天然氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)節(jié)能分析
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摘要：從管道輸送設(shè)計(jì)入手，通過(guò)工藝方案和設(shè)備的選擇來(lái)降低管道輸送能耗，指出用管道內(nèi)涂層來(lái)降低摩阻能耗，選擇高壓輸送來(lái)確定輸送工藝，在條件允許的情況下選擇合適的壓氣站壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，根據(jù)輸氣量的變化，合理選擇壓氣站的數(shù)量，通過(guò)不斷優(yōu)化輸氣工藝，優(yōu)選設(shè)備的方式，降低天然氣輸送過(guò)程中產(chǎn)生的能耗。
關(guān)鍵詞：天然氣；長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)；節(jié)能
天然氣管道輸送能耗可分為直接能耗和間接能耗。燃料消耗、燃?xì)庠谳斔瓦^(guò)程中與管道設(shè)備摩阻產(chǎn)生的能量消耗，壓縮機(jī)組在運(yùn)行的過(guò)程中消耗的燃料統(tǒng)稱為直接能耗。這種能耗能通過(guò)一定的方法來(lái)降低，比如優(yōu)化燃?xì)廨斔凸に嚒⒔档湍ψ?、降低壓降損失等方法，但不能完全消除。天然氣被無(wú)效地釋放，管線或者設(shè)備密閉不嚴(yán)導(dǎo)致天然氣泄漏統(tǒng)稱為間接能耗。如果管線、設(shè)備能做到完全密封，那么間接能耗是可以完全消除的，但在實(shí)際生產(chǎn)中很難做到管線、設(shè)備完全密封的狀態(tài)。就如何降低直接能耗、減少間接能耗，本文從長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)角度來(lái)分析。
1降低長(zhǎng)輸管道直接能耗
1.1確定輸送工藝方案
縱觀長(zhǎng)輸管道的發(fā)展歷程，高壓、長(zhǎng)距離、輸量大是當(dāng)今天然氣輸送管道技術(shù)的發(fā)展方向。通過(guò)高壓輸送天然氣，可以提高密度、降低流速、從而降低摩阻，提高輸送效率。同時(shí)，天然氣密度增加，可以增加天然氣的可壓縮性，進(jìn)而降低了壓縮能耗，壓縮效率提高，這樣，壓氣站就不需要很高的配置來(lái)提供大的能耗，只需要低配置的壓氣站來(lái)完成作業(yè)，節(jié)約了配置所需要的能耗。當(dāng)然，最終的輸送方案，包括管道設(shè)計(jì)壓力和管徑，需要由項(xiàng)目投資、運(yùn)行成本和綜合能耗來(lái)確定。通過(guò)對(duì)在不同的設(shè)計(jì)壓力下，對(duì)不同管徑的輸氣工藝進(jìn)行對(duì)比得出，在管進(jìn)不變的情況下，天然氣輸送壓力越低，綜合能耗越高；在壓力不變的情況下，管徑越小，綜合能耗越高。綜上所述，在長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)中，高壓力和大管徑可以有效降低能耗。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，管徑不能無(wú)限放大，壓力也不能無(wú)限增高，這就需要綜合考慮項(xiàng)目的綜合成本和綜合風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)能力和控制能力。有研究表明，當(dāng)天然氣輸送管道管徑越大，則當(dāng)管道發(fā)生爆炸事故后，爆炸破壞力影響的范圍就越大，影響范圍大小在數(shù)值上跟管徑大小成正比關(guān)系，與輸送壓力數(shù)值平方根成正比關(guān)系?？梢钥闯觯軓酱笮?duì)輸氣管道爆炸危害范圍的影響要明顯大于輸送壓力對(duì)爆炸危害范圍的影響，所以，管徑越大，所產(chǎn)生的爆炸安全隱患就越大。我們?cè)诖_定輸送方案的同時(shí)，既要考慮輸送效率和降低能耗，也要考慮輸送管道的安全性能和輸送過(guò)程中產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。
1.2降低摩阻
天然氣在輸送管道內(nèi)沿途產(chǎn)生的摩阻是產(chǎn)生能耗的重要組成部分。眾所周知，天然氣在管道內(nèi)流動(dòng)的流態(tài)對(duì)流體產(chǎn)生摩阻的大小有很重要的關(guān)系，但是還有一個(gè)很重的影響因素就是輸送管道內(nèi)壁的粗糙度。如果管道內(nèi)壁足夠光滑，則能有效減少摩阻消耗，從而減少壓縮機(jī)輸送功率和壓氣站數(shù)量。在日常生產(chǎn)中，管壁內(nèi)涂層可以有效降低管壁粗糙度，從而降低摩阻，降低輸送能耗。然而管道內(nèi)涂層必然要產(chǎn)生費(fèi)用，所以，在保證設(shè)計(jì)要求的前提下，可以綜合考慮采用內(nèi)涂層減少摩阻后，在其他設(shè)備或者性能的節(jié)省費(fèi)用與涂層產(chǎn)生的費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比分析，如果節(jié)省的費(fèi)用比涂層產(chǎn)生的費(fèi)用要低，則沒(méi)必要使用涂層技術(shù)；如果節(jié)省的費(fèi)用被涂層產(chǎn)生的費(fèi)用要高，則可以考慮用涂層技術(shù)或者考慮選擇何種涂層技術(shù)。有研究表明，采用管道內(nèi)涂層技術(shù)，可以有效提高輸送能力，提高輸送效率。伴隨著壓氣站數(shù)量的增加和輸送管道長(zhǎng)度的增加，有內(nèi)涂層的輸送管道在節(jié)能和提效方面就有更明顯的優(yōu)勢(shì)。在國(guó)外，采用內(nèi)涂層的輸氣管道在輸送天然氣過(guò)程中，可以增加5%~20%的輸氣量，同時(shí)，由于摩阻的減少，能有效減輕管道磨損程度，減少清理管道的次數(shù)，有效延長(zhǎng)管道的使用年限。
