天然气输配气系统运行优化分析与研究

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【摘要】随着人类经济活动与自然资源匮乏之间的矛盾日益激烈，我国现有的石油开采量已经难以支撑国家的快速发展。目前，我国已经探明的天然气储量超过200万亿立方米，与传统的石油资源相比，天然气资源具有多项优点，比如开采成本低、清洁、高效等。近年来，天然气资源在西方发达国家能源利用中的比重逐渐增加，部分国家甚至提出了以天然气代替石油产品的计划，天然气比例的增高可以有效缓解石油消耗的压力。天然气输配气系统是天然气最基本的运行设施，随着市场对天然气的消耗量逐渐加大，现有的天然气输配气系统已经难以满足使用需求。本文将深入研究我国天然气输配气系统的数学模型，并提出可行的优化方案，为我国天然气基础设施的建设提供参考。

【关键词】天然气；输配气系统；优化；模型；改进

近年来，我国天然气资源的开采量逐年增加，同时国家加快了国外天然气资源的引进，但现有天然气输配气系统的缺陷逐渐显露，现有天然气输配气系统的缺陷主要体现在两个方面，一是现有输送系统老化问题，我国天然气管道系统的使用年限较长，且管道的工作环境比较恶劣，受气候、传输介质等多方面影响，如果管理部门不能及时改善这些问题，可能导致管道泄露，甚至引发爆炸事故；二是随着市场对天然气的需求量增长，很多管道的输气量已经超出原有设计标准，管道负载能力难以到达正常使用标准，甚至影响用户的正常使用。以上两点是我国现有天然气输配气系统面临的主要问题，天然气输配气系统受多方面因素的影响，包括材料耐久性、地理环境、气候环境等，以温度为例，如果管道内的空气温度过低，会导致天然气中的水汽凝结。

1、项目背景介绍

本文以我国某地实际项目为研究对象，项目的基础设施包括中心控制站、各级战场、阀室以及各级管道等，该天然气已经探明的储气量超过996×108m3，该天然气田的实际包括了两座海上采气平台，海底管道管径为?529mm，海底管线的总长度超过100km，该天然气开采一期项目的采气量为16×108m3/a，其中50%用于某化肥厂专用，其余均用于沿线城市工业与民用，二期项目开采总量24×108m3/a。本项目研究的天然气输配气系统的管道主干线超过238km，各级用户支线超过33km。本天然气输配气系统包括了5个工艺战场、13座截断阀室以及1座控制中心，项目中的主干管路管径为?508mm，管道材质主要为X60，支线管道材质包括ERW、UOE等，主干线设计的压力位5.9MPa，各支线设计的压力不超过3.0MPa。天然气输配气系统的中心控制室以SCADA系统为主，且各个截断室分别设置一套RTU信息采集系统。

2、水力数学模型分析

通过对实际项目的各种数据进行综合分析，可以得到各条管线的用途、敷设方式等基本信息，其中，按照主要用途区别可以将天然气输配气系统的管路分为长距离输气管道、民用支线输气管道以及工业支线输气管道，通过对实际项目进行模拟可以得到本项目天然气输配气系统的数学模型，图1是本项目天然气输配气系统的数学模型。模型中qi表示各个进气支线的分气量，pi表示各个节点的压力，Li表示各个进分气点之间的距离，Di表示各条管道的管径，Qxi表示各段管路的流量。其中水力摩阻系数为

任意一段的输气管流量公式如下：，同时以BWRS模型对天然气输配气系统的各个参数进行模拟，模拟的参数包括天然气密度、天然气相对密度、天然气压缩因子、天然气黏度等。

3、水相聚集工况分析

天然气中的成分十分复杂，天然气中水蒸汽含量较高，天然气与水蒸汽的混合物被称为湿天然气，在一定条件下，天然气中的水蒸汽饱和度会随温度降低，当温度降低到水蒸汽饱和度时，天然气中就会有水滴析出，恰好使水蒸汽析出的温度称为露点。露点产生的液态水会对天然气输配气系统管道造成较大的损伤，甚至造成管道的化学腐蚀，如果液体水在较低温度下凝结，可能导致天然气输配气系统设备堵塞，直接影响设备系统的正常使用，同时对精密测量仪器造成不可修复的损伤。目前，关于水蒸汽气压公式的计算方式已经很多，包括Goff-Grattch饱和水汽压公式、克拉柏龙-克劳修斯方程、Wexler-Greenspan水汽压公式和饱和水汽压的简化公式等，可以综合以上模型得到露点公式：

