天然氣輸氣管線儲氣量的影響因素

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 李軍輝

1 輸氣管線儲氣量的概念及意義

天然氣作為清潔能源，在國內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，其輸送主要通過管道輸送至用戶。在相同條件下，天然氣高壓管道輸送時，由于其管內(nèi)流速小，阻力降小，從而更節(jié)省能耗。

輸氣管線在設(shè)計(jì)時按照最大輸氣量設(shè)計(jì)，即輸氣管線操作流量是低于其設(shè)計(jì)最大設(shè)計(jì)流量(Qd)。當(dāng)輸氣管線上游的供氣量大于下游消耗量，管線操作壓力將逐漸上升，直至上游最高操作壓力，實(shí)現(xiàn)輸氣管線的儲氣過程；當(dāng)上游的供氣量小于下游消耗量，管線操作壓力將逐漸降，直至下游壓力到達(dá)最低操作壓力，實(shí)現(xiàn)輸氣管線的消耗過程。

為說明計(jì)算管段的儲氣能力，首先需說明兩個概念，在輸氣管線上游天然氣停止供氣(或小于操作流量的速率供氣)(如輸氣管線設(shè)備故障)，同時保持以某一固定流量向下游輸出，直至下游管線壓力管線降至最低要求壓力，所能提供天然氣量稱之為計(jì)算管段儲氣量(VT)；而自輸氣管線停止供氣(或小于操作流量的速率供氣)開始，直至計(jì)算輸氣管線壓力全部降至下游要求的最低壓力時所能提供的天然氣的總量則稱之為極端儲氣量(V極端)。極端儲氣量是理論上輸氣管線所能提供天然氣的最大量。

輸氣管線的儲氣量在項(xiàng)目不同階段有著不同的意義和作用:在管線輸氣在設(shè)計(jì)及建設(shè)階段，通過選擇合理的管徑、長度、設(shè)計(jì)壓力等，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省投資；在管線投用后通過不同操作壓力、溫度、流量的選擇，以優(yōu)化操作(如通過設(shè)備的啟停，實(shí)現(xiàn)上游輸氣量的階梯狀外輸)；當(dāng)管線發(fā)生故障(如某點(diǎn)故障后停止對下游供氣)，根據(jù)計(jì)算的管線儲氣量，計(jì)算輸氣管線故障情況下，下游不間斷輸出的時間，以指導(dǎo)管線的維護(hù)；或者根據(jù)維護(hù)時間及輸氣管線的儲氣量計(jì)算出輸氣管線故障后，在規(guī)定的維護(hù)時間內(nèi)可以提供的最大平均輸氣速率；通過對天然氣儲氣量的分析進(jìn)行氣量平衡，實(shí)現(xiàn)天然氣調(diào)峰等等。

2 管線儲氣量計(jì)算方法

對于已運(yùn)行的輸氣管線，輸氣管線上游壓力及下游壓力、輸送天然氣組分、輸送溫度、管線參數(shù)(長度、管徑效率系數(shù)等)是已知的，可以根據(jù)這些已知的參數(shù)套用相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算最大允許通過的流量；當(dāng)管線設(shè)計(jì)時，則根據(jù)已知參數(shù)，將相應(yīng)公式變形即可計(jì)算相應(yīng)的未知量。下面就計(jì)算過程進(jìn)行說明:

根據(jù)已知的上游壓力(pQ)及下游壓力(pZ)，計(jì)算管線允許的最大輸氣量，以判斷是否允許操作的流量范圍，計(jì)算公式可以根據(jù)計(jì)算條件選擇威莫斯公式、潘漢德爾A式、潘漢德爾B式(也叫潘漢德爾修正式)、前蘇聯(lián)公式等；對于大管徑的計(jì)算推薦采用潘漢德爾B式進(jìn)行計(jì)算。

