摘要：传统天然气长输管道布站设计方法一直存在受环境因素影响较大、压气站效率较低、设计余量浪费等问题，为了提高我国天然气输送质量，有必要对传统天然气管道布站设计方法进行改进。对此，本文分析了传统天然气长输管道布站设计方法存在的问题，并提出了相应的改进方法，以期提高天然气管道输送效率，并降低天然气管道工程投资。
关键词：天然气长输管道；布站设计；改进方法；新技术
从目前来看，国外工业较为发达的国家天然气长输管道能源利用率普遍超过了40%，其中日本和美国的天然气长输管道能源利用率超过了50%以上，而我国天然气长输管道能源利用率仅仅保持在30%左右，相比之下与发达国家相比还存在较大的距离。毫无疑问，在我国当前的天然气管道输送工作中，提高能源利用率是一项不可缺少的任务。而压气站作为天然气长输管道的核心，其布站方法对于降低压缩机能耗，提高压缩机运行效率具有重要的意义。对此，本文根据当前我国天然气长输管道布站设计问题，提出了天然气管道布站设计的改进方法。
1 传统天然气长输管道布站设计存在的问题
在传统的天然气长输管道布站设计中，通常将年输量的平均量作为设计输量。但采用此种方式并没有充分考虑到季节变化对天然气需求的影响，同时也没有考虑到资源的可调节性，难以适应市场对天然气需求的变化。近年来，我国采用的压缩机组水利效率虽然达到了85%以上，但在后续设计中，仍然需要参考API标准，从而减少压缩机站功率富裕量，但在实际中，尤其是在一些高海拔地区，受环境因素影响，电驱汽轮机功率折减效应和计算功率较低。[1]在保证最高日数量的情况下，各压气站均有一定的功率富裕，机组功率浪费过大，不仅降低了天然气长输管道输送效率，同时也造成了严重的资源浪费。
2 改进方法
天然气长输管道绝大部分的能耗都源自压缩机组的驱动消耗，同时压缩机站的投资量大，为了降低投资，提高天然气长输管道运行的经济性和节能性，在满足任务输量的前提下，选择合理的布站设计方式是一个较为重要的方面。而通过西气东输一线管道的增压工程设计以及中石化榆林-济南输气管道增压扩能项目工程设计实践，我国天然气长输管道设计单位对压缩机组的各方面性能以及压缩机组的工作范围和机械特性已经有了较为全面的认识，并在国外广泛采用的等压比布站技术的基础上，提出了等负荷率布站技术。
2.1 等负荷率布站技术概念及其优势
目前国外普遍采用的等压比布站技术主要是在布站过程中，各压站均采用相同的压比设置压缩机站，从而简化了设计流程。在我国西气东输一线工程和现在正在开展的榆林-济南输气管道增压扩能工程中也是采用的等压比布站技术。而我国提出的等负荷率布站技术则是指在结合战场环境温度、实际高程的基础上，再按照相同的压缩机组负荷率进行压缩机站设置。[2]压缩机负荷率主要是指压缩机轴功率与驱动机现场工作的最大输出功率之比。相对于等压比布站技术来说，等负荷率布站技术更加适合我国不同区域的不同环境，实现了与环境因素结合，不仅可以有效降低压缩机站投资量，同时也能最大限度的发挥压缩机组的输出功率。
2.2 应用实例
在我国西气东输二线管道霍尔果斯-中卫段和中卫-广州段分别采用了1219mm/12MPa、1219/10MPa工艺方案，年设计输量为300×108m3。该管道工程横跨我国东部西部地区，地理跨度大，环境差异明显。而驱动机组输出功率在不同环境温度和海拔高度条件下，可用功率也存在较大的差异。例如：采用30MW等级的驱动汽轮机组，在我国东部低海拔地区输出功率可以达到27MW，而在西部高海拔地区输出功率难以突破20MW，两者输出功率相差在20%以上。在上述工程中，若采用等压比布站技术，干线共需设置26座压缩机站，同时受东西海拔高度和环境因素的影响，驱动汽轮机组输出功率受制于高海拔地区的折减效应。若是在夏季并且满足最高输量的前提下，该管道线路仅仅只有永昌站压缩机组能够发挥出最大输出功率，而其它各站均存在不同程度功率富裕，造成了极大的资源浪费。
