基于陕京管道系统能耗计算的优化运行分析

时间：2024-11-06

陈嘉琦郭杰蒲明魏开华周英

1. 中国石油天然气股份有限公司规划总院, 北京 100089;2. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川成都 610041

0 前言

长输天然气管道的运行需要大量的能耗,主要包括压缩机组的燃料消耗、管道和设备的摩阻损失等[1-3]。如何通过优化输送方案减少能耗,从而节约能源、提高能源利用效率一直是研究重点[4-6]。对于长输天然气管道,采用高压力、大口径管道输送能够有效降低输送能耗,提高能源利用效率[7-10]。因此,在陕京管道系统的生产运行中,普遍认为减少陕京一线这类低压、小口径管道输气量,将气量转至陕京二线、陕京三线和陕京四线这类高压大口径管道输送,有利于降低管网系统总体运行能耗。但通过研究分析发现,在陕京管道系统处于高负荷输气工况下,提高陕京一线输气量,相应减少陕京管道系统其他管线输气量可以使陕京管道系统总体运行能耗更低。本文以陕京一线、陕京二线为研究对象,运用TGNET仿真模拟软件,在能耗分析的基础上进行优化研究,为制定天然气管道系统的最优流量分配方案提供依据。

1 陕京管道系统概况

陕京管道系统是联通西部进口和国产天然气资源与华北市场的重要通道,其安全高效运行对满足华北地区巨大用气需求和支撑华北地区社会经济发展具有重要意义[11-13]。为满足京津冀地区环网系统灵活调运的需求,需要对陕京管道系统进行能耗分析来实现合理输气量配置及运行方案优化。

陕京管道系统途经陕西、内蒙古、山西、河北、北京、天津三省一区两市,管道干线包括陕京一线、陕京二线、陕京三线、陕京四线、永唐秦管道、唐山LNG外输管线和大唐煤制气管道北京段等。主力管线陕京一线、陕京二线、陕京三线和陕京四线的设计最大输气能力合计650×108m3/a。其中,陕京一线设计输量36×108m3/a,设计压力6.4 MPa,管径660 mm;陕京二线设计输量170×108m3/a,设计压力10.0 MPa,管径1 016 mm。陕京管道具体参数见表1。

表1 陕京管道系统参数表

2 陕京管道系统能耗分析

根据陕京系统管道基本参数、气源构成、压缩机配置以及分输用户情况,利用TGNET软件建立管道系统模型,用于计算不同工况下的管道能耗。TGNET软件可以建立包含气源、用户及管道站场主要设备的长输管道仿真模拟模型,由英国ESI能源集团开发,是业界领先的管道模拟软件之一,广泛应用于长输天然气管道的仿真模拟[14-17]。

2.1 能耗计算方法

目前,中国评价长输天然气管道能耗时主要采用以单耗为主的指标体系[18-20],单耗即单位周转量生产能耗,是生产能源消耗量与周转量的比值。周转量、生产总能耗和生产单耗的具体计算方法见式(1)～(6)。

2.1.1 周转量

Q=G×L

(1)

Q=(G-G-G)×L

(2)

(3)

2.1.2 生产总能耗

E=rd(E+E)rqE

(4)

(5)

2.1.3 生产单耗

(6)

2.2 陕京一线与陕京二线能耗水平比较

为研究陕京一线与陕京二线的能耗水平,在陕京一线榆林压气站进站压力4.1 MPa,石景山站交气压力不低于3.0 MPa,陕京二线来气压力7.4 MPa，采育站交气压力不低于6.5 MPa的条件下,计算不同输气量台阶下管道的周转量、生产总能耗和生产单耗,陕京一线与陕京二线的能耗。计算结果见表2～5。

表2 不同输量下陕京一线运行参数表

表3 不同输量下陕京一线能耗表

表4 不同输量下陕京二线运行参数表

表5 不同输量下陕京二线能耗表

根据表2～5计算结果,随着输气量的增加，陕京一线与陕京二线的生产单耗均逐渐上升,陕京一线在设计输气量下的生产单耗约为118.3 kgce/(107m3·km),陕京二线在设计输气量下的生产单耗为79.91 kgce/(107m3·km)。陕京一线与陕京二线的能耗水平对比见图1。

