气源与组成跟踪分析在多气源输配管网的应用

1 概述

随着北京市天然气覆盖率越来越高、电厂等大用户逐步落户、冬季日用气量近年破亿现象的出现，为了保证供气稳定，陕京一线、二线和三线天然气、西气东输二线天然气、唐山LNG、大唐煤制天然气等气源陆续抵京，北京正在逐渐形成多气源的供应格局。但是，天然气的来源、产地及气质均存在一定差异，直接影响整体气源供应、输配管网调度与用户使用安全。如何与上游协调，合理调配多种气源并确保下游用户正常安全用气，将成为未来调度管理的重点与难点。本文着重探讨如何利用管网仿真模型进行气源气质跟踪分析，保证多气源格局下输配管网对各类用户的供应保障问题。

2 气源及组成跟踪分析原理及功能实现

2.1 气源及组成跟踪分析的概念

多气源供应系统就是通过多个门站接收多种气源的城市管网系统。由于天然气的产地和开采方式不同，其组成、热值、密度和燃烧特性等均存在较大差异。因而在使用前就要对多气源供应系统进行气源跟踪分析和组成跟踪分析。

气源跟踪分析主要是利用管网仿真模型分析管网中不同气源的供气分布及混气情况，通过供气区域彩色化分析及混气百分比分析，准确掌握气源供应范围。组成跟踪分析主要是针对不同上游气源、不同组成的天然气进行跟踪分析，将各个进气点的组成作为输入数据，以此实现对管网中某些敏感和重要厂站的气质变化的跟踪和预测[1]。

2.2 气源与组成跟踪分析的原理及实现方法

目前使用的燃气都是含有多种组分的混合气体。尤其对于多气源管网供应的天然气，更是多种产地天然气的掺混气体。它的组成及热值可以用色谱仪与热值仪(热量计)等直接测出，也可以由各气源按混合法则计算得出。气源与组成跟踪分析，就是通过模拟各气源点的掺混比例，动态计算、分析燃气输配过程中的参数变量以及非测量值(即管网各节点燃气组成及热值等)。

①气源与组成跟踪分析可以更精准地指导多气源输配管网的运行调度，对燃气管网的智能化运行具有重要意义。

在进行气源跟踪分析时，燃气样本从气源点进入管网系统，然后以管网仿真模型设定的流速在管道内流动，并最终在燃气输出点离开管网系统。如果各气源的燃气在管道汇合处混合，下游燃气即成为上游燃气的混合物，该过程通过设置混合“标签”实现，按进流的体积流量比例改变“标签”值，计算得出管网各点的燃气掺混比例及组成值，并最终得出所需的各计算值。如图1所示，图中百分数为气体的体积分数。

图1 气源与组成跟踪分析

3 气源及组成跟踪分析的实际应用

3.1 对生产运营与输配管网调度进行指导

管网仿真软件利用GIS系统提供的管网拓扑数据建立稳态仿真模型，利用获取SCADA系统实时数据库的现场状态参数及测量数据进行计算，并最终将计算结果返回SCADA系统服务器并显示在操作员站上，实现实时动态仿真过程，利用仿真结果为管网运营商提供高质量、自动化的管网输配优化方案。作为其中重要功能模块之一的气源与组成跟踪分析，它能够以实时在线和离线两种方式来进行。就城市输配管网调度运行而言，对于管网规模小、GIS及SCADA系统建设较为薄弱的城市，采用稳态模型及离线方式运行，可以满足管网计量精度和运行可靠性要求;对于管网规模庞大、GIS及SCADA系统建设较为完善的城市，应以实时动态模型方式进行气源及组成跟踪分析，为管网调度运行人员提供一个更加可靠、清晰、全面的管网画面，为其日常运营决策提供帮助。同时，管网模型的运行结果也可以作为未来管网状况分析的初始状态，对管网未来的运行状况进行分析、评估。

例如，2010年初境外管道天然气进入中国，通过西气东输二线与陕京线连接向北京市供气，北京市气源变为由长庆天然气与境外天然气组成的混合气，初期由于境外气源供应量不稳定，上游主要采取境外天然气与长庆天然气等国内气源混输的供应模式，经由陕京一线通过1号城市门站向北京市供气。

自2010年2月开始，燃气公司接到户内燃气报修的电话明显增多，其中大部分属于燃气泄漏报警。最初，2010年2月23日，1号区域周统计数据同比增长近100%;同时，利用管网仿真模拟软件进行气源跟踪分析得出的分析图见图2。图2～4中，气源1～4的意义与图1相同。

图2 2月23日气源跟踪分析

一周后，陕京一线来气比例逐步调高，陕京二线来气比例降低，2号区域户内漏气报警上升50%，气源跟踪分析见图3。

图3 3月1日气源跟踪分析

两周多以后，随着陕京一线来气比例再次提高，3号区域户内漏气报警增长150%，4号区域增长120%，5号区域增长50%，直至全网性户内漏气报警特征显著。气源跟踪分析见图4。

气源与组成跟踪分析是管网仿真软件所具备的一项重要功能，它可以计算管网中任意位置的组成参数随时间的变化情况。燃气组成参数包括各种组成和计算变量，比如燃气密度、热值等。在进行气源跟踪分析前，要对每一气源进行采样，通过记录燃气样本在输配过程中的流动方向和路程，分析管网中各燃气的掺混比例。气源跟踪的组成参数采样来自各气源点的色谱分析仪，每一种气源的采样用一种颜色表示。

