低壓煤層氣環狀集輸管網的管徑計算

李樹清1，李 軻2

（1.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘 062552；2.中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085）

0 引言

煤層氣礦場集輸管道的起點是各個井場，終點為集氣站，它是由許許多多的單井管道、集氣支線、集氣支干線、集氣主干線等組成的一個復雜的管網系統。

礦場集輸管網從形式上分主要有直線式、放射式、環狀式三種；從形狀上講主要有枝狀、環狀、放射狀三種。

煤層氣管道水力計算的任務是：根據計算流量和規定的壓力損失來計算管徑，進而決定管道的金屬耗量和投資；或是演算已有管道的流量和壓力損失，以充分發揮管道的輸送能力。

本文主要闡述對復雜環狀集輸管網的管徑進行計算的方法。

1 基本原理

1.1 環狀管網管徑計算公式的推導

煤層氣的礦場集輸壓力較低，一般在0.3～

1.1 MPa（絕），管道輸送壓力接近于城市燃氣管網的高、中壓管道。因此其水力計算可以按照城市燃氣高、中壓管道的計算方法進行，對于中、高壓燃氣管道有：

式中P1——管道起點壓力/MPa（絕）；

Pn+1——管道終點壓力/MPa（絕）；

L——各管段的計算長度/km；

λ——各管段的摩阻力系數；

Q0——各管段內氣體的流量/（m3/h）；

d——管道的內徑/cm；

ρ——氣體相對密度；

T——氣體溫度/K；

T0——標準狀況下的熱力學溫度，273.15 K。

如圖1所示，假定：

圖1 環狀管網計算簡圖

（1）管道的起、終點地形高差不大于200 m。

（2）環形集氣管網由同徑管組成。

（3）上半環各管段天然氣流量為Q1～Qn，它們通過A、B、……、I點輸至O點。下半環各管段天然氣流量為q1～qn，它們通過A、b、……、j點輸至O點。

（4）A點為上、下兩個半環管道的起點 （零點），其壓力為P1。O點為上下兩個半環管道的匯合點，也就是環網的終點，此點壓力為Pn＋1。

根據上述假定，我們就可以將環形管網的上、下半環分別按直線支狀管網來考慮，這個支狀管網的干線是由同徑管組成的。

上、下兩個半環的氣體按圖1所示方向流動，因此A-B-O和A-b-O管段的壓差相等，因起、終點在同一處，壓力平方差必然相等。

將式 （1）變形整理得：

將以上第1段至第n段公式的兩邊相加得：

1.2 環狀管網計算起點與終點位置的確定方法

任意環形管網如圖1所示，環上各節點的進出氣量用V表示，在環上任選一點A為環網的計算起點，干線主出口點O為環網的計算終點。用虛線連接A、O點，將環狀管網分成上下兩個半環，上下兩個半環來的氣體在O點匯合流入進站總干線。通常環網上的各個節點在設計方案的前期是已知的，也就是說終點 （O點）位置是已知的，而環網的計算起點 （A點）位置則是未知的，A節點的上下半環流量分配也是未知的。一般是先根據上半環的線路總長大致等于下半環的線路總長，上半環的總流量大致等于下半環的總流量來初步選取，然后再經過適當的計算判定后進行調整。

根據質量守恒定律，環網上輸出的流量等于輸入的流量，對于任意節點即有：

在起點 （A點）有：

設Q1=X，則：

上半環起終點壓力平方差：

下半環起終點壓力平方差：

無論是上半環還是下半環，起終點同在一處，壓力平方差必然相等，所以有：

起始點位置 （A點）的選擇與計算判定需要先試設Q1=X值，然后進行試算判定：

1.3 管道定性參數的確定

1.3.1 管道平均溫度的確定

根據輸油、氣管道溫度變化規律以及已有的工程經驗可以知道：氣體輸送管道的平均溫度是無限接近于地溫的。因此，筆者建議按以下方式來計算煤層氣集氣管道的平均溫度，其計算誤差完全可以滿足工程設計的要求：

