天然气长输管道能效分析与探究

天然气长输管道能效分析与探究

张科1,2，王丹2，张研3，海莹4

1.西安石油大学机械工程学院（陕西西安710065）

2.陕西省天然气股份有限公司（陕西西安710016）

3.甘肃电投金昌发电有限责任公司（甘肃金昌737109)

4.陕西化建工程责任有限公司（陕西杨凌712100）

管道运输是天然气产业中最主要的运输方式，但在运输过程中需要消耗大量能量，故天然气输气管道的能效控制愈来愈成为管输企业关注的重点。通过介绍管道系统能效评价方法及常见的能耗种类，有针对性地提出优化输气工艺、提高机组效率、减小阻力损失、设置余热利用系统、控制天然气放空量、避免天然气泄漏等措施，以达到减小管道系统直接能耗和间接能耗的目标，为输气系统的运行管理提出优化管网结构、保证输气量均匀平稳、采用管道内涂层技术、减小放空量、定期保养检查等建议。

天然气；长输管道；能效分析；压缩机

天然气作为一种清洁、高效的优质资源，在社会经济发展中发挥着重要作用。然而，从资源储产比来看，我国的天然气资源并非十分充裕，且多分布于远离资源需求中心的偏远地区，因此输运方式的选择显得尤为重要。天然气的陆上输运方式有两种：一是长输管道运输；二是通过LNG/CNG槽车、火车等方式运输[1]。长输管道运输是天然气运输的最主要方式，其运送距离长、运输量大、适应范围广；而槽车运输主要适用于用气量较小和分散供气的情况，通常作为管道运输的有益补充。

目前，我国天然气年消费量中近90%是采用管道运输，而管输效率的变化将直接影响输气压力和输气量，并最终反应在企业的经济效益中，也成为衡量企业管道运行管理水平的重要指标。根据近期国家发展与改革委员会印发的《天然气管道运输价格管理办法（试行）》和《天然气管道运输定价成本监审办法（试行）》，要求企业获得8%准许收益率对应的管道负荷率为75%，意味着如果管道运输企业实际负荷率低于75%，则实际收益率可能达不到8%甚至更低，即只有提高管道负荷率，提高管道综合能效，才能使利益最大化。基于此，以陕西省天然气在役长输管道的运行管理为背景，分析影响管道能效的各类因素，总结归纳能效控制关键点，为企业降本增效提出合理化建议。

1管道能效评价与分类

1.1 管道能效评价

根据《综合能耗计算通则》(GB/T 2589-2008)规定，用能单位在统计报告期内实际消耗的各种能源实物量，按规定的计算方法和单位分别折算后的总和即为综合能耗。对于企业而言，生产系统、辅助生产系统和附属生产系统的能耗总和即为综合能耗，计算公式见式（1）：

式中：E为综合能耗；n为消耗的能源品种数；ei

式中：η为简单输气效率；Q为交付天然气总量，m3；Q0为接收天然气总量，m3。

截至2016年底，陕西省天然气公司已建成靖西（一、二、三）线、咸宝线、宝汉线、汉安线、西商线、西渭线、义阎复线、关中环线等天然气长输管道，总里程达3 000km，天然气分输场站61座（其中压气站7座），阀室104座，CNG组团项目7座，基本形成了“六纵两横一环”的管网体系。以2015年进销气量为例，其累计进气量48.39×108m3，累计外销气量47.55×108m3，若能够将输气效率提高0.1%，则企业销气量可增加近500×104m3，经济效益显著。由此可见，优化管道能效是企业降本增效的有益途径之一。

1.2 管道能耗分类

在输气管道运行管理过程中发现，影响输气管道能效的因素有很多，譬如进销气量、分输气量、作业放空量、机组进出口压力、关键设备设施通过性、管道高程变化、管径大小、输送距离、管道材质、保温情况、介质物性、地区气候、跑冒滴漏等。为便于讨论，可大致将其归纳为两大类，即直接能耗和间接能耗[2-4]。直接能耗是指在气体输运过程中由压缩机组、关键设备设施、管道本体等产生的能量损耗。间接能耗则是指在气体输运过程中由于管网运行工艺不尽合理、管道阀门及附属设施漏气、生产作业过程中气体放空等引起的能量损耗。从这两种能耗形式来看，间接能耗可以通过科学合理地调整管网工艺、提高完善设备设施的可靠性等措施

