输气管道管存控制分析

丁 媛 宫 敬 戴征宇，3 王茂西

（1.中国石油北京天然气管道有限公司，北京 100101；2.中国石油大学（北京），北京 102249；3.中国石油天然气集团有限公司物资装备部，北京 100007；4.中国石油西南油气田公司，四川 成都 610051）

0 引言

管存是指管道内储存的气体量，即管道运行时实际储存的天然气在标准状态下（绝对压力101.325 kPa，温度293.15K）的体积，是管道运行效率、压力、温度以及运行配置的综合指标[1-2]。在国外，管存数据统计及管理是一项重要的日常运行管理内容。国内一般将管存用于运行输差的分析，在日常运行中应用并不广泛。为了优化管道的运行管理，我国已逐渐引入了管存控制理念，中国石油应用系统管道生产管理系统（PPS）每天定时计算输气管道管存量并实施动态监控。

1 合理控制管存的意义

管存随进气量、销气量、转供量、压气站运行配置等参数的变化而波动。管存过低时不能满足分输用户需求，管存过高时会对管道承压及沿线压缩机运行安全带来风险。因此，在输气管道运行中，确定合理的管存范围十分重要[3]。

1.1 合理确定运行参数

管存可以反应出管道运行的压力、压缩机配置以及管道气进出量是否平衡等综合情况；可以作为上游进气、下游销气、储气库注采以及管网转供量的控制依据。合理控制管存可以将管道的工作压力控制在允许的范围以内，有利于输气管道的安全平稳运行。

1.2 储气调峰

管道本身具有一定的储气调峰能力，是管道短期调峰的重要手段。当销气量不足时，将富余的进气量储存进管道；当销气量充裕时，将储存在管道里的天然气分输出去。其中陕京管道冬季用气结构中城市燃气用户比例日益增高，用气受气温影响明显。为满足冬季用气高峰需求，可以根据用气规律预测用气高峰量，提前储备管存以提高短期调峰能力。

1.3 临时保障供气

保障用户用气安全是管道运行的重要任务。当用气量激增而上游气源不能及时补充时，或上游气源量下降而用户不允许停气时，可利用管存应急供气。合理控制管存，可以将管道事故造成的损失降到最低。

因此，合理控制管存可以使输气管道兼具输气、储气和应急功能，能够应对销气量、转供量的峰谷值变化，事故发生时可以提供一定的应急储备做到临时供气应急。根据我国的实际情况，建议将管存控制分为高／低安全管存区、允许高/低管存区和目标高／低管存区，管存控制区范围根据实际情况进行调整。

2 管存计算

2.1 理论公式

管存计算的依据为实际气体状态方程（pV＝ZRT），计算公式为[4-5]：

式中，Vc为管存，m3；Vgd为管道固定容积，m3；ppj为管道平均压力，MPa；T0为管道参比条件下的温度，K；Z0为参比条件下的压缩因子；p0为管道参比条件下的压力，MPa；Tpj为管道平均温度，K；Zgz为工作条件下的压缩因子； pq为管道起点的压力，MPa； pz为管道终点的压力，MPa；Tz为管道终点的温度，K；Tq为管道起点的温度，K。

2.2 影响因素

1）固定管容。输气管道固定管容与管道的长度、内径有关。对于长距离输气管道，涉及弯头、阀室、站场等原因，沿线内径是变化的。为确保管存精确度，管存计算宜采用分段计算最终求和的方式。

2）压力。输气管道沿线设置多个压气站为天然气增压，出站后由于摩阻损失，压力逐渐降低。因此，输气管道每一段压力都不相同。压气站的配置方式影响管道压力，随着压力不同，气质参数也随之变化，这些参数变化都会影响最终的计算结果。

3）温度。输气管道与周围环境进行热交换，环境温度会影响管道的输送温度，进而影响管存量。环境温度主要指土壤温度和当地气温，与季节变化紧密相关。

4）压缩因子。压缩因子规定着气体管道在正常压力下气体的压缩程度及所处状态。输气管道压力较大温度较低，在高压低温情况下任何气体理想状态方程都会发生偏差，而且压力越高温度越低，这种偏差就会越大。因此，选取合适的压缩因子计算方法是提高管存计算精确度的关键。

