代小華 王彥 李安 羅葉新 梁勇 黃超

中國石油天然氣管道工程有限公司

中東地區(qū)某國家天然氣管網(wǎng)管道總長度約為3 000 km，管徑范圍20～52 in（1 in=25.4 mm），管道總體走向由西向東，管網(wǎng)具有氣源多，管道口徑大，管道規(guī)格多，以及管網(wǎng)連接復(fù)雜，用戶數(shù)量多，管網(wǎng)系統(tǒng)分析難度較大的特點。隨著用戶數(shù)量和用氣量的增加，現(xiàn)有管網(wǎng)設(shè)施已出現(xiàn)增輸瓶頸，需結(jié)合管網(wǎng)現(xiàn)有設(shè)施和未來新增用戶用氣情況進行去瓶頸分析。根據(jù)管網(wǎng)現(xiàn)有設(shè)施、用戶氣量和需求壓力進行增輸分析，提出了3種增輸方案。

根據(jù)國家發(fā)改委和國家能源局2017年5月聯(lián)合發(fā)布的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年全國油氣管網(wǎng)規(guī)模將達到24×104km，其中天然氣管道里程約為16.3×104km，屆時，我國天然氣管網(wǎng)將形成多個局域管網(wǎng)組成的骨干管網(wǎng)。天然氣管網(wǎng)具有管徑類型多、連接復(fù)雜、氣源流向復(fù)雜的特點[1]，導(dǎo)致管網(wǎng)水力系統(tǒng)分析難度較大。

本文采用基本工況分析、瓶頸工況分析和去瓶頸工況分析的水力系統(tǒng)分析步驟，對中東某國家天然氣管網(wǎng)增輸方案進行分析、總結(jié)，以便將來對國內(nèi)天然氣管網(wǎng)水力系統(tǒng)分析提供借鑒。

1 管網(wǎng)概況及設(shè)施約束分析

中東某國天然氣管網(wǎng)設(shè)計壓力63.5 bar(G)（下同），共有4 座管匯站、1 座壓氣站，5個氣源，66個用戶，管網(wǎng)具有多氣源、多用戶、壓力低的特點。管網(wǎng)站場由0#管匯站、1#管匯站、2#管匯站、3#管匯站和1#壓氣站組成。氣源有兩類：進口氣源即氣源5；中東某國家天然氣管網(wǎng)公司氣源，即氣源1～氣源4。

1#壓氣站站內(nèi)設(shè)置2 臺單臺處理量為22.5×108m3/a壓縮機機組，一用一備。0#管匯站設(shè)有燃機驅(qū)動的氮氣壓縮機組2 臺，單臺可用功率約為23 MW，氮氣壓縮機的2 臺透平驅(qū)動機可以再利用于本項目。管網(wǎng)現(xiàn)狀示意圖如圖1所示。

圖1 管網(wǎng)現(xiàn)狀示意圖Fig.1 Schematic diagram of existing pipeline network

2 增輸方案總體要求

結(jié)合管網(wǎng)現(xiàn)有管線和設(shè)施情況，提出本項目增輸方案的總體要求如下：①考慮利用0#管匯站的氮氣壓縮機的透平驅(qū)動機；②在0#管匯站新建壓縮機或者在1#壓氣站附近新建壓氣站；③從1#管線的6#閥室新建一條48 in管線去用戶群9；④從0#管匯站新建管線與1#管線連接。

3 增輸工況分析

3.1 分析思路

增輸方案分析需將DNV GL SPS 10.4（以下簡稱“SPS”）軟件水力計算結(jié)果和線路選線方案交叉進行，管網(wǎng)水力系統(tǒng)分析流程如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)水力系統(tǒng)分析流程Fig.2 Hydraulic system analysis procedure of pipeline network

（1）根據(jù)用戶用氣量、需求壓力等基礎(chǔ)參數(shù)和現(xiàn)有SPS模型繪制現(xiàn)有管網(wǎng)流程圖。

（2）根據(jù)管網(wǎng)流程圖初定可行的增輸方案，并進行系統(tǒng)分析，采用基本工況分析、瓶頸工況分析、去瓶頸工況分析方法。系統(tǒng)分析過程需與線路GIS 路由選線方案交叉進行，根據(jù)SPS 模擬選出的線路連接點提給線路專業(yè)，線路專業(yè)核實路由的可行性、連接點和長度，再將核實的線路資料輸入SPS重新模擬校核。

