王興智 何軍 薛斌

國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸蘇北輸氣分公司，中國·江蘇 揚(yáng)州 225000

1 引言

天然氣作為一種高效清潔能源，其消費(fèi)量在全球范圍內(nèi)急劇上升。2021年，中國天然氣產(chǎn)量2076×108m3，同比增長7.8%，連續(xù)五年增產(chǎn)超100×108m3。隨著天然氣消費(fèi)需求的增加，管道作為天然氣運(yùn)輸最經(jīng)濟(jì)有效的方式，其建設(shè)速度也越來越快。2021年，中國主干天然氣管道里程達(dá)到11.6萬公里。

天然氣長輸管道輸送距離長、覆蓋面廣、分輸計(jì)量點(diǎn)多的特點(diǎn)，以及管道系統(tǒng)性能隨著時(shí)間的推移而有所降低，使得天然氣在管道輸送過程中不能完全避免輸差的產(chǎn)生[1]。管道輸差是天然氣企業(yè)極其注重的一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。因此，分析天然氣管道輸差產(chǎn)生的原因和控制措施具有重要意義。

2 管道輸差的概念

天然氣管道輸差是指管道接收的天然氣量與輸送至用戶氣量間的體積差，其計(jì)算公式為：

式中，Q差為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的輸差，m3；Q1為輸入氣量，包括儲(chǔ)氣庫采氣量，m3；Q2為輸出氣量，包括儲(chǔ)氣庫注氣量和銷售氣量，m3；Q3為自用氣量，m3；Q4為放空氣量，m3；V1為期初管存量，m3；V2為期末管存量，m3；η為輸差率，%。

由上式可知，輸差產(chǎn)生的原因主要包括計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確性、管存計(jì)算準(zhǔn)確性、管道泄漏以及其他因素等，其中，計(jì)量系統(tǒng)誤差是導(dǎo)致輸差的主要原因[2,3]。在氣體研究所（Gas Research Institute，GRI）的研究中，計(jì)量系統(tǒng)測量誤差占輸差總量的81.5%，泄漏占9%，盜竊占6.5%，核算失誤占3%。

3 輸差成因分析

3.1 計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性

天然氣計(jì)量包括體積計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量三種形式。國際天然氣貿(mào)易交接廣泛采用能量計(jì)量的方式，而中國是目前仍然以體積計(jì)量為主的少數(shù)國家之一。

3.1.1 計(jì)量儀表的選型

計(jì)量儀表的型號(hào)與天然氣管道實(shí)際輸送條件的匹配程度直接決定了計(jì)量誤差的大小。實(shí)際運(yùn)行過程中流量計(jì)量程與實(shí)際輸氣量相比過大或過小，都會(huì)造成測量數(shù)據(jù)與實(shí)際狀況存在較大差距。通常情況下，合理的流量計(jì)量程應(yīng)當(dāng)介于最大流量值的30%～80%范圍內(nèi)。流量計(jì)只有工作在分界流量qt和最大流量qmax之間才能提供最佳的計(jì)量性能。管道實(shí)際流量不同，其最大允許誤差不同，qmin≤q≤qt時(shí)的流量計(jì)最大允許誤差甚至是qt≤q≤qmin的兩倍。另外，計(jì)量儀表的安裝及運(yùn)行條件變化也會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，且對(duì)不同流量計(jì)的影響程度不同。

3.1.2 壓力、溫度測量的準(zhǔn)確度

壓力溫度的測量直接影響計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。以超聲波流量計(jì)為例，即使儀表檢定結(jié)果合格，由于儀表實(shí)際工作條件往往不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)室檢定校準(zhǔn)條件，其計(jì)量結(jié)果仍然存在一定偏差，并且由于溫度或壓力測量的不準(zhǔn)確給標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積量帶來的誤差可高達(dá)±0.5%。

3.2 管存計(jì)算準(zhǔn)確性

3.2.1 管存計(jì)算方法

對(duì)管道企業(yè)而言，管存差屬于賬面輸差，但是期初與期末管存量的計(jì)算準(zhǔn)確性直接關(guān)系到該周期內(nèi)的輸差計(jì)算準(zhǔn)確程度。目前管存量的計(jì)算方法通常有兩種：一是采用水力模擬計(jì)算軟件（SPS）進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算；二是基于管道參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。相同參數(shù)條件下，按穩(wěn)定流法計(jì)算的管道儲(chǔ)氣量小于不穩(wěn)定流的實(shí)測值。實(shí)際情況中，目前工程實(shí)際中大多仍采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法。

3.2.2 動(dòng)態(tài)計(jì)量參數(shù)

穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式中的壓力和溫度屬于動(dòng)態(tài)計(jì)量參數(shù)，取值準(zhǔn)確與否直接影響到管存量計(jì)算準(zhǔn)確度。為此，參數(shù)取值時(shí)間不宜在流量波動(dòng)較為劇烈的早中晚時(shí)間段內(nèi)，應(yīng)盡量安排在運(yùn)行穩(wěn)定的夜間；用管壁溫度或管道附近地溫代替在管道閥室旁通管道上的天然氣溫度更能正確反映干線天然氣的溫度。

