长输天然气管道工艺设计及调峰探讨.pdf

卷第 。期 ，， 天然气与石油 一 ] 摘要本文结合陡 甘宁 气田至 北京 输 气管道 I 程的设计 ， 针 对我 国 目前长输 天然 气管道供 气主要 对象转 变过 程 中在 管道 工 艺设 计方 面所遇 到 的一 些较 新 的 问 题 ， 就I 艺管道 系统的优化 构成 、 系统边界 条件 的合 理确定 、 束统优化设计 手段 ， 特别 是 城 盖 节 荽 _ 笺 计 易 懿 ， 主 题 词 鉴 塑 苎 塑 篁 遒王 苎 竺 旦 望 ， 前 言 我国天然气工业的发展具有较长 的历 史 ． 然而 国内目前称得上长输天然气管道的 数量仍屈指可数。近来随着陕甘宁等大气团 的发现和开发 ， 给我国长输天然气管道的发 展提供了良好的契机 ， 诸如陕廿宁气 田至北 京和西 安等 长输管道 的建 设必将谱 写我国长 输天然气管遒建 设的新篇 章。 我国在长输天然气管道工艺系统优化设 计和 长输 天然气 管道 设计 中 ， 如 何考虑 用 户 的实际用气需求方面与国外天然气工业发达 国家相比还存在一些差距。本文旨在结合对 陕甘宁气田至北京输气管道 以下简称陕一 京 管道 工程工艺设计方法、 结论及调峰的分析 和探讨， 在介绍陕一 京工程设计情况的同时， 提出一些 目前长输天然气管道工艺设计中的 新问题， 供大家探讨和其它工程设计中参考 拟建中的陕一 京管道作为连接气田和城 市 的纽 带 ， 全 长近 9 0 0 k in， 为我 国第 一条 高 压， 长距离、 大 口径 、 高度 自动化管理的输气 管道 ， 目前 已完 成工程的 可行性研 究 、 与德 国 P L E公 司 的联合 设计和 初步 设 计 ， 且 本 工程 可研报告已经中国国际咨询公司评估 。 随着我 国天然气 的主 要用途 由工业原料 向民用燃料的改变 ， 长输天然气管道的芏要 用户从 工矿企 业转 变为重 要城 市 ， 而 城 市用 气 中 民用气 占很 大 比例 ， 由于其 用气 具有 的 不 均匀性 特点 ， 给管 道工 艺设计 提 出了新 的 课题 。下面结合 陕一 京管道 的情况 ， 对如何正 确进行管道工艺设计 ， 确定合理 的管道系 统 ， 井对解决城市 不均 匀用气 的方法和设 想作 一 些探讨 。 管道工 艺设计探讨 1 ． 管道系统构成 陕- 京管道系统 由输气干线 靖边一 北京 约9 0 0 k a u 、 输气支线 琉璃河一 永清段 6 8 k m, 永 清一 沧 州段 1 2 1 k m 及 相 应 配套 系 统构成 ， 并将与管道系统有关的永清地下储气库一同 *向波 ． 工程师 ． ] 9 6 3年生I 1 9 8 4年毕业于西南石油学院油气储运专业 ． 现从事油气瞥道工程的设计工 作 ． 曾多次担任天 然气输气瞥道工程 项 目负责 人。地 址t 6 1 0 0 J 7 四川省成都市小关 庙后衡 。电话 O 2 8 6 7477 00． 维普资讯 2 示意 见图 l 。 天 然 气 与 石 油 翻l 管遭系统构成示意图 2 ． 管道 系统供用气边 界条 件 就陕 甘 宁气 田的供气 来 讲 ， 目前 设 计阶 段仍采用国内常用的恒压 ， 分期恒量供气方 式。 供给管道系统的天然气按气田产能规划， 供气 压力 为恒 压 d ， 5 MP a ， 供气量分三 个不同 时期分别为 1 1 l 0 ‘ m ／ a 、 1 5 l w i 。 ／ a和 2 0 l O 。 m。 ／ a 。 从管道系统供用户的气量来看 ， 其主要 用户北京市 的年用气 量与气 田供气量相 对应 分别为 7 1 0 m ／ a 、 1 0 1 0 。 