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现代管道运输系统构建与发展

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陈朋超 ¹^,^† , 马云宾 ¹ , 张斌 ¹ , 关中原 ¹ , 刘啸奔 ² , 陈锋 ²

前瞻科技 | 综述与述评 2024,3(2): 8-18

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前瞻科技 | 综述与述评 2024, 3(2): 8-18

现代管道运输系统构建与发展

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陈朋超¹^,^†, 马云宾¹, 张斌¹, 关中原¹, 刘啸奔², 陈锋²

作者信息

1.国家石油天然气管网集团有限公司科学技术研究总院分公司，天津 300450

2.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249

陈朋超，教授级高级工程师，博士研究生导师。国家石油天然气管网集团有限公司科学技术研究总院副院长。Journal of Pipeline Science and Engineering主编。主要从事管道安全高效与智能化技术及工程应用研究。主持国家级、省部级重大科研攻关项目10项。主持研制的超高清多物理场综合内检测等系列装备广泛应用，入选国家“十三五”科技创新成就展；研发的多年冻土管道系列关键技术，保障中俄管道顺利建成和安全运行。获省部级奖励12项。主持或参与制定国际标准和国家标准10项。发表论文50多篇，授权发明专利30余件。电子信箱：chenpc@pipechina.com.cn。

通信作者:

^†

Construction and Development of Modern Pipeline Transportation System

Pengchao CHEN¹^,^†, Yunbin MA¹, Bin ZHANG¹, Zhongyuan GUAN¹, Xiaoben LIU², Feng CHEN²

Affiliations

1. PipeChina Institute of Science and Technology, Tianjin 300450, China

2. College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China

出版时间: 2024-06-20 doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.02.001

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摘要

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油气管道是国家能源安全的生命线。在能源安全新战略、交通强国战略、“碳达峰、碳中和”目标和数字化战略等多重背景下，传统管道运输系统已经无法全面满足国家重大战略需求，迫切需要构建新型的现代管道运输系统。文章回顾了管道运输系统的发展历程，经过70余年发展，中国管道运输工业从“自力更生、艰苦创业”中走来，经过“引进技术、提升水平”的不懈进取，实现“自主创新、跨越发展”，奠定了世界管道运输大国地位，形成了具有中国特色的管道工程建设与运行技术体系，核心技术总体自主可控，为现代管道运输系统构建与发展创造了技术条件。文章面向国家战略需求，提出了现代管道运输系统平安、绿色、智能、融合、开放的特征与内涵，并对现代管道运输系统发展趋势及关键技术进行了深入分析与重点任务设计，以期提出新形势下构建现代管道运输系统的中国方案。

关键词

现代管道运输系统 / 多网融合 / 综合立体交通 / 多介质灵活输运 / 智能化高效利用

Abstract

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Oil and gas pipelines serve as the lifeline of national energy security. Amid a series of significant national initiatives, such as China’s new energy security strategy, transportation strength strategy, “carbon peaking and carbon neutrality” goals, and digitalization strategy, conventional pipeline transportation systems fall short in addressing the nation’s critical strategic needs. Therefore, the development of novel modern pipeline transportation systems becomes an urgent imperative. The paper reviewed the development of pipeline transportation systems. Over more than 70 years of development, China’s pipeline transportation industry has evolved from its beginnings marked by “self-reliance and arduous pioneering efforts” to a phase of continuous progress through “technology introduction and enhancement”, ultimately achieving “independent innovation and leapfrog development”. These milestones have been instrumental in establishing China as a major global player in pipeline transportation, fostering a technical system for pipeline engineering construction and operation with Chinese characteristics. These independent and controllable core technologies form a robust groundwork for the construction and development of modern pipeline transportation systems. Aligning with national strategic needs, this paper revealed the characteristics and connotations of modern pipeline transportation systems, emphasizing their features of safety, environmental friendliness, intelligence, integration, and accessibility. The paper analyzed the development trends and key technologies concerning modern pipeline transportation systems, culminating in the design of key tasks, so as to put forward with Chinese blueprint aimed at constructing modern pipeline transportation systems under evolving circumstances.

