王浩(中國石油天然氣管道工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110031)

0 引言

輸氣管道運(yùn)行壓力與分輸用戶用氣壓力相差較大，天然氣分輸站場需進(jìn)行調(diào)壓，調(diào)壓閥后會(huì)形成較大的節(jié)流溫降，導(dǎo)致閥后以及出站天然氣溫度過低，天然氣溫度過低會(huì)產(chǎn)生冰堵等諸多不利影響。所以，調(diào)壓前需加熱，天然氣分輸站場常用的加熱設(shè)備有電加熱器、水套爐、真空爐或熱水鍋爐等。加熱負(fù)荷選擇過大，造成投資浪費(fèi)，且存在設(shè)備運(yùn)行效率低、故障率偏高等問題。

1 我國北方用氣特點(diǎn)

天然氣用氣市場主要有城市燃?xì)?、天然氣發(fā)電、工業(yè)燃料和化工原料等類型。工業(yè)燃料和化工原料用氣市場相對穩(wěn)定，天然氣發(fā)電項(xiàng)目和城市燃?xì)庥脷饬颗c居民生活、公服、采暖、天然氣汽車、城市管網(wǎng)供氣的小工業(yè)用戶等各類用戶的季節(jié)性需求有較大關(guān)聯(lián)[1,2]。這些用量在用氣市場中的占比大，是導(dǎo)致北方用氣不均勻性的主要原因。以黑龍江省、河北省和山東省為例，其不均勻系數(shù)參考圖1。由圖1可知，以上三個(gè)典型北方大省冬季用氣不均勻系數(shù)明顯大于其他季節(jié)，其中12月份的用氣不均勻系數(shù)最大。

圖1 三省各行業(yè)月不均勻系數(shù)

2 我國北方地溫特點(diǎn)

我國北方最冷月一般為12月～次年2月，埋地天然氣管線管頂埋深一般為-1.2～-2.5m，表1為我國幾個(gè)北方城市地溫資料[3]，管道埋深處最冷月一般為1月～次年4月，說明管道埋深處地溫最低月份較環(huán)境最低溫月份有延遲。

結(jié)合北方天然氣用氣的變化特點(diǎn)來看，12月～次年1月是北方用氣的高峰月，用氣量最大；而管道埋深處地溫最低月一般為2月～3月。用氣高峰月地溫取值偏低是導(dǎo)致天然氣分輸站場設(shè)計(jì)加熱負(fù)荷普遍偏大的主要原因。所以，在北方天然氣管道設(shè)計(jì)過程中，考慮到用氣不均勻特點(diǎn)和管道埋深處地溫變化特點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，對加熱負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確性是十分必要的。

表1 我國幾個(gè)北方城市地溫表 單位：℃

3 加熱負(fù)荷優(yōu)化計(jì)算

本文以哈爾濱市某輸氣管道為例，進(jìn)行加熱負(fù)荷優(yōu)化分析。該管道長36km，管徑D457mm，設(shè)計(jì)壓力6.3MPa，設(shè)計(jì)年輸量9.82×108Nm3/a。采用首站加熱、計(jì)量調(diào)壓后分輸出站工藝，出站壓力P0為6.2MPa、出站溫度T0為0℃。哈爾濱市最大凍土深度-1.97m，管道管頂最小覆土深度為-2.0m。逐月不均勻系數(shù)如表2所示。

表2 月不均勻系數(shù)

3.1 原加熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)年輸量計(jì)算均月均日、高月均日和低月均日輸量，均月均日、冬季高峰月高月均日輸量和夏季低峰月低月均日輸氣量分別為280.6×104Nm3/d、544.3×104Nm3/d 和101.0×104Nm3/d。

進(jìn)站壓力、溫度計(jì)算。計(jì)算采用輸氣管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模擬軟件PIPELINE STUDIO 3.6版本。軟件中水力摩阻系數(shù)采用科爾布魯克(Colebrook)計(jì)算公式，管道內(nèi)壁粗糙度取30μm[4]，傳熱系數(shù)取1.75W/(m2℃)[5]，管道埋深處冬季平均地溫取1℃，夏季平均地溫取13℃，首站出站壓力P0為6.2MPa，出站溫度T0為0℃。計(jì)算采用工藝模擬軟件 HYSYS V10版本，狀態(tài)方程選擇PR方程，計(jì)算結(jié)果見表3所示，最大計(jì)算熱負(fù)荷為1357kW。

表3 原加熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果表

3.2 加熱負(fù)荷優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)原熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，高月均日熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于均月均日、低月均日熱負(fù)荷，優(yōu)化計(jì)算僅對12月～次年4月熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)年輸量計(jì)算逐月均日輸氣量見表4所示，管道沿線地溫取值見表5所示，其他計(jì)算參數(shù)與原計(jì)算選取參數(shù)相同，計(jì)算結(jié)果見表6所示。最大計(jì)算熱負(fù)荷為1125kW，較原計(jì)算負(fù)荷降低17.1%。

表4 逐月均日輸量表 單位：×104m3/d

表5 管道沿線地溫表 單位：℃

表6 熱負(fù)荷優(yōu)化計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)語

本文通過對北方城市供氣特點(diǎn)和地溫變化規(guī)律進(jìn)行分析證實(shí)，用氣高峰月地溫取值偏低是導(dǎo)致天然氣分輸站場設(shè)計(jì)加熱負(fù)荷普遍偏大的主要原因。通過逐月計(jì)算方式，可以對天然氣分輸站場加熱負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，案例說明可優(yōu)化負(fù)荷17.1%。降低加熱設(shè)備功率選型，能夠降低工程投資約28萬元。加熱設(shè)施長期低負(fù)荷運(yùn)行存在加熱效率低、故障率高等缺點(diǎn)，優(yōu)化加熱設(shè)施熱負(fù)荷，可在一定程度上解決以上問題，有利于生產(chǎn)單位維護(hù)、管理，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。