（3）召集各部門頭腦風(fēng)暴會議，海選不同去瓶頸方案，對于會上海選出的新方案和對系統(tǒng)分析新要求再進入第（2）步進行分析。

（4）編制水力分析報告。

（5）召開系統(tǒng)分析報告審查會。

（6）系統(tǒng)分析報告歸0版。

3.2 建立計算模型

天然氣管網(wǎng)分析有Synergi Gas、Tgnet、SPS 等多種軟件[2～4]，本項目采用SPS 10.4軟件進行管網(wǎng)系統(tǒng)分析。

采用SPS進行模擬前需明確以下基礎(chǔ)參數(shù)：①氣源供氣條件：氣源1～氣源4 供氣壓力為39～41.5 bar，供氣溫度為20～48 ℃，氣源5 供氣壓力為57～60 bar，供氣溫度為35.8 ℃；②用戶參數(shù)：現(xiàn)有用戶數(shù)量66個，用氣量745×108m3/a，用戶最小需求壓力為25～35 bar；③管道粗糙度：新建管道粗糙度取0.01～0.125 mm；④狀態(tài)方程：計算狀態(tài)方程選擇BWRS方程；⑤計算方程：管道摩阻公式選用科爾布魯克（COLEBROOK）公式[5]；⑥采用等溫模型計算，溫度為35.8 ℃；⑦新建管線設(shè)計壓力與現(xiàn)有管網(wǎng)設(shè)計壓力一致，為63.5 bar。

3.3 基本工況分析

基本工況的定義為根據(jù)管網(wǎng)現(xiàn)有用戶數(shù)量及用氣量，以及管網(wǎng)現(xiàn)有壓氣站和管道等設(shè)施進行系統(tǒng)分析，以滿足現(xiàn)有各用戶最小壓力以及用氣量需求。因此需要分析不同氣源壓力以及不同天然氣流向來滿足用戶用氣需求。

根據(jù)管網(wǎng)設(shè)施情況分析，以現(xiàn)有用戶氣量合計748.3×108m3/a，用戶需求壓力25～30 bar為輸入條件，建立管網(wǎng)基本工況分析SPS模型。

考慮不同天然氣流向以及氣源的不同供氣壓力對計算結(jié)果的影響，基本工況按3 種情形進行分析。情形1：氣源5 供氣壓力57 bar，氣源1、2、3供氣壓力39bar，1#壓氣站通過量20×108m3/a，增壓方向去用戶群8，打開3#閥門。情形2：情形2與情形1 的區(qū)別是氣源5 供氣壓力由57 bar 升高到60 bar，其余條件相同。情形3：情形3 與情形2 的區(qū)別是關(guān)閉用戶群8和用戶群9之間的3#閥門。

情形1 在滿足最小壓力和需求流量的情況下，距離氣源最遠的用戶群10 中60#、61#和63#用戶不能滿足壓力和氣量要求，其余用戶均滿足壓力和流量要求，其計算壓力比所需最小壓力高1～28bar。

氣源壓力對用戶的計算結(jié)果影響較大，現(xiàn)在考慮將距離用戶群10 最近的氣源5 供氣壓力提高到60 bar后查看管網(wǎng)瓶頸。

在情形1 的基礎(chǔ)上，氣源5 供氣壓力提高到60 bar 后，除了用戶群10 中的60#用戶不能滿足用氣壓力和用氣量外，其余用戶均滿足用氣要求。

由于氣源不同流向?qū)τ嬎銐毫土髁坑绊戄^大[6]，氣源5 的天然氣從用戶群8 到用戶群10 的距離大于從用戶群7到用戶群10的距離，因此情形3考慮將3#閥門關(guān)閉，氣源5 通過1#管道供氣給用戶群10。計算結(jié)果顯示，關(guān)閉3#閥門后，現(xiàn)有管網(wǎng)滿足所有用戶用氣需求。

因此在管網(wǎng)增輸前，管網(wǎng)公司可以根據(jù)用戶用氣量，適當提高氣源壓力，或者改變管網(wǎng)供氣方向來滿足管網(wǎng)用氣需求[7]。