图1 陕京一线与陕京二线生产单耗对比图Fig.1 Comparison of energy consumption per unit transmitted overthe pipeline network of the first and second Shaanxi-Beijing pipelines

尽管陕京一线与陕京二线的设计输气量相差较大,但图1中可明显看出陕京二线的能耗水平远低于陕京一线。与陕京一线相比,陕京二线的管道压力更高、管径更大、输送效率更高,运行过程中生产单耗更低。

3 优化分析

根据2.2节的能耗计算结果,陕京二线能耗水平远低于陕京一线,符合高压力、大管径管道有利于节能降耗的普遍认识及目前天然气管道向高压力、大管径发展的总体趋势。然而,在实际生产运行中,管道系统的总输气量存在波动,在输气量增加时,管道系统中不同管道的输气量配置应以管网总能耗最低为目标,仅根据单条管道能耗水平制定输气量方案难以实现管道系统的能耗最优。陕京一线与陕京二线在不同输气量下生产总能耗对比见图2。

图2 陕京一线、陕京二线生产总能耗对比图Fig.2 Comparison of total energy consumption ofthe first and second Shaanxi-Beijing pipelines

根据图2,从陕京管道系统总能耗角度来看,当陕京二线输气量超过3 500×104m3/d时,输气量的增加会导致管道系统生产总能耗显著增加,若此时在不超过陕京一线设计输气量条件下采用陕京一线增输,系统总能耗的增加将远小于采用陕京二线增输。

为了更精准地确定不同条件下管道输气量的最优配置方案,计算由陕京一线和陕京二线组成的陕京管道系统在不同负荷率下增输的生产总能耗。由陕京一线和陕京二线组成的管道系统增输时,有两种输量分配方案，方案1是陕京一线增输,陕京二线输气量不变;方案2是陕京一线输量不变,陕京二线增输。

计算陕京一线负荷率分别为29%、39%、49%、58%、68%、78%时,陕京二线不同负荷率下采用两种方案增输200×104m3/d 的管道系统生产总能耗。部分计算结果见图3。

a)陕京一线负荷率29%a)The first Shaanxi-Beijing pipeline with 29% load rate

b)陕京一线负荷率39%b)The first Shaanxi-Beijing pipeline with 39% load rate

c)陕京一线负荷率49%c)The first Shaanxi-Beijing pipeline with 49% load rate

d)陕京一线负荷率58%d)The first Shaanxi-Beijing pipeline with 58% load rate

根据图3计算结果,在陕京一线负荷率为29%(300×104m3/d)时,陕京二线负荷率超过42%后,采用陕京一线增输会使陕京系统生产总能耗更低;在陕京一线负荷率为39%(400×104m3/d)时,陕京二线负荷率超过70%后,采用陕京一线增输陕京管道系统生产总能耗更低。此后,随着陕京一线负荷率增大到49%、58%和68%,方案1的生产总能耗在陕京二线负荷率分别超过78%、84%和91%时开始低于方案2,即采用陕京一线增输更低。当陕京一线负荷率达到约80%时,采用陕京二线增输的方案生产总能耗较低,因此不再建议采用陕京一线增输。

根据图3计算结果可得出，陕京一线、陕京二线在不同负荷率下增输方案的选择范围。当陕京一线榆林压气站进站压力达到4.5 MPa,输气量低于500×104m3/d时,压缩机不启动也可保证石景山站交气压力不低于3.0 MPa;当陕京二线中靖来气压力7.4 MPa,输气量低于1 500×104m3/d时,压缩机不启动可满足采育站交气压力不低于6.5 MPa,此时采用2条管道输送均不产生总生产能耗。增输方案选择范围见图4。

图4 增输方案选择范围图Fig.4 Range of the throughput increase scheme

综上分析可知,对于多条管道组成的管道系统,输气量配置优先选择高压力、大管径管道并非是绝对的最优方案,在一定条件下采用小管径、低压力的管道增输可能使管道系统总能耗更小,有利于节能降耗。因此,在实际生产中,能耗最优的输送方案需要根据管道输气量情况具体分析。