为条件预测自动预测。该模块通过实时在线仿真得到当前管网的运行状态，以及实时动态的数据，对未来的运行状态进行预测。

自动预测是以实时在线仿真模块的计算结果作为起点，调度员可设定预测时间，并导入预测时段内用户负荷数据，即可实时模拟出未来的运行状态。例如，在实际生产运行中，调度人员可以将客户申报的第二天或未来几小时的用气量输入预测系统，使用当前管网运行数据进行预测，查看管网是否能够满足客户申报的用气量。如满足则用户申报的用气量可以作为用气量计划下发，如不满足可在预测系统中进行调整验证，制定新的用气量计划。

条件预测可由用户设定事故工况，并基于当前运行数据预测所设事故工况发生时管网的运行状态。并可针对所假设的事故工况，制定有效的应急措施。

离线仿真是进行管网某一时间点静态平衡下的分析计算。当用户需要增大或减少用气量时，调度人员将某时刻的SCADA数据导入仿真系统，并设置用户的用气量，通过离线计算管网在该时间点的储气量、各点压力、流量数据、燃气热值等参数，查看更改是否合理，会不会超出管网的负荷能力。

经过几十年的发展，输气管道仿真软件的计算精度和运行效率不断提高，尤其是大型输气管网的仿真。而且在管道的设计、运行、调度等也都得到了广泛的应用。

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Summary of Peak Shaving Methods of Gas Supply in Gas pipeline （Network） System

CHEN Hai-hong
（China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Abstract：Although the construction of gas pipeline is rapidly developing，the construction of facilities and the measures of peak shaving in the gas supply system are still very backward.In this paper，firstly the general situation of the development of the gas pipeline at home and abroad was introduced.Secondly，the main measures of peak shaving in gas supply system were reviewed in detail.Finally，how to use the simulation software of gas pipeline in peak shaving of gas supply system was briefly described.

Key words：Gas pipeline；Gas supply；Peak shaving；Simulation

中图分类号：TE 832

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）01-0109-03

收稿日期：2015-09-27

作者简介：陈海宏（1991-），男，江苏省建湖人，在读博士，研究方向：油气长距离管道输送。E-mail：chen1020155185@163.com。