摘要：通過(guò)水力計(jì)算軟件SPS對(duì)長(zhǎng)沙聯(lián)通工程進(jìn)行正反輸兩種工況的水力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了該工程的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)，很好地實(shí)現(xiàn)了理論計(jì)算與工程實(shí)際的結(jié)合。

關(guān)鍵詞：SPS;水力計(jì)算;天然氣;應(yīng)用

0? ? 引言

天然氣長(zhǎng)輸管道的水力計(jì)算是管道建設(shè)前的重要環(huán)節(jié)，只有通過(guò)水力計(jì)算得出準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)，才能保證管道建設(shè)滿足設(shè)計(jì)需求，同時(shí)管道又具有一定的經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道的水力計(jì)算工具應(yīng)用較多的為德國(guó)GL公司的SPS（Stoner Pipeliner Simulator），可根據(jù)不同的約束條件和邊界條件，計(jì)算長(zhǎng)輸管道的水力、熱力參數(shù)。該軟件自1997年引入中國(guó)后，被用于西氣東輸、蘭成渝、澀寧蘭、冀寧聯(lián)絡(luò)線、西二線、中緬、中亞、西三線西段/東段等多條大中型長(zhǎng)輸管道的工程設(shè)計(jì)。該軟件是國(guó)際上被廣泛認(rèn)同的長(zhǎng)輸管道水力、熱力計(jì)算軟件。

長(zhǎng)沙聯(lián)通工程是國(guó)家發(fā)改委2019年天然氣基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通重點(diǎn)工程，該工程通過(guò)新建約10 km天然氣長(zhǎng)輸管道，實(shí)現(xiàn)中石化新疆煤制氣管道與中石油潛湘支線、長(zhǎng)沙支線在湖南長(zhǎng)沙境內(nèi)互聯(lián)互通，從而提高管道運(yùn)行靈活性和安全性。長(zhǎng)沙聯(lián)通工程是兩湖地區(qū)連接干線管道和下游支線的重要工程，對(duì)于滿足下游市場(chǎng)需求和提高冬季保供能力具有重要意義。

在滿足設(shè)計(jì)輸量的前提下，通過(guò)對(duì)聯(lián)通工程進(jìn)行水力計(jì)算，得到長(zhǎng)輸管道計(jì)算管徑以及管線各節(jié)點(diǎn)的壓力、溫度等參數(shù)，是長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。本文以中石化新疆煤制氣管道接氣點(diǎn)壓力、溫度為設(shè)計(jì)初始參數(shù)，應(yīng)用SPS軟件對(duì)長(zhǎng)沙聯(lián)通工程在不同工況下進(jìn)行水力計(jì)算，確定了輸氣管道設(shè)計(jì)管徑以及管道末點(diǎn)安沙分輸清管站的設(shè)計(jì)壓力、溫度等參數(shù)，以此作為本工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)。另外，本工程存在反輸工況，通過(guò)對(duì)反輸工況的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了本工程設(shè)計(jì)管徑選取的合理性。最后，對(duì)本工程在不同壓力工況下最大輸量進(jìn)行了核算。

1? ? 流量、壓力的計(jì)算

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50251—2015）的規(guī)定，水力計(jì)算管道沿線高程相差不大。為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，考慮輸氣管道縱斷面高差的影響，水力計(jì)算公式選擇如下：

式中，qv為氣體流量（P0=0.101 325 MPa，T0=293 K）（m3/d）;P1為輸氣管道計(jì)算段的起點(diǎn)壓力（絕壓）（MPa）;P2為輸氣管道計(jì)算段的終點(diǎn)壓力（絕壓）（MPa）;α為系數(shù)（m-1），α=0.068 3（γ/ZT）;Δh為輸氣管道終點(diǎn)和起點(diǎn)的標(biāo)高差（m）;d為輸氣管道內(nèi)直徑（cm）;λ為水力摩阻系數(shù);Z為氣體壓縮因子;γ為氣體的相對(duì)密度;Tm為氣體平均溫度（K）;L為輸氣管道計(jì)算段長(zhǎng)度（km）;n為輸氣管道的計(jì)算段數(shù);hi、hi-1為各分管段終點(diǎn)和起點(diǎn)的標(biāo)高（m）;Li為各分管段長(zhǎng)度（km）。