式中：Mqs为输气管道的单位周转量综合能耗（标准煤），t/（107m3·km）；Eqs为输气管道生产能源消耗的总量（标准煤），t；Qq为输气周转量，107m3·km；输气周转量Qq是描述管道输送天然气总量和管输里程的综合性指标，即输气周转量=输送气量×管输里程-自用量×管输里程/2。

另外，对于在役天然气长输管道的能效评价，也可利用简单的输气效率来衡量，即交付与接收的天然气总量之比，计算公式见式（3）：为生产和服务活动中消耗的第i种能源实物量；pi为第i种能源的折算系数，按能量的当量值或能源等价值折算。

其次，单位周转量综合能耗也是国内常用的能耗数据统计分析指标，即生产能源消耗的总量与周转量的比值，计算公式见式（2）：来消除或避免，但直接能耗则无法完全避免，只可以通过新技术、新方法、新材料来尽量减少能量的损耗，在保证管道安全平稳输气的同时，提高管道系统的整体能效。

2 管道能效优化措施

在保证管道安全平稳输气的同时，降低管道能耗、降低输气成本、增加企业效益已成为管道运行管理的新目标。为此，分别针对直接能耗和间接能耗，结合运行管理的实际情况，具体提出管道能效的优化建议。

2.1 降低管道直接能耗

2.1.1 优化输气工艺

目前，影响管网输气工艺的不可控因素较多，譬如压力波动、流量波动、高程变化、局部节流、气体品质、气体温度、管内污物、外界环境等，通常会利用离线模拟软件TGNET、SPS、PSN等对工艺情况进行模拟分析，以求尽量与实际情况近似，达到优化分析的效果。对于长输管道来说，输气工艺优化就是以输气系统总能耗或者总功率最低为目标。管网输气工艺的优化是在管道系统物理参数已经确定的条件下，根据上游气源供应量、下游各用户的用气量和各个用户的用气压力要求，对管输系统的运行参数进行优化，在保证管道安全平稳输气的前提下，使管道总的燃料动力费用最低。基于管道在线监测与数据采集系统（SCADA）的管道运行管理系统，为调度人员提供管输系统的实时数据，并时刻与模拟最优运行工艺进行匹配比对，从而为工艺最优化提供参考，以便及时调整管输系统运行方案，保证系统能效最优。

随着上游气源配置的变化、下游市场的开发以及管道的不断建设，单一管道运行的概率愈来愈小，已基本形成环状管网结构，气源之间相互补充，管道之间连通，以保证管网的平稳运行，有利于下游市场的健康发展。单一管线运行效率的最佳并不能代表管网系统整体能效的最优，而应从管网运行的整体出发，寻找单一管道的运行瓶颈，优化管网结构，利用管网的互补优势，科学地进行多管道运行参数匹配，将单线并网，实现管道互连互通，以提高管网的整体能效。

2.1.2 提高机组效率

压缩机是长输管道系统中的核心设备，为整个输气系统提供动力，但也是系统中能耗最高的设备。2014年陕西省天然气公司各压气站累计燃耗用气约615×104m3，2015年高达886×104m3，随着天然气市场及输气量的不断增加，机组燃耗将会持续增高，因此有必要采取有效措施来降低机组能耗。压气站的运营费用占管道总运营费用的50%左右；压缩机及其配套的原动机的能耗占压气站运营费用的70%以上，占长输管道能耗费用的96%左右[5]。在长输管道中常用的压缩机组有两类：往复式压缩机和离心式压缩机；常用的原动机也有两类：燃气轮机和电动机。在项目建设初期，有必要根据工艺特性选取合适的机组及驱动设备。往复式压缩机组适用于小排量、高压比的工艺条件，但机组自身损耗件较多；离心式压缩机组则适用于大排量、低压比的工况。对于原动机的选择原则是，在电力资源充足的地区宜选电动机，相反则选取燃气轮机。各类型机组在满负荷时，电驱机组的效率为70%～85%，燃驱机组的效率为25%～40%[6]。虽然机组的效率均在正常范围内，但是效率相对低的压缩机组仍有节能的空间。压缩机组在非满负荷的情况下，通过提高入口压力和调整压缩机余隙达到提高运行效率，降低能耗的目的。当管输气量相对平稳时，压缩机的能耗较小；当管输气量波动较大时，机组能耗就会明显增加。因此，在管道运行过程中，应尽量保证输气量均匀平稳，避免出现较大幅度的气量波动。另外，不管选取何种机组，均要定期开展机组的维护保养，发现问题及时处理，甚至可以定期更换某些气动部件及配件，以降低输气系统的整体能耗。