式中tMcp——煤層氣集輸管道的平均溫度/℃；

t1——煤層氣集輸管道起點的氣體溫度/℃；

t0——煤層氣集輸管道周圍土壤的溫度/℃，

由于相關規范要求輸氣管道終點溫度必須高于地溫3～5℃，因此t0值應加上此值。

1.3.2 管道平均壓力的確定

輸氣管道的平均壓力按以下公式計算：

式中Pcp——輸氣管道的平均壓力/MPa（絕）；

P1——輸氣管道的起點壓力/MPa（絕）；

P2——輸氣管道的終點壓力/MPa（絕）。

2 工程計算示例 （見圖2）

2.1 已知條件

已知某煤層氣田礦場集氣工程，現有井場40個，其中叢式井場36個，單井式井場4個，總井數175口，建集氣站2座 （1號集氣站為10萬m3/d，2號集氣站為 36.25萬 m3/d）。井口壓力 0.3 MPa（絕），井口溫度20℃，煤層氣組成見表1。

圖2 集氣管網系統計算簡圖

表1 某煤層氣田的某區塊煤層氣組成

管道的終點壓力：要求進集氣站的壓力不低于0.15 MPa （絕）。

當地地溫：-1.6 m深處平均地溫10.7℃。

管網情況：通過現場踏勘選線與勘察測量得到系統分布、管網情況、線路長度等，如圖2所示（圖中Q指氣量，L指管段線路長度）。

要求計算集氣環網主干線的管徑。

2.2 計算簡圖

在作管徑計算之前，首先按照已知條件進行相應的數據整理，繪出計算簡圖 （見圖2）便于后續計算。

2.3 確定環狀管網起點與終點的壓力

由系統計算簡圖可以看出系統中各管段的長度。分別在上下兩個半環網系統中選取距離集氣站距離最遠的單井為計算起點，以集氣站為計算終點。根據這個起、終點線路總體長度及系統允許壓降來確定系統中各接點的壓力。

系統的允許壓降：

式中 ΔP——從井場至集氣站整個管網系統的允許壓降 （采氣井井口的允許回壓）/MPa （絕）；

PJ——井場外輸起點壓力/MPa（絕）；

PZ——集氣站進站的允許最低壓力/MPa（絕）。

即： ΔP=PJ-PZ=300-150≤150 （kPa）（絕）

從圖2可以看出：環上最長支線為保1-05井場至g點，管段長度l=1 005+1 221=2 226（m）。所以經綜合考慮，上下兩半環均取最遠單井至環網干線的支線管段長度lQ-A=2 226 m來進行管網系統節點壓力的確定計算。計算時各管段的長度都考慮1.1的系數。系統各管段長度及各節點壓力的確定及計算結果見表2和表3。

校核上下兩半環的計算閉合壓差：

即閉合壓差在±5%之內，表明計算是符合要求的。由此，可確定環網干線的起、終點壓力如下：

表2 系統各管段長度

表3 系統各管段節點壓力計算結果

起點壓力P1=275 kPa（絕）

終點壓力P2=180 kPa（絕）

2.4 環網干線管徑計算

2.4.1 確定環網管道的流動定性操作參數

（1）管道的平均溫度。取管道的起點溫度t1=20℃，管道周圍的地溫t2=10.7℃，由式 （12）計算得到：

（2）管道的平均壓力。取輸氣管道的起點壓力P1=275 kPa（絕），終點壓力P2=180 kPa（絕），

由式 （13）得到：

（3）確定各管段氣體在流動定性操作條件（Pcp=0.231 MPa、tMcp=15.8℃）下的物性參數，由HYSYS軟件計算得到，見表4。

2.4.2 確定環網的起點位置

上、下半環各節點的氣體流量、各管段的輸氣量和長度見表5、6。

表4 各管段操作參數

表5 上半環各管段Q2L計算

表6 下半環各管段q2l計算

設管段 L1的流量 Q1=X=5 552 m3/d。管段l1的流量q1=VA－X=17 500-5 552=11 948 （m3/d）。

由式 （5）～ （11）計算得到：

計算結果判定：上下半環的壓力平方差幾乎相等，即閉合差在±5%之內，說明環網的計算起點選擇正確，起始管段L1的流量假設Q1=X=5 552 m3/d正確。

2.4.3 確定環網干線的管徑

（1）計算摩阻系數λ值。有關中、高壓輸氣管道的流速Vm、雷諾數Re、流態判別、摩阻系數λ的計算公式，在相關的專業書籍或規范中都能查到，本文在此不再復述。首先計算管道流速Vm、雷諾數Re，并進行流態判別，而后根據流態判定結果選擇對應的摩阻系數λ計算公式進行計算。管道內壁當量絕對粗糙度?。簁=（0.1～0.2）mm=（1～2）×10-4m，初設管徑d=0.232 m，λ值計算結果見表7、表8。

