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长输天然气管道压气站运行分析

发表时间：2020/10/20 来源：《基层建设》2020年第19期作者：王娅婷

[导读] 摘要：长输天然气管道通过压气站场压缩机组加压实现天然气远距离输送，压气站场控制系统和压缩机组控制系统两个核心控制系统实现了站场全部自动化控制功能。

        中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司重庆 400010
        摘要：长输天然气管道通过压气站场压缩机组加压实现天然气远距离输送，压气站场控制系统和压缩机组控制系统两个核心控制系统实现了站场全部自动化控制功能。目前，随着天然气管道智慧化发展，利用智能手段在保证控制功能质量的同时整合优化控制系统是提升控制水平和能力的重要方式。站场控制系统和压缩机控制系统的整合研究，通过将分散的监视和控制功能集中，方便了设备的远程管理。
        关键词：长输天然气管道；压气站；运行工况
        引言
        近年来，我国天然气开采量和需求量都在不断增加，我国管道压气站建设也随之进入高峰期，天然气输气管道具有输送距离远、管道直径大、输气流量大、管道压力高、建设成本高等特点。而天然气压气站可以说是输气系统的心脏，具有极其重要的作用。因此，确保天然气压气站的安全运行，是输气管道系统正常工作的前提。对天然气压气站进行优化，并对其设计和运行进行研究，对提高企业的经济效益具有重要意义。
        1站场控制系统和压缩机控制系统
        1.1站场控制系统SCS(stationcontrolsystem)
        天然气管道压气站场控制系统(以下简称站控系统)，将现场仪表、第三方通讯、PLC、操作员工作站通过通信系统进行连接，并对现场设备实现远程控制。
        1.2压缩机组控制系统UCS(unitcontrolsystem)
        压缩机组控制系统，采集、监视压缩机本体及润滑油系统、干气密封系统、电机等压缩机辅助系统数据，同时具有自动控制和保护压缩机组及辅助系统安全、连续、平稳、高效运行的机组自动控制系统。
        2压气站场控制系统现状
        目前，国内长输天然气管道压气站场控制方式普遍是站控系统与压缩机控制系统独立设置。
        站控系统采集和监视阀门、过滤分离器、加热炉等站场工艺设备运行数据，供配电系统、消防火气系统等通过第三方通讯纳入站控系统监视。压缩机控制系统控制压缩机组、润滑油系统、空压系统、后空冷系统等启停，监视全部机组运行数据，同时负荷分配、防喘振功能在压缩机控制系统实现。此外，机组电机及电机系统也由压缩机控制系统发出指令控制。
        3天然气压气站工艺设计
        3.1压缩机组安全控制设计
        为了便于安全控制，在实际项目中压缩机组一般选用燃气轮机驱动的压缩机组，这种驱动方式可以调节运行速度，进而达到控制系统输出压力的目的。机组的压力报警和超压紧急停车系统是重要的功能，这种压缩机组设置了紧急放空阀，这种设计为压缩机出口管道系统的平稳可靠运行做出了多重保障。
        3.2压力检测与监控设计
        每一个压气站在出站紧急截断阀前都必须设置压力报警器，压力报警器的作用是在系统压力超范围时进行报警，在压缩机出口安装自动放空阀，在压气站出口需要安装紧急截断阀，使其与出口的自动放空阀进行联锁。这种方法大大提高了系统的安全性能，如果一旦出现压力超过设定值，压力监测系统就会报警，并进行停车和紧急放空，这种设计为压气站的平稳运行做出了保障。
        3.3放空系统设计
        作为保证压气站平稳运行的重要辅助系统，放空系统的设计重要性不言而喻，压缩机出口的高压紧急放空能力是评价放空系统设计是否合理的重要指标。以往的压气站放空系统的设计是多台压缩机共用一个放空系统。这种方法的弊端是一旦出现停电等紧急放空状况，很容易导致压力系统出现故障。最终造成安全事故。这就要求在每个项目中每台压缩机都应有独立的放空系统，避免其与其他压缩机共用，消除以上所述的安全隐患，避免安全生产事故的发生。

