川气东送管道工艺运行方案制定与优化*

陈传胜（中国石化川气东送天然气管道有限公司）

川气东送管道工艺运行方案制定与优化*

陈传胜（中国石化川气东送天然气管道有限公司）

天然气长输管道运行较为复杂，确定出科学、合理、高效节能的生产运行方案是管道运营企业追求的目标。通过对川气东送管道工艺系统进行分析，确定其主要工艺参数运行范围；利用SPS管道仿真软件进行模拟计算，对输气能力进行评估；并对不同输量下管存调节范围进行分析，结合管道运行特点及节能要求，提出优选方案原则及步骤；基于该管道2015—2016年冬季运行情况，证明了该方法具有较强的适应性，制定和优化出的生产运行方案可靠、有效，能够为管道的运行提供指导和决策。

川气东送；高效节能；工艺分析；输气能力评估；方案制定与优化

川气东送管道西起川东北普光首站，东至上海末站，是继西气东输之后又一条贯穿我国东西部地区的管道大动脉。川气东送管道有干线、达化专线、川维、武石化、南京、江西支线共2229 km管线、35座站场、101座阀室，并设有普光、利川、潜江3座压气站，管网具有距离长、输量大、压力高、压气站数目多、沿线分输站点多、上游气源多、下游用户多等特点，管网运行工况复杂，如何保障管道安全高效节能运行难度非常大。因此，提前制定出科学合理的工艺运行方案，对指导保障管道安全经济高效节能运行有非常重要的作用。

1 工艺系统分析及工艺参数的确定

川气东送管道运距长、用户多、管网结构复杂，运行难度大，为了保障川气东送管道运行安全，针对其上游3个气源、枝状结构管网设计压力、管道用户用气需求不一致等特点，方案中须对管网进行系统性分析，明确工艺运行参数边界条件，确保管道运行安全。

为了避免管道运行过程中管道工况不能满足上中下系统运行需要，对上游气田及下游用户造成较大影响，重点在于天然气气质、管道运行压力、温度、流量等关键参数的控制。因此方案编制要根据用户用气需求、管网设计状况确定管道运行压力范围和气质要求。通过分析，结合GB 17820—2012《天然气》标准要求及川气东送管道下游用户中化工企业较多，对硫含量要求特别严格，在运行过程中需要在确定天然气气质至少符合二类气质标准的基础上特别做好H2S、总硫、CO2含量的控制，严格要求H2S含量不超过20 mg/m3，总硫量不超过60 mg/m3，CO2量不超过3%；针对川气东送管网设计压力分别为10、8、6.3、4.5、1.6 MPa等不同压力等级管线，为了保障管道运行有一定的安全裕度以确保管网运行安全可靠，确定其最高操作压力分别为9.8，7.8、6、4.3、1.2 MPa；通过分析上游气源的供气压力状况、下游用户用气压力状况，确定起点普光首站压力不高于8 MPa，末端上海、扬子末站最低运行压力不低于4.5 MPa；管道运行温度应严格控制在设计温度范围内，并重点关注压气站压缩机出口管线、分输站调压后管线温度，确保满足要求；方案中还需对照各输气站场输气量分析站场分离器、流量计、调压撬等设备处理能力，各设备最大处理能力原则上不超过设计能力。

2 川气东送管道工况运行分析

2.1 仿真分析模型的建立

考虑到SPS是目前国际公认较好的输气管道水力分析软件，计算准确度高，并在国内许多输气管道上得到了良好应用[1-4]。鉴于川气东送管道水力计算复杂，为了保障工艺运行方案的准确性和可靠性，川气东送管道水力分析计算采用SPS软件进行建模，在建模过程中将上游气源、下游用户、管道基本参数、传热系数、摩阻系数、阀门设备参数、压缩机机芯等基础数据输入模型中，通过对比管道实际运行情况以及仿真计算结果，对模型进行调试，保障模拟结果的准确度达到95%以上（表1），为方案的编制提供依据。

