摘要：分析了提升城市天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率的必要性，提出了相應(yīng)的方法——優(yōu)化設(shè)計(jì)、加強(qiáng)建設(shè)過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)管、實(shí)施完整性管理、優(yōu)化運(yùn)行、及時(shí)有效地?fù)屝?、?yōu)化用戶結(jié)構(gòu)、推廣新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備。
關(guān)鍵詞：天然氣管網(wǎng)；運(yùn)營(yíng)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(lái)，我國(guó)城市燃?xì)庑袠I(yè)得到了長(zhǎng)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(shè)不斷加速。截至2008年底，全國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道總長(zhǎng)度約3.2×104km，城市燃?xì)夤艿篱L(zhǎng)度約25×104km，已有超過(guò)280座城市應(yīng)用管道天然氣，城市燃?xì)忸I(lǐng)域使用的天然氣量為360×108m3/a，用氣人口達(dá)1.5×108人。預(yù)計(jì)到2012年，全國(guó)天然氣總消費(fèi)量可達(dá)1200×108m3/a，其中城市燃?xì)庥昧考s500×108m3/a。
隨著城市天然氣管網(wǎng)規(guī)模增大，提高管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要性與必要性凸現(xiàn)，成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的課題。
1 提升城市天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率的必要性
城市燃?xì)馐恰短烊粴饫谜摺芬?guī)定的優(yōu)先發(fā)展類別。其用戶用氣性質(zhì)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(fēng)與空調(diào)用氣、燃?xì)馄囉脷?、發(fā)電用氣、化工原料用氣。從目前情況看，無(wú)論地域、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、氣候特征等因素如何，國(guó)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(dāng)大的比例，其用氣特性表現(xiàn)出極強(qiáng)的不均勻性，季節(jié)、月、日、小時(shí)峰谷差往往都較大。
現(xiàn)今的情況是，為了兼顧未來(lái)發(fā)展及滿足最大高峰供應(yīng)量的需求，大多數(shù)時(shí)段特別是用氣低谷時(shí)段管道的利用效率極低，經(jīng)濟(jì)性較差。可見(jiàn)，通過(guò)提高天然氣管網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)效率，達(dá)到降低管網(wǎng)造價(jià)、減少生產(chǎn)運(yùn)行成本的目的，變得愈來(lái)愈重要而且迫切。
2 提升城市天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率的方法
2.1 優(yōu)化天然氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)
優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率的首要環(huán)節(jié)。其實(shí)質(zhì)是以節(jié)約管網(wǎng)造價(jià)和運(yùn)營(yíng)成本這兩方面為出發(fā)點(diǎn)，在滿足天然氣供需(兼顧中遠(yuǎn)期需求目標(biāo))的基本前提條件下，提出天然氣輸配管網(wǎng)的路由、管徑、運(yùn)營(yíng)成本最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案[1]。其目標(biāo)是實(shí)施經(jīng)濟(jì)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(gè)天然氣管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全、靈活、可靠地運(yùn)行，達(dá)到管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率最大化目標(biāo)。
天然氣管網(wǎng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)十分復(fù)雜的、有多重約束條件的、非線性化的最優(yōu)化問(wèn)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(jìn)性、整體性和持續(xù)性原則?？紤]因素也較多，包括氣候、地理、工程、安全、生態(tài)保護(hù)、帶動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)等一系列因素。一般實(shí)際意義上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是在假定一些變量為已知的情況下，求解問(wèn)題中的部分設(shè)計(jì)變量，即對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的局部進(jìn)行最優(yōu)化考慮。常見(jiàn)的方法有圖論最小生成樹(shù)法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法兩種。
2.2 加強(qiáng)天然氣管網(wǎng)建設(shè)過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)管
工程建設(shè)過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)管相當(dāng)重要，也是提高天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率的基本前提。嚴(yán)格遵守國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，編制合理的施工方案，嚴(yán)格監(jiān)管施工質(zhì)量，嚴(yán)把工程驗(yàn)收質(zhì)量關(guān)等都是其中的重要內(nèi)容。
2.3 實(shí)施天然氣管網(wǎng)全過(guò)程安全管理
2.3.1天然氣管網(wǎng)運(yùn)行中的安全隱患