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        4天然气压气站运行研究
        4.1天然气管道输送模型组建
        采用天然气管道联合运行数学模型，仿真模型中对天然气管道、压缩机等关键部件参数进行设定，当模型组建完成之后，应用实际稳态运行数据信息对数学模型进行校正，从而进一步提升模型仿真的准确程度。数学模型的建立过程如下：
        （1）把天然气压缩机、燃机的运行参数进行设定。把天然气压缩机的运行效率、转速、压头和流量参数指标进行输入。把燃机的转速、热功率和功率参数输入进数学模型中。把燃机的环境温度情况、最大可以利用的功率、气体排放温度和燃机的运行功率之间的参数关系进行科学有效的拟合，把运行结果数据输入到数学模型中。
        （2）把天然气管道、跨接线、冷却装置、分输设备等进行模拟所需要的参数输入到模型之中，再把地温情况、天然气管段的效率、土壤的导热系数、冷却装置的负荷情况等可以产生重大影响的参数输入进来。
        （3）应用数据拟合算法对天然气压缩机压头和效率进行有效的校正，应用历史实际运行数据信息来对天然气管段的运行效率、摩阻系统等进行校正，使天然气运行压力的模拟结果和实际运行数据的偏差保持在3%~5%。
        4.2优化方案的制定
        天然气管道运行优化方案主要有年度运行方案、月度运行方案和每天的运行方案，利用经过校正之后的数学仿真模型可以对年、月、日和特别工况条件下运行方案地模拟运算，以能耗优化为调整原则对天然气全线范围内的开机方案和每个站点的压力控制数值进行优化。
        天然气管道运行方案的优化如下：
        （1）年度方案的优化。依据年度输气计划情况，采用已经组建好的数学模型，对每个月的输气量进行仿真运算，把计算得到的多组运行方案进行比较，确定安全程度高、耗气量较为优化的运行文案进行存储备案，同时再对年度耗气指标进行估测。
        （2）月度方案的优化。可以结合天然气管道每个分站的具体情况，依据月度需要的输气量数值，应用数学模型，仿真出多组运行方案，选择安全程度高，耗气量较为优化的运行方案。
        4.3压气站负荷合理分配
        在管道运行阶段，若压气站内配备的压缩机组型号相同，调度人员在编制运行方案及日常操作时凭借经验确定压气站的开机台数，各机组间流量一般采用均分处理。但部分压气站存在压缩机组型号不同的情况，难以合理确定站内压缩机组开机台数及各机组间的流量分配，不利于管道高效运行。
        压气站负荷分配问题可以描述为：已知压气站的进站流量、压力、温度及出站压力，以单位时间内整个压气站运行费用最低为目标，确定压气站的开机组合与流量分配。
        4.4单条输气管道运行方案优化
        当得到气源和用户的季/月度计划以及管道的维检修作业计划之后，需要编制季/月度运行方案确定能否完成输送任务，此过程一般由计划编制人员通过管道仿真软件进行优化比选并结合生产经验完成。输气管道运行方案优化问题可以概括为：已知管道气源输量、压力、温度及用户合同输量或压力的条件下，求解全线各个压气站的出站压力及站内负荷分配，使全线压气站的总能耗/费用最低。
        结语
        天然气压气站作为天然气远距离传输的必备设备，管道输送途中增加输送压力的工作站，主要作用是把上游来气进行计量，过滤，加压，外输，由于长输管道天然气输送会产生压降，所以，必须使用压气站为长输管道天然气进行加压，从而使管道压力保持均匀，快速，平稳，最终达到安全输送的目的。由此可见，天然气压气站的设计与运行的重要意义。
        参考文献
        [1]天然气管网运行最优化探讨[J].李博,张忠东,康阳,阎涛,柳建军,支树洁,段林杰,陈振海.油气储运.2018(10).
        [2]我国长输天然气管道现状及发展趋势[J].王小强,王保群,王博,林燕红,郭彩霞.石油规划设计.2018(05).
        [3]中亚天然气管道的运行优化与能耗控制[J].杨金威,刘锐,陈玉霞,向奕帆,张鹏.油气储运.2018(09).
        [4]基于动态规划法与改进遗传算法的管网稳态运行优化[J].杜培恩,陈新果,李欣泽,李晓平.油气储运.2018(03).