m 和 1 5 1 0 m ／ a ， 其余气量则考虑恒量供给沧化等用户。 根据对北京市的用气构成情 分析 ， 其 民用气占很大比倒 约 6 O ． 用气量的波动 幅度较大 ， 主要 由三种不均 匀用气构成 一 是 时不均匀用气 f 二是 目不均 匀用气 ， 三是 月不 均匀用气 。 以 目前城市输配气 系统 来看 ， 日不 均匀用气可以考虑由城市已有和新建地面储 气设施 解决 I 根据北京市年平均 日小时用气 不均匀系数和月用气不均匀系数以及北京市 各规划期 内的年用气量 ， 可以计算出城市需 要的年平均 日调峰气量和季节调峰气量。见 表 1 。 从表中可以看出， 北京 市需要的季节调 峰气 量很 大 ， 用 管道 储气 无法予 以解决 。 然 而 从表中可知北京市需要的年平均 日调峰气量 则 相对较 小 ， 可 以考虑采 用世 界上通 用 且较 为经济 合理 的方式 ， 即利用 长输管道 束 段储 气予 以解决 。 因此 ， 本管道 工艺设计中 以满 足 北京市年平均 日调峰作为管道终点供气的边 界条 件 。 表 1 北京市需要谓峰气量表 管 蝻 气量 北京 市 年平 均 日 季 节 用气量 调峰气量 调峰气量 l 0 ‘ m ／ a 1 O ‘ m 0 ／ a 】 O m 】 0 ‘ J ” ’ 1l 7 41 ．7 83 60 l5 l0 50．6 48 00 2O 15 80． 72 00 3 ． 系统优化设计方法及结论 系统 优化设计 是 管道 工 程设 计的重 点 通过对管道 系统 的优化 一方面确定包括 系统 构成、 管径和 系统设计运行压力等在 内的最 忧管 道工 艺 系统 ， 另 一方 面 也为 工 艺站场 等 设计 提 供基础 参数 如 站场运 行 压力 、 流 星、 温度等 。 本管 道 系统 优化 设计 的前 提是 一方面 需满 足管 道三个 时 期的 设计输 量 的要求 ， 另 一 方面还需满足北京市年平均 日调峰 的需 要 I 目前 国内 在长输 天然 气管道 设计 中采用 管道储气解决城市的 日调峰尚属首次。本工 程工艺管道 系统 优化设计分 为可研和基本设 计 两个 阶段从不 同角度 、 运用 不同方法进行 ， 设计中分 别采用稳悉计算、 动态模拟和分析 比较以求获取最优的工艺管道系统。 在可行性研究 阶段采用稳 态计算分析方 法 ， 通过 对 d ． 4 MP a 、． 两 种 管 道系 统 设计压力和 , 、 6 3 M Pa l O mm O O m m、 d 7 1 l mm三 种 管径而构成的工艺管道系统方案韵计算， 并 采用传统的稳态方法近似计算管道末段储气 量 和 经 济 比 较， 推 荐 管 道 系 统 为t 管 径 6 0 mm； 管道设 计压 力 6 ． 3 MP a 。 在此应 指出 的是 当采 用稳态 方法 进行 管道 末段储 气 量 近 似 计 算 中， 若 管 道 束 段 长 度 较 长 对 b 6 6 O mm 管道 而言 ， 末段 长度 超过 6 0 0 k m左 右 ， 由于管道终点供气量变化的波动幅度向 上游的逐渐衰减， 会使本方法的计算误差随 之增大 ， 表现 为计 算 储气 量值 大于 管道 实 际 维普资讯 第 l 3卷第 2期 向波 ； 长输天然气管遭工艺设计及调峰探i 寸 3 储气能 力 。 在 基 本设 计 阶段 ， 采 用美 国 GR EG G 公 司 的输气 管道设 计 模拟软 件 ， 对 管道 系统 首 站加 压情 况下构成 的共 3 6种有 价值 的方 案 进行动态模拟。