2.2 管道输气能力分析

工艺运行方案编制的核心在于运行风险最低的情况下，如何确保管道运行工况满足输气要求，重点是压缩机运行组合的选择、管存、能耗的控制[5-7]，即当管道输量一定的情况下，保障管道运行工况满足用户需求、有一定的管存调节能力、管道运行安全有效是较好的工艺方案。为了能够快速确定何种方案满足管道运行需要，需要对管道输气能力、不同输量下管存控制范围进行分析，为选择最佳的工艺运行方案提供依据。

表1 川气东送管道2016年6月1—7日同输量下实际运行结果与计算结果对比分析

表2 2016年川气东送管道压缩机不同启运方式最大输气量评估 单位：104m3/d

1）管道最大输气能力评估。川气东送管道目前有8台压缩机，其中普光首站3台、利川压气站3台、潜江压气站2台，按照设计，满负荷下运行普光首站压缩机为2用1备，利川压气站压缩机为2用1备，潜江压气站压缩机为2用1备配置，其中潜江1台压缩机暂未建设。根据川气东送管道工艺系统分析确定的边界条件，通过对川气东送管道输气能力进行核算，具体评估情况见表2。

2）不同输量下管道管存调节范围分析。考虑到管道运行过程中用户用气不是很稳定，需要一定的管存进行调节，为了了解不同工况及输量下对应的管存调节范围，需要分析各种输量下对应的不同压缩机开启方式管道管存控制范围，以便为方案选择提供指导（表3）。

3 方案的确定与优选

3.1 方案确定原则及优选措施

管道工艺运行方案的制定和优化是指在给定的条件和最优准则下采用最有利的运行方案，使得系统工况在满足给定条件的前提下达到或接近最优准则的要求[8-10]。例如管网结构、压气站的设备配置及性能、各气源的供气条件、各用户的需求气量等，因此方案应首先考虑管道系统的安全性、可靠性；还须考虑平稳性、便利性、经济节能等方面的要求。较佳运行方案为管道运行风险最小，管道运行工况满足输量要求，具备一定的管存调节范围，管道运行方式较为经济节能。

在川气东送管道工艺方案制定和优化中，首先考虑管网上中下系统运行处于较好运行状态，管道工况满足用户用气需要且不对上游正常进气造成影响；还考虑其管存具备一定的调节空间，能耗处于节能状态，考虑到长输天然气管道运行过程中所消耗的能耗主要为压缩机能耗，因此运行过程中能耗主要考虑压缩机消耗的总功率较低。为了实现这一目的，川气东送管道工艺运行方案制定和优化过程如下：

1）根据给定的管道输量，对应不同压缩机开启方式管道输气能力，选择合适的压缩机运行组合方式，确保其工况满足运行需要。

2）对各种运行方式进行评估，确认运行风险较小，不对管道及设备造成损害，管道有一定的调节空间，能够有一定的管存调节能力和调峰能力。

3）对管道运行能耗进行评估，选择能耗较低的运行工况。

表3 不同输量管道管存控制范围

3.2应用案例

以川气东送管道冬季运行情况为例，按照川气东送管道2015—2016年冬季销售计划，2015—2016年度冬季各月输气计划具体见表4。

表4 2015—2016年冬季输往各省市用户气量情况 单位：104m3/d

结合冬季各月计划，对应表2、表3分析，按照川气东送管道工艺运行方案制定和优化过程，2015年11月—2016年3月份能够满足运行需要的工艺方案及各种方案评估情况见表5。

