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(shí)，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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間，以指導(dǎo)管線的維護(hù)；或者根據(jù)維護(hù)時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，E為0.8～0.9；當(dāng)管線公稱直徑大于0.800 m時(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，為簡化結(jié)果，假定其中一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)限值，當(dāng)在此限值以下增加時(shí)，管線儲氣量增加，當(dāng)超過這個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)，pmmax增加(Z1減小)→計(jì)算管段儲氣量(VT)增加，同時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，其壓縮因子有拐點(diǎn)(最小值)，故在分析趨勢時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)間有要求，可以通過減少計(jì)算流量，增加天然氣供氣時(shí)間，同時(shí)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。