美国佛罗里达州天然气输送系统仿真模型的应用

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美国佛罗里达州天然气输送系统仿真模型的应用
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石油管道报 2001.06.4  
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     全长达8500英里的佛罗里达天然气公司天然气管道系统的输送能力可达到大约41,360立方米／天。由于佛罗里达天然气公司系统输送的大部分天然气到发电厂，佛罗里达天然气公司系统的特点是在管道管存、管充上发生动态变化。与北美的其他管道系统不同，为满足冷却负荷的需要，佛罗里达天然气公司管道系统的峰值输送量发生在夏季。为模拟各个时期管线基本动态,佛罗里达天然气系统采用了由ENRON公司执行的应用在佛罗里达天然气输送系统上的ENERGY SOLUTIONS公司的管道实时动态模型，经过长期的运行,已经被证明可帮助提高整套系统的性能,为佛罗里达公司的天然气系统正常运行提供可靠的数据和保障。

5 V! v* _$ ?; Y5 t' ]3 D9 T　　一、一个管线模型建立和执行
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2 z9 c: a* }: @) n' A0 e& F　　在佛罗里达天然气公司将管道系统输送能力自26,200立方米／天提升到41,360立方米／天后不久，佛罗里达天然气公司开始实施建模方案。由于增加了第三条操作压力更高的并行管道（采用透平代替往复压缩机），整套系统变得更加复杂。此外，另一个复杂因素是佛罗里达天然气公司管道系统没有任何市场区域储备设备，当大部分用户使用天然气来满足发电高峰负荷时，仍然要面对一个高负荷因素市场的挑战。由于系统输送能力的增加和市场要求的不断提升，佛罗里达天然气公司选择创建一个实时瞬态模型，提供给操作者一个工具，来协助操作人员满足这个管道系统的操作挑战。而管道建模的作用就在于向运营公司内部不同的机构和部门提供合适的管道数据。它既可应用在相对比较简单的数据采集（满足数据要求）场合，同时当面对独特的操作工况时，也可用来确定如何优化系统的某一部分。
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　　二、管线模型的具体应用

　　在输送天然气的管线控制中，利用实时模型可以协助调度中心进行天然气断供期的协调和可靠性分析；进行SCADA系统错误检测和SCADA系统问题解决；便利清管作业的配置分析；改进整个系统性能研究；用于公司其他部门的操作数据采集，以及天然气管道系统控制培训。具体应用如下：
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5 q  l9 ]1 U( R7 K0 Y* f4 ^　　1.断供期协调
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　　动态仿真模型最常用的场合是在压缩机和管段停运期间，用来确定如何有效地操作管道系统。流程分析可测试不同的操作配置，在选择了最佳操作配置之后，模型可被用于确定输送多大的量会受到影响，以便对管道系统实施合适的调度方案。过去，由于缺乏分析断供期影响的能力，对用户使用天然气实施了过于谨慎的限制。
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　　2.SCADA系统错误检测和SCADA系统问题解决

　　在日常情况下，仿真模型可用于指示SCADA系统是否报告了互相矛盾的信息。佛罗里达天然气公司SCADA系统可监测和接收24,000多个单独监测点的信息，在采用模型后,可帮助分析SCADA监测点的压力、流量和操作工况。

　　3.用于清管作业的流体研究
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" |1 T8 P: N  |+ ^$ H　　智能清管作业使关键管道数据采集成为可能，同时也是佛罗里达天然气公司系统操作的日常内容之一。智能清管器沿着管道以6.5千米/小时至9.5千米/小时的速度向前移动。如果智能清管器的运动速度明显偏离要求，采集的数据将变得不可靠，此时须采用另外一个智能清管器（意味着成本增加），而采用动态仿真模型便可确定围绕清管作业的区域中所有压缩站的马力组合，当选择了可提供适合智能清管器的最稳定流体工况时，那么依照计划的配置，可对接收量和输送量实施调度。
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　　4.复杂压缩站的建模和单个压缩站优化
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5 x- q& Z  b! q! I: I　　在1996年和1997年期间，当采用动态仿真模型成功地进行了效果更佳的断供期协调时，模型的可信度得以确立。在以后的使用中，它开始被用来进行从总输送量、燃油消耗量和可靠性方面研究，以及如何优化单独压缩站和整套系统。在佛罗里达天然气输送系统中，每个压缩站的大部分功能已经被建模，用户可测试在每一压缩站的每种操作模式，数个压缩站可在许多不同的操作模式下作业（几个压缩站可在接近100种操作模式下作业）。对那些压缩站在以前从来未被使用的操作模式上进行测试的能力，已经证明是无可估量的价值。