Key words

modern pipeline transportation systems / multi-network integration / comprehensive multi-dimensional transportation / flexible multi-media transportation / intelligent and efficient utilization

引用本文

陈朋超, 马云宾, 张斌, 关中原, 刘啸奔, 陈锋. 现代管道运输系统构建与发展. 前瞻科技, 2024 , 3 (2) : 8 -18 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.02.001

Pengchao CHEN, Yunbin MA, Bin ZHANG, Zhongyuan GUAN, Xiaoben LIU, Feng CHEN. Construction and Development of Modern Pipeline Transportation System[J]. Science and Technology Foresight, 2024 , 3 (2) : 8 -18 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.02.001

正文

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管道运输是五大运输方式之一，也是九大基础设施网络的重要组成部分。中国陆上85%原油和99%天然气依靠管道运输。截至2023年底，中国管道总里程达18.5万km，初步形成横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外的油气“全国一张网”^[1⇓-3]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出构建现代能源体系，“推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力”“加快建设天然气主干管道，完善油气互联互通网”。根据中长期油气需求预测分析，中国石油消费预计在2030年左右达到峰值7.8亿t，天然气预计在2040年左右达峰，约6 500亿m³，管网规模将持续增长，总里程将超过30万km。未来一段时期，油气管网仍将是重要的能源安全生命线^[4⇓-6]。在世界范围内，为应对国际形势和自然环境变化，美国、加拿大等都在加强管道运输系统的转型与变革。中国国家能源局2023年发布的《关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》指出：“推动油气管网的信息化改造和数字化升级，推进智能管道、智能储气库建设，提升油气管网设施安全高效运行水平和储气调峰能力”。现代管道运输系统是多能互补背景下支撑经济社会高质量发展的重大需求，构建新形势下的现代管道运输系统不仅是世界难题，更是中国管道运输系统由世界先进迈向国际一流的关键任务。

文章立足管道运输系统在国家能源战略体系及综合立体交通网络中的重要作用，结合管道运输工程自身特点和发展经验，思考管道运输系统面临的机遇和挑战，提出新时代新需求下管道运输系统的基本架构、核心内涵、重点任务及发展建议，以期为现代管道运输系统建设和发展提供参考。

1 中国管道运输系统发展历程和技术现状

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管道运输系统涉及长输管道、集输管道、城镇燃气管道等多个能源场景，其中长输管道是管道运输系统里最为成熟、最具代表性的管道场景。下面以长输管道为代表，介绍中国管道运输系统的现状和关键技术。

1.1 中国管道运输系统发展历程

中国长输管道发展大致可以划分为3个重要阶段^[7⇓-9]。

第1阶段（1949—1978年），自力更生、艰苦创业。新中国成立之初，工业基础薄弱，为保障作为社会经济发展血液的石油天然气规模运输，开始了长输管道建设。1959年1月，中国首条长输原油管道——克拉玛依油田至独山子炼油厂管道建成，标志着中国结束了无长输管道的历史。自此，中国长输管道建设从无到有、由少到多，初步构成了东北、华北原油管网，涌现出了翁心源、张英等一批油气储运工程专家，为后来中国长输管道事业快速发展奠定了坚实的理论基础与实践经验。

第2阶段（1978—2011年），引进技术、提升水平。自1978年改革开放以来，中国管道工程建设与运营进入全面发展时期。1986年7月，中国首次引进的原油密闭运输、远程数据采集与监控技术在东黄原油复线工程得到应用；1995年11月，建成崖城13-1气田至香港的中国首条长距离海底天然气管道工程；此后一段时间内，以“西气东输”和“川气东送”为代表的天然气管道工程提速建设，兰成渝、大西南、兰郑长等一批成品油管道工程建成投产，东部、西部原油管网基本成形。

第3阶段（2012年至今），自主创新、跨越发展。党的十八大以来，中国能源发展进入新时代。长输管道建设以落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略为使命，以建设国家能源战略通道、互联互通工程为重点，先后建成与国内管网对接联运的西北、西南、东北及海上油气运输通道，形成中国能源进口四大战略通道；同时，一批互联互通工程相继建成投产，为建设管道运输“全国一张网”奠定了坚实基础。