式中:Qv──氣體(0.101325MPa(a)，溫度293.15 K)的流量，m3/d；

E──輸氣管線的效率系數(shù)(當(dāng)管線公稱直徑在0.300～0.800 m時，E為0.8～0.9；當(dāng)管線公稱直徑大于0.800 m時，E為0.91～0.94)；

D──管線內(nèi)徑，cm；

pQ──管線上游壓力，MPa；

pZ──管線下游壓力，MPa；

Z──天然氣壓縮因子；

Δ──天然氣的相對密度；

T──天然氣溫度，K；

L──輸氣管線計(jì)算管段的長度，km。對于公式中的溫度，為了簡化過程，采用輸氣管線的平均溫度進(jìn)行計(jì)算。

天然氣壓縮因子Z的計(jì)算根據(jù)AGA8-92DC進(jìn)行計(jì)算；

接下來根據(jù)輸入條件及AGA8-92DC計(jì)算壓縮因子，在計(jì)算壓縮因子前，需要首先確定天然氣組分、輸送溫度、壓力，前兩者已知，對于壓力，輸氣管停止輸氣時，高壓段的氣體逐漸流向低壓端，起點(diǎn)壓力逐漸下降，終點(diǎn)壓力逐漸上升，最后全線達(dá)到某一壓力值，即平均壓力；沿管線任一點(diǎn)的壓力px可由下式計(jì)算:

式中:px──距離起點(diǎn)x(km)處的壓力，MPa；pQ──起點(diǎn)壓力，MPa；pZ──終點(diǎn)壓力，MPa；x──距離起點(diǎn)距離，km；L──管線長度，km。

根據(jù)px可以推導(dǎo)出在計(jì)算輸氣量下，管線內(nèi)平均壓力pm:

根據(jù)pm及其他已知條件，由AGA8-92DC可計(jì)算此時的壓縮因子。

根據(jù)已知條件及壓縮因子，用公式(1)可計(jì)算當(dāng)起點(diǎn)最大壓力、終點(diǎn)最小壓力時，管線允許通過的最大輸送量QVmax(此處的QVmax并非管線設(shè)計(jì)流量Qd，僅指在計(jì)算壓力等條件下，輸氣管線所能提供的最大輸送量)，將QVmax與計(jì)算流量Qv比較，當(dāng)前者大于后者，即可判斷在此情況下管線有儲氣能力，具備天然氣調(diào)峰的前提條件；換句話說，只有選擇的計(jì)算流量小于最大輸送量QVmax時，計(jì)算管段才具有儲氣量VT。

按已知起點(diǎn)壓力或終點(diǎn)壓力，反算在流量Qv下的所需要起點(diǎn)壓力或終點(diǎn)壓力，并根據(jù)公式(3)分別計(jì)算兩種狀態(tài)下平均壓力pmmax及pmmin，根據(jù)兩種狀態(tài)下的平均壓力計(jì)算管線儲氣量VT:

式中:VT──計(jì)算管段儲氣量，m3；

V──管線容積，m3；

Tb、pb──分別為基準(zhǔn)狀況的溫度和壓力(293.15 K，0.101325 MPa)；

T──溫度，K；

pmmax及pmmin──分別為計(jì)算管段的最高和最低平均壓力(絕對壓力)，MPa；

Z1、Z2──分別對應(yīng)pmmax及pmmin條件下的壓縮因子。

根據(jù)公式(4)，當(dāng)要求的固定輸出流量為0時，公式中的最高平均壓力及最低平均壓力可認(rèn)為是最高操作壓力和最低操作壓力，Z1、Z2分別對應(yīng)此條件下的壓縮因子，則此時管線儲氣量即為極端儲氣量(V極端):

3 管線儲氣量影響因素分析

根據(jù)以上輸氣管線儲氣量計(jì)算過程，對影響管線輸氣量的因素進(jìn)行定性分析如下:

