天然氣管道增輸技術

王畇潤 中國人民大學

“十一五”以來，隨著國民經濟持續、快速、健康發展以及節能減排、改善環境的需求日趨迫切，天然氣作為環保、高效、便捷和相對廉價的能源，市場需求大幅增加。中石化及中石油等國內能源公司均加大了對上游氣田增產、非常規天然氣開發、進口LNG資源獲取的力度。天然氣長輸管道的輸氣負荷也快速提升，亟待增加輸送能力。

1 影響輸氣能力的因素

在考慮投資成本的情況下，國內外一般采用建設復線、管道內噴涂減阻涂層、加注減阻劑以及優化泵站等方法提高管道的輸氣能力。

（1）管道直徑及長度影響。當輸氣管道其他條件相同，直徑分別為D1和D2，則流量比為Q1/Q2=（D1/D2）2.5，即輸氣管道的通過能力與管徑的2.5次方成正比；若管徑增大一倍，D2=2D1，則Q2=22.5Q1，流量為原來的5.66倍，這也是輸氣管道向大口徑發展的主要原因。當其他條件相同，管道長度分別為L1和L2，則流量比為Q1/Q2=（L2/L1）0.5，即輸氣量與管道計算長度的0.5次方成反比；若在已建管道中間擴建壓氣站，即管道長度減可以看出管道中間擴建1座壓氣站，壓氣站壓力維持不變，輸氣量可以增加41%。

（2）壓力、溫度影響。輸氣量與管道起點、終點壓力平方差的0.5次方成正比，改變起、終點壓力都能影響流量，但效果不同。提高起點壓力對流量增大的影響大于降低終點壓力的影響，如果壓差不變，同時提高兩端壓力，也能增大輸氣量，高壓輸氣比低壓輸氣的輸送量更大。管道數量與氣體溫度的關系式為Q1/Q2=（T1/T2）0.5，即流量與輸氣的絕對溫度的0.5次方成反比。輸氣溫度越低，輸氣能力越大。目前，國外已提出在-70℃左右輸氣的設想，假設輸氣溫度從50℃降低到-70℃，流量可增加26%，實際上由于壓縮系數的影響，流量還會增大一定的比例。

（3）摩阻及輸送介質物性影響。造成輸氣管道能量損失的直接因素就是管道摩阻，減小沿程摩阻損失是增加輸量的有效途徑。由流體力學原理可知，流動在阻力平方區管道的水力摩阻系數與雷諾數幾乎無關，只會作為管壁絕對粗糙度函數的一個參數，倘若能使管道內壁的粗糙度減小，就可以使水力摩阻有效降低。此外，管輸天然氣是否含有有害成分以及有害成分的比例，對管道的工作狀況、服役壽命有較大影響。有害雜質主要是機械雜質如粉塵、碎屑及游離水等。

2 各類增輸方式特點

由于在役管道管徑已定，可以通過增加浮現的方式增加管道橫截面積，進而增加管道輸量；同時，在管道沿線擴建壓氣站也能有效增加輸氣能力。在不超出管道最大允許操作壓力的前提下，提高起點的操作壓力也可以有效提高輸量，為安全起見，對于長期在較低操作壓力下運行的管道，在提高操作壓力前，需要對管道進行全面的檢測，確保升壓后的運行安全。對于建有壓氣站的管道，壓縮機出口壓力降低后可以在一定程度上增加輸氣量并降低能耗。

采用內減阻涂層可以有效改善長輸管道的輸送性能，提高輸送量，該技術已經在我國很多已建的天然氣管道中得到應用，并取得了良好的效果。目前比較成熟的工藝技術是管道整體擠涂工藝，其通過雙清管器組合裝置將涂料夾裝在兩個清管器中，在高壓氣體推動下勻速在管道內壁形成連續膜層。

天然氣減阻劑近年成為管道增輸的研究熱點，其作用機理可以從兩方面考慮：一是光滑減阻，及減阻劑的“填坑”作用降低管道的絕對粗糙度，消除脈動產生的條件；二是彈性壁面減阻，降低已有脈動的強度。具有表面活性劑類似結構特點的聚合物，其極性端牢固的粘附在管道內表面，形成“氣—液”界面，大幅減小天然氣和管道內壁之間的摩擦阻力可降低輸送過程中的壓降和能量損耗，提高管道輸氣量。

此外，通過在管線適當位置安裝管道增輸器、建設儲氣庫和LNG調峰站、加強聯絡線建設等方式均能在一定程度上提高整個管網的輸氣能力。

3 結語

目前國內在役管道較多，需要根據各管道特點選取不同的增輸方式，從安全、經濟、可操作性等方面進行綜合比選后確定。應對減阻劑等新興增輸方式加快技術攻關，對已投產的管道定期進行內壁粗糙度檢測，總結粗糙度隨時間變化的關系，并對管道運行進行完整性管理分析，確保天然氣管道在安全生產的前提下通過提高操作壓力以增加輸量。