1.2 中国管道运输系统技术现状

目前，中国管道运输技术水平已跻身世界第一方阵，形成了具有中国特色的建设与运行完整技术体系，核心技术总体自主可控，支撑了长输管道的高水平建设和高质量发展，为现代管道运输系统变革与发展创造了技术条件^{[10⇓⇓-13]}。

1）流动保障技术保障原油管道安全高效运行

在中国管道运输技术发展历程中，针对约90%国产原油为易凝高黏油品的特点，形成了原油运输管道加热处理、加剂改性、冷热交替运输等特有工艺及技术，在东北、西部和东部等原油管道中大规模工业化应用，保障了中国东北、西北等能源战略通道的安全高效运行。

2）调运技术保障山区大落差成品油管道运输批次与质量精准控制

2002年，中国首条具有标志性的长输成品油运输管道——兰成渝管道工程投产。针对大落差段位于整条线路中间而导致全线工况复杂及输量变化的难题，建立了顺序运输油品质量及输量调节控制技术；针对成品油管网源汇节点多、空间跨度大的特点，开展了实时在线修正的成品油批次跟踪技术研究，研发了成品油管网调运优化方法；针对管输油品质量精准控制需求，制定了管输油品的品质指标，为上下游进出管道油品指标的确定提供了技术支持。

3）仿真技术保障规模化复杂天然气管网安全高效运行

中国管网仿真技术起步于20世纪80年代，在单条管道及区域管网仿真理论研究方面取得了一定进展，探索开发了部分数值模型与求解算法，初步形成了配套应用软件。总体上，目前中国仿真技术成果在软件稳定性、计算准确性、系统鲁棒性、模拟通用性等方面还难以满足大型管网复杂工艺仿真的需要，尚不具备替代国外同类商业软件的能力，需要持续研究，加快自主研发进程。

4）管道检测与完整性技术保障管道本质安全

中国自主开发了在役管道全口径系列高清三轴漏磁综合内检测、基于高精度惯性导航的管道弯曲应变及位移内检测，以及高精度激光测径、线扫、管壁图像检测等技术和装备，实现了管道缺陷、弯曲应力等在线检测，已在多条大型长输管道规模化应用，提升了长输管道完整性评价能力。建立了管道全生命周期完整性管理工作流程体系，形成了管道及站场动态风险评价、检测监测、完整性评价等系列技术，全面提升了管道的本质安全水平。

5）高钢级管材与核心装备国产化支撑油气战略通道快速发展

中国建立了X70/X80钢管及管件从基础研究到工业应用的完整链条。国产X80钢管及管件已广泛应用于管道工程建设。截至目前，中国X80管道建设里程已达1.9万km，超过国外X80管道里程总和。实现了20 MW分体式电驱压缩机组、30 MW工业型燃驱压缩机组等六大类22种关键装备的自主研制，并在中俄东线天然气管道等重点工程中实现规模化应用。管道整机装备基本实现国产化，采购成本降低30%以上，打破了国外垄断，推动了民族工业发展，为中国能源战略通道建设及能源安全自主可控提供了坚实保障。

2 现代管道运输系统构建与内涵

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经过70余年发展，中国管道运输工业从“自力更生、艰苦创业”中走来，经过“引进技术、提升水平”的不懈进取，实现“自主创新、跨越发展”，奠定了世界管道运输大国地位。储运高等教育创办70余载，50余所高校设有油气储运工程专业，源源不断提供体系化、高水平的科技成果和人才保障。建立了完整的工业体系，在工程设计与施工、材料与装备、油气运输与储存、管道完整性等关键领域取得系列创新成果，为现代管道运输系统构建与发展创造了技术条件^{[14⇓⇓-17]}。

2.1 构建背景

1）“全国一张网”加速建设，构建现代管道运输系统是保障国家能源安全的重大需求

2019年12月，党中央、国务院决策部署成立国家石油天然气管网集团有限公司（简称国家管网集团），旨在打造智慧互联大管网，构建公平开放大平台，培育创新成长新生态，对全国主要长输管道基础设施进行统一调配、统一运营、统一管理，推动形成“X+1+X ”油气市场化运营机制，提升油气运输能力，保障能源安全稳定供应，加速建设“全国一张网”。油气管网天然具有向第三方无歧视接入的公平开放运营网络架构，具备发展能源平台经济的物理条件和市场基础，打造主体多元、功能多维、层次清晰的现代管道运输系统，实现客户之间的连接互动，不断强化扩张效应，促进能源产业链“稳链、延链、强链”，更好保障国家能源安全，是国家管网集团的使命。目前，根据油气消费需求预测，未来中国长输管道里程将超过30万km，管道运输系统更加庞大，结构更加复杂，相互跨域影响，安全要求严苛。管道范式将由“钢制管道+流体力学”向“互联管网+系统工程”演变，需要从管网系统高度对安全、高效、服务进行再思考和技术重构。