2.1.3 减小阻力损失

在天然气输送过程中，阻力损失主要表现为两个方面：局部压力损失和沿程磨阻损失。

局部压力损失主要是由于输气系统中存在各种净化、计量、调压设备，在天然气通过个别阀门、弯头处时，出现截流效应，从而产生局部压力损失。为此，在输配系统中应尽量合理设置阀门、弯头数量，减少不必要的资源浪费，科学设置阀门开度，避免不必要的局部压损。

沿程磨阻损失主要是由气体在管道内的流动状态以及管道内壁粗糙度决定。因为输气管道内气体流态相对稳定，对磨阻的影响相对恒定，故管道内壁粗糙度成为影响主因。当输气量和出口压力确定时，管道内壁粗糙度越大，管道压降越明显，沿程磨阻损失越大。而管道内涂层技术既可以有效防止管道内腐蚀，又能够减小管道内壁粗糙度，减小水力摩阻系数，从而有效提高管输能力。经检测，采用内涂层技术后能够使管道的输气量提高4%～8%，即能够在相同的输气量要求下，降低压缩机所需功率，从而减小机组能耗费和维保费用[7]。从经济性方面考虑，采用管道内涂层技术需要综合考虑管道系统设备的全生命周期，而不是暂时的投资回报比。从节能减排方面考虑，采用管道内涂层技术在一定程度上有利于降低机组总的燃料及动力消耗。

2.1.4 设置余热利用系统

由于燃驱压气站的燃气轮机排放的是高温烟气，能量利用不够充分，容易形成资源浪费，因此可设置余热利用系统，回收高温烟气中的热能。其中主要设备包括余热锅炉和换热器，利用回收的高温烟气给余热锅炉加热，从而制备生活热水。在易于发生冰堵的管段站点设置余热换热装置可以防止因温度下降幅度过大而引发冰堵，从而实现降低管输系统能耗的目的。

2.2 降低管道间接能耗

2.2.1 控制天然气放空量

随着社会安保意识的提高以及燃气市场的不断发展壮大，管道交叉占压、管道改线碰口、新增用户开口接气等类似的大型生产作业项目每年都会不定期进行，其中均会涉及到天然气放空。2015年陕西省天然气公司进行各类大型生产作业期间，天然气放空总量约750×104m3，占年外销气量的0.16%，放空总量仍有可控余地。

1）科学制定生产作业方案，减小放空量。进行生产作业前，应根据管网工艺情况，详细核算作业放空量，充分利用管网自身优势及下游用户的用量，在保证各方供用平稳的前提下，尽可能缩短放空管段，降低放空压力，减小不必要的管道放空，控制放空气量。

2）科学制定清管作业方案，避免管道放空。为保证管道输气效率，每年均对在役长输管道进行清管作业。在清管作业前，应制定详实的清管方案计划，保证清管作业有序安全开展，合理控制收发球筒的置换放空，避免发生清管器卡堵事故，既影响用户的正常用气，又间接引起换管作业造成管道放空。

3）配备可移动压缩设备，减小放空量。当通过工艺条件已无法降低作业段管道压力时，可利用移动压缩设备，继续将管道内相对低的压力输送到上下游管道或用户管道，尽量减小放空气量。

