引言

长输管道的调峰方式有气源调峰、储气库调峰、暂停可中断用户和管道储气调峰等^[1]。管道储气调峰作为最常用的储气调峰手段，其表现形式是管道末段储气能力，通过运行时压力的变化增加管存量，在用气高峰时泄放管存，以满足用户的调峰需求^[2]。

在天然气长输管道设计中，通常选取高月均日或者高月高日的流量作为设计输量进行管径选取^[3]。据此确定的管径，只能保证该管道的通过能力可以满足用户峰值流量时的输送要求^[4]，但并不代表其管道末段储气能力能够满足用户的调峰需求量。

然而在很多时候，天然气长输管道需承担某些直供大用户全部或部分(如大型工业、调峰电厂等)的小时调峰，或者解决城市用户的部分日调峰^[5-6]。本文以某天然气长输管道为例，将管道的储气调峰纳入管径比选因素之中，论证管径选取的合理性。

1 计算方法 1.1 管道末段储气能力计算

天然气长输管道末段是指最后一个压气站与下一个分输站(或末站)之间的管道，具有储气量有限、储气灵活的特点^[7]。管道最高平均运行压力和最低平均运行压力下的管存量之差即为管道末段储气能力^[8]，计算公式如下

$ \begin{align} {V_{\rm{C}}} = {V_{{\rm{max}}}} - {V_{{\rm{min}}}} \end{align} $

(1)

$ \begin{align} {V_{{\rm{min}}}} = \dfrac{{{p_{{\rm{a}}1}}V{T_0}}}{{{p_0}ZT}} \end{align} $

(2)

$ \begin{align} {V_{{\rm{max}}}} = \dfrac{{{p_{{\rm{a}}2}}V{T_0}}}{{{p_0}ZT}} \end{align} $

(3)

式中：

${V_{\rm{C}}}$—管道末端储气量，m$^3$；

${V_{{\rm{max}}}}$—储气结束时的管存量，m$^3$；

${V_{{\rm{min}}}}$—储气开始时的管存量，m$^3$；

$p_{{\rm{a}}1}$—储气开始时的平均压力，Pa；

$V$—管道末段的几何容积，m$^3$；

$T_0$—标况下温度，K；

$p_0$—标况下压力，Pa；

$Z$—天然气压缩因子，无因次；

$T$—输送气体平均温度，K；

${p_{{\rm{a}}2}} $—储气结束时的平均压力，Pa。

$ \begin{align} {p_{{\rm{a}}1}} = \dfrac{2}{3}\left( {{p_{{\rm{1min}}}} + \dfrac{{p_{{\rm{2min}}}^2}}{{{p_{{\rm{1min}}}} + {p_{{\rm{2min}}}}}}} \right) \end{align} $

(4)

式中：

$p_{{\rm{1min}}}$—储气开始时的起点压力，Pa；

$p_{{\rm{2min}}}$—储气开始时的终点压力，Pa。

$ \begin{align} {p_{{\rm{a2}}}} = \dfrac{2}{3}\left( {{p_{{\rm{1max}}}} + \dfrac{{p_{{\rm{2max}}}^2}}{{{p_{{\rm{1max}}}} + {p_{{\rm{2min}}}}}}} \right) \end{align} $

(5)

式中：

$p_{{\rm{1max}}}$—储气结束时的起点压力，Pa；

$p_{{\rm{2max}}}$—储气结束时的终点压力，Pa。

根据上述公式可以看出，储气能力的多少与管道末段管径、运行压力密切相关^[9]。在管径确定的情况下，能够算出由于运行压力变化产生的管道末段储气量^[10]。在运行压力范围一定的前提下，管径变化能够造成管道末段储气能力的变化^[11]。

1.2 调峰需求量计算

以小时调峰为例，根据用户小时用气不均匀系数，从某一时间点开始，罗列出一整天内每小时的累积储气量，调峰需求量为最高储气量和最低储气量的绝对值之和。月调峰和日调峰计算方法同理。该过程可以通过Pipeline Studio^[12]或者SPS^[13]进行动态仿真模拟，模拟后可查看管存随时间的变化趋势，最大和最小管存量的差值即为需求的调峰量^[14-15]。