2）国际形势复杂多变，管道运输系统韧性与应急保供能力亟待增强

油气管道是国家能源安全生命线，承担着能源连接和保供重任，战略地位十分重要。面对俄乌冲突持续和巴以局势升级、全球能源市场动荡不安、自然灾害和国际封锁等极端条件下的能源保供，管网系统韧性与应急保供能力亟待增强；长输管道事故具有时空随机性、分布广域性、发生隐蔽性、后果灾难性的特点，使复杂状态下风险防控和应急恢复面临重重挑战；泛在感知、人工智能、大数据、物联网技术对智能管道智慧管网架构下的网络安全提出了更高挑战；对超韧性坚强管网建设、极端条件下应急保障、高可靠性精准匹配、管网系统态势感知、综合运输系统高效联运等要求更高。

3）多网能源互联是推动管网产业升级与价值实现的必然要求

以人工智能、物联网等技术为基础的第四次工业革命促使全产业链数字化转型，使智慧能源网络、智慧交通网络建设成为必然趋势。智慧能源就是指拥有自组织、自检查、自平衡、自优化等人类大脑功能，充分应用数字化和智能化技术，构建能量流、信息流、价值流协同发展的新型能源体系，实现冷、热、电、化等多种能源和服务的需求平衡、优势互补与优化配置，满足系统、安全、清洁和经济要求的能源形式；深度挖掘管网全生命周期数据，聚焦“知识驱动”，打造“管网大脑”协同电网、热能和新能源的“源-网-荷-储”一体化响应协同机制，实现油气管网与智慧能源的一体化调度优化与高效协同；推进油气管网设备设施和工艺过程控制的智能化升级，形成具备泛在感知和自适应优化能力的智能化管网基础设施，对加快智慧能源体系建设，实现产业升级及科技成果数字化意义重大^{[18⇓⇓⇓⇓-23]}。

4）面向“碳达峰、碳中和”（简称“双碳”）目标与能源革命，多介质灵活输运是管道运输系统发展必然趋势

在“双碳”目标背景下，管网仍是现代化能源新体系的重要组成部分。2060年“碳中和”后，国内油气输运需求仍具规模，石油2.3亿t，天然气4 100亿m³，油气预计仍占一次能源消费量15%左右；易凝高黏原油资源劣质化趋势和进口油品小批次多样化对管道流动保障提出更高要求，油气需求多样化和可再生能源间歇性条件下，管道输量不均衡性将成为常态。氢气需求量有望逐步增至每年1亿t左右，碳捕集、利用与封存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）潜力将达到每年10亿t，氢气、二氧化碳、甲醇、液氨等多种介质运输将拓展管网边界。能源格局重塑，油气回归原料属性，绿色能源有益补充，对管道运输系统提出全新要求：高弹性韧性运输，管网高效利用，多介质融合输运，绿色用能工艺匹配，排放及能耗控制更加科学^[2,24]。

5）面向交通强国战略，综合立体交通多网融合对管道运输系统提出明确需求

交通运输是支撑国民经济发展的基础性、先导性、战略性产业，是兴国之要，强国之基。建设交通强国是以习近平同志为核心的党中央立足国情、着眼全局、面向未来的重大战略决策。《国家综合立体交通网规划纲要》指出，“到2035年，基本建成便捷顺畅、经济高效、绿色集约、智能先进、安全可靠的现代化高质量国家综合立体交通网。”综合立体交通多网融合更加突出道路、轨道、航空和管道等交通方式一体化融合，充分发挥各种交通方式的组合效率和比较优势，增强交通基础设施网、运输服务网、能源网、信息网的协同性，实现“人享其行、物优其流”。

