張 威 姚 莉 段言志 何潤民

1．中國石油西南油氣田公司生產運行處 2．中國石油西南油氣田公司天然氣經濟研究所

天然氣管網周轉量指天然氣管道在報告期內輸送的天然氣量與輸送距離乘積的累計數。它是反映管道運輸業(yè)生產總成果的重要指標，也是編制和檢查天然氣管輸調度計劃，計算管輸效率、核算管輸單位現金成本的主要基礎資料［1－2］。

1 復雜天然氣管網的特點及周轉量測算存在的問題

1．1 復雜天然氣管網的特點

復雜天然氣管網是指由枝狀管網和環(huán)形管網交錯結合在一起的管網系統(tǒng)。這種管網系統(tǒng)具有進出氣點多、管線壓力等級復雜、天然氣輸配調度靈活、調峰方式多樣等特點。以川渝天然氣管網為例，該管網是國內最復雜的區(qū)域性管網，目前基本形成“兩橫兩縱”及“高低壓分輸”的格局，現已建成集輸氣管道總長度約1．8×104km，年輸送能力250×108m3左右，天然氣凈化能力150×108m3，肩負著向四川、重慶、云南、貴州4省市供氣的輸送任務［3］。其主要特點如下。

1．1．1 管網進出氣點、分輸點、管線、輸配氣場站數量眾多

隨著主力氣源的東移和大力發(fā)展西部用戶，氣源由各氣礦的區(qū)域管網輸入，且遠離消費中心，管道沿線用戶需要從環(huán)網上分輸天然氣，整個環(huán)形管網沿線共有20多個進氣點，80多個輸出點，10多個倒輸氣點，輸配氣站場100多座。

1．1．2 管網調度靈活，輸配任務繁重

川渝氣田主產區(qū)距離天然氣消費中心較遠，天然氣輸送呈東氣南送西調的格局，天然氣調配主要靠環(huán)行管網來實現，部分管線必要時還要進行倒輸［4］。四川盆地用氣需求主要集中在盆地西部的成都、樂山等地區(qū)，管網輸送距離較長，輸送壓損較大，管道運行負荷不均衡［5］。

1．1．3 管徑規(guī)格、壓力等級差異較大

從壓力最高的臥兩線、石渡線6．3MPa，到壓力最低的主干線成德線1．6MPa，支線最低的犍南線0．8 MPa，共有7個壓力等級。最常見的為4MPa。管徑規(guī)格包括108～813mm共17種。

1．1．4 輸氣管網沿線無增壓站，管輸能耗小，人工成本高

川渝環(huán)形管網極少使用增壓機等高能耗設備，增壓主要在勘探開發(fā)階段，除單井排水采氣工藝措施是用于氣田生產外，大部分增壓站都是通過增壓機對井口進行增壓，以實現集輸管線增壓輸送至環(huán)形管網。因此，管輸能耗較小，但所在管線跨越地區(qū)多為山區(qū)和丘陵地帶，沿線地形復雜人口稠密，管網維護管理難度大，管線人員成本高［6－7］。

1．2 周轉量的一般計算方法

按照周轉量的定義，天然氣管網周轉量應由管道輸送的天然氣量（Q）乘以天然氣輸送距離（L）確定，與運輸行業(yè)周轉量的計算方法一致［8］。目前，大部分管輸企業(yè)采用周轉量計算軟件自動計算管輸周轉量。其中，管輸量由SCADA系統(tǒng)自動采集，管道長度由系統(tǒng)預先輸入。

1．3 復雜管網周轉量測算存在的問題

復雜天然氣管網周轉量測算存在天然氣氣體流向復雜、進出氣量變化大、計算周期難以確定等問題［9］。以川渝天然氣復雜管網為例進行說明。

1．3．1 氣質流向十分復雜

目前川渝管網內氣體流向北干線自東向西，南干線自東向南，但環(huán)形管網由于存在返輸情況，某管段的氣質流向會發(fā)生變化，相應的進氣點和出氣點的氣量也發(fā)生變化，計算周期內的周轉量也就發(fā)生了變化。而周轉量計算系統(tǒng)要求要有固定的管段起始端，川渝環(huán)形管網內氣質流向的不確定也是影響周轉量測算的一個問題。

