天然气管道研究

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前言

天然气是一种优质、高效、清洁的能源和化工原料。进入20世纪70年代以来，世界天然气发展速度加快，大大超过了石油工业的发展速度。天然气在能源生产结构中的比例也迅速提高。目前，一般发达国家天然气在能源生产结构中的比例大约在24%以上，而天然气在我国能源结构中的比例很小，近几年一直保持在2.2%。因此，为了改善我国能源结构，保护生态环境，应提高天然气在我国能源消费结构中的比例，加快我国天然气工业的发展，发挥天然气资源的优势，实现资源的合理利用。

一、长距离输气管道构成及特点

管道是天然气走向市场的重要环节，是沟通气田与天然气用户的重要纽带，也是促进气田开发，加速天然气消费利用的重要手段。世界各国天然气工业发展的经验表明，天然气工业要发展，管道必须先行。

一条长距离输气管道一般由输气管段、首站、压气站、中间气体接收站、中间气体分输站、末站、清管站、干线截断阀室、线路上各种障碍(水域、铁路、地质障碍等)的穿跨越段等部分组成。

首站的主要功能是对进入管道的天然气进行分离、调压和计量，同时还具有气质检测控制和发送清管球的功能。如果输气管道需要加压输送，则在大多数情况下首站同时也是一个压气站。

中间气体接收站的主要功能是收集来自支线或管道沿线气源的天然气，中间分输站的主要功能是向管道沿线的支线或用户供气。在中间接收站或分输站通常设有天然气调压和计量装置，某些接收站或分输站同时也是压气站。

压气站是输气管道的心脏，其功能是给气体增压以维持所要求的输气流量，一般情况下，两个压气站的间距在100～400km之间。压气站的主要设备是输气压缩机组，包括气体压缩机(离心式或往复式)和与之配套的原动机。离心压缩机采用燃气轮机或电机驱动，往复压缩机通常采用天然气发动机驱动。现代输气管道大多采用燃气轮机—离心压缩机组，在同一个压气站内通常设置多套输气压缩机组，它们既可以并联也可以串联。由于输气管道的压气站一般在较低压比(出站压力与进站压力之比称为压气站的压比，我国输气管道设计规范推荐其取值范围为1.2～1.5)下运行，因此绝大多数压气站都采用并联方式。为了便于调节输气管道的流量和压力，大多数输气压缩机都可以在较大范围内实现无级调速。

清管站的主要功能是发送、接收清管器，它可以与其它站场合建在一起，也可单独建站，定期清除管道中的杂物(如水、液态烃、机械杂质和铁锈等) 。清管站的间距一般为100～150km。

若输气管道末站直接向城市输配气管网供气则被称之为城市门站。末站具有分离、调压、计量的功能，有时还兼有为城市供气系统配气的功能。

干线截断阀室是为了及时进行事故抢修、防止事故扩大而设置的。根据管道所经过地段的地区等级不同(根据人口和建筑物密度等因素，可以将管道经过地区划分为4个等级)，干线截断阀室的间距在8～32km之间。此外还应在管道穿跨越段两侧设置干线截断阀。

为满足调峰和应急供气的需要，在输气管道终点附近通常建有配套的地下储气库或地面储气站。地下储气库主要用于季调峰和应急供气，地面储气站一般只用于日调峰和小时调峰。由于天然气具有可压缩性，因此输气管道末段也具有一定的储气调峰能力，在大多数情况下可以用其取代地面储气站

二、国内外输气管道优化运行的研究现状

输气管道优化运行是降低输送成本的重要手段，优化运行就是使管道在能耗最小的情况下，安全可靠地完成天然气的输送和供应。

输气管道或管网优化运行的研究可以分为两个步骤，一是建立数学模型，将实际工程最优化的问题用数学语言描述;二是对已建立的数学模型进行数学分析，选用合适的最优化方法，编写计算程序，求出实际问题的解。

输气管道优化运行，通常取压气站所耗燃料最小或运行成本最小为目标函数，也有一些输气公司，常常把防止或减少供气中断作为目标函数。此外，出于环境保护的目的，也可把减少废气(CO2、H2S等)排放作为一个目标函数或目标函数之一。优化运行问题基本可以归结为，根据压缩机状态、管道约束条件、压缩机运行的可行域和流量限定等一些限制条件，以能耗或运行成本最小为目标函数进行优化计算，给出压缩机运行的组合方式和压缩机的操作压力。该问题为多变量混合整数非线性规划问题。

三、存在的问题及解决方法

对输气管道进行优化所得到的运行方案必须在实践中可行并易于应用，因此就非常有必要对构成管道系统的各个组成部分进行准确地模拟，要求所建立的数学模型能够准确反映各部分之间的物理函数关系。目前，对压缩机所做的模拟，大都是把压缩机看成是一个“黑匣子”,即用简单的数学公式进行模拟。然而，在实际运行中，压缩机的性能曲线受外界影响而发生一定的变化，如果简单地用数学公式来表示，就会给求解结果带来一定的负面影响。

当管道或管网在稳态下或准稳态下运行时，稳态优化是一个非常有效的手段，它可以保证管道在设计流量下，持续平稳地经济运行。然而，在管道输量波动很大的情况下，稳态优化就显得无能为力，这就需要进行非稳态优化。事实上，所有的管道系统都不可能完全在稳态条件下运行。因此，将稳态优化和非稳态优化结合起来非常必要，它对提高管道的运行管理水平和降低运行成本将会起到重要的作用。

对于输气管道运行的优化，不应只局限于数学方法来求解最优运行方案，而应从提高压缩机组效率(包括压缩机和原动机) 、改进机组自控系统、采用内涂层技术等方面来达到降低能耗的目的。

总结

综上所述，经过20—30年的努力，我国的天然气管网将基本完善，国内将形成几纵几横的主干管道及其连通管道，并与西伯利亚及中亚的国际天然气管道连接，到那时，全国的重点大中城市均将纳入统一的国家天然气管道网络，从而形成高效、完善的国内天然气管道输送网络系统。无论在输气管道的设计，还是在建成后的运行维护过程中，都需要进行输气管道或管网优化运行方面的研究。如果在设计阶段就将输气管道的节能降耗作为方案优化的重要手段，管道实现高效输气就能得到保证。