提升城市天然氣管網運營效率的對策

摘 要

摘要：分析了提升城市天然氣管網運營效率的必要性，提出了相應的方法——優化設計、加強建設過程的質量監管、實施完整性管理、優化運行、及時有效地搶修、優化用戶結
摘要：分析了提升城市天然氣管網運營效率的必要性，提出了相應的方法——優化設計、加強建設過程的質量監管、實施完整性管理、優化運行、及時有效地搶修、優化用戶結構、推廣新材料、新技術、新工藝、新設備。
關鍵詞：天然氣管網；運營效率；完整性管理
Countermeasure for Improving Operational Efficiency of City Natural Gas Pipeline Network
LUO Dong-xiao
Abstract：The necessity for improving the operational efficiency of city natural gas pipeline network is analyzed. Some corresponding methods including optimizing the design，enhancing the quality supervision during the construction， implementing the integrity management，optimizing the operation，timely and effective repairing，optimizing the consumer structure and promoting new materials，new techniques，new processes and new equipment.
Key words：natural gas pipeline network；operational efficiency；integrity management
   近年來，我國城市燃氣行業得到了長足的發展，利用天然氣的步伐逐步加快，天然氣輸配管網建設不斷加速。截至2008年底，全國天然氣長輸管道總長度約3.2×104km，城市燃氣管道長度約25×104km，已有超過280座城市應用管道天然氣，城市燃氣領域使用的天然氣量為360×108m3/a，用氣人口達1.5×108人。預計到2012年，全國天然氣總消費量可達1200×108m3/a，其中城市燃氣用量約500×108m3/a。
    隨著城市天然氣管網規模增大，提高管網運營效率、增加企業經濟效益的重要性與必要性凸現，成為業內人士關注的課題。
1 提升城市天然氣管網運營效率的必要性
    城市燃氣是《天然氣利用政策》規定的優先發展類別。其用戶用氣性質包括以下7種：居民用氣、商業用氣、工業企業生產用氣、供暖通風與空調用氣、燃氣汽車用氣、發電用氣、化工原料用氣。從目前情況看，無論地域、經濟發展水平、氣候特征等因素如何，國內城市天然氣管網中的居民用戶、商業用戶占有相當大的比例，其用氣特性表現出極強的不均勻性，季節、月、日、小時峰谷差往往都較大。
    現今的情況是，為了兼顧未來發展及滿足最大高峰供應量的需求，大多數時段特別是用氣低谷時段管道的利用效率極低，經濟性較差。可見，通過提高天然氣管網的運營效率，達到降低管網造價、減少生產運行成本的目的，變得愈來愈重要而且迫切。
2 提升城市天然氣管網運營效率的方法
2.1 優化天然氣管網的設計
    優化設計是提高天然氣管網運營效率的首要環節。其實質是以節約管網造價和運營成本這兩方面為出發點，在滿足天然氣供需(兼顧中遠期需求目標)的基本前提條件下，提出天然氣輸配管網的路由、管徑、運營成本最優化的設計方案[1]。其目標是實施經濟最優、工程可行、可持續發展的整體優化方案，確保整個天然氣管網經濟、安全、靈活、可靠地運行，達到管網運營效率最大化目標。
