蔣 慶

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司 教育技能中心，北京 100006)

天然氣在管道傳輸過(guò)程中，管道順序傳輸時(shí)壓力的大小會(huì)直接影響天然氣的輸送效果[1-2]。我國(guó)現(xiàn)有天然氣輸送管道[3-4]的管道壓力通常為10～12 MPa，壓氣站出口壓力通常為11.5 MPa，但是管道運(yùn)行時(shí)的輸送壓力值一直未能得到論證。依據(jù)相關(guān)研究結(jié)果可知，天然氣管道輸送壓力與管道設(shè)計(jì)壓力值越接近越有利。因此，對(duì)天然氣傳輸管道壓力特性展開(kāi)具體分析，不但能夠合理的確定天然氣預(yù)留裕量，還是規(guī)避管道運(yùn)輸故障的關(guān)鍵。

針對(duì)天然氣管道傳輸特性，徐海良等[5]建立了歐拉模型，分析管道中天然氣流速、氣相體積以及管道壓力損失梯度，獲取了管道的壓力損失規(guī)律，完成了管道傳輸壓力特性分析。程伯明等[6]通過(guò)對(duì)管道壓力的實(shí)施監(jiān)測(cè)，獲取管道壓力與填充工藝參數(shù)之間的關(guān)系，計(jì)算管道輸送時(shí)的絕對(duì)壓力值以及壓力降，從而獲取管道傳輸壓力特性。李宏泉等[7]基于管道應(yīng)力分布規(guī)律驗(yàn)證管道數(shù)值分析模型，依據(jù)模型驗(yàn)證結(jié)果獲取管道周邊壓力分布特征。

但是上述研究者在分析管道壓力特性時(shí)，未能通過(guò)建立的天然氣傳輸管道有限元模型對(duì)管道軸向壓力損失梯度特性展開(kāi)分析。因此，在上述幾種壓力特性研究方法的基礎(chǔ)上，提出外邊界條件下的天然氣管道順序輸送壓力特性研究。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，所提方法能夠精準(zhǔn)有效的完成天然氣管道輸送壓了特性分析。

1 建立天然氣輸送管道有限元模型

借助有限元軟件[8-9]建立天然氣輸送管道的有限元模型，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天然氣輸送管道有限元模型Fig.1 Finite element model of natural gas transmission pipeline

1.1 模型初始值設(shè)定

模型建立時(shí)，設(shè)定天然氣輸送管道的外邊徑長(zhǎng)度為508 mm，管道壁厚度7.9 mm，管道每根長(zhǎng)度15 m，管道密度設(shè)定8.5 g/cm2，管道鋼材最低屈服強(qiáng)度值設(shè)定340 MPa，彈性模量設(shè)定210 GPa，泊松比[10]設(shè)定0.3。天然氣管道有限元模型建立后，依據(jù)八節(jié)六面劃分形式，對(duì)模型實(shí)施劃分，管道兩端對(duì)稱(chēng)約束，內(nèi)壁施加壓力載荷，以此確定管道內(nèi)部的極限承壓內(nèi)壓值。

1.2 外邊界條件

根據(jù)上述建立的天然氣輸送管道有限元模型，確定天然氣輸送時(shí)的外邊界條件。天然氣在傳輸管道中外邊界條件主要指管道內(nèi)溫度與壓力之間的邊界條件。由于天然氣在輸送管道中的形成水合物邊界條件[11]存在一定范圍，具體邊界條件見(jiàn)表1。

表1 天然氣輸送管道外邊界條件參數(shù)Tab.1 Parameters of outer boundary conditions of natural gas transmission pipeline

2 天然氣管道順序輸送壓力特性分析

以某地天然氣輸送管道為例，選定該地天然氣輸送管道管道全線只有1座首站和1座末站，二者距離2 000 km，中間無(wú)任何分輸站，年輸送量340×105t，天然氣輸送時(shí)，氣溫變化會(huì)對(duì)特性分析結(jié)果產(chǎn)生影響，所以在對(duì)天然氣管道順序輸送壓力特性展開(kāi)分析[12]前，將天然氣輸送時(shí)間設(shè)定為同年3月至5月。待檢測(cè)管道如圖2所示。

圖2 天然氣傳輸管道Fig.2 Natural gas transmission pipeline

2.1 天然氣成分分析

在對(duì)天然氣展開(kāi)管道輸送壓力特性分析前，需要詳細(xì)了解天然氣的組成成分[13]。具體見(jiàn)表2。

表2 天然氣組成成分以及相關(guān)含量Tab.2 Composition and related content of natural gas

分析表2可知，天然氣主要成分為甲烷[14]，還含有少量得到乙烷、丁烷、戊烷[15]，以及極少量的氬、氦、氮、氧等元素。

2.2 不同管道直徑下輸送壓力模擬

測(cè)試的管道1直徑150 mm，管道2直徑350 mm，管道3直徑550 mm，管道4直徑600 mm。忽略氣體流動(dòng)過(guò)程中的局部壓力損失，天然氣管道順序輸送壓力云圖如圖3所示。

圖3 不同管道直徑下管道截面總壓云圖Fig.3 Total pressure cloud of pipe section under different pipe diameters

從圖3中可以看出，管道內(nèi)直徑越大，天然氣傳輸壓力越小，說(shuō)明天然氣管道壓力會(huì)隨著管道直徑的增加而有所緩解。

2.3 天然氣順序輸送時(shí)管道沿線壓力分析

在上述模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，獲取天然氣壓力輸送時(shí)沿線壓力變化情況，結(jié)果如圖4[16]所示。由圖4可知，管道輸送距離變大，會(huì)縮減天然氣的輸送壓力，壓力與輸送距離之間呈非線性規(guī)律變化。