天然氣組分對壓縮因子及相對密度均有影響，在一般輸氣操作中，天然氣的組分相對固定，所以，在本文中僅按固定組分進(jìn)行分析。在分析儲氣量影響因素時，為簡化結(jié)果，假定其中一個參數(shù)變化，其它與此不相關(guān)的參數(shù)保持不變。

3.1 管線內(nèi)徑D變化和管線長度變化

根據(jù)公式(5)管線內(nèi)徑增加→管線容積增加→極端儲氣量增加；同時根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)，管線內(nèi)徑增加，在輸送同等量天然氣阻力降下降→pmmax增加(Z1減小)→pmmin減小(Z2增加)→計(jì)算管段儲氣量(VT)增加，同時極端儲氣量(V極端)也增加。

同樣根據(jù)公式(5)，管線長度增加→管線容積增加；同時由于管線長度增加引起管線阻力降增加→pmmax減小(Z1減小)→pmmin減小(Z2增加)。

綜合以上兩點(diǎn)，當(dāng)管線長度有1個限值，當(dāng)在此限值以下增加時，管線儲氣量增加，當(dāng)超過這個限值繼續(xù)增加，管線儲氣量將減少直至為0。求取輸氣管線長度L特定值方法是，將已知的壓力溫度等條件代入公式(1)，通過公式變形即可計(jì)算出此時輸氣管線長度L。

3.2 輸氣溫度T變化

根據(jù)公式(5)輸氣溫度降低→極端儲氣量增加；根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)，輸氣溫度降低，在輸送同等量天然氣阻力降下降→pmmax增加(Z1減小)→pmmin減小(Z2增加)→計(jì)算管段儲氣量(VT)增加，同時極端儲氣量(V極端)也增加。

3.3 操作壓力p變化

根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)當(dāng)提高起點(diǎn)操作壓力時，pmmax增加(Z1減小)→計(jì)算管段儲氣量(VT)增加，同時極端儲氣量(V極端)也增加；降低終點(diǎn)的操作壓力也能有相似結(jié)果，但一般操作壓力受是受限制的，故而變化范圍只能控制在受限范圍內(nèi)。

3.4 操作流量Qv變化

當(dāng)操作流量減小時，pmmax增加(Z1減小)→pmmin減小(Z2增加)→計(jì)算管段儲氣量(VT)增加，但極端儲氣量(V極端)不受操作流量的影響，保持不變。

4 計(jì)算實(shí)例

為了更直觀的了解其中的關(guān)系，下面通過實(shí)例計(jì)算來進(jìn)行定量說明:某管線項(xiàng)目在正常操作時，其管線起點(diǎn)天然氣供氣中斷，在此情況下根據(jù)不同操作工況下的已知參數(shù)，對天然氣儲氣量進(jìn)行計(jì)算分析，相關(guān)參數(shù)及計(jì)算方法如下:

分析管段的天然氣組成見表1。

表1 分析管段天然氣組分

計(jì)算輸入?yún)?shù)見表2(其中Zm表示根據(jù)AGA8-DC92計(jì)算在各工況平均溫度、平均壓力(pm)下的壓縮因子)。

表2 計(jì)算輸入?yún)?shù)

根據(jù)表1及表2數(shù)據(jù)計(jì)算平均壓力、平均溫度，然后可計(jì)算此條件下的天然氣壓縮因子Zm(計(jì)算結(jié)果見表3)。

根據(jù)表3的Zm及其它數(shù)據(jù)輸入，按照公式(1)計(jì)算得到最大輸送量大于計(jì)算日流量(見表3)，由此判斷管線具有儲氣能力。

根據(jù)表2最大輸氣壓力、最小輸氣壓力，并按公式(1)計(jì)算最大起點(diǎn)壓力pQmax或最小終點(diǎn)壓力pZmin(計(jì)算結(jié)果見表3)。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)按照公式(3)可分別計(jì)算出最大平均壓力pmmax和最小平均壓力pmmin(計(jì)算結(jié)果見表3)。

