提升城市天然气管网运营效率的对策

摘 要

摘要：分析了提升城市天然气管网运营效率的必要性，提出了相应的方法——优化设计、加强建设过程的质量监管、实施完整性管理、优化运行、及时有效地抢修、优化用户结
摘要：分析了提升城市天然气管网运营效率的必要性，提出了相应的方法——优化设计、加强建设过程的质量监管、实施完整性管理、优化运行、及时有效地抢修、优化用户结构、推广新材料、新技术、新工艺、新设备。
关键词：天然气管网；运营效率；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
   近年来，我国城市燃气行业得到了长足的发展，利用天然气的步伐逐步加快，天然气输配管网建设不断加速。截至2008年底，全国天然气长输管道总长度约3.2×104km，城市燃气管道长度约25×104km，已有超过280座城市应用管道天然气，城市燃气领域使用的天然气量为360×108m3/a，用气人口达1.5×108人。预计到2012年，全国天然气总消费量可达1200×108m3/a，其中城市燃气用量约500×108m3/a。
    随着城市天然气管网规模增大，提高管网运营效率、增加企业经济效益的重要性与必要性凸现，成为业内人士关注的课题。
1 提升城市天然气管网运营效率的必要性
    城市燃气是《天然气利用政策》规定的优先发展类别。其用户用气性质包括以下7种：居民用气、商业用气、工业企业生产用气、供暖通风与空调用气、燃气汽车用气、发电用气、化工原料用气。从目前情况看，无论地域、经济发展水平、气候特征等因素如何，国内城市天然气管网中的居民用户、商业用户占有相当大的比例，其用气特性表现出极强的不均匀性，季节、月、日、小时峰谷差往往都较大。
    现今的情况是，为了兼顾未来发展及满足最大高峰供应量的需求，大多数时段特别是用气低谷时段管道的利用效率极低，经济性较差。可见，通过提高天然气管网的运营效率，达到降低管网造价、减少生产运行成本的目的，变得愈来愈重要而且迫切。
2 提升城市天然气管网运营效率的方法
2.1 优化天然气管网的设计
    优化设计是提高天然气管网运营效率的首要环节。其实质是以节约管网造价和运营成本这两方面为出发点，在满足天然气供需(兼顾中远期需求目标)的基本前提条件下，提出天然气输配管网的路由、管径、运营成本最优化的设计方案[1]。其目标是实施经济最优、工程可行、可持续发展的整体优化方案，确保整个天然气管网经济、安全、灵活、可靠地运行，达到管网运营效率最大化目标。
    天然气管网最优化设计是一个十分复杂的、有多重约束条件的、非线性化的最优化问题，而且维数大、影响因素多，优化的工作量巨大，需要遵循的是先进性、整体性和持续性原则。考虑因素也较多，包括气候、地理、工程、安全、生态保护、带动地区经济等一系列因素。一般实际意义上的优化设计，是在假定一些变量为已知的情况下，求解问题中的部分设计变量，即对设计问题的局部进行最优化考虑。常见的方法有图论最小生成树法和动态规划法两种。
2.2 加强天然气管网建设过程的质量监管
    工程建设过程中的质量监管相当重要，也是提高天然气管网运营效率的基本前提。严格遵守国家标准规范，编制合理的施工方案，严格监管施工质量，严把工程验收质量关等都是其中的重要内容。
2.3 实施天然气管网全过程安全管理
2.3.1天然气管网运行中的安全隐患
    天然气介质的危险性主要表现在易扩散、易燃烧、易爆炸、易中毒、易窒息、膨胀比大等方面。管网运行中最主要的安全隐患是老化、腐蚀及其他不可预见原因造成天然气泄漏而引起火灾、爆炸、中毒等事故[2]。其影响因素为：①第三方人为外力造成的燃气管道破坏。统计数据表明，第三方施工事件产生的安全隐患，约占各类隐患总数的40%，是管道运营的主要风险。②管道腐蚀产生的隐患，排在第2位。③设备、管材、附件使用不当产生的隐患。④焊接质量差引发的隐患。⑤安全意识淡薄等人为因素造成的安全隐患。
2.3.2实施管道的完整性管理[3]
    管道完整性管理集管道检测、监测、故障诊断、信息网络等技术于一体，涵盖管道设计、施工、运行与维护的整个生命周期。其作用是提高管道运行的安全性和经济性，有效遏制管道事故。它使管道的安全管理由被动变为主动，变事后响应为事前检测预防，使管道始终处于受控状态，可以有计划、有针对性地采取维护措施，防止管道失效或发生事故，延长管道寿命。城市天然气管道完整性管理的具体内容如下。
    ① 设计过程：充分考虑管道强度、允许最大操作压力、管道应力变化与频率、管道沉降等因素，并对多种设计方案进行比选，保证规划、选线选址、工艺、设备及自控等方案技术经济合理而且安全可靠。坚持做好对可行性研究报告的安全预评价，指出主要危险因素及重大风险，评定工程能否满足安全要求，并提出必要的安全对策及建议。
    ② 施工过程：抓住工程建设过程中招投标管理、材料质量的把关、施工质量监理等环节，确保管道系统的本质安全。此外，工程验收阶段的安全评价也是关键内容，这是日后安全管理的基础。管材、焊缝质量、管道的敷设、回填、试压、监理、施工队伍资质审查等所有与工程施工相关的内容，都是要考虑的因素。