3.4 瓶頸工況分析

管網(wǎng)中的某條管道由于管徑小，或者壓縮機功率不足等因素，導(dǎo)致不能按用戶需求壓力和流量進行輸送天然氣的現(xiàn)象即為管網(wǎng)瓶頸工況。

根據(jù)管網(wǎng)新增用戶、新增氣量以及現(xiàn)有管網(wǎng)設(shè)施進行瓶頸分析[8]?？紤]氣源壓力的波動性，瓶頸分析時保守考慮，按照氣源最低來氣壓力計算，設(shè)定氣源1～4壓力為39bar，氣源5壓力為57bar。

管網(wǎng)遠期增加15 個用戶，新增氣量189.1×108m3。據(jù)此修改SPS 模型并進行管網(wǎng)瓶頸工況分析。

目前國內(nèi)水力系統(tǒng)分析時，分輸用戶主要采用流量設(shè)定模式，通過觀察壓力值判斷是否滿足最小需求壓力的方式進行，主要原因是國內(nèi)天然氣管網(wǎng)設(shè)計壓力較高，干線管網(wǎng)壓力通常為10～12 MPa，為了最大程度利用管網(wǎng)壓力，壓氣站出口壓力接近設(shè)計壓力，因此各分輸用戶進站壓力比所需最低壓力高1～3 MPa不等，很少出現(xiàn)低于最低用氣壓力情況[9]。而在低壓管網(wǎng)系統(tǒng)分析中，分輸用戶采用流量設(shè)定模式與分輸用戶同時采用流量和最小需求壓力設(shè)定模式相比，二者計算的瓶頸結(jié)果相差較大。分輸用戶采用流量設(shè)定模式，即在SPS軟件中，對分輸用戶流量設(shè)定為需求流量，軟件將以用戶流量為第一計算條件，即首先滿足用戶的流量。

分輸用戶同時采用流量和最小需求壓力設(shè)定模式，即在SPS軟件中，對分輸用戶流量設(shè)定為需求流量，同時分輸用戶的最小壓力設(shè)為最小需求壓力，軟件計算時將以最小需求壓力為第一條件計算，當供氣壓力降低時，會自動降低輸送流量。

分輸用戶采用流量和最小需求壓力設(shè)定模式計算，管網(wǎng)出現(xiàn)7 個用戶不能滿足用氣需求，其中6#、20#、51#、60#用氣量未達到需求，63#、64#、67#用氣量和用氣壓力均未到達到需求，計算結(jié)果見表1。

表1 分輸用戶采用流量和最小需求壓力設(shè)定模式瓶頸點Tab.1 Bottleneck points of flow rate and minimum demand pressure setting mode adopted by transfer users

分輸用戶采用流量設(shè)定模式計算，管網(wǎng)有15個用戶不能滿足用氣需求，15 個用戶雖然滿足用氣量需求，但用氣壓力不能滿足要求。與采用流量和壓力設(shè)定模式相比，多了8個瓶頸點。由于用氣邊界條件不一樣導(dǎo)致管網(wǎng)瓶頸點數(shù)量不一樣，直接影響下一階段去瓶頸方案，分輸用戶采用流量設(shè)定模式瓶頸點計算結(jié)果見表2。

表2 分輸用戶采用流量設(shè)定模式瓶頸點Tab.2 Bottleneck points of flow rate setting mode adopted by transfer users

3.5 去瓶頸工況分析

通過在原有管網(wǎng)中采用新建管線，增設(shè)壓氣站或者新建副管的方法來消除管網(wǎng)中不能滿足用戶需求量和壓力的工況，即為去瓶頸工況。

根據(jù)管網(wǎng)的瓶頸點，結(jié)合管網(wǎng)現(xiàn)狀，采用去瓶頸思路如下：①新建管線；②在原管線基礎(chǔ)上新建副管；③增設(shè)壓氣站[10-13]。

根據(jù)去瓶頸方案的要求，結(jié)合線路GIS 資料，確定方案1～方案3共3個去瓶頸大方案，每個大方案中有4個小方案，共計12個方案。

方案1（圖3）分為A、B、C、D四個方案，在0#管匯站新建壓氣站，主干線從0#管匯站新建52 in管線到1#管線連接點No.1（1#管線的3#閥室），從1#管線的No.2 新建48 in 管線到用戶群9。A、B 方案No.2 表示6#閥室，C、D 方案No.2 表示7#閥室。A、B 方案線路長度約220 km，C、D 方案線路長度約為190 km。從1#管線的3#閥室新建22 in、長度為60 km管線到用戶群4。