在动态模拟中将城市年平均 日用气 曲线 小 时不均匀 系数 作为管道 终点 供气 的边界 条件进 行设 定 ， 从 而通 过对 由城 市用气量的变化而导致 的管道沿线压 力变化 情 况进行 较为准 确 的模 拟计 算 每个工 况模 拟 计 算周 期 为 1 6 8 h ， 确定 出各种 管 径 方案 的起 点压 力等参 数 ， 并采 用净 现值法 对各 种 管径 、 压缩机组配置 、 管材等 构成 的方 案进行 投资 比较 。 推荐管道 系统 为 t 管径6 6 6 0 mm， 管 道起 点 最高 操 作压 力为 6 ． 2 7 MP a ， d 塞一 结 论 与可研结果一致 。 通过模拟计算， 准确确定管道系统的基 础 参数 。 鉴于本管道系统构成 的特点 ， 考虑 采 用整个管道系统更有效地对 北京 供气 调 日峰 的可能性 ， 在琉璃 河分 输站的功能设置 中 ． 具 备有正反输流量计量功能 这同时也是考虑 管道 系统检 漏的需要 ， 在北京末站设计 中考 虑 城 市季 节性 用气 量变 化情 况 下的处 理 需 要 。 本管道在基本设计阶段采用管道系统动 态 模拟软件对管道系 统进 行动态模 拟优化的 方 法是 目前 世界上普遍 采 用的输气管 道工艺 设计的先进手段。它具有计算准确、 信 息量 大、 可信程度高 ， 并能为管道系统设计提供准 确 设计参 数等特 点 ， 应该 说是我 国长输 天然 气管道优化设计努力发展的方 向。 城 市季节性调峰探讨 由于 北 京 市需 要 的 季节 性 调 峰气 量 很 大 ， 管道 储气无法解决 ， 然而在城市用气季节 性调 峰 问题 未获解 决的 情况 下 ， 一 方面会 影 响城 市 内用 户 的正常用 气 ， 城 市无 法接纳 予 定 的年 用气量 ， 同时也会 影响 管道 的正常 输 送 ， 另一方面 也会 对气 田生 产造 成不利 影响 。 因此 ， 城 市的季 节性 调峰亦 是本 系统工 程应 予 以考虑 的 问题 。 ． 从 世界 天然气 工 业现状 来看 ， 城市 季节 性调峰普遍 采用 地下储气库和 气 田生产量调 节来解决 。据资 料介绍地 下储气库 的建设周 期一般为 d ～8年 ， 作为本管道 系统 工程之一 的地下储气库拟在永 清附近利用华 北油田枯 竭气 田建设 ， 其 用途 一是 解决 北 京市 的季 节 调 峰 ， 二是 作为管 道 事故 状况 下 为城 市提 供 应急气源 使用。因此 ， 从 长远来讲 ， 北京 市的 季节性调 峰最 终 成托地下储 气库 解决 。 从 目前情 况来看 ， 地 下储气 库 的建设 需 进 步做工 作落 实 ． 加上地 下 储气库 的建 设 周期较 长 ， 难 以与气 田开发和 管道 建设 同 步 实施完 成 因此 ， 在 管道 系统 建成 的初期 供气 量 情 况下 ， 如何 采取适 宜措施 确保 管道 完成 予定输量 和城市的正常供气是 下面探讨 的内 容 。 在无地 下储气库 作为城市季节性 调峰的 初 期 ， 要 解决城 市的 季节性 用气变 化 问题 本 文 建议从 以下两方 面加以考虑 。 1 ． 工 业与民 用相 调剂的方式 本方式 利用工 业 用户 用气量 大 的特点 ， 采用工业缓 冲用 户在用气高峰 季节使用其它 燃 料 ． 以保证 民用气 的方 式解决 部分 季 节性 调峰气量 ． 本方法虽 是一 种常用的调峰手段 ， 但对工 业 用户来 讲存在 一些 问题 ， 同时 也 加 大 了城市 供配气 的难度 ， 而且 不利 于北 京 市 城市大气环境的改善 。 因此 ， 本文认为 书方法 仅适 于作为 一 种辅 助调峰手 段 ， 要解 决城 市 季节性调 峰这一难 题还需采取更加有效 的方 式 。 2 ． 利用气田生产量调节解决季节性调峰 的探讨 和 J 用气田生产量调节解决季节性调峰的 探讨仅限于管道投产初期， 即北京市用气量 为 7 X1 0 。 