1．3．2 原始數據采集不實時

川渝管網由于建設年代久遠，受歷史條件和科學技術水平等諸多因素的制約，信息化程度不高，長久以來數據的監(jiān)控和采集基本靠人工記錄和錄入上報，近幾年開始推廣SCADA系統(tǒng)可以實行實時監(jiān)控采集數據，但未能實現對每條管線和節(jié)點的實時監(jiān)控和數據采集，部分老管線仍需要人工完成數據采集，使周轉量計算可能出現數據不具備足夠準確性和實時性的問題［10］。

1．3．3 計算周期難確定

川渝地區(qū)天然氣由于供應范圍大，環(huán)形管網的進氣點和出氣點多，雖然從大的供氣流向基本確定，但由于管道檢修、用戶氣量改變等多種原因經常出現某管道返輸現象，且這種不確定的現象時有發(fā)生，不利于計算周轉量時確定最小的計算周期。

2 復雜天然氣管網周轉量計算模型

2．1 枝狀管網周轉量計算模型

對一般枝狀管線，場站與管道的連接形態(tài)可用圖1的結構來表示。其中，1～9表示各個場站。枝狀管線的氣體流動方向是確定的，圖1中箭頭方向表示氣流方向。

圖1 枝狀管網物理模型圖

采用“細分”和“微元”的原理和方法，將整個管線系統(tǒng)的周轉量視為局部周轉量之和，將場站到場站作為一個計算區(qū)間進行測算，再累加求和。例如對圖2的系統(tǒng)，假設場站1到場站2氣量為Q12，距離為L12，場站2到場站3氣量為Q23，距離為L23，場站2到場站4氣量為Q24，距離為L24。根據質量守恒，有

圖2 枝狀管網局部模型圖

按照定義，系統(tǒng)的周轉量為：

可見，系統(tǒng)管輸周轉量可視為場站間周轉量的累加，即場站間距離和場站間輸送氣量乘積的累加［11］。

類似地，對圖1所示的系統(tǒng)，將某時間段內整個系統(tǒng)的周轉量記為M，有如下公式：

因此，一般枝狀管網周轉量計算模型為：

式中Qij表示某時間段內場站i與場站j間輸送的天然氣量；Lij表示場站i與場站j之間的管道距離，均為標量。

2．2 環(huán)形管網周轉量計算模型

環(huán)形管網與枝狀管線的區(qū)別在于結構中存在一個閉合的環(huán)，環(huán)上的每一點既能是起點也能是終點。在這種情況下，氣流的方向變得不確定。根據氣體流動特性，天然氣總是從高氣壓方向向低氣壓方向流動。以圖3的管網結構為例，當場站1的氣壓高于場站8的氣壓時，天然氣從1流向8，當場站8氣壓高于場站7氣壓時，天然氣進一步流向場站7，反之亦然。

圖3 環(huán)形管網物理模型圖

計算方法：將“微元”思想推廣到環(huán)形管網中。將環(huán)形管網中每個場站間的周轉量計算后，累加可以得到整個管網系統(tǒng)的周轉量。

對圖3的環(huán)形管網，將某時間段內整個系統(tǒng)的周轉量記為M，有如下公式：

環(huán)形管網周轉量計算模型為：

2．3 復雜天然氣管網周轉量計算模型

2．3．1 設計思路

復雜天然氣管網周轉量的計算采用“微元法”原理和方法，將管網按照管理層級層層分解。以川渝復雜管網為例，將管網按照公司、礦區(qū)（處）、作業(yè)區(qū)層層分解，對作業(yè)區(qū)的管道再按管線細分到每一管段，通過正算、反算、混合計算等方法分別計算每一管段的流量，再輸入每一管段的距離，可以分別測算每一管段的周轉量，將作業(yè)區(qū)每一管段的周轉量加總即得各個作業(yè)區(qū)總的管道周轉量；再將每一礦區(qū)各作業(yè)區(qū)的周轉量加總，即得到礦區(qū)（處）總的周轉量；最后將各礦區(qū)（處）的周轉量加總，即得到公司的總周轉量。

