提升城市天然氣管網(wǎng)運營效率的對策

摘 要

摘要：分析了提升城市天然氣管網(wǎng)運營效率的必要性，提出了相應的方法——優(yōu)化設計、加強建設過程的質量監(jiān)管、實施完整性管理、優(yōu)化運行、及時有效地搶修、優(yōu)化用戶結
摘要：分析了提升城市天然氣管網(wǎng)運營效率的必要性，提出了相應的方法——優(yōu)化設計、加強建設過程的質量監(jiān)管、實施完整性管理、優(yōu)化運行、及時有效地搶修、優(yōu)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(wǎng)；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(yè)得到了長足的發(fā)展，利用天然氣的步伐逐步加快，天然氣輸配管網(wǎng)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(wǎng)規(guī)模增大，提高管網(wǎng)運營效率、增加企業(yè)經(jīng)濟效益的重要性與必要性凸現(xiàn)，成為業(yè)內(nèi)人士關注的課題。
1 提升城市天然氣管網(wǎng)運營效率的必要性
    城市燃氣是《天然氣利用政策》規(guī)定的優(yōu)先發(fā)展類別。其用戶用氣性質包括以下7種：居民用氣、商業(yè)用氣、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用氣、供暖通風與空調(diào)用氣、燃氣汽車用氣、發(fā)電用氣、化工原料用氣。從目前情況看，無論地域、經(jīng)濟發(fā)展水平、氣候特征等因素如何，國內(nèi)城市天然氣管網(wǎng)中的居民用戶、商業(yè)用戶占有相當大的比例，其用氣特性表現(xiàn)出極強的不均勻性，季節(jié)、月、日、小時峰谷差往往都較大。
    現(xiàn)今的情況是，為了兼顧未來發(fā)展及滿足最大高峰供應量的需求，大多數(shù)時段特別是用氣低谷時段管道的利用效率極低，經(jīng)濟性較差?？梢?，通過提高天然氣管網(wǎng)的運營效率，達到降低管網(wǎng)造價、減少生產(chǎn)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(wǎng)運營效率的方法
2.1 優(yōu)化天然氣管網(wǎng)的設計
    優(yōu)化設計是提高天然氣管網(wǎng)運營效率的首要環(huán)節(jié)。其實質是以節(jié)約管網(wǎng)造價和運營成本這兩方面為出發(fā)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(wǎng)的路由、管徑、運營成本最優(yōu)化的設計方案[1]。其目標是實施經(jīng)濟最優(yōu)、工程可行、可持續(xù)發(fā)展的整體優(yōu)化方案，確保整個天然氣管網(wǎng)經(jīng)濟、安全、靈活、可靠地運行，達到管網(wǎng)運營效率最大化目標。
    天然氣管網(wǎng)最優(yōu)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(yōu)化問題，而且維數(shù)大、影響因素多，優(yōu)化的工作量巨大，需要遵循的是先進性、整體性和持續(xù)性原則。考慮因素也較多，包括氣候、地理、工程、安全、生態(tài)保護、帶動地區(qū)經(jīng)濟等一系列因素。一般實際意義上的優(yōu)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(yōu)化考慮。常見的方法有圖論最小生成樹法和動態(tài)規(guī)劃法兩種。
2.2 加強天然氣管網(wǎng)建設過程的質量監(jiān)管
    工程建設過程中的質量監(jiān)管相當重要，也是提高天然氣管網(wǎng)運營效率的基本前提。嚴格遵守國家標準規(guī)范，編制合理的施工方案，嚴格監(jiān)管施工質量，嚴把工程驗收質量關等都是其中的重要內(nèi)容。
2.3 實施天然氣管網(wǎng)全過程安全管理
2.3.1天然氣管網(wǎng)運行中的安全隱患
    天然氣介質的危險性主要表現(xiàn)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(wǎng)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(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，第三方施工事件產(chǎn)生的安全隱患，約占各類隱患總數(shù)的40%，是管道運營的主要風險。②管道腐蝕產(chǎn)生的隱患，排在第2位。③設備、管材、附件使用不當產(chǎn)生的隱患。④焊接質量差引發(fā)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(jiān)測、故障診斷、信息網(wǎng)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(jīng)濟性，有效遏制管道事故。它使管道的安全管理由被動變?yōu)橹鲃?，變事后響應為事前檢測預防，使管道始終處于受控狀態(tài)，可以有計劃、有針對性地采取維護措施，防止管道失效或發(fā)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(nèi)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(guī)劃、選線選址、工藝、設備及自控等方案技術經(jīng)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(jiān)理等環(huán)節(jié)，確保管道系統(tǒng)的本質安全。此外，工程驗收階段的安全評價也是關鍵內(nèi)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(jiān)理、施工隊伍資質審查等所有與工程施工相關的內(nèi)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(huán)節(jié)，據(jù)此確定管道的檢測與維修的優(yōu)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(jù)；適用性評價是評估管道在現(xiàn)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(yōu)化
