智慧管网建设进展及存在问题

随着中国油气管道骨干管网初具规模,运维体系日趋完善以及大数据、人工智能、物联网技术的应用,智慧管网的建设成为可能。以中国石油天然气集团有限公司智慧管网的建设为例,基于智慧管网现有设计方案,梳理了现阶段智慧管网在科技、信息、物联网方面各个系统的建设进展,介绍了中俄东线和中缅油气管道试点工程的最新成果,提出了智慧管网建设仍需解决的问题。通过明确智慧管网建设的原则及目标,实践探索出一条智慧管网建设的有效途径,最终实现“数据全面统一、感知交互可视、系统融合互连、供应精准匹配、运行智能高效、预测预警可控”的管道智能化运行目标。     

油气管网规划设计方法的现状

从油气管网规划工作的目的、原则、内容和方法几个方面研究了管网规划的现状。研究结果表明，以神经网络为基础的规划方法具有广阔的应用前景，应加大力度开发此方面的软件，同时要引进国外先进的规划软件，提高管网综合利用率，使管网经济效益得到显著提高。指出管网规划与设计工作应遵循先进性、整体性和持续性的原则。     

“双碳”愿景下管网多介质灵活输运与智能化高效利用发展战略思考

“双碳”战略下，管道作为能源领域和现代运输体系重要基础设施，需加快适应“能源生产低碳转型、能源传输格局重塑、能源消费灵活多样”的发展新要求，统筹解决安全高效、绿色智能、价值提升的协同问题。通过分析国家和行业发展需求，回溯了油气储运多年来取得的丰硕技术成果，借力管网改革和储运技术积淀优势，分析了未来发展多介质灵活输运和智能化高效利用的战略需求和建设目标，提出了加快推进“油气+新能源”和“储运+数智化”融合创新步伐以及储运技术重心由“钢制管道+流体力学”向“智慧管网+系统工程”演进扩展的探索性思考。深入剖析了原油管道超弹性改性输送、天然气管道减阻增输、管网仿真优化与智能控制、管体微小缺陷检测评价、纯氢/掺氢管道输运、超临界/密相二氧化碳管输、管网智能化与能源互联等关键技术发展新需求，从构建国家能源管道数据平台、完善新能源管输体系顶层设计、发挥企业科技创新主体作用、面向基础-前沿-应用全链条深化创新、打造中国管道战略科技力量等多个方面进行了建设性思考，以期为新型能源体系下管网发展提供需求参考和技术支撑。（参27）     

西气东输智慧管网建设实践

随着大数据、物联网、云计算、人工智能等智能技术的不断发展及应用,管道行业由传统管理模式逐步向数字化、智能化发展。国家管网集团西气东输公司坚持以"全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理"为目标,聚焦智慧管网,经过管理创新与技术革新,建立了人工智能与管道行业深度融合的新模式:在已有管道运营体系的基础上,引入工业互联网、机器学习、智能控制等技术,形成了站场智能巡检、分输智能控制、流量计智能检定等核心技术,推动了天然气管道站场智能运行技术的发展;大力发展天然气管道关键设备全面智能感知技术,开展了天然气泄漏检测、站场运维巡检智能化管控、压缩机组与流量计智能监测等核心技术创新;构建管道风险智能管控技术体系,推进了管道线路风险智能识别、光纤安全预警、管道智能防腐等核心技术的提档升级。在此基础上,国家管网集团西气东输公司高效推进智能管道运行效率再升级,构建了"全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化"的智能管网雏形,为中国油气管道的智慧化发展提供了重要借鉴。     

油气集输管网规划现状

集输管网规划具有高度非线性的特征,优化集输系统,建立适用模型对于提高管网的经济效益具有重要意义.介绍了神经网络、MDOD、混合遗传算法、分级优化法和动态规划法在油气集输管网规划优化中的应用,指出了管网规划优化工作的发展方向,提出了集输管网规划工作的建议.     

芳纶纤维增强塑料管在油气管网中的应用

在一些发达国家,芳纶纤维增强塑料管已在油气管网工程中得到成功应用.从技术和经济两个方面描述了芳纶纤维增强塑料管的工程特点以及发展动态,旨在为我国油气输送管材的发展提供借鉴.     