水力摩阻系數(shù)采用Colebrook公式計(jì)算：

式中，k為管內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度（m）;d為管內(nèi)徑（m）;Re為雷諾數(shù)。

2? ? 沿線溫度計(jì)算

式中，tx為輸氣管道沿線任意點(diǎn)的氣體溫度（℃）;t0為輸氣管道埋深處的土壤溫度（℃）;t1為輸氣管道計(jì)算段起點(diǎn)的氣體溫度（℃）;e為自然對(duì)數(shù)底數(shù)，e=2.718;x為輸氣管道計(jì)算段起點(diǎn)至沿線任意點(diǎn)的長(zhǎng)度（km）;J為焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)（℃/MPa）;ΔPx為x長(zhǎng)度管段的壓降（MPa）。

式中，K為輸氣管道中氣體到土壤的總傳熱系數(shù)[W/（m2·℃）];D為輸氣管道外徑（m）;γ為氣體的相對(duì)密度;Cp為氣體的定壓比熱[J/（kg·℃）]。

3? ? 工況分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，管道起點(diǎn)干線運(yùn)行壓力為5.6～7.95 MPa，管道終點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行壓力為4.0～5.39 MPa。

（1）當(dāng)管道起點(diǎn)來(lái)氣至管道末點(diǎn)的壓力高于6.2 MPa時(shí)，來(lái)氣壓力調(diào)壓至6.2 MPa注入西三線長(zhǎng)沙支線及忠武線潛湘支線，這種情況下，中石化來(lái)氣越接近6.2 MPa，該工況越不利，工程上為簡(jiǎn)化分析，按照管道起點(diǎn)來(lái)氣壓力為6.3 MPa時(shí)進(jìn)行核算;

（2）原安沙分輸清管站與忠武線潛湘支線連接管徑為DN600及DN500，按照流速不高于15 m/s，滿足2 000×104 m3/d輸氣能力要求，最低要求分別為5.8 MPa和8.3 MPa;

（3）當(dāng)管道起點(diǎn)來(lái)氣壓力低于6.2 MPa時(shí)，按照管道起點(diǎn)來(lái)氣壓力為5.6 MPa注入西三線長(zhǎng)沙支線及忠武線潛湘支線，管道末點(diǎn)壓力按不低于現(xiàn)忠武線潛湘支線最高運(yùn)行壓力5.39 MPa計(jì)。

綜上所述，本工程管徑比選按照以下方案進(jìn)行：

（1）管道起點(diǎn)來(lái)氣分別為6.3 MPa，管道末點(diǎn)壓力不低于6.2 MPa;

（2）管道起點(diǎn)來(lái)氣分別為5.6 MPa，管道末點(diǎn)壓力不低于5.39 MPa。

根據(jù)以上分析，對(duì)上述方案進(jìn)行管徑比選。

（1）不利工況1：當(dāng)管道起點(diǎn)來(lái)氣壓力大于6.3 MPa時(shí)，為保證進(jìn)管道末點(diǎn)壓力大于6.2 MPa，在設(shè)計(jì)輸量工況條件下分別對(duì)輸氣管道管徑為D711 mm、D813 mm、D914 mm三種方案進(jìn)行計(jì)算比選。

由表1、圖1～3可知，D711 mm管徑方案在設(shè)計(jì)輸量工況下不能滿足輸送要求，D813 mm和DN914 mm管徑方案均能滿足本工程設(shè)計(jì)要求。

（2）不利工況2：當(dāng)管道起點(diǎn)來(lái)氣壓力低于5.6 MPa時(shí)，為保證管道末點(diǎn)壓力大于5.39 MPa，在設(shè)計(jì)輸量工況條件下分別對(duì)輸氣管道口徑為D711 mm、D813 mm、D914 mm三種方案進(jìn)行計(jì)算比選。

由表2、圖4～6可知，D711 mm管徑方案在設(shè)計(jì)輸量工況下不能滿足輸送要求，D813 mm和D914 mm管徑方案均能滿足本工程設(shè)計(jì)要求。