    ① 天然氣管道運行優(yōu)化的目的和途徑
    對于具備一定規(guī)模的城市天然氣管網(wǎng)，僅依靠傳統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度方式，憑經(jīng)驗進行決策，很難做到管網(wǎng)運營效率最大化。因此，借助于各種先進的技術手段，對生產(chǎn)運行系統(tǒng)進行優(yōu)化必不可少。生產(chǎn)運行優(yōu)化就是在管道系統(tǒng)結構和外部條件已經(jīng)確定的情況下，根據(jù)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(wǎng)系統(tǒng)的運行參數(shù)進行合理優(yōu)化，有效地進行調(diào)度決策和管理，使管道發(fā)揮出最大的利用價值，將運行費用降到最低，達到經(jīng)濟、安全、平穩(wěn)輸氣的目的。其關鍵內(nèi)容是合理分配各個節(jié)點的壓力、流量等參數(shù)。
    進行優(yōu)化一般有兩種途徑：利用專門研制的運行優(yōu)化器或優(yōu)化程序對管道進行優(yōu)化，利用管道仿真器對管道進行優(yōu)化。
    兩種途徑的本質不完全一樣[4]。優(yōu)化器優(yōu)化是根據(jù)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(yōu)化算法得到各運行參數(shù)。仿真器優(yōu)化則是先設定多套參數(shù)，然后進行模擬，看這些參數(shù)是否滿足要求，從中選擇出最優(yōu)的一組作為優(yōu)化參數(shù)。仿真器主要用于管道的設計分析。
   ② 運行優(yōu)化的基本方法[5]
   運行優(yōu)化的重點內(nèi)容之一是對管網(wǎng)中用氣節(jié)點的需求量，即負荷進行科學而精確的預測，這是管網(wǎng)經(jīng)濟運行的基礎，也是制定管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的根本依據(jù)。常見的負荷預測方法有：
    a. 灰色預測：是利用灰色系統(tǒng)理論進行預測的一種方法[6]。
    b. 神經(jīng)網(wǎng)絡預測：是一種模擬人腦行為的網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有自主學習、信息記憶、知識推理和優(yōu)化計算的特點，對數(shù)據(jù)有非常好的逼近能力。它可以將影響管網(wǎng)節(jié)點負荷的天氣、季節(jié)、節(jié)假日等具有高度非線性和隨機性的因素考慮在內(nèi)，通過不同的數(shù)據(jù)處理方法，建立不同的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，從而達到對節(jié)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?shù)募訖嗥骄问降玫浇M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(wǎng)的搶險搶修
    及時有效地對出現(xiàn)缺陷的天然氣管道進行搶險搶修，是提高管網(wǎng)運營效率的重要內(nèi)容。盡管天然氣管道出現(xiàn)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(xiàn)的，這是提高管道運營效率最直接、最有效的辦法。
2.6 優(yōu)化燃氣用戶結構
    直接影響城市天然氣管網(wǎng)運營效率的一個不容忽視的因素是管網(wǎng)供氣的不均勻性，這是城市燃氣管網(wǎng)獨有的特征[11]。因此，依據(jù)城市管網(wǎng)供氣特點，因地制宜，有針對性地發(fā)展一些能夠有利于均衡管網(wǎng)負荷的優(yōu)質客戶，是提升管網(wǎng)使用效率的一項關鍵措施。
    比如，地處亞熱帶的華南地區(qū)，盡管冬夏季間溫差不是太大，季節(jié)峰谷差值也不是特別突出，但夏季時間較長，全年使用空調(diào)的時間達到180d。因此，在管網(wǎng)內(nèi)大力發(fā)展天然氣熱泵與空調(diào)用戶，有利于均衡天然氣管網(wǎng)冬夏季負荷，起到填谷作用；對于電網(wǎng)來說，可以利用其相互間的互補特性，減輕電網(wǎng)夏季高峰壓力，對電網(wǎng)發(fā)揮出削峰的效果[2]。這類用戶的加入，可以明顯地優(yōu)化用戶結構，對提升管網(wǎng)運營效率極其有利。
    再比如，發(fā)展天然氣汽車用戶，推出適當?shù)膬?yōu)惠措施鼓勵這類用戶夜間加氣，則更有利于均衡管網(wǎng)的時負荷。發(fā)展工業(yè)用戶，特別是一些應急情況下可中斷供應或進行負荷調(diào)整的工業(yè)用戶，都是通過用戶結構調(diào)整提升運營效率的重要措施，有利于均衡管網(wǎng)的日負荷。此外，根據(jù)需要，建設一定的調(diào)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(wǎng)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(guī)律和特點，有針對性地大力發(fā)展各類具有互補特性的用戶，并且施行一些經(jīng)過技術經(jīng)濟衡算后確立的優(yōu)惠價格等經(jīng)濟措施，吸引這類用戶入網(wǎng)，實現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)用戶有效搭配，結構合理，負荷恒定。這樣，有利于確保管網(wǎng)的經(jīng)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(yè)正處于一個飛速發(fā)展時期，一些新材料、新技術、新工藝、新設備不斷涌現(xiàn)，在管網(wǎng)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(jiān)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(yè)管理水平，在管網(wǎng)運營中產(chǎn)生經(jīng)濟與社會效益。
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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)