“双碳”背景下输气管道的高效管理与安全运行

相泽厚， 高胜寒

(1.成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059；2.中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

随着我国“双碳”目标的持续推进，太阳能、风能、核能、地热能、潮汐能等各种低碳能源相继成为能源产业的重点关注对象[1-2]。加快对重工业企业的绿色低碳改造，一方面是限制部分高耗能高碳排放量的产业发展，促使传统高耗能的重工业向高端制造业及高技术的产业发展[3]；另一方面则是以科技创新推动智能化进程，尤其在传统能源行业中，推进石油与天然气钻采与运输一体化[4]，改进石油炼化工艺流程[5]，建设数字化管道和实施管理运行标准[6-8]等，从而提升传统能源利用效率，大幅度减少基础工艺或输油输气过程中产生的损耗。

对于油气行业来说，天然气作为一种低碳化石能源，在中国能源系统中具有特殊的地位和意义，天然气输气管道的建设与管理在“碳达峰、碳中和”的进程中不可或缺[9-12]。输气管道是天然气运输的重要渠道，随着居民天然气消费量的不断增长，如何解决输气管道运行管理过程中的各种问题，推动管道低碳条件下的安全运行[13-14]；如何落实管道管理责任，有效管控管道风险，持续优化管道低碳安全运行等工作显得尤为重要。

随着管道工程技术的不断发展，输气管道的建设与管理均呈现出逐渐智能化和系统化的趋势，逐渐明确影响输气管道低碳化运行机制与管理过程的外部影响因素。尤其在管道腐蚀防护管理、减少输气管道中天然气的损耗、智能化监测与管理以及排除外部工程因素等保障管道完整性方面，都对“双碳”目标的实现有着重要作用。

1 低碳化输气管道运行机制

保障天然气供应是每个运行企业面临的难题，我国始终存在冬季用气紧张、夏季气源过剩矛盾，为了解决季节用气调峰、应对突发事件，国家通过建设互联互通管道将国内的输气主干管道连接成管网，互为备用，根据地区和用户用气量实现智能化调整[15-17]。通过加大储气库建设，将供气源多余的天然气储存起来，上游来气紧张时将储存的气体释放出来，缓解管网的压力，进行整体调控[18-19]。在管网运行管理过程中，注重管道防腐措施、设置监测装置、明确高后果区管道风险评价、定期开展管道清管作业及管道内部检测，均能降低输气过程中风险事故的发生概率，避免环境污染的同时减少输送环节的能耗，推动“双碳”目标实现。

1.1 管道防腐措施

天然气管道在铺设过程中往往会经过不同地区，其穿越环境与气候变化较大，暴露在空气中的管道的管壁容易遭受雨水的侵蚀，而长期埋藏于地下的输气管道则会受到土壤和地下水的腐蚀[20-21]。因此，管道防腐工作是保证天然气安全运输的关键，完整的管道腐蚀防护管理机制能够减少输气过程中的天然气损失，减少气体泄漏的风险及降低事故的发生概率，对提高环境污染防治具有重要意义。

输气管道通常采用防腐层和阴极保护联合的防腐蚀措施，管道内壁涂刷防腐涂层，管道外壁则采用3PE防腐层防护。阴极保护的防腐措施，一般选用强制电流阴极保护和牺牲阳极保护两种措施。管道防腐的日常管理运行过程中，需要进行保护电位的测试，电位测试桩与通电点处的通电电位每月进行一次测试，断点电位每年进行一次测试，同时对恒电位仪等电源设备、测试桩、均压线连接点等定期进行维护。天然气在管道内输送的过程中，会受到杂质影响，在一定的温度条件下发生化学反应生成不同形态的其他物质，并与天然气管道内壁发生摩擦，加快管道的损坏，因此还需要定期对天然气管道内的化学成分进行分析化验，从而尽量减少发生腐蚀的情况。