    ③ 运行与维护过程：在建立管道风险评价体系和各种有效的评价方法的基础上，利用风险评价技术，重点进行风险排序工作，确定管道潜在的重大风险段及薄弱环节，据此确定管道的检测与维修的优先计划，及时对管道实施检测、适用性评价、决策修复等完整性管理程序。其中，管道检测是了解管道情况的必要手段，是完整性管理的基础和重点，它也是进行安全评价的前提以及制定维修方案的依据；适用性评价是评估管道在现实缺陷下运行的安全性，包括承压能力评价和剩余寿命预测等；决策修复是在管道检测的基础上，在评价分析的指导下，为降低管道风险、延长管道寿命、恢复管道完整性而采取的最终手段。
2.4 天然气管道运行优化
    ① 天然气管道运行优化的目的和途径
    对于具备一定规模的城市天然气管网，仅依靠传统的生产调度方式，凭经验进行决策，很难做到管网运营效率最大化。因此，借助于各种先进的技术手段，对生产运行系统进行优化必不可少。生产运行优化就是在管道系统结构和外部条件已经确定的情况下，根据天然气气源的供应和用户的用气需求两方面的条件，对管网系统的运行参数进行合理优化，有效地进行调度决策和管理，使管道发挥出最大的利用价值，将运行费用降到最低，达到经济、安全、平稳输气的目的。其关键内容是合理分配各个节点的压力、流量等参数。
    进行优化一般有两种途径：利用专门研制的运行优化器或优化程序对管道进行优化，利用管道仿真器对管道进行优化。
    两种途径的本质不完全一样[4]。优化器优化是根据管道的已知结构和约束条件，在满足用户需求的前提下，通过合适的优化算法得到各运行参数。仿真器优化则是先设定多套参数，然后进行模拟，看这些参数是否满足要求，从中选择出最优的一组作为优化参数。仿真器主要用于管道的设计分析。
   ② 运行优化的基本方法[5]
   运行优化的重点内容之一是对管网中用气节点的需求量，即负荷进行科学而精确的预测，这是管网经济运行的基础，也是制定管网优化调度的根本依据。常见的负荷预测方法有：
    a. 灰色预测：是利用灰色系统理论进行预测的一种方法[6]。
    b. 神经网络预测：是一种模拟人脑行为的网络系统，具有自主学习、信息记忆、知识推理和优化计算的特点，对数据有非常好的逼近能力。它可以将影响管网节点负荷的天气、季节、节假日等具有高度非线性和随机性的因素考虑在内，通过不同的数据处理方法，建立不同的神经网络模型，从而达到对节点负荷的准确预测[7、8]。
    c. 组合预测方法：是综合利用各种方法所提供的信息，以适当的加权平均形式得到组合预测模型[9、10]。它能避免单一预测模型丢失有用信息的缺陷，减少随机性，提高预测精度。
2.5 天然气管网的抢险抢修
    及时有效地对出现缺陷的天然气管道进行抢险抢修，是提高管网运营效率的重要内容。尽管天然气管道出现泄漏等故障很难完全避免，但尽量缩短管道输气受影响的时间则是可以实现的，这是提高管道运营效率最直接、最有效的办法。
2.6 优化燃气用户结构
    直接影响城市天然气管网运营效率的一个不容忽视的因素是管网供气的不均匀性，这是城市燃气管网独有的特征[11]。因此，依据城市管网供气特点，因地制宜，有针对性地发展一些能够有利于均衡管网负荷的优质客户，是提升管网使用效率的一项关键措施。
    比如，地处亚热带的华南地区，尽管冬夏季间温差不是太大，季节峰谷差值也不是特别突出，但夏季时间较长，全年使用空调的时间达到180d。因此，在管网内大力发展天然气热泵与空调用户，有利于均衡天然气管网冬夏季负荷，起到填谷作用；对于电网来说，可以利用其相互间的互补特性，减轻电网夏季高峰压力，对电网发挥出削峰的效果[2]。这类用户的加入，可以明显地优化用户结构，对提升管网运营效率极其有利。
    再比如，发展天然气汽车用户，推出适当的优惠措施鼓励这类用户夜间加气，则更有利于均衡管网的时负荷。发展工业用户，特别是一些应急情况下可中断供应或进行负荷调整的工业用户，都是通过用户结构调整提升运营效率的重要措施，有利于均衡管网的日负荷。此外，根据需要，建设一定的调峰设施(地下储气库、地面储罐、LNG气化站、天然气液化装置等)，对管网运营效率的提高也有好处。
    针对城市燃气各类用户的用气规律和特点，有针对性地大力发展各类具有互补特性的用户，并且施行一些经过技术经济衡算后确立的优惠价格等经济措施，吸引这类用户入网，实现管网内用户有效搭配，结构合理，负荷恒定。这样，有利于确保管网的经济、高效运行。
2.7 推广新材料、新技术、新工艺、新设备
    城市燃气行业正处于一个飞速发展时期，一些新材料、新技术、新工艺、新设备不断涌现，在管网建设、运行管理过程中，“四新”推广应用的积极效果不可低估。比如，先进的计量技术、监测技术、不停气检修技术、堵漏维修技术、管道涂层减阻技术、信息化技术等都能有效地提升企业管理水平，在管网运营中产生经济与社会效益。
参考文献：
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(本文作者：罗东晓1、2 1.新奥燃气控股有限公司 河北廊坊 065001；2.中山大学 广东广州 510275)