4 O/ P0 d& {( @　　19号压缩站（CS19）是采用模型分析操作工况后，对单个压缩站进行优化的典型例子。图1表示相当复杂的19号压缩站，可将压缩机单元组与单独管道断开。在此之前，本压缩站被操作成一个压缩机单元与单独管道的一条断开。流体分析确定了如何最大化CS19的气体流量和出口压力，以便提升向用户站点输送的天然气量，在对本站的操作模式进行测试之后，得出两个重要结论：

　　a.应该采用更优化的操作模式；
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　　b.必须增加一台调节器，以保持在压缩机入口管道上的特殊压力。
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　　除了用于单独压缩站的分析之外，模型还被用于分析如何优化整个销售区的动力设备、阀门组和调节装置。CS18流程图只说明了如何提升下游输送量，而更大市场方位的流程分析说明，如果在每天的大部分时间（晚间其中的一个压缩站需在不同的参数组合下操作）同时一组压缩站优化到最佳输送量状态，那么输送到整个销售区的气体量将更多。
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　　比较明显的一点是，只有某些压缩站的下游流量需要进行调度，但当气体可在管组的“环路”部分回流时，计划的输送量目标变得极为关键。在模型完成的一年时间里，佛罗里达天然气公司的可持续性输送量提升了2％。在佛罗里达天然气公司系统优化之后，除了向整个销售区的气体输送量增加之外，佛罗里达天然气公司在那些过去压力问题频频出现的用户地点，输送压力问题也减少了很多。
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　　5.管充管理
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　　1997年年底的流程分析用于确定如何减少燃油消耗量，主要集中在压缩站优化和管道管存管理对燃油消耗性能的影响方式。此时认识到，通过优化马力组合和保持管道不同部分的特殊管存水平，可同时使气体输送量最大化和燃油消耗量最小化。这些流程分析也显示出，当市场总需求量变化时，最适宜管道管存的条件随之发生显著变化；当管道管存变化时，最佳马力组合也随之变化。

! |1 K% F& \* T/ i( q/ y( T　　如何更有效地管理管道管存水平的建议已经提出（注意：佛罗里达天然气公司系统没有气体储存设备）。管理总管道管存相对简单，但总管道管存常受到如下因素的影响：(1)市场过热;(2)市场欠热;(3)接收区输送量过大;(4)接收区输送量不足;(5)实际燃油消耗量与燃油保留速度不一致;(6)由于管道维护维修所引起天然气损耗;(7)由于未予考虑原因引起的天然气损耗。

' I6 t- v( d8 V' t　　通过以下活动，可控制总管道充填量。(1)计划市场地区补偿，减少不平衡;(2)计划接收地区补偿，减少不平衡;(3)购买天然气，用于注入充填管道;(4)销售天然气，用于自充填管道中排出气体;(5)通过对违约行为进行经济惩罚，限制市场过热或不足;(6)在佛罗里达天然气公司“停车场”服务范围内，将气体输送到管存中或从管存中输出气体。

　　管道管存变化活动由佛罗里达天然气公司内部的多个部门负责，有时由于部门之间偶尔调度失调，管道管存水平不能维持在合适的水平。目前佛罗里达天然气公司新成立的用户服务部参与管理管道管存，从而使得佛罗里达天然气公司在管道可靠性和燃油消耗方面取得显著进步，同时也使佛罗里达天然气公司可提高气体输送量。
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0 L6 s) a1 _% F5 v' ^! p* G$ u　　6.培训系统的模拟