在進(jìn)行儲氣量計(jì)算的最終一步，分別計(jì)算(在各工況溫度，最大平均壓力和最小平均壓力下)壓縮因子，根據(jù)AGA8-92DC提供的方法計(jì)算壓縮因子；當(dāng)需要精度不高時，可以采用查圖或者其它計(jì)算壓縮因子的方法計(jì)算(計(jì)算結(jié)果見表3)。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)輸入，計(jì)算各工況下計(jì)算管段的儲氣量，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各工況下計(jì)算管段的儲氣量

根據(jù)表2數(shù)據(jù)和表3計(jì)算結(jié)果可知:

(1)工況2與工況1相比，最大輸氣壓力較高、最小輸氣壓力較低、輸氣溫度較低，計(jì)算日流量較低，而管線長度不變，輸氣管線儲氣量VT增加0.7倍；極端儲氣量V極端增加近0.6倍。

(2)工況3與工況1相比，管線長度增加1.8倍，其它參數(shù)不變時，輸氣管線儲氣量VT增加0.7倍，極端儲氣量V極端增加近1.3倍，計(jì)算儲氣量及極端儲氣量增加的倍數(shù)均小于管線容積增加的倍數(shù)。

5 計(jì)算過程偏差分析

由于在計(jì)算過程中采用平均溫度，這為計(jì)算結(jié)果帶來了不確定度；

本文中采用的溫度、壓力條件均在天然氣的臨界值以上，需要說明的是:天然氣的溫度壓力均在臨界值時，其壓縮因子有拐點(diǎn)(最小值)，故在分析趨勢時，天然氣的溫度、壓力在臨界值以上或以下，壓縮因子或其他因素的變化趨勢是不同的。

6 結(jié)語及建議

根據(jù)以上分析及定量計(jì)算結(jié)果，有如下結(jié)論及建議:

增加管線內(nèi)徑、降低輸送溫度、提高起點(diǎn)壓力、降低終點(diǎn)壓力、降低設(shè)定的操作流量，均可以增加輸氣管線儲氣量；反之輸氣管線儲氣量將降低。

管線長度L在某一特定值以下增加時，輸氣管線計(jì)算儲氣量增加；當(dāng)超過這一特定值L繼續(xù)增加時，輸氣管線計(jì)算儲氣量將減少，直至為0(當(dāng)儲氣量為0時，對應(yīng)的流量為此管線設(shè)計(jì)最大流量)。

在管線設(shè)計(jì)中，通過對管線的內(nèi)徑、管線長度等參數(shù)進(jìn)行比選優(yōu)化，但一旦管線投用，管線的內(nèi)徑、管線長度等很難再發(fā)生改變，故這兩個參數(shù)在實(shí)際操作中，對管線氣量的調(diào)節(jié)有限；

在管線操作過程中，通過調(diào)節(jié)起點(diǎn)或終點(diǎn)的操作壓力、溫度(如降低或升高起點(diǎn)的輸出溫度、節(jié)流降溫或加熱），進(jìn)而達(dá)到天然氣調(diào)峰或其它目的；

對于操作流量，當(dāng)用戶在起點(diǎn)停止供氣期間對天然氣的供應(yīng)時間有要求，可以通過減少計(jì)算流量，增加天然氣供氣時間，同時輸氣管線儲氣量也增加；反之亦然。

綜上所述，在輸氣管線設(shè)計(jì)中選擇合適的參數(shù)，可以使輸氣管線操作、維護(hù)有較大的操作空間；在輸氣管線操作中通過天然氣壓力、流量、溫度等的調(diào)節(jié)，可以優(yōu)化操作、節(jié)省能量、氣量調(diào)節(jié)等；通過天然氣輸氣管線在不同條件下的儲氣量變化，可為天然氣調(diào)峰、輸氣管線的設(shè)備維護(hù)、操作提供指導(dǎo)意義。