2.2 现代管道运输系统架构

现代管道运输系统作为综合立体交通网的重要组成部分，具备与道路、轨道、水路等交通方式的连接和协同能力，从架构上充分发挥管道运输系统“全国一张网”优势，形成“点连接、线传输、网覆盖、体融合”四位一体的现代管道运输系统架构。

1）多点快速连接，多介质灵活输运

现代管道运输系统基于“全国一张网”基础，面向综合立体交通战略规划，在全国改造和建设管道运输系统与其他交通运输系统的全网连接点。一方面，中国已经建设了大量的油气站场、液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）接收站等，具备了油气资源的接收、存储等能力，在此基础上，通过增加多介质能量转换装置，可实现对多介质的灵活转换和高效运输；另一方面，中国管道工程建设正处在快速发展阶段，总里程将从目前的18.5万km发展到30万km以上，对于新建管道运输系统和LNG接收站，可根据综合立体交通需求，按照综合性的多介质站场及接收站进行规划建设，而对于已建成管道运输系统和LNG接收站，也可通过在役站场及LNG接收站改造建立管道运输系统与综合立体交通网络的连接点。

2）干线支线互通，多线路优化输运

中国已经初步建成“四大战略通道+五纵五横”全国天然气骨干管网，同时伴有大量支线管道工程，初步形成连通海外、覆盖全国、横跨东西、纵贯南北、区域管网紧密跟进的“全国一张网”。将管网的线路与综合立体交通网进行深度融合，一方面，基于已建的管道线路和综合立体交通网，从线路上全局统筹，选择最优的线路运输；另一方面，对于新建的综合交通和管网线路，从资源最优、能耗最低、路径最短、效率最高等“物优其流”运输目标出发，进行统一部署，建成更适合综合立体交通网络的管网线路。

3）“全国一张网”，全面高效输运

立足综合立体交通网和综合能源网，现代管道运输系统充分发挥“全国一张网”的优势，优化与其他交通运输方式的竞合关系。面向国家能源安全新战略，将能源重分配和交通重调度作为一个整体，以现代管道运输系统连接综合交通、综合能源协同组网，针对重点能源供应区域，强化管道运输系统与综合交通运输系统协同规划与建设，实现高效组网补链和跨网同步，建立现代管道运输系统与综合立体交通网一体化仿真和调度运行系统，实现资源的全面高效输运及管道运输系统、综合立体交通网高可靠性运行。

4）立体系统架构，融合联通输运

现代管道运输系统全面连接综合立体交通网络，将管道网与公路网、铁路网、水运网、航空网统筹考虑，需要具备立体的高效枢纽集散、多模式联运系统架构。在现有平面管道运输系统的基础上，通过研发新型管道材料和结构、创新管道与综合立体交通连接转换方式、研究多尺度时间-空间-参量管道运输系统与综合立体交通网络融合路径，面向“推动网络设施立体互联、运输服务一体衔接”目标，构建形成立体融合的现代管道运输系统，保障极端条件下资源运输和供应。

2.3 现代管道运输系统内涵

现代管道运输系统面向保障国家能源供应安全重大需求和“双碳”目标，以安全运输、高效运行和价值服务为前提，以多介质灵活输运和多能协同互补为主要任务，以满足能源多源供应需求及构建立体交通网络为主要目标，以智慧管网系统为平台支撑，具有“平安化、绿色化、智能化、融合化、开放化”五化特征。

1）平安化——本质安全、主动可控

现代管道运输系统具备精准感知、主动防控能力，针对管道全资产对象和全业务流程，具有本体缺陷精准检测、环境威胁实时监测、装备设施自主可控、本体系统全域决策的能力；具有完备的安全防御体系和灾害控制体系，系统的弹性、韧性和自愈能力不断增强，根本上保障管道本质安全、公共安全及供给安全，实现管道运输系统安全由“被动安全管理”到“主动安全可控”的转变。

2）绿色化——随能输运、净零排放

现代管道运输系统具备主动匹配间歇式、季节性绿色能源供给模式下的工艺适配及运行能力；能够满足面向管网系统可靠性基础上的能耗最小、路径最优、维护最科学；本体泄漏事件基本杜绝、生产运行排放减至最低、废弃管道得到有效再利用，实现“用能配合工艺”到“工艺适应用能”的转变。