除了以上4个因素，管存计算时间、管道落差、进气量、销气量和转供量也是影响管存量的重要因素。

2.3 管存计算方法

管存的计算方法主要有两种，一种是通过管存计算系统计算，另一种是通过模拟软件测算。不论何种计算方法，其理论依据均为实际气体状态方程。

1）管存计算系统。中国石油应用PPS系统计算管存，数据来源分为静态数据（管容）和SCADA（数据采集与监视系统）系统采集的动态数据。静态数据来源于管道竣工资料，稳定性良好；动态数据主要是各个阀室、站场的进出口压力、温度，SCADA系统采集数据的全面、准确、及时性决定了管存计算结果的精确度和时效性。

2）模拟软件测算。我国陆续引进了一些主流的输气管道模拟软件，例如SPS、TGNET等，通过模拟软件测算可以得到输气管道的管存。输气管道运行始终是处于非稳态工况的，沿线阀室、站场的压力、温度等参数一直处于波动状态。瞬态模拟计算考虑了管道流量随时间变化的规律，减少了因各参数随时间变化产生的偏差，因此采用瞬态模拟计算软件SPS可以更准确地计算出输气管道的管存[6]。

3 陕京输气管道合理管存的确定

陕京输气管道主干线由陕京一线、二线、三线和四线组成，途经陕西、内蒙古、山西、河北、北京、天津三省两市一区。目前陕京输气管道实现了管道间的物理连接，方便输气管道间的天然气调配。陕京一线、四线在运行上的调节空间较小；陕京二、三线基本并行铺设，两条管道在沿线的3座压气站设计联合增压流程，并在多个阀室设计连通流程，可通过切换以上位置流程，实现陕京二、三线联合运行和独立运行的切换。陕京二、三线沿线压气站数目多、机组配置方式多，为管存控制提供了较大的空间。

3.1 管存控制区

在给定天然气输量的条件下，压气站以最低进站压力工作时管存最低，若低于该压力则压缩机无法正常工作，此时的管存可以作为最低管存；维持气体输量不变，逐步提高进站压力，相应的出站压力也提升，当出站压力达到最高允许的操作压力时，管存也将达到最大值，此时的管存可以作为最高管存。陕京二、三线以压气站入口压力5.0MPa作为最低安全管存的边界条件；以压气站出站压力9.85MPa作为最高风险管存的边界条件。相应的目标管存、允许管存按均分原则确定，即以最低进站压力与最高进站压力为边界，平均分成6段得到进站压力的设定值，依次按每个设定值计算相应的管存[7]。

3.2 合理管存范围的确定

确定合理管存范围时，应遵守管道运行的安全性、可靠性和高效性原则[8-9]。首先，为保证管道安全运行，管道压力应维持在最高和最低允许操作压力的范围内。只有管道运行压力不超标，运行设备才不会出现故障损坏等问题；其次，管道应保质保量地完成输送任务，管存控制工况应满足用户接收压力要求并具备一定的调峰和应急能力，当发生异常工况可降低风险；最后，管存控制工况中压缩机组运行应处于性能曲线的高效区，避免能源损失[10]。依照以上原则制定的管存控制方案为：在最低进站压力控制下，随着输量的增大压缩机开机数量增加，此时最低管存会逐步下降；当全线压缩机都启动后，随着输量的上升，管存也会逐步上升，低管存呈现出先下降后上升的趋势。在最高出站压力控制下，随着输量的增大压缩机开机数量增加，管存随之逐渐增加；当全部压缩机都启动后，继续增加输量管存反而逐步下降。高管存的变化趋势与低管存的相反，是先上升后下降的[11]。因此，管存控制区随着气体输量的增加呈现出一个由小到大、再由大到小的趋势，管存控制区呈现为纺锤形（图1）。

图1 陕京二、三线管存控制区图

4 结束语

2017-2018年冬季，城市工业锅炉煤改气力度加大，城市燃气消费量同比显著增长；随着国内经济形势回暖，发电用气量高速增长，化工等工业用气量也显著回升，尤其是华北地区受煤改气影响销气需求旺盛，输气管道资源不足，供气矛盾异常突出，冬季高峰月保供形势严峻，且华北地区主要以民用气为主，短期调峰任务较重。确定合理管存控制区，为输气管道的安全输送提供指导依据，可作为上游进气、下游销气、储气库采气和管道转供的重要依据，以确保系统平衡。输气管道运行时，其管存应始终处于合理的管存范围内。在正常运行状态下，应维持在目标管存区内；在运行调整或处于应急工况时， 管存可在允许管存区内波动， 应尽量避免进入高／低安全管存区。

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