; N; f6 n1 ~( F　　佛罗里达天然气公司基于管道实时瞬态模型，建造了一套模拟培训系统，可用来进行在线操作培训。通过建立和处理各种紧急事故和日常出现的操作状态，可测试和提高操作员的技能。为了让操作员实际操作时无须适应新的计算机环境，当前SCADA系统的界面被用作模拟培训系统的操作员界面。SCADA培训系统是实际SCADA系统的翻版，但不同的一点是，SCADA培训系统的数据采集来自模拟器，而非来自现场的仪表。图2说明了培训系统和实时系统部件之间的数据流向。教师将采用培训模拟器的用户图形界面来建立状态和控制培训期间的模拟。模拟培训系统的特色如下：
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　　(1)拷贝整个现场情况的实时状态；(2)建立事件;(3)让操作员的输入无效，以便模拟故障事件；(4)仪表故障模拟;(5）引进泄漏、设备故障和其他意外事件;(6)受培训者评估包括目标建立、定义意外事件、学员得分和执行培训的注册等;(7)模拟操作的启动、停止和暂停;(8)模拟操作的速度可变;（9）模拟操作重复和快速进行。

. T  I( U- \2 O; T* h; c- k7 m3 b　　7.管理支持

　　管道系统实际性能的改善既是作为通过采用技术来识别改善部位的结果，同时也是企业高级管理层有志于有效改革企业组织结构的结果。由于对几个关键压缩站的操作进行了优化，佛罗里达天然气公司可持续输送量显著提升，同时通过提前控制管道管存，可保持管道管存处于最佳水平，此前公认的、可向市场输送的最大可持续输送量是41,780立方米／天；1998年6月份，新的最大可持续输送量达到43,200立方米／天。其他几个输送量数据纪录也被打破，例如，单月的日平均输送量达到了42,550立方米，单周的日平均输送量达到了43,200立方米，单日输送量达到了45,722立方米。

" O* i6 R* `. P8 m/ T. U/ G5 i1 k　　输送量提高的最主要原因是压缩站的优化，其他原因包括管道管存控制在最佳水平。流程分析和压缩机性能曲线检查表明，当压缩机的吸入压力和排出压力接近最佳工况时，压缩机的性能将提高几个百分点。当整个管道的充填量保持在最佳水平时，系统的性能将提高几个百分点,天然气管道用户可从整个改善的可靠性（指保持输送压力）中受益。佛罗里达天然气公司尽可能为用户提供服务，同时使位于管道充填量目标水平的马力配置优化成为可能。在天然气配送方面，当整个市场处于系统无法处理的过热或欠热水平时，佛罗里达天然气公司通过向违约用户发送《操作流量通知单（OFO）》，实施经济性罚款。在1997年的头7个月期间，佛罗里达天然气公司在29天向用户发送了《操作流量通知单（OFO）》，在1998年的前7个月期间，仅在一天发送了《操作流量通知单（OFO）》，在1998年6月期间，未发送任何《操作流量通知单（OFO）》（此时佛罗里达天然气公司的天然气输送量达到创记录水平，发电厂也拼命满足创纪录的电力要求）。佛罗里达天然气公司用户对《操作流量通知单（OFO）》不断减少表示赞赏，管道性能的大幅提升也使用户受益匪浅，也允许佛罗里达天然气公司方面有更大的市场过热和市场欠热灵活性。

　　在应用ESI能源模型的第一年，压缩机燃料成本节约了16％，管道输送量提高了1.7％，高峰负荷时的管道输送量提升幅度达到10％。
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　　文章的作者Mike Bryant是美国安然公司下属佛罗里达天然气公司气体控制和计划部经理，15年天然气管道运营经验，工学硕士。美国安然公司是世界最大的天然气管道公司之一。