3）智能化——数字赋能、优化协同

现代管道运输系统可实现物理管道的精准数字映射，具有完备的泛在感知体系；利用数字化、大数据、人工智能技术实现流体、本体、环境的智能决策和预测性维护；管道线路和站场实现运行无人化、维护目标化；设备设施自动化可靠性能力大幅提升，用工重心由物理管道转向数字管道；知识体系全面支撑管网系统科学决策，实现“流程逻辑控制”到“全要素自适应优化”的转变。

4）融合化——灵活高效、多能互补

现代管道运输系统具备油气、氢、二氧化碳、甲醇、液氨等多种介质、多批次、小批量灵活输运能力；满足管道运输系统覆盖范围的多能融合及转换利用，具备冷、热、电、化等多种能量的全方位供给与平台交互；实现更快捷、更灵活、更坚强地为能源互联网提供高效率、大容量用能补充以及物质流、信息流、能量流的融合交互；实现单一油气输运到多介质灵活输运的转变。

5）开放化——物优其流、交互共享

现代管道运输系统可以作为多功能大口径真空管廊带，兼具“管道”和“轨道”长途运输优势；通过管式/囊式/集装模式顺序运输，可实现面向物质、能量、信息、生命体等多类型对象的开放运输；以管网为纽带，拓展延伸“X+1+X ”的市场对象，探索构建“物质流+能量流+信息流+客流”的开放交互平台，实现“封闭运营”到“物优其流+交互共享”的转变。

3 现代管道运输系统面临的挑战

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面向国家能源安全战略需求和新型能源体系建设要求，构建现代管道运输系统面临理论与技术上的诸多挑战，主要体现在4方面。

1）管道运输系统多能多网融合理论与技术尚需完善

现代管道运输系统的储运范式由“钢制管道+流体力学”逐步向“互联管网+系统工程”“能量平台＋人工智能”方向演进，理论与技术研究需加快适应“低碳转型、多能融合、灵活输运、智慧互联”新要求，助力构建油气+新能源协同、储运+数智化融合发展格局。目前，管道运输系统的理论和技术主要是建立在运输介质、管体、土体、环境耦合作用基础上的流动体系、安全体系、优化控制体系，在多介质灵活输运、多能融合互补、系统智慧互联等方面尚未建立完善的技术体系，需要在新的范式下深入研究以物质流、信息流、能量流为核心的现代管道运输系统新理论与核心技术。

2）管道运输系统运行效率和灵活性尚存不足

传统的管道运输系统运行模式具有固定的线路、固定的介质、固定的设备配置和相对固定的运输计划，运行效率不高。中国70%以上原油管道运输易凝高黏原油，化学组成复杂且有进一步劣质化趋势，常温下运输难度大、风险高，对复杂组分原油结蜡机理认识不够透彻，制约了原油管道安全高效运行；成品油管网多品种、多批次、小批量运输需求愈加迫切，对管输成品油质量控制及批次优化提出了更高要求；天然气管网即将形成“全国一张网”，优化运行难度日益增大，天然气管网运行仿真与优化运行技术尚未实现自主化。与此同时，随着二氧化碳、氢能、液氨、甲醇等多介质输运需求日益显现，管道运输系统多能流运输势在必行。多能流系统最基本的特点就是由多类异质能流系统组成，不同能流系统耦合在一起，异质能流模型各异，特性差异大，各有不同的建模、分析和控制方法。异质能流之间相互转换和作用，耦合形成更加复杂的大系统，随着耦合的不断增强，耦合带来的系统特性变化越来越明显，也越来越复杂，传统管道运输系统的建模、分析和控制方法已经无法直接应用。

3）管道运输系统价值服务、协同能力有待提升

中国能源互联网发展是以能源革命为统领，立足于整个能源系统的升级，统筹发展传统能源与可再生能源，将传统能源纳入能源互联网范畴。面向管道未来发展，如何将管道作为一个整体系统发挥输入多元便捷、内部优化可靠、外部协同高效的能量输出平台，如何建成资源多元、运行高效、安全可靠的现代管道运输系统，面临能源革命和工业革命两大挑战。构建适应能源互联网的智能管道运输系统，建成具有“全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化”能力的智慧管网，实现智慧管网与能源互联网有机融合，仍有大量应用基础和竞争前共性技术需要扎实推进深入研究。油气管网的智慧化建设，将作为化石能源向可再生能源过渡的桥梁，推动实现能源转型及融合发展。