天然氣介質(zhì)的危險(xiǎn)性主要表現(xiàn)在易擴(kuò)散、易燃燒、易爆炸、易中毒、易窒息、膨脹比大等方面。管網(wǎng)運(yùn)行中最主要的安全隱患是老化、腐蝕及其他不可預(yù)見(jiàn)原因造成天然氣泄漏而引起火災(zāi)、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?xì)夤艿榔茐?。統(tǒng)計(jì)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(yùn)營(yíng)的主要風(fēng)險(xiǎn)。②管道腐蝕產(chǎn)生的隱患，排在第2位。③設(shè)備、管材、附件使用不當(dāng)產(chǎn)生的隱患。④焊接質(zhì)量差引發(fā)的隱患。⑤安全意識(shí)淡薄等人為因素造成的安全隱患。
2.3.2實(shí)施管道的完整性管理[3]
管道完整性管理集管道檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、故障診斷、信息網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)于一體，涵蓋管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行與維護(hù)的整個(gè)生命周期。其作用是提高管道運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，有效遏制管道事故。它使管道的安全管理由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，變事后響應(yīng)為事前檢測(cè)預(yù)防，使管道始終處于受控狀態(tài)，可以有計(jì)劃、有針對(duì)性地采取維護(hù)措施，防止管道失效或發(fā)生事故，延長(zhǎng)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(shè)計(jì)過(guò)程：充分考慮管道強(qiáng)度、允許最大操作壓力、管道應(yīng)力變化與頻率、管道沉降等因素，并對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，保證規(guī)劃、選線選址、工藝、設(shè)備及自控等方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理而且安全可靠。堅(jiān)持做好對(duì)可行性研究報(bào)告的安全預(yù)評(píng)價(jià)，指出主要危險(xiǎn)因素及重大風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)定工程能否滿足安全要求，并提出必要的安全對(duì)策及建議。
② 施工過(guò)程：抓住工程建設(shè)過(guò)程中招投標(biāo)管理、材料質(zhì)量的把關(guān)、施工質(zhì)量監(jiān)理等環(huán)節(jié)，確保管道系統(tǒng)的本質(zhì)安全。此外，工程驗(yàn)收階段的安全評(píng)價(jià)也是關(guān)鍵內(nèi)容，這是日后安全管理的基礎(chǔ)。管材、焊縫質(zhì)量、管道的敷設(shè)、回填、試壓、監(jiān)理、施工隊(duì)伍資質(zhì)審查等所有與工程施工相關(guān)的內(nèi)容，都是要考慮的因素。
③ 運(yùn)行與維護(hù)過(guò)程：在建立管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系和各種有效的評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，重點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序工作，確定管道潛在的重大風(fēng)險(xiǎn)段及薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)此確定管道的檢測(cè)與維修的優(yōu)先計(jì)劃，及時(shí)對(duì)管道實(shí)施檢測(cè)、適用性評(píng)價(jià)、決策修復(fù)等完整性管理程序。其中，管道檢測(cè)是了解管道情況的必要手段，是完整性管理的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，它也是進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的前提以及制定維修方案的依據(jù)；適用性評(píng)價(jià)是評(píng)估管道在現(xiàn)實(shí)缺陷下運(yùn)行的安全性，包括承壓能力評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)等；決策修復(fù)是在管道檢測(cè)的基礎(chǔ)上，在評(píng)價(jià)分析的指導(dǎo)下，為降低管道風(fēng)險(xiǎn)、延長(zhǎng)管道壽命、恢復(fù)管道完整性而采取的最終手段。
2.4 天然氣管道運(yùn)行優(yōu)化
① 天然氣管道運(yùn)行優(yōu)化的目的和途徑
對(duì)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(yàn)進(jìn)行決策，很難做到管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率最大化。因此，借助于各種先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化必不可少。生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化就是在管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yīng)和用戶的用氣需求兩方面的條件，對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，有效地進(jìn)行調(diào)度決策和管理，使管道發(fā)揮出最大的利用價(jià)值，將運(yùn)行費(fèi)用降到最低，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全、平穩(wěn)輸氣的目的。其關(guān)鍵內(nèi)容是合理分配各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力、流量等參數(shù)。
進(jìn)行優(yōu)化一般有兩種途徑：利用專門(mén)研制的運(yùn)行優(yōu)化器或優(yōu)化程序?qū)艿肋M(jìn)行優(yōu)化，利用管道仿真器對(duì)管道進(jìn)行優(yōu)化。
兩種途徑的本質(zhì)不完全一樣[4]。優(yōu)化器優(yōu)化是根據(jù)管道的已知結(jié)構(gòu)和約束條件，在滿足用戶需求的前提下，通過(guò)合適的優(yōu)化算法得到各運(yùn)行參數(shù)。仿真器優(yōu)化則是先設(shè)定多套參數(shù)，然后進(jìn)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(shè)計(jì)分析。
② 運(yùn)行優(yōu)化的基本方法[5]
