高壓燃?xì)夤艿垒敋饬坑嬎闾接?/h1>
2020-06-03 09:25:10邢春雷
綠色環(huán)保建材 2020年5期
邢春雷
德州市人防工程質(zhì)量監(jiān)督站
1 概述
近十年是國內(nèi)高壓天然氣管道建設(shè)的高峰期，山東地區(qū)隨著中石油泰青威管線、中石化濟(jì)青二線的逐步建成投產(chǎn)，下游有一批向城市供氣的高壓支線需建設(shè)，這些高壓管線設(shè)計需根據(jù)市場需求進(jìn)行水力計算，確定合理輸氣量及管線規(guī)格。通常，在計算的時候，人們會根據(jù)末端工況壓力以及流速這兩點(diǎn)作為計算依據(jù)。末端工況流速控制在20m/s以下，而末端壓力則以滿足用戶需求為原則來判斷，這些憑借經(jīng)驗收集上來的數(shù)據(jù)雖然可以作為人們分析的依據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)往往也會讓人們在分析時忽略輸送過程的狀態(tài)分析，從而造成計算數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。上述問題關(guān)鍵是管道流速，也就是工程中常見的高壓燃?xì)夤艿馈佰杖绷鲃蝇F(xiàn)象，“壅塞”在流體輸送工程中較為常見，比如城市高壓外環(huán)末端、門站調(diào)壓站高壓輸氣短管、CNG槽車加氣或卸氣過程等，這些問題已經(jīng)有相關(guān)學(xué)者做了大量的研究，文獻(xiàn)[1]從等溫、絕熱流動這兩點(diǎn)做了全面的分析，提出了在這兩種不同流動下計算燃?xì)夤艿懒髁康霓k法；文獻(xiàn)[2，3]分別對噴管內(nèi)氣體流動的壅塞現(xiàn)象、截面直管的氣粉流等方面做了解析。通過對相關(guān)資料的收集，當(dāng)前，我國對天然氣管道壅塞這一問題的研究還不夠充分。
2 壅塞流動現(xiàn)象
天然氣管道的壅塞流動是一種因傳遞受到阻礙而產(chǎn)生的現(xiàn)象，當(dāng)高壓輸氣管道兩端壓差很大的時候，伴隨著壓力的不斷下降，天然氣的流速會增大，發(fā)生膨脹，當(dāng)流速變大到聲速時就不會再繼續(xù)增加，而此時流量也不會再變大，這種時候就會產(chǎn)生壅塞[1]。
3 高壓燃?xì)夤艿垒敋饬坑嬎銛?shù)學(xué)模型
燃?xì)馐且环N可壓縮流體，一般情況下高壓燃?xì)夤艿纼?nèi)的燃?xì)饬鲃邮遣环€(wěn)定的，要想計算其水力情況就得先了解天然氣的運(yùn)動狀態(tài)。而用戶用氣量變化情況和上游壓送站運(yùn)行工況這些因素又直接影響了天然氣在管道內(nèi)的流動狀態(tài)。
根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》，設(shè)計壓力等于或高于2.5MPa的燃?xì)夤芫€，則采用《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》中的公式計算。因此，根據(jù)規(guī)范中的內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，起、終點(diǎn)高差不同，給出以下兩個計算公式：
（1）當(dāng)管道縱斷面高差≤200m 時，簡化后輸氣量計算公式為：
式中：
qv——流量，P0= 0.101325MPa，T=293K，單位，m3/d；
P1——計算管段起點(diǎn)壓力（絕壓，MPa）；
P2——計算管段終點(diǎn)壓力（絕壓，MPa）；
d——管道內(nèi)徑（cm）；
Z——?dú)怏w壓縮因子；
Δ——?dú)怏w相對密度；
T——管道內(nèi)平均氣體溫度（K）；
L——管道長度（m）。
E—— 輸氣管道效率系數(shù)（當(dāng)管道公稱直徑為DN300～DN800 時，E為0.8～0.9；當(dāng)管道公稱直徑大于800mm，E為0.91～0.94）。
（2）當(dāng)管道縱斷面高差大于200m 時，需要考慮輸氣管道縱斷面的相對高差影響時，簡化后輸氣量計算公式為：
式中：
α——系數(shù)（m-1）；
Ra——空氣的氣體常數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（P0=0.101325MPa，T=293K），Ra=287.1m2/(s2·K)；
Δh——計算段的終點(diǎn)和起點(diǎn)標(biāo)高差（m）；
n——分管段數(shù)；
hi——各分管段終點(diǎn)標(biāo)高（m）；
hi-1——各分管段起點(diǎn)標(biāo)高（m）；
Li——各分管段長度（km）；
g——重力加速度，g=9.81m/s2。
為了便于計算，本文以公式（2）為模型來計算。
4 輸氣量計算存在的問題及注意事項
在實(shí)踐過程中，在進(jìn)行城鎮(zhèn)高壓管線的水力計算時要按照公式（2）進(jìn)行，主要有以下幾個問題極易被忽視：