1.2 监测装置的设置

设置监测装置，能够对天然气管线泄漏进行及时监测，从而及时发现泄漏风险，在延长管线使用寿命的同时，降低环境污染的风险并减少经济损失。为了减少输气过程中的损失、维护管道的正常运行、提高监测装置的敏感性与运行的正常，必须加强监测装置的日常维护与检修。泄漏监测的常用方法有负压波、声波、光纤传感器检测及地面间接法等[22]。

近年来，为了对输气管道内的各种参数进行采集和定量化分析，SCADA系统远控测试、ESD功能测试等数字化系统不断升级。基于计算机、通讯和数控技术的发展，能够高效地实现管道内的压力与流量调节、天然气计量、阀门开关、自动报警与保护、数据采集传输等诸多功能。及时的数据监测与调控，可以保证输气管道的安全运行与生产，提高了长输管线天然气的输送效率，为清洁能源的输送提供更高效更安全的保障。

1.3 高后果区管道风险评价

高后果区指管道发生泄漏后会严重危害公共安全或对环境造成较大破坏的区域[23-25]。由于高后果区内人员密集或处于国家水源保护区等地，使得其发生事故后的人员伤亡、环境损失和经济损失都十分严重。因此，进行高后果区输气管道风险评价，并采取相应的风险控制措施和管理手段，是保障管道安全运行的重点。在役管道及周边环境发生变化时，应当及时对风险评估，并根据评估结果进行修改，对高后果区内的地质灾害敏感管段，应加强人工巡护与数据采集监测，并对可能存在的管道腐蚀、气体泄漏、管道压力过高等各类突发情况进行及时处理，及时修订环境污染防治的应急预案。

1.4 定期开展管道清管作业

管道清管作业的主要目的是确保输气管道的安全运行，防止出现管道堵塞或管道内部压力过大等问题，保证输气管道的通畅和安全[26]。通过定期的管道清管作业，能够实现天然气的高效输送和管网的优化运行，从而减少输气管道中天然气的损耗，同时减少残留在管道中的硫化铁粉，避免安全事故的发生以及对环境污染的危害。清管作业采用管输效率与最长周期原则，采用潘汉德公式进行计算，一般而言对于公称通径在500 mm以下且管输效率小于90%以及公称通径在500 mm以上且管输效率小于95%的管道，应当安排清管作业；输气管道清管周期原则上为3个月，对气质控制较好且连续两次以上清理后杂质小于10 kg的管道，可以经由管理部门审查后暂缓清理。优先选择机械清管器或高密度泡沫清管器并安装相应的定位跟踪器，在清管过程中采用湿式作业以避免管道中的硫化铁粉自燃，清出的杂质送到相应的地点进行合理的分解处理，避免对环境的二次污染。

1.5 管道内部定期检测

由于管道长期运行，以及外部应力变化、管道内涂层的腐蚀，管道外观及管道内部原有的缺陷会发生变化。智能检测技术包含核心标准几何检测(EGP)和高分辨率漏磁检测(CDP)。其中EGP用于探测和测量管线几何变形(内径变化)、椭圆变形和其他管道设施的尺寸和位置，为CDP提供通球速度、温度等详细的参数。CDP属于高分辨率MFL检测设备，该设备能准确测量管道内壁的异常点，可高效检测出管道的腐蚀、凹坑、凿槽、焊缝外观、金属缺失等缺陷。智能检测可准确测量管线的变形点、腐蚀情况，精准描述出管道的现状，为正确判断管道运行状况采取相应的措施提供技术保障。

2 管道低碳化管理的外部影响及措施

2.1 加强管道运行管理

输气管道的运行管理包括工作计划管理、人员管理、腐蚀防护管理、完整性检测评价管理、检修与维修管理、安全及应急处理等多方面。为实现管道安全平稳运行，根据企业规定制定基本的细则，同时对输气管道的巡护，按照各公司输气管道巡护管理办法执行。管道低碳化的管理与运行遵循“统一管理、分级负责、业务主导、协同配合”的原则，充分利用现有的数字化技术、系统化的管理流程以及HSE管理等方法和技术，实现管道管理的高效技术手段，保证生产的低碳安全运行。