    天然氣管網最優化設計是一個十分復雜的、有多重約束條件的、非線性化的最優化問題，而且維數大、影響因素多，優化的工作量巨大，需要遵循的是先進性、整體性和持續性原則。考慮因素也較多，包括氣候、地理、工程、安全、生態保護、帶動地區經濟等一系列因素。一般實際意義上的優化設計，是在假定一些變量為已知的情況下，求解問題中的部分設計變量，即對設計問題的局部進行最優化考慮。常見的方法有圖論最小生成樹法和動態規劃法兩種。
2.2 加強天然氣管網建設過程的質量監管
    工程建設過程中的質量監管相當重要，也是提高天然氣管網運營效率的基本前提。嚴格遵守國家標準規范，編制合理的施工方案，嚴格監管施工質量，嚴把工程驗收質量關等都是其中的重要內容。
2.3 實施天然氣管網全過程安全管理
2.3.1天然氣管網運行中的安全隱患
    天然氣介質的危險性主要表現在易擴散、易燃燒、易爆炸、易中毒、易窒息、膨脹比大等方面。管網運行中最主要的安全隱患是老化、腐蝕及其他不可預見原因造成天然氣泄漏而引起火災、爆炸、中毒等事故[2]。其影響因素為：①第三方人為外力造成的燃氣管道破壞。統計數據表明，第三方施工事件產生的安全隱患，約占各類隱患總數的40%，是管道運營的主要風險。②管道腐蝕產生的隱患，排在第2位。③設備、管材、附件使用不當產生的隱患。④焊接質量差引發的隱患。⑤安全意識淡薄等人為因素造成的安全隱患。
2.3.2實施管道的完整性管理[3]
    管道完整性管理集管道檢測、監測、故障診斷、信息網絡等技術于一體，涵蓋管道設計、施工、運行與維護的整個生命周期。其作用是提高管道運行的安全性和經濟性，有效遏制管道事故。它使管道的安全管理由被動變為主動，變事后響應為事前檢測預防，使管道始終處于受控狀態，可以有計劃、有針對性地采取維護措施，防止管道失效或發生事故，延長管道壽命。城市天然氣管道完整性管理的具體內容如下。
    ① 設計過程：充分考慮管道強度、允許最大操作壓力、管道應力變化與頻率、管道沉降等因素，并對多種設計方案進行比選，保證規劃、選線選址、工藝、設備及自控等方案技術經濟合理而且安全可靠。堅持做好對可行性研究報告的安全預評價，指出主要危險因素及重大風險，評定工程能否滿足安全要求，并提出必要的安全對策及建議。
    ② 施工過程：抓住工程建設過程中招投標管理、材料質量的把關、施工質量監理等環節，確保管道系統的本質安全。此外，工程驗收階段的安全評價也是關鍵內容，這是日后安全管理的基礎。管材、焊縫質量、管道的敷設、回填、試壓、監理、施工隊伍資質審查等所有與工程施工相關的內容，都是要考慮的因素。
    ③ 運行與維護過程：在建立管道風險評價體系和各種有效的評價方法的基礎上，利用風險評價技術，重點進行風險排序工作，確定管道潛在的重大風險段及薄弱環節，據此確定管道的檢測與維修的優先計劃，及時對管道實施檢測、適用性評價、決策修復等完整性管理程序。其中，管道檢測是了解管道情況的必要手段，是完整性管理的基礎和重點，它也是進行安全評價的前提以及制定維修方案的依據；適用性評價是評估管道在現實缺陷下運行的安全性，包括承壓能力評價和剩余壽命預測等；決策修復是在管道檢測的基礎上，在評價分析的指導下，為降低管道風險、延長管道壽命、恢復管道完整性而采取的最終手段。
2.4 天然氣管道運行優化
    ① 天然氣管道運行優化的目的和途徑
    對于具備一定規模的城市天然氣管網，僅依靠傳統的生產調度方式，憑經驗進行決策，很難做到管網運營效率最大化。因此，借助于各種先進的技術手段，對生產運行系統進行優化必不可少。生產運行優化就是在管道系統結構和外部條件已經確定的情況下，根據天然氣氣源的供應和用戶的用氣需求兩方面的條件，對管網系統的運行參數進行合理優化，有效地進行調度決策和管理，使管道發揮出最大的利用價值，將運行費用降到最低，達到經濟、安全、平穩輸氣的目的。其關鍵內容是合理分配各個節點的壓力、流量等參數。