表7 上半環各管段摩阻系數λ值計算結果

表8 下半環各管段摩阻系數λ值計算結果

氣體的相對密度ρ=0.564（見表4）；氣體的溫度T=273.15+15.8=288.95 K；標況下的熱力學溫度T0=273.15 K。

（3）計算結果判定。因環網干線管徑的計算結果d=0.232 m取3位有效數與預先初選假定值d=0.232 m幾乎相等，即閉合差在±5%之內，說明計算結果合理，滿足要求，不需要再重新試算。

3 計算體會

煤層氣礦場集氣管網是由枝狀、環狀、放射狀等子管網組成的一個復雜管網系統。

低壓煤層氣的集輸采用環狀集輸管網工藝，在國內尚屬首創。它類似于城市燃氣管網，所不同的只是氣體的流向相反。城市燃氣環網的氣體流向是由內向外，即：城市門站→環網主干線→支干線→調壓站→支線→進戶管道→燃氣用戶；而低壓煤層氣集輸環網的氣體流向則是由外向內，即：井場→單井管道→ （或支干線）→環網干線→主干線→集氣站→外輸。

在如此復雜的管網計算中，計算時需要特別注意以下三點。

3.1 關鍵節點及壓力的確定

關鍵節點及壓力確定得合理與否，直接關系到管道直徑的大小和耗鋼量，關系整個系統的計算及方案的合理性，關鍵的節點及壓力主要有4個：

（1）單井井場外輸壓力PJ。井場采油樹的出口壓力在0.3～1.1 MPa（絕），井場計量裝置的設計壓力一般在0.7 MPa（絕），所以井場的外輸壓力一般按最不利情況考慮，取PJ=0.3 MPa（絕）。

（2）環網干線起點壓力P1。單井管道的長度一般在0.5～1.5 km，最長的約2.0 km，所以考慮單井管道的壓降時，要按距離最長、距環網干線最遠的單井來考慮。因此在環網節點處的壓力一般取P1=0.275 MPa （絕）。

（3）環網干線終點與去集氣站主干管的支點處的節點壓力一般按P2=0.18 MPa（絕）考慮。

（4）集氣站進站壓力PZ。集氣站進站壓力主要考慮壓縮及入口參數的要求，一般集氣站壓縮機的入口壓力在0.15～0.3 MPa（絕），所以集氣站進站壓力一般按PZ=0.15 MPa（絕）考慮。

綜上所述，比較合理的系統壓降分配方案是：單井管道部分的總壓降ΔP約為25 kPa→環網干線部分的總壓降約為95 kPa→環網至集氣站總干線部分的總壓降約為30 kPa。

3.2 定性參數確定

管道的定性參數主要有平均壓力和平均溫度，它涉及到氣體各項物性參數的計算，確定應當盡量準確，如果定性參數的誤差較大，將影響到氣體各項物性參數的計算誤差，從而也影響到管徑的計算誤差。

3.3 環網起點位置的確定及起點流量的分配

在進行環網干線管徑計算時，一般終點是已知的，需要特別注意的就是起點位置的確定和起點流量的分配，必須滿足式 （5）和式 （11）的條件，否則計算出來的管徑就是不正確的。

[1]《城市煤氣規劃參考資料》編寫組.城市煤氣規劃參考資料[M].北京：中國建筑工業出版社，1984.

[2]鄧淵.煤氣規劃設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1992.

[3]四川石油管理局.天然氣工程手冊（上）[M].北京：石油工業出版社，1982.

[4]《油田油氣集輸設計技術手冊》編寫組.油田油氣集輸設計技術手冊（上）[M].北京：石油工業出版社，1994.

[5]王樹立，趙會軍.輸氣管道設計與管理[M].北京：化學工業出版社，2012.

[6]王熒光，裴紅，劉文偉，等.低壓、低產煤層氣田井口集輸工藝技術[J].石油工程建設，2010，36（6）：1-5.