对输气管道归口管理部门，需要明确机构职责，贯彻执行行业规范与标准，并对各种规章制度进行完善与修订，因地制宜地根据地区特性提出相应的管道管理办法，内部各单位统筹协调，厘清责任，建立完善的考核制度。同时与各大研究院所保持联系，推进输气工艺与自动化控制的研究、管网优化运行与管道规划研究等，做好跟踪评价，落实输气管网的智能化研究工作。以科研成果为基础，结合一线生产，共同推动输气管网的低碳化运行。

2.2 排除管道外部工程隐患

当出现影响管道正常运行的第三方工程施工时，应当严格监管并避免其在输气管线中发生破坏事件，第三方应按照《中华人民共和国石油天然气管道保护法》规定的“后建服从先建”的原则，迁改或施工过程中造成的影响及损失均由后建方单位承担。第三方单位在施工前，首先必须提供承接工程相适应的资质及工作计划安排，施工过程中做好现场警示标志、加密巡检，确保管道安全运行。

在天然气管道两侧5 m范围内的建筑物、输送介质中硫化氢含量在75 g/m3及以上的高含硫天然气管道两侧20 m范围内的建筑物以及输气管道两侧50 m范围内的大型建筑物，均为不安全的建筑物。对该类在管道建成后重新修建的违章建筑，采用改线或拆除两种模式，第一时间确定施工方人员信息，现场加密设置安全警示标志，对施工作业人员进行管道安全保护的宣传，以保证输气管道的正常使用，避免因施工开挖管道受损导致天然气泄漏而造成严重的环境污染与人员财产的损失。因此，对外部隐患的排查工作，需要切实落实到每一条管段，加强巡查制度，对管道附近的居民及施工人员做好管道安全保护的宣传工作。

2.3 建设智能化管理系统

智能化输气管道管理系统主要由远程监测和控制系统、智能化传感器和数据采集系统、智能化控制与决策系统等组成。远程监测和控制系统是输气管道系统的中心控制平台，负责监测管道运行状态、管道安全性以及对风险事故的快速响应；智能化传感器和数据采集系统能实时监测管道数据，包括输气管道的温度、压力和流量等参数，以便操作和维护人员能够实时获取管道当前的状态；智能化控制与决策系统能对生产运行中的实时数据和历史数据进行分析和处理，基于大数据分析、模型预测等，提取对管道运行控制相关性较高的参数，为后续的管理和人工调节提供智能化的决策体系。采用智能化管理系统能够大幅提高管道运行的安全性、稳定性和可靠性。

智能化的输气管道管理系统可以提高管道运行的效率和避免天然气输送过程中的损耗，智能化传感器和数据采集能够收集和分析管道中气体的成分和质量数据，从而降低输送过程中其他杂质成分的含量，与节能减排的目标相匹配；通过建立稳定的气流状态，可以避免管道运行中的流动不畅和流量波动，降低能源消耗和碳排放。同时，智能化的输气管道管理系统在维护管理上，能精准找到需要维护的管段，减少了人力成本与时间成本，能最大程度地提高管道维护过程中的安全性。通过推进智能化的应用，能够在管道运输中提高效率、降低排放、提升运行效果，使得管道运输更加节能环保，在双碳目标中起到了重要的推动作用。

3 结语

随着先进技术的不断涌现，可以通过采用先进的管道防腐技术并定期进行检测和维护、配置完整的管道检测系统及时发现管道运行异常情况、制定高后果区管道风险评估方案和应急预案、定期开展管道清管作业保证天然气的正常输送，逐步实现输气管道智能化、系统化管理。加强管道运行管理、排除管道外部破坏隐患是实现管道低碳化管理的重要措施，结合智能化管道管理系统的建设能够实现对输气管道的智能化运行、管理和监控，从而提高管道运行效率和生产效益，更好地为“双碳”目标的实现提供支撑。