天然气管道自动分输模式及应用

孙晓波

（中国石油北京油气调控中心，北京 100007）

0 引言

天然气长输管道持续快速发展，天然气用户规模也不断扩大［1］。手动为用户分输需要耗费大量人力且分输控制准确性不高，为了提高管道运行效率和用户分输控制水平需要利用自动分输手段给用户供气。自动分输主要是根据分输用户的供气特点，制定不同的自动分输控制逻辑，自动完成用户分输的各项操作。借助自动分输可以降低用户日指定量和实际用气量的偏差，降低分输控制工作量。基于中国石油北京油气调控中心在相关领域的研究和工程应用实践经验，总结适应不同用户需求的自动分输供气模式，提出各种供气模式的控制逻辑和自动分输安全保护逻辑，通过实践应用检验不同的自动分输控制逻辑可否满足用户供气需求［2-4］。

1 用户用气特点和自动分输方式

1.1 用户类型和用气规律

北京油气调控中心负责向华北地区长输管网天然气用户供气，根据用户用气特点和历史供气经验，可以将用户分为以下6 种类型：①居民用户：用气波峰波谷较为明显，用气量随时间波动较大，通常夜间为用气低谷，需要保证最低供气压力；②综合性用户：通常同时包含民用用户和工业用户。有一定的基础用气，在此基础上存在用气量的波动；③一般工业用户：用气较为稳定，时段性不明显；④不可中断工业用户：用气压力要求较高，产生压力波动可能会造成严重后果，如炼化厂、电厂、玻璃厂等；⑤CNG 加气站等间歇性供气用户：不定时用气，没有可利用管存，用气期间要求压力平稳；⑥间歇性供气用户：管存容量大，或有多方气源，以间断方式进行供气。

以上6 种用户类型中居民用户、一般工业用户、综合性用户是有一定用气规律的用户，用户用气量随时间变化，遵循一定的规律。CNG 加气站用户和间歇性供气用户的用气量变化与时间无明显关系，用气随机性较强，无明显的用气规律。不可中断工业用户用气稳定，用气压力要求敏感，产生压力波动可能会造成严重后果。

1.2 自动分输方式

针对不同的用户供气需求，基于到量停输法、恒压控制法、剩余平均法、不均匀系数法4种不同的自动分输控制算法，将其整合为一套自动分输控制程序以适应各种不同用户自动化控制的需求，实现日指定的自动精准控制。不同用户供气需求可采用不同的自动分输方式（表1）：①对不可中断且有供气压力需求的用户采用不均匀系数控制方法按日指定量进行自动分输供气；②对可中断用户采用到量停输法实现自动分输供气；③对无压力限制的用户采用剩余平均控制法或到量停输控制法实现自动分输供气；④对稳定供气的不可中断用户采用恒压控制法或剩余平均流量法实现自动分输供气。

表1 用户及自动分输方式对应表

2 自动分输控制逻辑

天然气管网运行人员每天根据批复的用户日指定量进行输气作业。运行监控系统能够自动采集当日批复的日指定量，由运行人员进行一键下发到自动分输控制系统，再由自动分输控制系统根据用户日指定量进行自动分输控制。自动分输控制主要依靠分输调节阀的自动调节模式来实现，分输调节阀的自动调节模式有压力调节和流量调节两种控制方式。在压力控制模式下，能够自动检测当前压力和目标压力，通过调节阀门开度使得当前压力达到目标压力。在流量控制模式下，能够自动检测当前流量和目标流量，通过调节阀门开度使得当前流量达到目标流量［5-8］。

2.1 恒压控制法控制逻辑

对于稳定供气的不可中断用户，自动分输时采用设定的压力值进行恒压供气。在恒压控制模式下，管道分输控制阀保持常开，采用压力控制，压力设定值按照需要的运行压力设定［9］。当日指定量完成率达到99.8%时，继续保持当前压力设定值进行输气。恒压控制下，日指定控制由用户自主完成，程序不进行干预［10-11］。

2.2 剩余平均法控制逻辑

剩余平均法适用于用户各时段用气分布比较均匀且无压力限制的用户。剩余平均法将每天划分成若干个时段，在每个时段输气开始前，按照用户日指定量和当日已完成的输气量计算出的剩余时间的平均供气量并按照剩余平均流量值控制分输调节阀对用户进行供气。完成当日分输后，系统保持当前输气状况不变，并按照第二天新下发的日指定量进行供气。