（1）一般而言，城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤芫€涉及的距離比較短，壓力較高；公式（2）通常會被作為長輸管線公式，但是，長輸管線具有壓降大、距離長等特點(diǎn)，這與城鎮(zhèn)管線的特點(diǎn)不符，因此，在計算時要特別注意。
（2）城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)的地理位置與長輸管線相比要復(fù)雜，進(jìn)而管道的輸送效率也會比較低。
通過以上分析，在短距離情況下，城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤芫€按規(guī)范選取的輸氣效率，可能會導(dǎo)致輸氣量計算結(jié)果不準(zhǔn)確，出現(xiàn)偏大的情況。
實(shí)例：一條在不考慮管道高程差的高壓A天然氣管線：起點(diǎn)壓力3.6MPa、鋼級L360、規(guī)格D406.4×7.1、長約10km，以此計算其輸送能力。
根據(jù)以上公式（2）：
當(dāng)輸氣效率E的取值為0.8 時，得出qv為19.7×104Nm3/h，末端壓力是3.0MPa，末端最大流速是14.62m/s。根據(jù)以往的經(jīng)驗來看，計算的終端壓力較大且裕量也較高，終端流速也平穩(wěn)適中時，普遍會被認(rèn)為計算結(jié)果可靠。但如果忽略了核算末端的標(biāo)況流速時，就不符合工程的熱力學(xué)原理。
當(dāng)在管道末端燃?xì)膺€沒有出現(xiàn)壅塞流動現(xiàn)狀時，但此時標(biāo)況流速已超過聲速，這時在利用公式（2），根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗計算時要注意以下幾點(diǎn)：
當(dāng)門站調(diào)壓站內(nèi)的高壓管線在500m 以內(nèi)時，在利用公式（2）計算水力時，要充分考慮其壓降小、距離短的因素，選取聲速的30%～50%，用以控制管內(nèi)的流速。
（1）當(dāng)工作壓力大于4.0MPa的高壓管線時，要考慮壓力對氣體的影響。
（2）對于距離較短的城鎮(zhèn)高壓管線，由于這些管線沿線需要避讓很多外界因素，此時就要根據(jù)管徑的實(shí)際大小，做好對末端流速的控制，合理選取輸氣效率。
5 結(jié)束語
通過以上相關(guān)資料的分析，可以看出，設(shè)計人員會根據(jù)末端壓力和流速兩個指標(biāo)來作為計算城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿垒敋饬康囊罁?jù)，但是，由于這種計算過程太過簡單，很容易造成結(jié)果不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。因此，為了獲得更加合理、準(zhǔn)確的計算結(jié)果，計算人員要在綜合考慮相關(guān)計算經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，一方面要在校準(zhǔn)核算流速后再合理選取輸氣量效率，另一方面要根據(jù)不同壓力工況，選取速值合理裕量。通過這種方式才能提高計算的準(zhǔn)確性。
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邢春雷
德州市人防工程質(zhì)量監(jiān)督站
1 概述
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2 壅塞流動現(xiàn)象
天然氣管道的壅塞流動是一種因傳遞受到阻礙而產(chǎn)生的現(xiàn)象，當(dāng)高壓輸氣管道兩端壓差很大的時候，伴隨著壓力的不斷下降，天然氣的流速會增大，發(fā)生膨脹，當(dāng)流速變大到聲速時就不會再繼續(xù)增加，而此時流量也不會再變大，這種時候就會產(chǎn)生壅塞[1]。
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燃?xì)馐且环N可壓縮流體，一般情況下高壓燃?xì)夤艿纼?nèi)的燃?xì)饬鲃邮遣环€(wěn)定的，要想計算其水力情況就得先了解天然氣的運(yùn)動狀態(tài)。而用戶用氣量變化情況和上游壓送站運(yùn)行工況這些因素又直接影響了天然氣在管道內(nèi)的流動狀態(tài)。
根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》，設(shè)計壓力等于或高于2.5MPa的燃?xì)夤芫€，則采用《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》中的公式計算。因此，根據(jù)規(guī)范中的內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，起、終點(diǎn)高差不同，給出以下兩個計算公式：
（1）當(dāng)管道縱斷面高差≤200m 時，簡化后輸氣量計算公式為：