因此，川渝天然氣復雜管網周轉量計算模型可用下式表示：

式中Qkzgi表示公司k礦區(qū)（處）所屬z作業(yè)區(qū)g管線i管段輸氣量，108m3／a；Lkzgi表示公司k礦區(qū)（處）所屬z作業(yè)區(qū)g管線i管段的長度，km；i表示某管線的管段數量；g表示某作業(yè)區(qū)管線數量；z表示某礦區(qū)（處）作業(yè)區(qū)數量；k表示公司礦區(qū)（處）數量。

采用統(tǒng)計方法分別統(tǒng)計每一礦區(qū)（處）每一作業(yè)區(qū)每條管線每一管段的輸氣量和管段長度，即運用上述模型直接計算出分公司天然氣管網的總周轉量。

2．3．2Q取值

川渝管網對場站輸送天然氣量的取值有兩種方式。對一部分采用數據自動采集系統(tǒng)的管線，采取自動采集的方式。利用該系統(tǒng)可以對天然氣管輸量進行實時監(jiān)控，每3～5s為一個周期進行數據更新。對另一部分尚未應用數據自動采集系統(tǒng)的管線，采用人工錄入的方式。人工錄入是按日的周期進行上報。

2．3．3L取值

由于除了管道運營最初期或管道維護修理期間外，天然氣管輸均具有連續(xù)性的特點。因此，可以把系統(tǒng)對某部分天然氣的運輸距離取為管道長度以簡化計算，將L定義為天然氣管道的長度。

3 計算實例

采用分類統(tǒng)計的方法，對川渝天然氣管網按管理歸屬對每條管線輸氣量、輸送距離分別列表進行統(tǒng)計，按照周轉量計算公式，分別將各管段周轉量累加，最終計算出總周轉量值。計算方法和步驟如下。

1）分單位統(tǒng)計管道板塊資產，每條管線名稱、起點、終點位置、管徑、長度、輸氣量。

2）按照周轉量計算公式M＝QL，分別計算出每條管道的周轉量。

川渝地區(qū)部分管道周轉量測算結果見表1。

3）將各單位的周轉量值進行匯總。

川渝氣田管道各單位周轉量測算結果見表2。

表1 川渝地區(qū)某礦區(qū)管道周轉量測算結果表

4 結論及建議

4．1 采用“微元法”計算環(huán)形管網周轉量是合理的，但需要配套的數據采集系統(tǒng)才能實現

對氣體流向不太固定的復雜管網，采用“微元法”將復雜管網分解成一小段一小段的枝狀管網來計算周轉量是合理的。周轉量計算模型對氣體流向相對固定的全國天然氣大管網也是適用的，可為全國聯(lián)網天然氣管道周轉量的測算提供借鑒，對聯(lián)網管道的銷售管理、結算管理和運行管理均有參考價值。但采用這種方法需要完整的數據采集系統(tǒng)，通過數據的實時采集和自動傳輸，采用計算機編程才能得以實現［12］。

表2 川渝氣田管道各單位周轉量測算結果表

4．2 鑒于復雜天然氣管網的特殊性，可采用年度或季度平均法，在統(tǒng)計分析的基礎上計算周轉量

由于川渝天然氣管線已形成區(qū)域性環(huán)形管網，管道內氣體的流向十分復雜，環(huán)形管網進出氣點多，輸量變化大；而一個大用戶的關停、凈化廠的檢修、下載氣量的變化、用戶調峰等生產調度手段也會對整個管網的氣體流向產生影響。因此，建議周轉量的計算可采用年度或季度平均法，在各作業(yè)區(qū)建立統(tǒng)計報表制度，由作業(yè)區(qū)每年／每季度統(tǒng)計輸氣量，運用周轉量計算公式算出周轉量，再通過匯總層層上報，可計算出川渝天然氣區(qū)域管網的周轉量計算值。