大数据背景下天然气管网数据挖掘与应用

大数据时代的来临带来了工业的大变革。为了提高工业生产效率、安全性和自动化水平,需要通过对工业大数据的充分挖掘利用,从海量数据中发现隐藏的规律,从而提高工业领域的信息管理水平,为智能监测、运行及维护提供技术支持。以大数据为背景,通过实例分析了数据挖掘技术在天然气管网负荷预测、安全预警、调度优化及性能监视中的应用方案及应用效果,进而从多源数据融合、综合信息平台建设、全生命周期管理等方面探讨了数据挖掘及相关技术的发展方向,展望了天然气管网数据挖掘广阔的应用前景。     

中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考

随着数字化、智能化等技术的发展,油气管道运行管理模式将发生根本性转变,形成以智能管道、智慧管网为核心的发展理念。从管道运行工艺角度对中国智能管道建设的基础及实现条件进行了分析:①从智能管道的定义、国内外智能管道的发展现状以及油气管道智能运行的物联网基础与技术准备3个方面论述了智能管道建设的基础及所需实现的功能,指出智能管道在油气生产过程中的应用性是智能管道建设的核心问题;②探讨了天然气管网数据、建模及计算复杂性的根源,明确了智能管道、智慧管网的建设思路;③以中俄东线天然气管道为例,阐述了中俄东线智能运行的目标、基础以及工艺运行智能化组成的设想,其中工艺运行智能化组成包括管道工艺仿真系统建设、基于管道数据的数字孪生体构建以及综合运行调度和可靠性评价。最后,针对智能管道技术发展与应用面临的形势与挑战,给出几点认识及建议。     

面向智能油田的集输管网工艺模拟软件研制

针对集输管网多相输送体系、不同拓扑结构及输送工艺在数字油田智能化建设中的仿真模拟需求,基于图论方法和管网对象设计了可表示复杂连接关系的通用管网数据结构,耦合流动单元水热力数学模型与节点平衡关系建立了普适性的管网非线性方程组,提出了鲁棒性高的求解方法。以油田集输工艺设计、运行及优化等场景中独立使用或在综合管理系统中集成应用为目标研制了计算软件,通过对比商业软件计算结果,验证了所开发软件的适应性和准确性,同时从工程实用方面探讨了其应用前景。     

油气管网可靠性计算方法评述

油气管网可靠性研究是提升管网风险评价定量化水平的必然选择,充分吸收可靠性的现有研究成果,对油气管网的可靠性研究具有重要的促进作用。从单元、系统、网络3个层面总结了目前比较典型的可靠性计算方法,介绍了不同方法的计算思路,结合油气管网的特点,分析了不同方法在油气管网可靠性计算中的应用前景。对于单元的可靠性计算,概率统计法和机理建模法是应用最多、发展最成熟的方法;对于系统的可靠性计算,布尔法和马尔科夫方法在其他行业应用都比较成熟,而马尔可夫方法在处理单元的共因失效和相关失效方面更具优势;对于油气管网网络可靠性的计算,目前的连通可靠度计算方法可以直接应用,而容量可靠度理论尚需根据油气管网的自身运行特点进行发展。     

大型天然气管网系统在线仿真方法及软件开发

天然气管网系统仿真技术是管网系统设计方案论证、管输计划制定、运行方案优化、应急保障决策的核心技术。基于质量守恒、动量守恒、能量守恒原理及非管元件特性方程，建立了适用于任意结构形式的管网系统仿真模型；形成了基于管道数学模型泛函分析、大型稀疏矩阵压缩存储条件下的快速LU分解等方法的管网系统仿真模型求解算法。采用B/S软件架构、大数据高速缓存技术、大数据抽取实时可视化技术，开发了包括数据通讯模块、数据库存储模块、数据滤波模块、在线仿真模块、结果推送模块的大型天然气管网系统在线仿真软件，将其分别应用于总长6 100 km、45座压缩机站和总长31 000 km、117座压缩机站的大型管网系统，软件适用规模、计算精度与速度均达到国际同类商业软件水平。（图9，参25）     