運(yùn)行優(yōu)化的重點(diǎn)內(nèi)容之一是對(duì)管網(wǎng)中用氣節(jié)點(diǎn)的需求量，即負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)而精確的預(yù)測(cè)，這是管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是制定管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的根本依據(jù)。常見(jiàn)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法有：
a. 灰色預(yù)測(cè)：是利用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行預(yù)測(cè)的一種方法[6]。
b. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)：是一種模擬人腦行為的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有自主學(xué)習(xí)、信息記憶、知識(shí)推理和優(yōu)化計(jì)算的特點(diǎn)，對(duì)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(diǎn)負(fù)荷的天氣、季節(jié)、節(jié)假日等具有高度非線性和隨機(jī)性的因素考慮在內(nèi)，通過(guò)不同的數(shù)據(jù)處理方法，建立不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從而達(dá)到對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[7、8]。
c. 組合預(yù)測(cè)方法：是綜合利用各種方法所提供的信息，以適當(dāng)?shù)募訖?quán)平均形式得到組合預(yù)測(cè)模型[9、10]。它能避免單一預(yù)測(cè)模型丟失有用信息的缺陷，減少隨機(jī)性，提高預(yù)測(cè)精度。
2.5 天然氣管網(wǎng)的搶險(xiǎn)搶修
及時(shí)有效地對(duì)出現(xiàn)缺陷的天然氣管道進(jìn)行搶險(xiǎn)搶修，是提高管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)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(shí)間則是可以實(shí)現(xiàn)的，這是提高管道運(yùn)營(yíng)效率最直接、最有效的辦法。
2.6 優(yōu)化燃?xì)庥脩艚Y(jié)構(gòu)
直接影響城市天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率的一個(gè)不容忽視的因素是管網(wǎng)供氣的不均勻性，這是城市燃?xì)夤芫W(wǎng)獨(dú)有的特征[11]。因此，依據(jù)城市管網(wǎng)供氣特點(diǎn)，因地制宜，有針對(duì)性地發(fā)展一些能夠有利于均衡管網(wǎng)負(fù)荷的優(yōu)質(zhì)客戶，是提升管網(wǎng)使用效率的一項(xiàng)關(guān)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(shí)間較長(zhǎng)，全年使用空調(diào)的時(shí)間達(dá)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(fù)荷，起到填谷作用；對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，可以利用其相互間的互補(bǔ)特性，減輕電網(wǎng)夏季高峰壓力，對(duì)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(jié)構(gòu)，對(duì)提升管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率極其有利。
再比如，發(fā)展天然氣汽車用戶，推出適當(dāng)?shù)膬?yōu)惠措施鼓勵(lì)這類用戶夜間加氣，則更有利于均衡管網(wǎng)的時(shí)負(fù)荷。發(fā)展工業(yè)用戶，特別是一些應(yīng)急情況下可中斷供應(yīng)或進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整的工業(yè)用戶，都是通過(guò)用戶結(jié)構(gòu)調(diào)整提升運(yùn)營(yíng)效率的重要措施，有利于均衡管網(wǎng)的日負(fù)荷。此外，根據(jù)需要，建設(shè)一定的調(diào)峰設(shè)施(地下儲(chǔ)氣庫(kù)、地面儲(chǔ)罐、LNG氣化站、天然氣液化裝置等)，對(duì)管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率的提高也有好處。
針對(duì)城市燃?xì)飧黝愑脩舻挠脷庖?guī)律和特點(diǎn)，有針對(duì)性地大力發(fā)展各類具有互補(bǔ)特性的用戶，并且施行一些經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)衡算后確立的優(yōu)惠價(jià)格等經(jīng)濟(jì)措施，吸引這類用戶入網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)用戶有效搭配，結(jié)構(gòu)合理，負(fù)荷恒定。這樣，有利于確保管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。
2.7 推廣新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備
城市燃?xì)庑袠I(yè)正處于一個(gè)飛速發(fā)展時(shí)期，一些新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，在管網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行管理過(guò)程中，“四新”推廣應(yīng)用的積極效果不可低估。比如，先進(jìn)的計(jì)量技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)、不停氣檢修技術(shù)、堵漏維修技術(shù)、管道涂層減阻技術(shù)、信息化技術(shù)等都能有效地提升企業(yè)管理水平，在管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。
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(本文作者：羅東曉1、2 1.新奧燃?xì)饪毓捎邢薰?河北廊坊 065001；2.中山大學(xué) 廣東廣州 510275)
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