4）合理设置线路截断阀，减小放空量。目前，我国天然气长输管道正在朝着大口径、高压力的方向发展，在管道建设初期，在考虑安全标准规范的同时，应尽量考虑市场发展需要，在市场发展潜力较大的地区，应科学设置线路截断阀数量，充分考虑后期的碰口、开口作业，从而有效减少后期因发展需要而进行的施工作业放空。

2.2.2 避免天然气泄漏

天然气属于易燃易爆气体，若发生泄漏事故，则会产生不良社会影响，造成较大经济损失，甚至危及人民群众的生命安全，因此，燃气企业应该尽量杜绝类似事故的发生。分析天然气的泄漏点，可主要概括为两类：管道泄漏和设备泄漏。管道泄漏，常常是由于外力作用，造成管道断裂破损，引发泄漏事故；另外，由于管材制造缺陷及腐蚀的作用又会造成管壁减薄甚至穿孔泄漏，焊缝应力开裂及管道本体的裂纹缺陷，也是管道泄漏的诱因。设备泄漏，主要是指由于设备的密封件失效或破损引起，造成法兰设备等连接处漏气。

因此，对于同管道连接的设备，建议采用焊接连接，尽量减少法兰连接，减少管网中不必要的密封点，尽量从本质上避免天然气泄漏；对于所处环境恶劣的管道、设备等，要进行重点位置的定期保养检查，发现问题，及时处理；对服役年限较长的埋地管道，要按照规定进行管道内检测作业，要加强管道阴极保护系统的维护，进行管道外防腐系统检测，对发现的隐患及时处理，避免引发泄漏事故；基于管道在线监测与数据采集系统（SCADA），科学设置关键阀门设备的连锁警报上下限，以保证准确、高效、敏捷的管网泄漏检测，一旦发生泄漏事故，能够采取有效的保护动作；另外，提高设备管理人员、施工操作人员的专业技术水平，避免操作不当或人为失误而引发泄漏事故。

3 结束语

随着我国长输管道建设的不断推进，管道能效分析与评价将成为管道企业重视的研究课题，节能降耗、降本增效将成为企业发展新挑战。因此，管道企业应统筹考虑，全方位、多角度、有针对性地提出增效方法或措施。企业结合自身发展需要，既要积极大胆吸纳国内外先进的技术工艺和经验教训，又要不断提升员工技术素养，培养技术过硬的设备管理队伍，在学习总结摸索中为提升管道能效做出贡献。

[1]卢东林.降低天然气长输管道能耗措施[J].石油石化节能, 2014,26(4):44-46．

[2]郭揆常.天然气输送管道的节能降耗[J].能源技术,2011,22 (6):241-242,248．

[3]冯伟,李建廷,宋汉成,等.天然气管道运行能效评价指标探讨[J].油气储运,2010,29(4):313-316,319.

[4]刘冰.天然气管道能效指标体系研究[J].中外能源,2012, 17(1),96-102.

[5]孙骥姝,朱英如,孙春良,等.天然气长输管道设计中的节能分析[J].石油规划设计,2012,23(5):26-29．

[6]刘银春,杨光,常志波,等.天然气长输管道的节能降耗[J].天然气技术,2007,1(6):57-59．

[7]张宗荣.国内外管道内涂层技术的综述[J].油气储运,2005, 24(3):41-46．

Pipeline transportation is the most important mode of natural gas transportation,but a lot of energy needs to be consumed in the transportation process of natural gas.Through the introduction of the energy efficiency evaluation method of pipeline system and the common types of energy consumption,some measures such as optimizing gas transmission technology,improving unit efficiency,reducing resistance loss,building waste heat utilization system,controlling natural gas venting amount,avoiding gas leakage,etc.are put forward in order to reduce the direct and indirect energy consumption of pipeline system.Some suggestions such as optimizing network structure,guaranteeing steady gas transmission amount,using pipeline coating technology,building waste heat exchange device,reducing venting quantity,implementing regular maintenance checks,etc.are proposed for the operation management of the gas transmission system.

natural gas;long distance pipeline;energy efficiency analysis；compressor

王梅

2016-10-30

张科（1988-），男，主要从事天然气长输管道运行管理工作。