    進行優化一般有兩種途徑：利用專門研制的運行優化器或優化程序對管道進行優化，利用管道仿真器對管道進行優化。
    兩種途徑的本質不完全一樣[4]。優化器優化是根據管道的已知結構和約束條件，在滿足用戶需求的前提下，通過合適的優化算法得到各運行參數。仿真器優化則是先設定多套參數，然后進行模擬，看這些參數是否滿足要求，從中選擇出最優的一組作為優化參數。仿真器主要用于管道的設計分析。
   ② 運行優化的基本方法[5]
   運行優化的重點內容之一是對管網中用氣節點的需求量，即負荷進行科學而精確的預測，這是管網經濟運行的基礎，也是制定管網優化調度的根本依據。常見的負荷預測方法有：
    a. 灰色預測：是利用灰色系統理論進行預測的一種方法[6]。
    b. 神經網絡預測：是一種模擬人腦行為的網絡系統，具有自主學習、信息記憶、知識推理和優化計算的特點，對數據有非常好的逼近能力。它可以將影響管網節點負荷的天氣、季節、節假日等具有高度非線性和隨機性的因素考慮在內，通過不同的數據處理方法，建立不同的神經網絡模型，從而達到對節點負荷的準確預測[7、8]。
    c. 組合預測方法：是綜合利用各種方法所提供的信息，以適當的加權平均形式得到組合預測模型[9、10]。它能避免單一預測模型丟失有用信息的缺陷，減少隨機性，提高預測精度。
2.5 天然氣管網的搶險搶修
    及時有效地對出現缺陷的天然氣管道進行搶險搶修，是提高管網運營效率的重要內容。盡管天然氣管道出現泄漏等故障很難完全避免，但盡量縮短管道輸氣受影響的時間則是可以實現的，這是提高管道運營效率最直接、最有效的辦法。
2.6 優化燃氣用戶結構
    直接影響城市天然氣管網運營效率的一個不容忽視的因素是管網供氣的不均勻性，這是城市燃氣管網獨有的特征[11]。因此，依據城市管網供氣特點，因地制宜，有針對性地發展一些能夠有利于均衡管網負荷的優質客戶，是提升管網使用效率的一項關鍵措施。
    比如，地處亞熱帶的華南地區，盡管冬夏季間溫差不是太大，季節峰谷差值也不是特別突出，但夏季時間較長，全年使用空調的時間達到180d。因此，在管網內大力發展天然氣熱泵與空調用戶，有利于均衡天然氣管網冬夏季負荷，起到填谷作用；對于電網來說，可以利用其相互間的互補特性，減輕電網夏季高峰壓力，對電網發揮出削峰的效果[2]。這類用戶的加入，可以明顯地優化用戶結構，對提升管網運營效率極其有利。
    再比如，發展天然氣汽車用戶，推出適當的優惠措施鼓勵這類用戶夜間加氣，則更有利于均衡管網的時負荷。發展工業用戶，特別是一些應急情況下可中斷供應或進行負荷調整的工業用戶，都是通過用戶結構調整提升運營效率的重要措施，有利于均衡管網的日負荷。此外，根據需要，建設一定的調峰設施(地下儲氣庫、地面儲罐、LNG氣化站、天然氣液化裝置等)，對管網運營效率的提高也有好處。
    針對城市燃氣各類用戶的用氣規律和特點，有針對性地大力發展各類具有互補特性的用戶，并且施行一些經過技術經濟衡算后確立的優惠價格等經濟措施，吸引這類用戶入網，實現管網內用戶有效搭配，結構合理，負荷恒定。這樣，有利于確保管網的經濟、高效運行。
2.7 推廣新材料、新技術、新工藝、新設備
    城市燃氣行業正處于一個飛速發展時期，一些新材料、新技術、新工藝、新設備不斷涌現，在管網建設、運行管理過程中，“四新”推廣應用的積極效果不可低估。比如，先進的計量技術、監測技術、不停氣檢修技術、堵漏維修技術、管道涂層減阻技術、信息化技術等都能有效地提升企業管理水平，在管網運營中產生經濟與社會效益。
參考文獻：
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(本文作者：羅東曉1、2 1.新奧燃氣控股有限公司 河北廊坊 065001；2.中山大學 廣東廣州 510275)