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qv——流量，P0= 0.101325MPa，T=293K，單位，m3/d；
P1——計算管段起點(diǎn)壓力（絕壓，MPa）；
P2——計算管段終點(diǎn)壓力（絕壓，MPa）；
d——管道內(nèi)徑（cm）；
Z——?dú)怏w壓縮因子；
Δ——?dú)怏w相對密度；
T——管道內(nèi)平均氣體溫度（K）；
L——管道長度（m）。
E—— 輸氣管道效率系數(shù)（當(dāng)管道公稱直徑為DN300～DN800 時，E為0.8～0.9；當(dāng)管道公稱直徑大于800mm，E為0.91～0.94）。
（2）當(dāng)管道縱斷面高差大于200m 時，需要考慮輸氣管道縱斷面的相對高差影響時，簡化后輸氣量計算公式為：
式中：
α——系數(shù)（m-1）；
Ra——空氣的氣體常數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（P0=0.101325MPa，T=293K），Ra=287.1m2/(s2·K)；
Δh——計算段的終點(diǎn)和起點(diǎn)標(biāo)高差（m）；
n——分管段數(shù)；
hi——各分管段終點(diǎn)標(biāo)高（m）；
hi-1——各分管段起點(diǎn)標(biāo)高（m）；
Li——各分管段長度（km）；
g——重力加速度，g=9.81m/s2。
為了便于計算，本文以公式（2）為模型來計算。
4 輸氣量計算存在的問題及注意事項
在實(shí)踐過程中，在進(jìn)行城鎮(zhèn)高壓管線的水力計算時要按照公式（2）進(jìn)行，主要有以下幾個問題極易被忽視：
（1）一般而言，城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤芫€涉及的距離比較短，壓力較高；公式（2）通常會被作為長輸管線公式，但是，長輸管線具有壓降大、距離長等特點(diǎn)，這與城鎮(zhèn)管線的特點(diǎn)不符，因此，在計算時要特別注意。
（2）城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)的地理位置與長輸管線相比要復(fù)雜，進(jìn)而管道的輸送效率也會比較低。
通過以上分析，在短距離情況下，城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤芫€按規(guī)范選取的輸氣效率，可能會導(dǎo)致輸氣量計算結(jié)果不準(zhǔn)確，出現(xiàn)偏大的情況。
實(shí)例：一條在不考慮管道高程差的高壓A天然氣管線：起點(diǎn)壓力3.6MPa、鋼級L360、規(guī)格D406.4×7.1、長約10km，以此計算其輸送能力。
根據(jù)以上公式（2）：
當(dāng)輸氣效率E的取值為0.8 時，得出qv為19.7×104Nm3/h，末端壓力是3.0MPa，末端最大流速是14.62m/s。根據(jù)以往的經(jīng)驗來看，計算的終端壓力較大且裕量也較高，終端流速也平穩(wěn)適中時，普遍會被認(rèn)為計算結(jié)果可靠。但如果忽略了核算末端的標(biāo)況流速時，就不符合工程的熱力學(xué)原理。
當(dāng)在管道末端燃?xì)膺€沒有出現(xiàn)壅塞流動現(xiàn)狀時，但此時標(biāo)況流速已超過聲速，這時在利用公式（2），根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗計算時要注意以下幾點(diǎn)：
當(dāng)門站調(diào)壓站內(nèi)的高壓管線在500m 以內(nèi)時，在利用公式（2）計算水力時，要充分考慮其壓降小、距離短的因素，選取聲速的30%～50%，用以控制管內(nèi)的流速。
（1）當(dāng)工作壓力大于4.0MPa的高壓管線時，要考慮壓力對氣體的影響。
（2）對于距離較短的城鎮(zhèn)高壓管線，由于這些管線沿線需要避讓很多外界因素，此時就要根據(jù)管徑的實(shí)際大小，做好對末端流速的控制，合理選取輸氣效率。
5 結(jié)束語
通過以上相關(guān)資料的分析，可以看出，設(shè)計人員會根據(jù)末端壓力和流速兩個指標(biāo)來作為計算城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿垒敋饬康囊罁?jù)，但是，由于這種計算過程太過簡單，很容易造成結(jié)果不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。因此，為了獲得更加合理、準(zhǔn)確的計算結(jié)果，計算人員要在綜合考慮相關(guān)計算經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，一方面要在校準(zhǔn)核算流速后再合理選取輸氣量效率，另一方面要根據(jù)不同壓力工況，選取速值合理裕量。通過這種方式才能提高計算的準(zhǔn)確性。
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