图4 3月20日气源跟踪分析

利用管网仿真模型进行气源跟踪分析，根据2010年2月23日、3月1日、3月20日气源跟踪分析图，可以看出陕京一线气源分布范围逐步呈1号区域→2号区域→3号区域→4号区域→5号区域扩散排序，这与户内漏气报修区域、时间、排序非常巧合。这一现象提示我们应关注境外天然气入网引起的气源掺混造成的气质变化。

针对管网气质发生的变化，结合全网陆续出现的户内管道漏气报修数量增多现象，对户内泄漏报修量、混合气源气质、四氢噻吩加臭剂等情况进行综合分析，同时，根据气源气味与户内泄漏报修量的关系，在门站进行了提高四氢噻吩添加量的试验。经过多方面调研得出，混合气源的气味与之前的气源气味相比有所变化，混合气源气味更加浓烈。正是境外气源引入产生的气质变化及气味变化，造成居民用户嗅觉敏感性提高，引起户内泄漏报修量增多。经巡检员现场核实，实际上并无泄漏增加的现象，而是用户感觉新气源的气味较重而产生的误报。这一结果与管网仿真模型气源跟踪及组成跟踪分析完全吻合。

3.2 对电厂等大型用户的作用

除原四大燃气热电厂外，目前华能、草桥两大热电中心已投产运行，2014年将建成投运西北热电中心和东北热电中心。因此，北京市燃气输配管网需供应的电厂将由近期的6家增至8家，其中规模较大的热电厂均采用9F型燃气轮机发电机组。9F机组要求气质波动的范围为双参数控制指标，也就是说9F机组对气质的要求较为严格，运行时要求低热值和华白数的波动范围应控制在±2%以内[2]。由于涉及到电网安全，燃气发电机组一旦开机，就需要获得热值和华白数稳定的天然气供应，以保证机组的设备安全和稳定发电，同时，也能保证机组的运行效率，提高发电的经济性。

随着唐山LNG、大唐煤制天然气等气源进入北京，不同气源在组成和特性上的差异性，势必引起所供应天然气热值及华白数的波动，对于直接接入高压A压力级制管网的热电厂而言，也必然产生一定的影响。考虑到电厂用户对用气稳定性的较高要求，可对电厂用户采取独立专线、分区域分气源独立供气。但实际运行过程中，即使具备独立专线条件，也很难具备单一气源独立供气条件，也就是说，大多数情况下电厂用户只能通过混合气源供应。

因此，作为气质可能存在一定变化的多气源供应的燃气电厂，应配置色谱分析仪，实时在线分析气源气质变化，9F改进机组在运行过程中可实现根据气质变化情况在线实时调整燃烧参数和燃烧模式。燃气公司运营调度部门可通过管网仿真模型进行气源及组成跟踪分析，实时监测、分析气源走向及气质变化动态，合理调配各气源，保持电厂用户的稳定供气，避免引起电网安全事故。

3.3 对用户进行热量计量收费

目前，燃气计量收费以体积计量为主，但从长远看，考虑热量的精确计量对于燃气供应来说将变得越来越重要。从全国燃气长输管网到城市燃气输配管网，管网系统的连接性与互通性都在不断增强，国产气田气、进口气田气、LNG、煤制天然气等多种气源也在不断注入管网，因此，燃气组成的变化也将趋于频繁与强烈。同时，大型燃气用户也希望能够根据不同燃气组成及燃气价格选择供应商，即使不能自由选择燃气供应商，但是当能源市场越来越开放后，热量计量也可以为大型用户、燃气供应商和管网运营商提供更为公平的贸易基础。

热量计量收费需要将体积测量值转换为热量值，目前，这一过程主要通过色谱仪来实现，由于色谱仪价格较高，燃气公司通常只在管网的关键位置测量燃气组成，例如城市门站的贸易交接点、储气库出气点等。利用燃气管网仿真模型的气源与组成跟踪分析功能，可以将不同位置测量的燃气组成分配到各贸易结算点，这些节点仅对燃气体积进行计量，结合气源与组成的跟踪分析就可实现各类用户用气量的热量计量收费过程，较高精度的模型分析可以保证计算结果的准确性，而动态管网仿真模型可以保证计算数据在时间上的准确性，同时，也大大降低了配置色谱分析仪带来的高额成本。

4 结论与发展前景

根据数据分析，泄漏报警分布从1号区域开始，逐步向其他区域蔓延，并有日趋扩大的趋势，燃气泄漏报警的区域呈1号区域→2号区域→3号区域→4号区域→5号区域顺序逐步扩散，最后呈全网型、散发型的趋势。

②气源与组成跟踪分析可以更及时地指导大型用气设备的调控，实现更安全、更高效的运行。

③气源与组成跟踪分析有助于实现对用户的热量计量收费，使收费更加合理，有利于开展对用户的节能指导，增强用户好的用气体验。

④气源与组成跟踪分析可以使燃气管网运营商更准确地掌握燃气供应的情况，在智能燃气网建设过程中具有重要作用，目前国内在此方面的应用和自主开发都还有很大的空间。