2.3 不均匀系数法控制逻辑

不均匀系数控制模式首先将每天划分成若干个时段，根据过去7天用气规律，计算当天各时段所占的不均匀系数。在每个时段输气开始前，根据当日日指定量和该时段的不均匀系数计算当前时段输气量分配值并进行流量调节（图1）。完成当日分输后，系统保持当前输气状况不变，等待下发新的日指定量，然后重新计算预估偏差率、不均匀系数等参数，第二天开始自动分输。每个时段的不均匀系数计算公式如式（1）所示。

式中，Xwt为每个时段的不均匀系数；Qh为过去M天此时段的实际输气量，m3；Qd为过去M 天每天的总输气量，m3。

2.4 到量停输控制逻辑

图1 理想情况不均匀系数法供气曲线图

正常输气时采用恒压控制法、剩余平均控制法或不均匀系数法3种控制方式中的一种，因为这3种供气方式同一时间只能启用一种。到量停输控制逻辑可以与上述3种方式同时启用，也可以不启用。一般对于可中断分输用户可以采用到量停输法实现自动分输控制。实行到量停输控制逻辑时，系统实时监测当前用户总输气量，当输气量到达日指定量的99.8%时发出日指定量完成报警，并根据到量停输功能是否启用确定是否执行停输操作。如果允许停输，则关闭分输用户并发出报警，如果不允许关闭用户，则保持原有供气逻辑继续供气。当完成供气量的时间在7∶40-8∶10 范围内，程序不再执行到量停输逻辑。

2.5 辅助控制逻辑

为了保证用户的供气安全和供气精准度，开发了压力超限控制、低流量保护、偏差调校3种辅助控制程序，其与到量停输法、恒压控制法、不均匀系数法、剩余平均法同时启用。①压力超限控制逻辑：在调节阀流量调节模式下根据用户要求设置最低分输压力和最高分输压力限值。在限值范围内系统进行流量调节，当压力达到上、下限值时系统切换为压力调节，当压力恢复正常范围后再切换为流量调节。②低流量保护控制逻辑（图2a）：在自动分输过程中，当瞬时流量连续300秒小于最低流量限值时自动关闭供气管路阀门，当供气压力低于控制压力低限时重新打开供气管路阀门继续进行输气。目的是为了使流量计在量程范围内进行计量，使计量结果更准确。③预期偏差调校功能（图2b）：当用户实际需求量与日指定输气量偏差较大时，系统能够及早采取纠偏控制。系统计算日指定输气量与预估用气量偏差率。如果偏差率小于±20%，系统启动预期偏差调校，采用最低分输压力进行恒压输气；如果偏差率大于±20%，采用最高分输压力进行恒压输气。当预期偏差调校启用时，每个时段输气完成后系统根据当前实际输气量计算日指定输气量与当日预估输气量偏差，如果偏差调校成功则停止预期偏差调校切换至原有控制模式，否则继续保持预期偏差调校模式。

图2 自动分输辅助控制逻辑图

3 自动分输应用

西沙屯站属于北京油气调控中心管理，是向下游用户北京燃气公司供气的分输站，高峰期供气量达到2 500×104m3／d。未自动分输前是由人工进行日指定控制，偏差率波动较大且耗费大量人力。2018年11月12日，西沙屯站自动分输改造完毕，开始采用不均匀系数法控制，投用后经过不断发现解决问题，整体偏差率曲线趋平缓。具体情况见图3所示。

图3 西沙屯站不均匀系数法日指定控制情况图

4 结论

1）自动分输功能实施后，用户日指定量与实际完成量偏差均在1%以内，说明自动分输能够实现精准的日指定量控制，而且控制过程中除需下发日指定量外完全不需要人为操作，极大降低了分输控制的工作量，减少了因日指定数据人工录入错误造成的控制偏差。

2）自动分输技术与集中远程控制的运行模式相结合，为天然气管网全面远控奠定了基础，同时也为站场的区域化管理模式变革提供了条件。

3）各管道公司大力推行无人站场加区域化管理的管控模式，将大量现场人员从重复工作中解放出来，投入到设备、线路、检修等工作中，真正实现了减人增效［12］。

4）自动分输控制逻辑能够在保障用户供气安全的情况下自动完成当天的输气任务并满足用户自动分输的控制要求，有较高的参考价值和现实应用价值，可以大范围地推广使用［13］。