中外智慧管网发展现状与对策方案

智慧管网具有全面感知、自动预判、自适应、自反馈、自学习等特征优势,近年来得到迅速发展,国内外智慧管网的侧重点有所不同,国外侧重于使用现代模型方法升级传统技术方法,而国内侧重于智慧系统的规划和整体设计。目前中国智慧管网建设仍处于起步阶段,在数字孪生体构建、传感技术、精准检测和评价、决策支持、模型构建、信息共享、大数据深度挖掘等方面缺乏系统性、规划性、科学性,基础模型和智能决策不足。阐述了智慧管网在国家管网多条管道上的开发与应用,逐步实现了设计、施工、运行等多环节覆盖。针对存在的问题,提出了解决方案:管网智能巡护,智慧管网的人工智能,视频实时监控智能识别,管道智能化应急防范,构建基于多源数据的智能化管理平台,灾害一体化智能监测与预警,管道完整性大数据融合、建模、决策支持等。建议进一步采用物联网、云平台、区块链等技术,研究建立管道全生命周期数据标准,构建管道全生命周期数据库,开展智能管网平台设计,包括管道全生命周期资产管控、运行控制、决策支持,最终形成基于多源数据融合的智能一体化管理平台。     

能源互联网中的天然气管网作用及其运行模式探讨

随着技术进步以及环保意识的提高,能源互联网正逐渐形成,可再生能源将逐步成为能源主体,对天然气管网的发展提出新的要求。从天然气管网特性的角度,对其融入能源互联网的条件及作用进行了分析：(1)从目前国内外天然气需求形势出发,指出天然气在保障能源安全中的重要地位,并分析了能源互联网的基本架构以及此架构下天然气管网运行特性研究不足的现状;(2)从干线管网现状、城市燃气管网建设以及天然气体制改革方面,分析了中国天然气管网发展现状,并从气电调峰、掺氢输送以及能量储存3个方面阐述了天然气管网在能源互联网中能起到的重要作用;(3)从天然气能量计量、需求侧综合管理、储能与能量转换设施建设以及多能源综合调度4个方面,探讨了天然气管网融入能源互联网的运行模式。针对能源互联网中天然气管网发展面临的形势及其关键技术,给出建设及发展建议,以期更好地发挥天然气管网储能量大、传输损耗低、新能源接纳能力强等优势。（图7,参29）     

油气管网系统安全指标体系的构建

在充分借鉴水运、铁路、电力等行业安全监管指标及相关研究成果的基础上,提出了油气管网系统安全指标体系框架。从油气管道运行面临的社会、环境、供应压力及管道自身的缺陷状况,提出了油气管网系统压力类指标;从管道的日常运维和发生事故时的应急响应2个方面,提出了油气管网系统响应类指标;从管网发生事故可能导致的人员伤亡、环境污染及供应损失3个方面,提出了油气管网安全状态类指标。管道运营方能够通过压力类指标和响应类指标,对管网的安全进行定性判断,找出油气管网安全运行中的薄弱点;状态类指标是管道安全性的直接度量指标,可将其作为管道安全的控制指标。油气管网的压力-响应-状态指标体系,对政府监管和管道企业安全管理具有一定的参考意义。     

数字孪生体及其在智慧管网应用的可行性

伴随着工业4.0时代的来临,数字孪生体(Digital Twin)概念蓬勃发展,在航空航天、汽车制造、军事、能源等行业中逐步得到应用,为其在管道行业的应用发展起到良好示范。介绍了数字孪生体的内涵和发展演化过程,分析了数字孪生体在产品设计、飞机故障预测、汽车制造、电厂发电机组智能健康管理、复杂产品装配等行业的应用案例,并从管道设计、调度优化、管道设备运行维护、管道全生命周期管理4个方面分析数字孪生体在油气管道中的应用前景。数字孪生体为真实管道系统与虚拟管道系统的信息交互及融合提供了新的技术手段,可以实现虚拟管道的仿真优化,有利于促进智慧管网建设。     

校园地下管网地理信息系统的设计与实现

校园地下管网地理信息系统是数字校园的重要组成部分．从数字校园的概念着手，以系统体系结构、系统数据库设计和系统功能设计为重点，探讨了校园地下管网地理信息系统建设的整个过程，并对校园地下管网地理信息系统的发展进行了展望。     