3.2.3 壓縮因子的計(jì)算

壓縮因子計(jì)算的準(zhǔn)確性是管存計(jì)算準(zhǔn)確性的決定性因素之一。常規(guī)計(jì)算方法主要有實(shí)驗(yàn)法、SK圖版法、狀態(tài)方程法、AGA8-92DC計(jì)算方法以及經(jīng)驗(yàn)公式法等。不同壓縮因子計(jì)算算法的誤差可高達(dá)0.5%。另外，壓縮因子的計(jì)算需要知道氣體詳細(xì)的摩爾分?jǐn)?shù)組成，在計(jì)算管段管存量時(shí)，應(yīng)選擇在線色譜分析儀的氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)，沒有在線色譜分析儀的站場根據(jù)就近原則采用臨近站場的數(shù)據(jù)進(jìn)行管存計(jì)算。

3.2.4 計(jì)算管存量的管段

天然氣管道管存量和對(duì)應(yīng)管段的長度以及測量管段內(nèi)徑等有關(guān)，且穩(wěn)態(tài)公式只適合于內(nèi)徑相同的連續(xù)管段。對(duì)于輸氣管道系統(tǒng)而言，由于閥室以及管道支線的存在，管道系統(tǒng)可能包括變徑管、彎頭等特殊管段，為提高計(jì)算的準(zhǔn)確度，應(yīng)將輸氣管道劃分為不同的管段逐一計(jì)算管存量再求和。管道劃分越細(xì)，管存量計(jì)算結(jié)果的精確度越高，閥室與閥室之間的管段是最小的劃分單元。

3.3 放空量計(jì)算準(zhǔn)確性

放空氣是指站場或干線管道通過截?cái)嗥渖舷掠伍y門后進(jìn)行放空或泄露損耗的天然氣，主要包括緊急搶修放空和計(jì)劃性放空，其中計(jì)劃性放空包括分離器排污放空、壓縮機(jī)定期檢修放空等。對(duì)西氣東輸管道，2003—2008年由于過濾器排污和壓縮機(jī)啟停產(chǎn)生的放空量占總放空量的50%以上。

目前基本采用計(jì)算管段管存差的方式來估算管道放空氣量，但這種方法所需壓力溫度等數(shù)據(jù)往往不具備良好的測量條件且易受外界環(huán)境和人為因素影響，存在較大的不確定性，導(dǎo)致其存在計(jì)算偏差。另外，國內(nèi)大部分站場將壓縮機(jī)啟停吹掃作業(yè)產(chǎn)生的放空量默認(rèn)為固定值，這種做法不利于貿(mào)易計(jì)量交接，易引起貿(mào)易雙方的計(jì)量糾紛。

3.4 管道泄漏

輸氣管道系統(tǒng)泄漏包括偶然性泄漏、長期泄漏和普通運(yùn)行泄漏。一般來說，輸氣系統(tǒng)的泄漏大部分都屬于偶然性泄漏。造成管道泄漏的主要原因包括因氣體組分不純?cè)斐傻膬?nèi)部腐蝕和硫化應(yīng)力腐蝕、制管和安裝焊接質(zhì)量差導(dǎo)致的管道斷裂以及外力或人為導(dǎo)致的管道破壞等。

3.5 其他因素

主要包括人為因素、意外事故以及偷盜氣等，其中人為因素包括主觀和客觀因素。人為主觀因素是指操作人員在作業(yè)過程中人為干預(yù)結(jié)果的行為，客觀因素指個(gè)人業(yè)務(wù)能力水平限制等。

4 輸差分析方法

當(dāng)天然氣管道輸差異常時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行輸差分析及定位，一方面促使計(jì)量人員進(jìn)行計(jì)量儀表的校準(zhǔn)，確定輸差產(chǎn)生的原因，另一方面也有助于巡線人員針對(duì)性地巡線。常見的輸差分析定位方法有計(jì)量先行法、瞬時(shí)流量平衡法、曲線對(duì)比法、量值溯源法以及縮短周期法等。此外，水力摩阻系數(shù)法、不確定合成法以及灰色關(guān)聯(lián)分析法也可進(jìn)行輸差定位分析。

4.1 水力摩阻系數(shù)法

管道水力摩阻系數(shù)決定管道壓力降，而壓力降的異?？梢杂脕磉M(jìn)行輸差預(yù)警。建立計(jì)量數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算各段管道的當(dāng)量水力摩阻系數(shù)，尋找與其相似邊界條件的水力摩阻系數(shù)，通過對(duì)比，就能發(fā)現(xiàn)輸差存在問題的管段。