通过对各种方案进行分析，考虑到普光首站距普光净化厂仅260 m，普光压缩机开机后一旦出现异常停机对普光净化厂影响非常大甚至导致普光气田一级关段，运行风险较高。因此在利川、潜江压缩机开机能够满足管道运行工况的情况下，一般不考虑开启普光首站压缩机。所以2015年11月、2016年2月推荐采用利川1台压缩机配置方式运行。虽然2015年12月、2016年1月、2016年3月开启利川2台+潜江2台压缩机运行方式对普光气田影响较小，但由于管道输量较小，容易造成压缩机喘振[11]，对设备造成较大伤害，且能耗较大。通过加强与上游普光气田的沟通和协调，在确定应急方案和应急措施并保障最大限度降低普光压缩机异常停机对上游气田造成影响的情况下，推荐采用“普光1+利川1”的压缩机运行模式。

在2015—2016年冬季实际运行中，按照以上方法编制的工艺运行方案有效指导了管道生产运行，特别是2015年12月、2016年1月验证了利川2台+潜江2台压缩机开机方式管道流量不能满足压缩机运行要求，压缩机处于喘振区域，通过做好应急措施，开启普光首站压缩机，保障了管网安全有效高效节能运行。

4 结论

1）通过对川气东送管道工艺系统分析，确定主要工艺运行参数范围，并对川气东送管道输气能力、不同输量下管存调节范围进行分析，在明确管道输量的情况下，能够快速选择合适的工艺运行方案，确保管道工况满足运行需求。

2）方案的制定与优化应从管道系统运行可靠性、有效性、经济性多方面进行考虑，一般来说管道运行风险最小，管道运行工况能够有效满足上中下系统的需要并有一定的调节空间、管道能耗较小即为较好的工艺运行方案。

表5 2015—2016年冬季各月输气运行方案比较

3）以川气东送管道2015—2016年冬季运行情况为例，通过对管道实际运行情况与编制的工艺运行方案进行比较，该方法具有较强的适应性，对选择合适的工艺方案、指导管道安全有效高效节能运行具有非常好的参考价值。

[1]李佩，赵宏涛，臧国军，等.SPS管道仿真系统在靖边—咸阳管道的应用[J].油气储运，2010，29（11）：832-834.

[2]郑云萍，肖杰，孙啸，等.输气管道仿真软件SPS的应用与认识[J].天然气工业，2013，33（11）：104-109.

[3]王永红，李晓平，宫敬.长输管道在线仿真系统的应用与展望[J].油气储运，2011，30（2）：90-93.

[4]刘建武，晏伟，梁海宁.TGNET和SPS在甬台温输气管道设计中的比较[J].油气储运，2012，31（9）：689-691.

[5]贺三，邹永莉，王欣，等.天然气管道的运行优化[J].油气储运，2009，28（6）：1-7.

[6]Rainer Kurz，Matt Lubomirsky.天然气增压站经济优化：压缩机运行[J].天然气与石油，2015，33（2）：23-30.

[7]席海宏，赵玲玉.榆林-济南输气管道调峰方式优选[J].油气储运，2016，35（4）：381-405.

[8]Wonmo Sung，Daegee Huh，Junghwan Lee，etc.Optimization of Pipeline Networks with A Hybrid MCST-CD Networking Model[J].SPE Production&Facilities，1998，13（3）：213-219．

[9]张铄，吴明，牛冉，等.天然气输气管道优化的最优化方法研究[J].当代化工，2015，44（2）：408-409.

[10]艾慕阳，蒋毅，宋飞，等.大型天然气管网运行方案多目标决策优化[J].油气储运，2011，30（10）：739-742.

[11]韩辉，张忠明，康亮，等.输气管道压缩机防喘振系统的运行管理[J].油气储运，2012，31（10）：795-797.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.019

2016-07-25

（编辑 贾洪来）

陈传胜，工程师，2007年毕业于西南石油大学（油气储运专业），从事天然气长输管道运营与管理工作，E-mail：chchsh1003@163.com，地址：湖北省武汉市东湖新技术开发区光谷大道126号，430025。

中国石化集团公司科研专项“川气东送管道运行优化技术”，项目编号：35150014-14-ZC0607-0005。