2.4 天然氣輸送管道軸向壓力損失梯度分析

對(duì)天然氣輸送管道展開(kāi)壓力損失梯度[17]計(jì)算時(shí)，需要在固定輸送管段下，通過(guò)不同參數(shù)組合結(jié)果，計(jì)算天然氣管道的輸送三相流。設(shè)定天然管道管內(nèi)直徑為α、天然氣顆粒直徑描述成βm，顆粒體積標(biāo)記δs，流速描述成vl，氣相體積表述εg，氣泡直徑標(biāo)記Qg，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

在圖5中，管道1中，α=1 dm，δs=0.1，εg=0.05，vl=40 dm/s；在管道2中，α=1 dm，δs=0.1，εg=0.05，vl=30 dm/s ；管道3中，α=3.5 dm，δs=0.3，εg=0.22，vl=32 dm/s；管道4中，α=4.5 dm，δs=0.15，εg=0.06，vl=32 dm/s。

圖4 天然氣管道沿途輸送壓力變化情況Fig.4 Changes of natural gas transmission pressure along pipeline

圖5 天然氣輸送管道軸向壓力損失梯度測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of axial pressure loss gradient of natural gas transmission pipeline

依據(jù)天然氣管道壓力損失梯度值計(jì)算結(jié)果可知，任意一組組合參數(shù)，壓力損失梯度都是從天然氣管道入口處開(kāi)始下降，特別在管道軸向距離為2 m之前，壓力損失梯度幅值下降迅速，6～12 m時(shí)趨于平穩(wěn)狀態(tài)。通過(guò)分析可知，天然氣順序輸送過(guò)程中，管道入口壓力損失梯度值下降急速，主要是因?yàn)樘烊粴忸w粒進(jìn)入管道時(shí)受重力影響較大，導(dǎo)致天然氣顆粒流速降低，顆粒聚集在管道端口處，顆粒與顆粒之間出現(xiàn)碰撞，從而導(dǎo)致管道壓力損失變大。隨著天然氣的運(yùn)輸，天然氣固相顆粒體積降低，導(dǎo)致顆粒在徑向力作用下，顆粒距離平穩(wěn)，壓力減小，壓力梯度[18]逐漸穩(wěn)定。

2.5 流速對(duì)天然氣管道輸送壓力的影響

設(shè)定天然氣管道管徑為550 mm，測(cè)試該管道在不同工作情況下，管道壓力與天然氣流速[19]之間的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

圖6 天然氣流速對(duì)管道壓力的影響Fig.6 Influence of natural gas flow rate on pipeline pressure

圖6中，管道1、管道3以及管道5為管道內(nèi)天然氣固液2流，管道2、管道4、管道6為管道內(nèi)天然氣固液氣3相流。其中，管道2參數(shù)為βm=0.04 dm,δs=0.45,εg=0.05，Qg=0.1 dm；管道4參數(shù)為βm=0.03 dm,δs=0.35,εg=0.05，Qg=0.1 dm；管道6的參數(shù)分別為βm=0.02 dm,δs=0.20,εg=0.05，Qg=0.1 dm；而管道1、管道3、管道5的天然氣顆粒直徑分別為0.02、0.03、0.04 dm，顆粒體積分別為0.2、0.3、0.2 dm3。

依據(jù)圖5研究結(jié)果可知，天然氣垂直輸送時(shí)的天然氣流速大于天然氣顆粒的沉降速度。天然氣的固相顆粒對(duì)管道壓力的影響不及天然氣流速對(duì)管道壓力的影響。天然氣氣相對(duì)天然氣固相有減阻作用，這主要是因?yàn)樘烊粴庖匀嗔鏖_(kāi)展傳輸時(shí)[20]，會(huì)有少量氣泡夾雜在天然氣顆粒與管道內(nèi)壁之間，從而使天然氣黏度、管道內(nèi)壁切應(yīng)力以及內(nèi)摩擦阻力減小，從而降低傳輸壓力。

從圖5中能夠看出，獲取的曲線規(guī)律基本相同，管道傳輸天然氣時(shí)，管道壓力損失梯度會(huì)隨著天然氣的流速先降低再升高。并且中間存在最低值區(qū)間以及最佳速度區(qū)間。最佳速度區(qū)間的存在，說(shuō)明天然氣傳輸時(shí)的流速對(duì)管道壓力存在兩面性。天然氣流速小于最佳流速區(qū)間時(shí)，天然氣對(duì)傳輸管道的作用力明顯，天然氣顆粒與液體之間的滑移增加，會(huì)提升管道壓力損失梯度。顆粒傳輸速度較低時(shí)，固相下降明顯顆粒碰撞幾率增加，同樣會(huì)提升傳輸管道的壓力損失。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，外邊界影響下天然氣管道順序傳輸壓力特性研究結(jié)果如下。

(1)天然氣管道壓力會(huì)隨著傳輸距離的增大而有所減小。

(2)天然氣管道軸向壓力損失梯度會(huì)隨著傳輸距離的增加而趨近平緩。

(3)天然氣傳輸管道的壓力損失梯度會(huì)依據(jù)傳輸管道直徑的增加而有所降低，天然氣傳輸過(guò)程中，為縮減傳輸管道壓力損失梯度，會(huì)以水合物形式對(duì)天然氣實(shí)施傳輸。天然氣傳輸管道壓力損失梯度會(huì)隨著天然氣流速的增加而出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。