而采用等负荷率布站技术，通过结合不同区域的环境温度和海拔高度因素，各站压缩机组负荷率均能达到平均值，同时在夏季满足最高输量的前提下，各站机组负荷率基本保持在100%，极大地减少了各站功率富裕，提高了压缩机站的节能性能。同时采用等负荷率布站技术，该工程设置25座压缩机站便可满足供气需求，与采用等压比布站技术相比，减少了一座压缩机站的布置费用，直接工程投资可节约5×108元以上，同时由于考虑到了各站环境地理因素，各站驱动机组均能发挥最大输出功率，能源节约量约等压比布站技术多出2000×104m3/a，管道运行费用可减少3500×104以上。
2.3 压缩机组备用方式定量评价方法
目前我国天然气管道压缩机组常用的备用方式为机组备用，在保证每个压缩机站运行必须的机组条件基础上，在增设1台压缩机组作为备用机组，备用机组在运行机组发生故障或检修时投入使用。但长期以来，对于每个压缩机站是否都设置备用机组还存在较大的争议，有观点认为备用机组投资费用巨大，利用率却非常低下，设置备用机组存在较大的资源浪费。但运行单位却一直坚持设置备用机组。事实上，关于备用机组的设置还没有完整的定量数据进行说明，因此对于每座压缩机站是否设置备用机组还缺乏依据。
在西气东输二线管道工程中，提出了压缩机组备用方案经济性分析的定量研究技术路线和计算方法。定量研究技术路线为：确定单台燃驱、电驱机组可用率→计算单座压缩机站可用率→计算管道系统可用率及确定机组失效天数、计算单台机组失效输量损失→机组失效动态分析、管道潜在输气损失→推荐方案。其中，单台燃区、电驱机组可用率可通过运行单位统计数据计算得出。单座压缩机站不可用率可采用二项式分布概率函数公式进行计算：
= 
式中
为压缩机站有
台压缩机不可用的概率，
为不可用压缩机组输量，n为单座压缩机站压缩机组输量，p为压缩机组不可用率。根据此式，若研所机组可用率采用95.78%，对于2用0备的压缩机站可用率为91.74%，对于2用1备的压缩机站，其可用率为99.48%。对于设有多座压缩机站的输气管道，管道系统可用率计算公式仍可采用该计算式，但其中变量含义不同，
指的是有x座压缩机站不可用概率，即有x座压缩机站出现1台运行机组失效的概率，x为有x座压缩机站不可用的输量，n为管道设有压缩机站的输量，p为压缩机站的不可用率。
根据此式，在西气东输二线工程东段设置的11座压缩机站中，若均采用2用0备的方案，有一座压缩机站不可用的天数为139.7d，有两座压缩机站同时不可用的天数为67.4d，若均采用2用1备方案，东段出现1座压缩机站不可用的天数为19.5d，有两座压缩机站同时不可用的天数为0.5天。由此可见，在设置备用机组之后，压缩机站不可用和压缩机组停运的概率大大降低。
结束语：综上所述，我国传统的压缩机站布站设计方式受海拔高度、环境温度的影响较大，以致于各机组运行功率难以得到有效发挥。而本文在等压比布站技术的基础上，提出了等负荷率布站技术，解决了海拔高度、环境因素对机组功率的影响，从而极大地提高了天然气压缩机站运行效率，同时分析了压缩机站备用机组设置的可靠性，通过设置备用机组可极大地减少压缩机站和压缩机组停运的概率，提高了工程的经济效益和运行效益。
参考文献：
[1]孙立刚，董平省，毛平平.天然气长输管道压缩机站设计关键技术综述[C]// 中国油气管道安全运行与储存创新技术论坛.2010.
[2]李广群，孙立刚，毛平平，等.天然气长输管道压缩机站设计新技术[J].油气储运，2012，31（12）：884-886.
[3]宋钊.长输管道压气站布置设计优化[J].科研，2015（63）：104-104.
[4]刘达树.浅谈天然气长输管道分输站场设计[J].中国石油和化工标准与质量，2014（9）：59-59.
论文作者:孙博
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/22
标签：机组论文; 压缩机论文; 管道论文; 天然气论文; 不可用论文; 技术论文; 负荷论文; 《基层建设》2018年第5期论文;