4）管道运输系统安全运维与应急能力仍需加强

管道是“没有围墙的工厂”。中国油气管网在全球跨越纬度最多、沿线人口密度最大、自然地理及社会环境最复杂。近10年来，城镇化进程快速推进，早期建设管道安全边界被突破，新建管道可用安全路由被压缩，管道沿线高后果区由5%增加至15%，外部环境复杂多样，安全风险日益增加。随着长输管道逐渐向大口径、高压力、高钢级方向发展，中国高钢级管道占全世界高钢级管道总量50%以上。目前，高钢级管道失效机理尚不明确，现有检测技术装备对环焊缝缺陷检出率、识别准确率及量化水平不高，加之管道附加应力的影响，管道失效风险识别与防控技术仍存在技术瓶颈。长输管道运输介质具有高压力、易燃、易爆的特性，中国长输管道沿线人口密集，生态环境脆弱，高后果区普遍存在，公共安全风险大。针对大口径、高压力、高钢级管道的失效模型及产生火灾、爆炸等衍生灾害的危害形式和影响区域需要进一步开展系统研究。智能传感、多源数据融合等技术与管道运输系统的融合程度较低，影响了管道运输系统的运行可靠性、预见性和主动性，导致管道运输系统韧性不足，应对特殊、突发情况的能力不强。

4 现代管道运输系统发展建议与重点任务

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4.1 发展建议

打造高质量现代管道运输系统对于建设清洁、低碳、安全、高效的新型能源体系具有重要意义。面向国家能源安全战略需求，以提供更可靠、更灵活、更融合的能源为目标，亟须从以下4方面发展现代管道运输系统。

1）重构多介质输运、多能协同理念，建设现代管道运输系统新体系

利用已有的天然气管网和储气库基础设施，构建二氧化碳、氢能与油气资源联合管输的新型能源储运体系；加快形成国家氢能、二氧化碳发展顶层设计思路，从战略高度设计和完善二氧化碳、氢能管道产业集群规划布局，推进风-光-电-氢大基地建设；探索建立管网与电网、热能网络、新能源网络“源-网-荷-储”一体化响应协同机制，开发面向能源互联的管网智能平台，建立数字化、智能化、平台化技术体系，通过“多能融合”全面提升国家能源安全水平。

2）发挥“全国一张网”联通纽带优势，打造统一高效的国家能源数据平台

发挥油气管网在“X+1+X ”上下游全链条端到端联通纽带优势，建设全国油气资源交易数据平台，拓展油气能源大数据采集范围，统筹管道、道路、轨道、水路等油气资源配送，打通政府部门、企事业单位之间的数据壁垒，促进各类数据资源整合，提升能源统计、分析、预测等业务的时效性和准确度，高质量推动数据价值释放。坚持规划和标准先行，建立各能源行业全产业链数据共享机制，编制跨能源行业数据标准，构建油气大数据服务应用的新模式、新业态，建设能源互联网大数据体系及监管平台，实现多种能源数据的集成共享和有效监管。

3）推动新技术与管道运输系统融合应用，提高系统数字化与智能化水平

面向油气管网全业务流程和全资产对象，从顶层设计入手构建现代管道运输系统与新技术融合的体系架构。建成油气流、数据流、信息流互联互通的现代管道运输系统，构建管网数字孪生体，精准映射、同生共长，实现虚拟管网与物理管网数字信息协同、感知控制协同、知识智能协同，构建以知识图谱为基础的管网知识体系，开发适用于多源场景的模（型）数（据）双引擎驱动的分析模型，形成管网智慧大脑，提升人机对话水平，实现系统运行过程的自主决策和自适应控制，以及以数据和知识为核心的数字化、智能化和平台化管理。