綜上分析，D813 mm與D914 mm管徑方案均能滿足本工程設(shè)計(jì)要求，但D813 mm管徑方案投資較低，故本工程推薦D813 mm管徑方案。

4? ? 反輸工況核算

本工程為互聯(lián)互通工程，存在反輸工況，即由安沙分輸清管站反輸給石潭村閥室。新疆煤制氣管道干線運(yùn)行壓力為5.6～7.95 MPa，西三中管道運(yùn)行壓力5.4～8.5 MPa。新疆煤制氣管道運(yùn)行壓力不低于5.6 MPa，西三中管道接氣壓力越接近5.6 MPa工況越不利，本工程選擇接氣壓力5.8 MPa，在設(shè)計(jì)輸量工況條件下對(duì)輸氣管道管徑進(jìn)行核算。

由表3、圖7可知，石潭村閥室進(jìn)站壓力5.64 MPa，大于5.6 MPa，同時(shí)管道流速7.23 m/s，小于15 m/s，滿足要求。

綜上所述，本工程選擇D813 mm作為設(shè)計(jì)管徑，在設(shè)計(jì)輸量2 000×104 m3/d的情況下，正反輸兩種工況均能滿足設(shè)計(jì)要求，因此，本工程選擇D813 mm管徑是合理的。

5? ? 最大輸氣能力分析

本文對(duì)新建管道年均溫度工況下最大輸氣能力分別按照正反輸兩種工況進(jìn)行了分析，在滿足管道始末端運(yùn)行參數(shù)的前提下，計(jì)算管道最大輸氣能力。

在正輸工況下，中石化管道起點(diǎn)接氣壓力為7.95 MPa、6.9 MPa，管道末點(diǎn)進(jìn)站壓力為6.2 MPa，該工況下年均溫度本工程最大輸量如表4所示。

中石化管道起點(diǎn)接氣壓力為6.2 MPa、5.6 MPa、管道末點(diǎn)進(jìn)站壓力為5.39 MPa，該工況下本工程年均溫度本工程最大輸量如表5所示。

由表5可知，本工程在極端工況，即管道起點(diǎn)壓力5.6 MPa、管道終點(diǎn)壓力5.39 MPa的情況下，管道最大輸氣能力為94.64×104 Nm3/h（2 271.36×104 Nm3/d），滿足本工程設(shè)計(jì)輸量2 000×104 Nm3/d的要求。

在反輸工況下，西三線管道—中石化管線反輸接氣壓力8.5 MPa、進(jìn)站壓力7.95 MPa以及接氣壓力6.2 MPa、進(jìn)站壓力5.6 MPa時(shí)年均溫度工況最大輸氣能力如表6所示。

由表6可知，本工程在極端工況下，即管道起點(diǎn)壓力6.2 MPa、管道終點(diǎn)壓力5.6 MPa情況下，管道最大輸氣能力為145×104 Nm3/h（3 480×104 Nm3/d），滿足本工程設(shè)計(jì)輸量2 000×104 Nm3/d的要求。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，應(yīng)用水力計(jì)算軟件SPS對(duì)本工程在不同工況下管徑進(jìn)行比選，選擇D813 mm作為聯(lián)通管徑，最低輸氣能力為2 271.36×104 Nm3/d，能夠滿足設(shè)計(jì)輸量2 000×104 Nm3/d的要求，因此選擇D813 mm管徑是合理的。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鄭鵬飛，夏妍，曹艷萍，等.關(guān)于長(zhǎng)輸天然氣管道水力計(jì)算的研究[J].化工管理，2015（6）：136.

[2] 葉學(xué)禮.天然氣放空管路水力計(jì)算[J].天然氣工業(yè)，1999（3）：77-81.

[3] 馬鈞.關(guān)于長(zhǎng)輸天然氣管道水力計(jì)算的分析[J].化工管理，2016（35）：180.

[4] 彭繼軍，楊昭，田貫三.高壓天然氣管網(wǎng)水力計(jì)算精度的研究[J].天然氣工業(yè)，2005（7）：96-98.

[5] 輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50251—2015[S].

收稿日期：2020-05-06

作者簡(jiǎn)介：李強(qiáng)（1980—），男，遼寧阜新人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：天然氣管道工藝設(shè)計(jì)。