［1］顏輝．周轉量在物流運輸成本分析中的應用［J］．工業(yè)工程，2010，13（1）：108－111．YAN Hui．Material handling cost analysis in facility layout design based on turnover volume［J］．Industrial Engineering Journal，2010，13（1）：108－111．

［2］馮偉，李建廷，宋漢成，等．天然氣管道運行能效評價指標探討［J］．油氣儲運，2010，29（4）：313－319．FENG Wei，LI Jianting，SONG Hancheng，et al．Assessment indexes on operation energy efficiency of natural gas pipelines［J］．Oil ＆ Gas Storage and Transportation，2010，29（4）：313－319．

［3］周志斌，楊毅．川渝天然氣管網運營安全與效益優(yōu)化模型研究［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2009．ZHOU Zhibin，YANG Yi．Research on operation safety and efficiency optimization model of Sichuan－Chongqing natural gas pipeline network［M］．Beijing：Petroleum Industry Press，2009．

［4］徐俊平，施紀衛(wèi)，董忠民．天然氣管道經濟運行分析［J］．天然氣技術，2007，1（1）：58－62．XU Junping，SHI Jiwei，DONG Zhongmin．Economic operation analysis in natural gas transportation pipelines［J］．Natural Gas Technology，2007，1（1）：58－62．

［5］王良錦，熊偉，朱怡，等．聯(lián)網營銷下川渝高效天然氣市場的培育［J］．天然氣技術與經濟，2011，6（2）：59－61．WANG Liangjin，XIONG Wei，ZHU Yi，et al．Cultivating an efficient Sichuan－Chongqing natural gas market in the mode of pipeline networking marketing［J］．Natural Gas Technology and Economy，2011，6（2）：59－61．

［6］周建，許紅川，李琦，等．川渝輸氣管網管存控制技術及案例分析［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（1）：132－136．ZHOU Jian，XU Hongchuan，LI Qi，et al．Pipeline scheduling and management：A case history from the Sichuan－Chongqing Pipeline Network ［J］．Natural Gas Industry，2013，33（1）：132－136．

［7］王毅輝，李勇，蔣蓉，等．中國石油西南油氣田公司管道完整性管理研究與實踐［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（3）：78－83．WANG Yihui，LI Yong，JIANG Rong，et al．Research and practices of the integrity management of gas pipelines operated by PetroChina Southwest Oil ＆ Gasfield Company［J］．Natural Gas Industry，2013，33（3）：78－83．

［8］康壇．鐵路貨運周轉量預測模型的選擇及實證研究［D］．北京：北京交通大學，2008．KANG Tan．Empirical study on the choose of forecast model for railway freight turnover［D］．Beijing：Beijing Jiaotong University，2008．

［9］羅媛媛，劉志成．川渝地區(qū)天然氣管網存在的問題與對策［J］．重慶科技學院學報：社會科學版，2011，13（3）：79－80．LUO Yuanyuan，LIU Zhicheng．Problems on natural gas pipeline network in Sichuan－Chongqing area and the countermeasures［J］．Journal of Chongqing University of Science and Technology：Social Sciences Edition，2011，13（3）：79－80．

［10］屈彥．川東地區(qū)然氣生產SCADA系統(tǒng)的優(yōu)化改造［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（11）：88－92．QU Yan．Optimization and modification of a SCADA system for natural gas production in the eastern Sichuan Basin［J］．Natural Gas Industry，2011，31（11）：88－92．

［11］白蘭君．再論計算天然氣運距的“順流周轉量分配法”［J］．天然氣工業(yè)，1991，11（6）：86－89．BAI Lanjun．Re－review of the“ConcurrentFlowTurnaroundQuantityDistributionMethod”of calculating natural gas transportation distance［J］．Natural Gas Industry，1991，11（6）：86－89．

［12］羅東曉．天然氣管網雙向計量系統(tǒng)及其技術的應用［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（8）：94－95．LUO Dongxiao．Application of a bi－directional measuring system and its relevant techniques in two connected gas pipeline networks［J］．Natural Gas Industry，2011，31（8）：94－95．