4.2 不確定度合成法

不確定度合成法是根據(jù)計(jì)量儀表的精度和不確定度通過不確定度合成理論得到的干線輸氣管道由于儀表不確定度帶來的可能的計(jì)量偏差。設(shè)干線輸氣管道具有M條進(jìn)氣支線和N條出氣支線如圖1所示，其中進(jìn)氣支線流量為Q入，總進(jìn)氣量；出氣支線流量為Q出j，總出氣量為。假設(shè)進(jìn)出氣支線各臺(tái)流量計(jì)流量測量相互獨(dú)立，則可將整個(gè)干線輸氣系統(tǒng)看成是由進(jìn)氣端和出氣端兩部分并聯(lián)組成，其中進(jìn)、出氣端分別是由M、N條計(jì)量支線并聯(lián)組成。

圖1 輸氣干線系統(tǒng)模型

由于整個(gè)干線輸氣系統(tǒng)可以看成是由進(jìn)氣端和出氣端兩部分并聯(lián)組成，由此就可以得到干線輸氣系統(tǒng)由于不確定度帶來的可能的計(jì)量偏差ΔQmax和計(jì)量偏差率ω，將計(jì)量偏差率與輸差率進(jìn)行對(duì)比，可以起到輸差預(yù)警的作用。

4.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法的原理是根據(jù)參考序列與比較序列的關(guān)聯(lián)度大小來判斷兩者之間的聯(lián)系緊密度，關(guān)聯(lián)度越大，則比較數(shù)列對(duì)參考數(shù)列的影響越大，反之則越小。

當(dāng)輸差異常時(shí)，將輸差率作為參考數(shù)列，支線流量、管存量、放空氣量以及自用氣量作為比較數(shù)列，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析法原理計(jì)算參考數(shù)列與比較數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度，并依關(guān)聯(lián)度大小依次檢查，可有效縮短輸差定位時(shí)間。

5 降低輸差的相關(guān)措施

5.1 加強(qiáng)管道建設(shè)管理，正確選擇儀表

管道企業(yè)要提高經(jīng)營管理水平，降低輸差，就必須做好測量儀表的選型工作。流量計(jì)選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)各種流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)以及流量計(jì)流量范圍、操作壓力、流動(dòng)狀態(tài)、物性參數(shù)以及檢定條件等因素綜合考慮選用合適的流量計(jì)，避免儀表的實(shí)際工作處于量程的10%以下，從而造成測量誤差處在擴(kuò)展誤差限內(nèi)。

5.2 加強(qiáng)管道運(yùn)行管理，減少放空氣量

管道放空作業(yè)不僅造成能源的浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境具有較大的污染。以下方面有助于輸差管理。①加強(qiáng)站場和管道的日常巡檢管理，嚴(yán)控跑、冒、滴、漏現(xiàn)象的發(fā)生；②壓縮機(jī)組是站場自耗氣最大的設(shè)備，優(yōu)化調(diào)整壓縮機(jī)組運(yùn)行方案，減少啟停次數(shù)，可有效降低機(jī)組的放空量；③合理安排需要較大氣量放空作業(yè)的設(shè)備維護(hù)周期，盡量減少維護(hù)次數(shù)。

5.3 加強(qiáng)計(jì)量系統(tǒng)的管理，提高計(jì)量準(zhǔn)確度

計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系輸差大小，著重加強(qiáng)技術(shù)和人員管理。技術(shù)方面，應(yīng)嚴(yán)格按照計(jì)量儀表安裝技術(shù)要求進(jìn)行安裝，避免和消除安裝誤差；定期對(duì)計(jì)量設(shè)備進(jìn)行檢查、維護(hù)、保養(yǎng)工作，延長使用壽命，減少磨損、臟污以及脈動(dòng)流等帶來的計(jì)量誤差；對(duì)計(jì)量設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)制檢定或校準(zhǔn)，保證計(jì)量精度在規(guī)定范圍之內(nèi)。人員方面，加強(qiáng)計(jì)量操作人員業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提高專業(yè)能力和責(zé)任心。

5.4 合理改進(jìn)工藝流程，減少脈動(dòng)流的影響

流量瞬間急劇變化、閥門突然開關(guān)以及管道積液等都會(huì)使管道中氣體的流速及壓力突然變化而造成脈動(dòng)流，脈動(dòng)流的存在會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)量儀表的性能，產(chǎn)生較大誤差。為此，應(yīng)盡量減少脈動(dòng)流的產(chǎn)生，抑制脈動(dòng)流的方法有：①采用高效分離器及時(shí)排除管道積液，或在脈動(dòng)源后附加脈動(dòng)衰減器；②控制計(jì)量管段下游閥；③安裝調(diào)壓閥。

6 結(jié)論

天然氣管道輸差是管道企業(yè)極其注重的一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，直接關(guān)乎企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。通過分析管道輸差成因及影響因素，總結(jié)輸差分析方法，提出了天然氣管道輸差管理的相關(guān)措施。