1.3優(yōu)選離心式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式
離心式壓縮機(jī)能提供大的計(jì)算功率，能滿足大的輸氣量的要求。所以，在天然氣長(zhǎng)距離管道輸送工程中，一般都選用離心式壓縮機(jī)。離心式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)是由原動(dòng)機(jī)提供的，原動(dòng)機(jī)一般有三種形式，即電動(dòng)機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)和汽輪機(jī)。汽輪機(jī)要正常工作，需要給其提供穩(wěn)定的氣源，但是，在實(shí)際工程項(xiàng)目中，長(zhǎng)距離天然氣管道一般都埋設(shè)在偏遠(yuǎn)地帶，這里人煙稀少，資源匱乏，很難提供持續(xù)供氣需要的供氣系統(tǒng)。所以，在長(zhǎng)距離輸送管道工程項(xiàng)目中，很少采用汽輪機(jī)作為離心式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式。電驅(qū)動(dòng)和燃?xì)怛?qū)動(dòng)相比，具有運(yùn)行簡(jiǎn)單、節(jié)省氣耗的特點(diǎn)，但是，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)也需要穩(wěn)定可靠的電網(wǎng)提供電能，而且還要考慮電能消耗和供水條件。天然氣是直接從地層開(kāi)采出來(lái)的自然能源，為一次能源，而電為消耗自然資源或者其他資源而產(chǎn)生的二次能源，從國(guó)家的能源政策來(lái)講，應(yīng)該盡量使用一次能源，減少能源轉(zhuǎn)化次數(shù)。但是有研究表明，從節(jié)能的角度來(lái)看，電驅(qū)動(dòng)比燃?xì)怛?qū)動(dòng)更能節(jié)約能源。所以，對(duì)驅(qū)動(dòng)方式方案的確定，要綜合對(duì)壓氣站的地理位置、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)條件、結(jié)合電價(jià)和氣加來(lái)綜合考慮。
1.4優(yōu)化壓氣站運(yùn)行
輸氣管道消耗的能耗是有壓縮機(jī)組所提供的，所以，合理優(yōu)化輸氣管道運(yùn)行模式可以有效降低輸送成本。在我國(guó)，天然氣輸送管道越來(lái)越多，網(wǎng)格越來(lái)越復(fù)雜，出現(xiàn)了很多地區(qū)的同一地點(diǎn)有雙條或者多條輸送管道并行或者聯(lián)網(wǎng)的局面。為了確保壓縮機(jī)一直工作在高效率區(qū)，可以通過(guò)合理分配壓氣站和啟動(dòng)的壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)來(lái)控制。對(duì)并列敷設(shè)的雙輸氣管道在不同輸氣量壓氣站優(yōu)化運(yùn)行調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，輸氣量越低，管道聯(lián)合運(yùn)行啟動(dòng)的壓氣站就越少，壓縮機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)越少、產(chǎn)生的氣耗也越少。因此，輸氣量越低，雙管并聯(lián)運(yùn)行比兩條管道獨(dú)立運(yùn)行更能節(jié)約能耗，效果明顯。
1.5燃驅(qū)壓氣站設(shè)置余熱利用系統(tǒng)
在燃驅(qū)壓氣站的運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)余熱換熱系統(tǒng)回收高溫?zé)煔庵械臒崮??？梢栽谟酂釤崴仩t與燃?xì)鈾C(jī)輪排煙管道之間設(shè)置風(fēng)管，利用引風(fēng)機(jī)把高溫?zé)煔馑椭劣酂釤崴仩t進(jìn)行熱量交換，余熱鍋爐產(chǎn)生的熱水可以用作生活用水。在燃料氣調(diào)壓的過(guò)程中，為了防止燃料氣壓降產(chǎn)生冰堵，往往需要提前將燃料氣加熱至55~60度，這個(gè)加熱過(guò)程可以由余熱換熱裝置來(lái)完成，同時(shí)，減少了燃料氣撬對(duì)燃料氣加熱產(chǎn)生的能耗。
2減少間接能耗
在天然氣輸送管道清管過(guò)程中，可以采用密閉的清管流程，減少天然氣放空。同時(shí)，還可以設(shè)置合理的清管長(zhǎng)度，來(lái)減少天然氣放空量?？梢栽跉庹驹O(shè)置旁通管線直接把天然氣輸送到下一個(gè)站場(chǎng)中，這樣做的目的是為了防止站場(chǎng)進(jìn)行檢修或者事故時(shí)，避免天然氣過(guò)多放空。使用成熟的技術(shù)手段來(lái)檢測(cè)管道泄漏，有靈敏可靠的報(bào)警系統(tǒng)和連鎖保護(hù)措施輸送管道上所有的連接部位均采用焊接方式，保障焊接質(zhì)量，避免天然氣從連接處發(fā)生泄漏。
3結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)節(jié)能的研究，提高管道輸送效率，降低能耗，提高長(zhǎng)輸管線輸氣經(jīng)濟(jì)效益，為天然氣生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造利潤(rùn)和價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1]李海建.天然氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)中的節(jié)能分析[J].化學(xué)工程與裝備，2017（10）：114-115.
作者：高維友 時(shí)麗謐 單位：山東中石大工程設(shè)計(jì)有限公司