国家管网智慧管网标准体系三维业务框架设计

【目的】智慧管网标准体系是指导管网企业智慧化发展的重要技术文件和技术标准化管理的基础,但现有油气管网标准体系不能满足智慧化建设需求,迫切需要建立一套适用于智慧管网建设的标准体系框架。【方法】基于油气管网的“智慧化特征”,分析其在可研与设计、施工验收、运行维护及废弃封存4个阶段的内涵与功能。选用国家管网集团标准系统架构作为智慧管网标准体系架构的基础,参考智慧电网的标准体系框架,提出了由对象、全生命周期、互操作3个维度构成的智慧管网标准体系业务框架模型。【结果】对象维度包括线路、站场、储气库、LNG接收站;全生命周期维度包括可研与设计、施工与验收、运行维护、废弃封存;互操作维度包括应用层、交互层及感知层。基于智慧管网全生命周期各项业务的关键技术和标准化对象,并结合标准化要素在互操作层级中相互作用的二维映射关系,构建了智慧管网标准体系架构。以二维互操作维度的应用层为例,分析了在建立标准体系时需填充缺失和新建的标准。【结论】研究成果可为智慧管网标准体系建设提供指导。（图6,表3,参20）     

大型复杂天然气管网离线仿真软件国产化研发及应用

面向国家石油天然气管网集团有限公司（简称国家管网集团）大规模复杂天然气管网的仿真应用需求与管道行业智能化转型的实际需要，提出了一种全新的仿真引擎核心算法——分区增量迭代法，攻关完成了具备先进性、健壮性、开放性的工业级天然气管网仿真引擎，基于总体架构与应用架构设计，完成了离线仿真软件的开发，实现了大型复杂天然气管网仿真核心技术自主可控。依托研发的天然气管网离线仿真软件，对某新建管道完成了设计校核，平均相对误差为0.1%；以全要素涩宁兰管道为对象建模，并与商业软件结果进行对比发现，管道沿线各站的压力、流量在稳态与瞬态仿真下的最大相对误差均小于1%；针对大规模、复杂拓扑结构的2×104 km级全要素天然气工业管网，该离线仿真软件对其具备仿真能力。所研发天然气管网离线仿真软件能够满足未来“全国一张网”的仿真需求，可为国家管网集团的数字化战略及智能化转型提供专业化仿真服务。（图7，表3，参22）     

天然气长输管网优化建模及求解研究进展

天然气管网优化对于降低管网运营成本、提升天然气供应可靠性具有重要意义。将天然气管网优化模型分为基于物理属性与基于经济属性两类，系统总结回顾了天然气长输管网优化建模及求解的研究进展。现有研究多集中于解决特定阶段下单一属性的管网优化问题，但要提高管网的经济性、可靠性及可持续性，需要综合考虑经济属性与物理属性，并系统统筹设计优化与运行优化。当前，中国在天然气管网优化建模方面的研究主要集中在基于物理属性的建模方法上，未来还需关注天然气市场均衡模型在管网优化中的应用。在模型求解方面，总结了多种启发式算法。从管道安全优化、非稳态优化及市场均衡建模3个方面，对未来天然气管网优化建模的发展趋势进行了展望。（图1，参71）     

天然气管网互联互通用户侧供需平衡仿真分析

中国油气体制改革进程中,石油公司下辖天然气管道与国家管网集团、省级管网公司下辖管道互联互通构成大型天然气管网,其具有气源/资源类型多样、不同管段设计/运行压力不同、下游用户类型复杂、用气规律多样等特点。为研究该类管网运行供需平衡问题,借助SPS软件对双气源、多用户管网进行仿真建模,在对现有管网运行参数进行可靠性验证的基础上,结合用户2025年用气需求对管网供需平衡问题进行仿真分析,并提出优化运行方案。结果表明：通过分输站对两路气源进行压力平衡的优化方案不仅能够满足下游用户双气源保供需求,同时资源分配更加平衡,尤其在冬季保供期,极大地分担了国家管网冬季保供压力,提升管网整体保供能力,可为管网现场运营调度提供指导。（图6,表5,参24）