若选择长输管道作为调峰手段，则在管径选取时，要考虑某一管径下管道末段储气能力能否达到调峰需求量^[16]，以下以某长输管道为例进行具体分析。

2 某长输管道调峰纳入管径比选分析 2.1 模型说明

某天然气长输管道工程将净化天然气由首站输至末站供电厂，设计输入条件如下。

(1) 净化天然气组分见表 1。

(2) 气源供气量为35$\times$10$^8$ m$^3$/a，供气温度为20 ℃，最高供气压力为9 MPa。

(3) 线路长度为80 km，设计压力为9.2 MPa。

(4) 末站用户最低进站压力为4 MPa。

(5) 月不均匀系数、日不均匀系数和小时不均匀系数分别见表 2、表 3和表 4。

2.2 仿真模拟

根据上述设计输入条件，通过计算软件进行仿真模拟^[17]。

(1) 若以均月均日工况作为设计输量(日输气量10 MSm$^3$)，保证末站最低进站压力时，进行管径比选，计算结果如表 5所示。

根据以上比选，该工况下，当管径为DN400时，起点压力为13.33 MPa，超过了管道设计压力9.20 MPa；当管径为DN500时，起点压力为8.26 MPa，已低于设计压力9.20 MPa，能够满足均月均日输气量的需求。

(2) 若以高月高日工况作为设计输量(日输气量16.9 MSm$^3$)，进行管径比选，计算结果如表 6所示。

根据以上比选，该工况下，当管径为DN500时，起点压力为12.41 MPa，超过了管道设计压力9.20 MPa；当管径为DN600时，起点压力为8.26 MPa，已低于设计压力9.20 MPa，能够满足高月高日输气量的需求。

(3) 若将管道调峰作为管径选取的考虑因素，进行如下计算。

① 根据不同调峰工况的不均匀系数，运用Pipeline Studio软件对调峰需求量进行动态仿真模拟^[18]，结果如图 1$\sim$图 3所示。

由图 1可以看出，小时调峰工况下管存的极大值为3.73 MSm$^3$，极小值为2.85 MSm$^3$。

由图 2可以看出，日调峰工况下管存的极大值为90.5 MSm$^3$，极小值为70.3 MSm$^3$。

由图 3可以看出，月调峰工况下管存的极大值为374 MSm$^3$，极小值为70.3 MSm$^3$。

各工况下的调峰需求量如表 7所示。

② 根据管道末段储气能力计算公式，对各种管径下管道末段储气能力$V_{\rm{C}}$进行计算，结果见表 8。

根据以上计算，当管径为DN500和DN600时，管道末段储气能力为0.14 MSm$^3$和0.70 MSm$^3$均小于小时调峰需求量0.88 MSm$^3$；当管径为DN700及以上时，管道末段储气能力达1.21 MSm$^3$以上，大于小时调峰需求量；但即使管径达DN1400，管道末段储气能力仍达不到用户日调峰需求值20.20 MSm$^3$。

2.3 经济比选

由模拟结果可知：DN500管径能够满足均月均日输气量的需求；DN600管径能够满足高月高日输气量的需求；若要通过长输管道满足调峰需求，管径需达到DN700及以上。

目前国内用于输气管道用钢管的最大管径为DN1400，由表 7和表 8可知，即使管径达到DN1400也不能满足日调峰需求，因此一般日调峰和月调峰考虑由气源、储气库或调峰型LNG储备站等承担^{[19- 20]}。针对小时调峰，对建设长输管道或者建设储气库作为调峰手段进行投资对比分析，如表 9所示。由以上对比可以看出，选择建设储气库作为调峰手段时，虽然管径较管道调峰方案小，线路投资费用降低，但储气库的建设投资大，管道调峰方案工程费用较储气库调峰节省约0.19亿元。

综上，选取DN700管径的天然气长输管道除了能够满足最大输气量以外，还能满足小时调峰需求，投资优势较储气库调峰更为明显，并且管径有一定的富余能力，可满足部分日调峰需求，同时为后期用气发展留有余地，也不至于对资源的过度浪费闲置。

3 结论

（1）长输管道作为调峰手段应满足两方面，一是满足高峰需求气量下管道可正常运行，二是利用管道末段储气能力能够保证一定时间段内的用户调峰需求量。在进行工程设计时，应根据管道的定位和建设方要求，确定管径的选取应满足何种程度的调峰。

（2）对于新建管道，设计时建议先针对用户用气性质、用气需求、用气可靠性及是否有其他可靠的调峰设施进行充分调研，然后将管道储气调峰纳入管径方案比选的必要条件中，在投资增幅不高的前提下，通过适当增大管径的方式尽量满足重要用户的小时调峰需求，不仅使管道在后续运行过程中能够发挥更好的适应性，同时使建设方创收得到保障。

（3）对于已建管道，管道运营单位可通过管道末段储气能力与调峰需求量的对比分析，向调度决策者提供管网运行建议，从而优化生产管理模式。