4、项目储气与供气能力分析

上面已经对天然气输配气系统相关的数学模型进行分析，且对造成露点的因素进行量化评估，由数学模型可以得知，天然气输配气系统管道分气行为可能导致局部露点，加速管道设备的老化速度，如果天然气输配气系统出现泄露、失灵等故障，则需要立即采取应急措施，比如设备固定检修等，当上游天然气输配气系统出现故障后，下游设备继续使用，管路中的储气能力与用户的可用时间具有直接联系，因此在进行天然气输配气系统设计时，必须进行设备储气与供气能力设计。

4.1储气时间数学模型。通过对各个参数的量化分析，可以得到管道的流量数学模型：其中上一节点的压力位P1，，下一节点的压力位P2，因此可以得出数学模型：，本项目的首站供气压力为4.5MPa，首站的流量为15.09m3/s，经过以上数学模型可以得知，如果上线首站附近出现设备障碍，则天然气输配气系统管道中的储气量可以供应下游用户使用5.99h。

4.2供气时间影响分析。由上面的天然气输配气系统数学模型可以得到各段支线的管路压力，分别为5MPa、4.75MPa、4.5MPa、4MPa、3.75MPa、3.5MPa，每个供气站之间的压力差为0.25MPa，因此，两个供应站之间具备不同的缓冲供气能力，首站供气压力越高，对下游供气时间越短。简单的说，首站高压输气有利于下游用户使用，且可以为管路维修提供时间。在实际项目中，天然气输配气系统的输气与储气能力受多方面因素影响，包括气候环境、气温等，而且天然气输配气系统管理的耐压能力也直接影响则系统的储气能力，如果管路的耐压能力较差，管路长期处于高压情况下，会导致管路老化加速，甚至导致管路泄露。

5、天然气输配气系统改造。通过对现有的天然气输配气系统的数学分析可以看出，如果天然气输配气系统运行时间过长，天然气输配气系统管道内壁的腐蚀会增加管壁沿程阻力，致使管道的承压能力下降，除此之外，由于近年来天然气用户增加，导致气源动力与输送能力的要求更高，现有的天然气输配气系统已经难以满足设备的使用需求，因此，需要对现有的天然气输配气系统进行改造。根据以上数学分析可以看出，天然气输配气系统的改造主要分为三种方案：一是在天然气输配气系统的管道网络中增加压力站；二是在天然气输配气系统的各个节点之间增加副管；三是改进现有管道的管径。本次设计的项目总体长度较短，如果增设压力站，就会极大地增加设备成本与维护压力，根据实际经济效益可以忽略该种改进方案。

5.1增设副管方案。天然气输配气系统增设副管的方案比较符合实际要求，增设副管的方案如下：（1）已知各段管道的气源压力，利用管流数学模型计算出各个节点的压力；（2）判断各个节点的压力与节点管路最低工作压力之间的关系，如果节点管路的压力低于最低工作压力，则需要增设副管；（3）如果在某两个节点之间增设副管，则需要根据用户要求计算该节点的输出压力。天然气输配气系统的副管计算模型实质上属于典型的水力计算模型，由水力计算模型可以得到副管的流量、副管长度以及副管管径等。

5.2变径调整方案。如果天然气输配气系统的工况不变，且不增加气源动力，还可以通过改变管径的方式提高管道输送能力，改变管径方案与增设副管方案具有一定相似性，通过可行性分析可以得知，改变管径的施工方案更加简单。改变管径方案的具体步骤如下：（1）在气源压力已知的情况下，利用管流模型计算出各个节点的压力；（2）判断各个节点管路压力与用户最低使用压力之间的关系，如果管路压力低于最低使用压力，则需要改变该段管路的管径；（3）假设改变该段管路之间的管径，判断输出压力是否达到标准，由天然气输配气系统的管流模型可以计算需要改变的管径。

6、总结

本次研究的主要目标是通过对影响天然气输配气系统的因素进行量化评估，并建立详细的数学模型，将多种影响因素纳入研究模型，从而优化现有的天然气输配气系统。本文以实际项目为基础建立天然气输配气系统模型，充分掌控天然气管线的各项参数，对数学模型的基础上进行水力模拟，通过对不同输气量的定量分析，最大限度提升天然气输配气系统的储配气能力，最后在理论研究的基础上对现有的天然气输配气系统管道进行改造。本文的数学模型并未将天然气输配气系统管道沿线的极端天气纳入设计范围，主要研究了主干线的用气量，同时对传输介质腐蚀因素纳入考虑范围。改造后的天然气输配气系统可以最大限度提高天然气运载效率，希望本文的研究有利于我国天然气输配气系统的快速发展。

参考文献

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