圖3 去瓶頸方案1管網(wǎng)連接示意圖Fig.3 Pipeline connection diagram of debottlenecking Scheme 1

方案2（圖4）同樣分為A、B、C、D 四個方案，與方案1不同之處主要是：新壓氣站與已建的1#壓氣站臨建，新壓氣站出站48 in管線與1#管線的1#閥室連接，從新壓氣站進站處新建管線去用戶群4。A、B 方案線路長度約為270 km，C、D 方案線路長度約為190 km。

圖4 去瓶頸方案2管網(wǎng)連接示意圖Fig.4 Pipeline connection diagram of debottlenecking Scheme 2

方案3（圖5）的新建壓氣站位置與方案2 相同，主干線新建2條56 in管線從1#管匯站下游No.5到3#管匯站，從3#管匯站新建56 in 管線到新壓氣站，新壓氣站出站48 in 管線與1#管線的1#閥室連接。A、B方案線路長度約170 km，C、D方案線路長度約為60 km。

圖5 去瓶頸方案3管網(wǎng)連接示意圖Fig.5 Pipeline connection diagram of debottlenecking Scheme 3

現(xiàn)以方案1A 為例分析去瓶頸過程，其余方案除了壓縮機通過量不同外，分析過程類似。首先分析壓縮機增壓方向，新壓氣站和已建1#壓氣站的氣量主要供用戶群4、用戶群5、用戶群7、用戶群9和用戶群10，合計氣量為152.8×108m3/a。已建1#壓氣站額定增壓氣量為45×108m3/a，因此剩余107.8×108m3/a 氣量需由新建壓氣站增壓。由于1#壓氣站出口管線與1#管線連接，而1#管線上游是氣源5，為保證氣源5 供氣量不受影響，壓縮機采用流量控制模式進行模擬。

通過SPS模擬，12個去瓶頸方案中現(xiàn)有壓氣站通過量和計算功率均滿足要求。方案1中新建壓氣站最大計算功率為17.4 MW，可利用0#管匯站氮氣注入系統(tǒng)壓縮機的透平機，其可用功率為23 MW。

3.6 方案比選

根據(jù)HSE、投資、設(shè)計、項目移交、運行維護、風(fēng)險和市場潛力所占的不同權(quán)重，對12 個方案進行綜合打分，綜合排名前三個方案分別為方案1A，方案1B，方案2A，推薦采用方案1A，即首站增壓方案。

4 結(jié)束語

國內(nèi)長輸管線天然氣管網(wǎng)去瓶頸方法通常一步進行，一般根據(jù)現(xiàn)有管網(wǎng)設(shè)施、現(xiàn)有用戶、新用戶和新氣量進行分析，這主要和國內(nèi)長輸管線管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)，國內(nèi)天然氣管網(wǎng)主要為干線管網(wǎng)，功能為能源通道，具有設(shè)計壓力高、管徑大、距離長、輸量大、壓氣站多的特點[14-15]。新建管道一般從邊境口岸到用戶集中的市場，瓶頸點一般在壓氣站上，通常采用新建壓氣站作為去瓶頸首選方案。

隨著國家管網(wǎng)集團公司的成立，原隸屬三大石油央企的原油、成品油、天然氣干線管道納入國家管網(wǎng)集團公司統(tǒng)一調(diào)度運行，“全國一張網(wǎng)”的格局初步形成，預(yù)計“十四五”期間每年將新增建設(shè)5 000 km管網(wǎng)，管網(wǎng)規(guī)模不斷增大，管網(wǎng)水力系統(tǒng)分析難度越來越大。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)分析“三步法”（基本工況分析、瓶頸工況分析和去瓶頸工況分析）不僅可以掌握管網(wǎng)現(xiàn)有運行情況，準確查找管網(wǎng)瓶頸，而且可以給出合理的去瓶頸方案，對國內(nèi)天然氣管網(wǎng)水力系統(tǒng)分析具有借鑒意義。