IT I ／ a的 阶段 ， 当城市用气量增 长后 采用叛建的地下储气库进行季节性调峰。 气 田调 季峰 的可能性 主要取决于两方 面 维普资讯 4 天 然 气 与 石 油 的因素 一是要求气田供气量随季节变化的 可 行性 ； 二 是管 道输送 能力 的适 应性 。据 统 计， 北京市季节用气变化即月用气不均匀 系 数 见表 2 。 衰 2月用气不 均 匀系数 衰 月份 用 气 系数 月份 用气系 数 1 1 ． 25 7 7 0 ． 8 30 2 1 ．061 8 0 ．8 87 3 l | 0 7 5 9 0 ． 9 22 d 0 ． 9 7 1 1 0 0 ． 9 6 5 5 仉 9 4 J 1 1 1 ． 04 8 6 仉 9 36 l 2 1 ．J0 7 总计 F 1 2 按 北京 市初期用气量 7 1 0 。 m ／ a时 ， 由 城市用气月不均匀系数可计算得出北京市月 气量变 化范围为 0 ． 4 8 4 2 1 0 。 m。 ～0 ． 7 3 3 3 1 0 。 ， 折算 为年气 量 即 为z 5 ． 8 1 1 0 。 ～ 8 ． 7 9 9 1 0 ‘ m ， 加 上初期 恒量 供其他 甩户的 气量 4 l O ‘ m ／ a ， 则 在考 虑北京市初 期用气 季节调蜂情况下的整个系统所需的天然气量 变化范围为 9 ． 8 l l 0 。 ～1 8 Xl 0 。 m。 ／ a 。 从管道输送能力来看 ， 通过模拟计算 ． 本 管道系统在气 田供气 压力 4 ． 5 M “]P a条件下， 甩管道储气解决北京市年平均 日调峰时的最 大输量可达 1 3 ． 2 X 1 0 l m ／ a 。 罔此 ， 管道输送 艟力 在初期可以在不增加 设备的前提下满足 季节性 凋峰条件下的气量输送。 从气 田方面来看 ， 陕甘宁气田地面开发 初步设计 按 3 0 X l 0 l ／ a规模一次规划设 计 ， 分两 个 时期 实 施 ， 一期 为 l 51 0 。 m。 ／ a 、 二 期为 l 5 1 0 。 m。 ／ a 。从 气 田资源和 产能来 讲 不仅具 有 解决 初期气 田调 峰的能 力 ， 而 且 从气 田远期开发的角度 ， 为解决初期城市季 节性 调 峰需 多打的 气井并 不会 造成浪 费 ， 而 是 提 前 投 入。若 按 目前 气 田平 均 单 井 定产 d 1 0 一 m ／ d 计 算 ， 则 初 期 需 打 调 峰 气 井 1 3 口 。 当然， 采用气 田生产量调节解决季节性 调 峰会增加 一些 气 田内部的建设 投资 和生产 成本， 增大一些气田开发和生产管理的难度 包括多打调峰井、 集输管线以及脱硫厂的相 应配套等 。但对城市而 言 ， 由于地下储 气库 建 设 肯定会迟 后 于输 气管道建 设 的现实 ， 在 初 期采 用气 田调 峰虽然是 一个新 课题 ， 然而 技术上是可行的 ， 应 该说是保障城市正常用 气 的较 好选择 ， 同时 也是 管道 企 业确保 管道 输送 任务 的完成 ， 实现较 好效益 的 较为现 实 可行 的方 法 。 采用气 田生产量调节解决季节性 调峰虽 然 国内还无 先例 ， 同时也 存在 一定难度 ， 但在 市场经济的杠杆作用下， 供需双方仍可协商 以求利益均衡。 本文认为在供气初期 ， 城市用 户还不具备解决季节性调峰手段的情况下 ， 充分利用长输天然气管道在初期输气时的富 余输气 能 力 ， 采 用气 田调季 峰应 是今 后气 田 开 发 和下 游 利用 工程 建 设 中 考虑 的发 展 方 向 。 ’ 收穑 E l 期 1 9 9 4 - I i l 5 维普资讯