4）开展安全运维与应急技术研发，提高现代管道运输系统韧性和主动性

现代管道运输系统运行环境异常复杂，安全可靠运行是首要任务。以数字化转型、智能化升级为路径，开展顶层设计，增强管道运输系统的可视化、智能化程度，探索复杂环境作用下管道运输系统韧性演化规律，围绕管道-环境、管道-介质、管道本体，提升全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化能力，实现管网韧性及应对突发事件能力的全面提升。结合中国油气体制机制改革和安全生产实际需求，统筹考虑资源优化布局，构建形成“区域国家级应急救援基地+社会力量依托+企业应急队伍”覆盖全国管道运输系统的应力救援力量。

4.2 重点任务

1）现代管道运输系统多介质灵活输运与智能化高效利用

研究纯氢/掺氢天然气管道运输技术、超临界/密相二氧化碳运输技术；研究原油、成品油与醇、氨等化工产品互溶介质间紊流传质规律、多介质顺序输运质量控制等理论技术；研究适合于多种介质融合输运的智慧管网理论与技术体系，建设具备泛在感知、数字孪生、知识系统、智能决策能力的智慧管网系统；研究多能融合的管道运输系统，实现能源运输格局的重塑与升级，实现能量流、信息流、物质流互补融合。

2）极端条件下管道运输系统韧性增强与应急保障

研究多尺度时间-空间-参量的管网运输系统数据感知与融合、管网运输多维多尺度建模-仿真-验证-快速求解、复杂管网系统在线仿真与智能调控；研究基于管网运输系统可靠性的全域全时段多目标优化、量化评估与增强；研究基于分子工程的化学改性、电-磁场等物理改性及多种方法协同的流动改性技术，实现10%~150%设计输量范围内的高效超弹性运输。研究天然气管道减阻增输机理、超分子自组装构筑有序减阻层、生物纳米减阻材料，实现30%以上减阻增输。研究自然灾害、国际封锁、恐怖袭击等极端条件下的管网运输系统的应急决策支持与保障技术。

3）知识驱动的管网运输系统大模型开发与应用

研究管道运输系统大模型技术框架与实施路径、管网多模态智能化基座构建等理论技术，系统构建管网多模态大模型；研究基于流体仿真技术和管网工控网络底座的智能调度运行模型及决策控制技术；研究基于本体和环境物联传感技术和资产完整性系统网络底座的大模型与保障技术；研究基于多源信息服务平台的情报分析与决策支持系统。实现管网业务场景下人工智能应用的高效开发与大规模部署，为现代管道运输系统“智慧大脑”提供核心模型支撑。

4）管道综合交通网络构建与高效运行

研究多运输网络融合下的多联运主体动态博弈规律、产运储销全链条协同的管道联运网络规划设计、管道联运方多维度评价与运价体系、终端需求驱动的管道联运全流程调度优化等理论技术，实现管道与水路、道路、轨道等多种交通网络的协同运输；研究管网-电网-新能源耦合新工艺、电网-管网综合仿真、综合能源系统可靠性评价、需求侧柔性负荷管理等理论技术，实现管网与电网、热能网、新能源网一体化协同输配。通过构建管道综合交通网络，提升综合运输效率，促进节能减排降碳。

5 结束语

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深入推进长输管道高质量发展是国家能源安全新战略的重要组成部分。长输管道在新能源产业发展中仍将发挥重要载体作用，是能源安全的生命线。在新的发展形势下，管道运输系统管理对象由管道向管网、能量平台转变，运输介质由油气向能源、多源多态物质流、信息流转变。随着人工智能、大数据等新一代信息技术的快速发展，管道运输系统需要实现从被动安全管理到主动安全可控转变、从单一介质输运到多介质高效灵活输运转变、从相对独立运行到开放多能协同转变，在多介质输运、多能协同的理念下，创新建立现代管道运输系统，引领管道行业高质量发展。

基金

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国家重点研发计划(2022YFB3207600)

参考文献

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文献

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2024年第3卷第2期

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doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.02.001

接收时间：2024-01-13
出版时间：2024-06-20
发布时间：2024-06-26

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收稿日期：2024-01-13
修回日期：2024-03-28

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国家重点研发计划(2022YFB3207600)

作者信息

1.国家石油天然气管网集团有限公司科学技术研究总院分公司，天津 300450

2.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249

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表12种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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