基于工藝計(jì)算原理的天然氣管道能耗預(yù)測(cè)計(jì)算

康 勇，劉曉亮

西安石油大學(xué)，陜西西安 710065

基于工藝計(jì)算原理的天然氣管道能耗預(yù)測(cè)計(jì)算

康 勇，劉曉亮

西安石油大學(xué)，陜西西安 710065

常用的油氣長(zhǎng)輸管道能耗預(yù)測(cè)方法可以分為統(tǒng)計(jì)分析法和工藝計(jì)算法兩類。目前國(guó)內(nèi)對(duì)輸油管道能耗預(yù)測(cè)進(jìn)行的研究較多，而對(duì)輸氣管道則相對(duì)較少。在詳細(xì)地介紹了采用工藝計(jì)算法計(jì)算輸氣管道壓降、壓縮機(jī)機(jī)組能耗、驅(qū)動(dòng)機(jī)能耗具體方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)某條天然氣管道輸送系統(tǒng)實(shí)例，計(jì)算了驅(qū)動(dòng)機(jī)能耗、壓縮機(jī)組能耗、各計(jì)算管段的壓降，并與該管道年能耗、實(shí)際壓降進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，在該條輸氣管道的能耗預(yù)測(cè)中，由于驅(qū)動(dòng)機(jī)的效率較低，因而最大誤差出現(xiàn)在對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)的能耗預(yù)測(cè)上；而壓縮機(jī)的效率較高，運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，因而壓縮機(jī)組的實(shí)際能耗與預(yù)測(cè)能耗偏差很小。最后指出，工藝計(jì)算法的計(jì)算量大，且由于某些參數(shù)是通過回歸分析或利用軟件等手段獲得，導(dǎo)致預(yù)測(cè)能耗與實(shí)際能耗偏差有時(shí)較大。而目前常用的很多統(tǒng)計(jì)分析方法受統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量和準(zhǔn)確度的影響較大，不能適用于各種工況，因此兩種計(jì)算法各有其優(yōu)、缺點(diǎn)。

天然氣管道；能耗預(yù)測(cè)；工藝計(jì)算法；統(tǒng)計(jì)分析法

常用的油氣長(zhǎng)輸管道能耗預(yù)測(cè)方法可以分為基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析法和基于管道運(yùn)行原理的工藝計(jì)算法兩類[1-13]。

本文依據(jù)SY/T 6637-2012《輸氣管道系統(tǒng)能效測(cè)試和計(jì)算方法》的相關(guān)規(guī)定，主要利用工藝計(jì)算法對(duì)某天然氣管道的驅(qū)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)能耗、管輸壓降進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，并對(duì)比分析預(yù)測(cè)值與真實(shí)值存在差異的原因，為提高管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益提供依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)管道整體優(yōu)化運(yùn)行。

1 天然氣管道能耗預(yù)測(cè)

1.1 輸氣管道壓降計(jì)算

對(duì)于輸氣管道的能耗預(yù)測(cè)主要集中在管道的水力能耗和熱力能耗預(yù)測(cè)上，其中水力能耗集中體現(xiàn)在壓力的降低，熱力能耗則集中體現(xiàn)在熱量的流失（本文不予以研究）。由于管道系統(tǒng)通常是一個(gè)密閉、連續(xù)的水力系統(tǒng)，因此必須將壓縮機(jī)站特性方程與輸氣管道特性方程聯(lián)立，才能確定其工作狀況[14]。

壓縮機(jī)站的特性方程為：

輸氣管道特性方程為：

式中：PQ為管道進(jìn)口壓力（壓縮機(jī)出口壓力），Pa；PZ為管道出口壓力，Pa；Q為天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，m3/s；a，b為系數(shù)；L為管道長(zhǎng)度，km。

式（2）中：

式中：C為常數(shù)；Z為天然氣壓縮因子；Δ為天然氣的相對(duì)密度；T為天然氣的平均溫度，K；λ為管道的水力摩阻系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，m。

式（3）中：

式中：T0為工程標(biāo)準(zhǔn)狀況下溫度，K，T0=293.15K；P0為工程標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓力，Pa，P0=1.013 25×105Pa；Ra為空氣的氣體常數(shù)，m2/（s2·K）。

由此可計(jì)算得到該段管道的沿程壓降：

式中：ΔP為計(jì)算段管道壓降，Pa；PZi為第i段管道出口壓力，Pa。

1.2 壓縮機(jī)機(jī)組能耗

壓縮機(jī)機(jī)組的能耗是天然氣管道能耗的重要組成部分，其能耗計(jì)算方法[15]如下：

（1）壓縮機(jī)第i級(jí)多變效率：

式中：ηTi為第i級(jí)/段壓縮機(jī)多變效率；mi為第i級(jí)/段壓縮機(jī)多變指數(shù)；R′為天然氣氣體常數(shù)，kJ/（kg·K）；Touti為第i級(jí)/段壓縮機(jī)出口溫度，K；Tini為第i級(jí)/段壓縮機(jī)入口溫度，K；houti為第i級(jí)/段出口焓，kJ/kg；hini為第i級(jí)/段進(jìn)口焓，kJ/kg。

（2）壓縮機(jī)第i級(jí)有效功率：

式中：HEi為第i級(jí)/段壓縮有效功率，kW；Gin為壓縮機(jī)進(jìn)口天然氣流量，m3/h；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；Zini為壓縮機(jī)第i級(jí)/段進(jìn)口壓力下天然氣壓縮因子；Pouti為第i級(jí)/段壓縮機(jī)出口壓力，Pa；Pini為第i級(jí)/段壓縮機(jī)入口壓力，Pa。

（3）壓縮機(jī)在時(shí)間t內(nèi)的實(shí)際有效能耗：

式中：Wpc為壓縮機(jī)有效能耗，MJ；HE為壓縮機(jī)有效功率，kW；t為年運(yùn)行時(shí)間，s。

（4）燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)機(jī)組效率：

電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)機(jī)組效率：

式中：ηrjx為燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)機(jī)組效率；Br為燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)燃料氣消耗量，m3/h；Hl為天然氣低位發(fā)熱量，kJ/m3；ηdjx為電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)機(jī)組效率；Pd為電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)輸入功率，kW。

（5）壓縮機(jī)第i級(jí)軸功率：

（6）壓縮機(jī)多變效率：

式中：Hpi為第i級(jí)/段壓縮機(jī)軸功率，kW；ηTi為第i級(jí)/段壓縮機(jī)多變效率；Hp為壓縮機(jī)軸功率，kW；ηT為壓縮機(jī)多變效率。

1.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)能耗

驅(qū)動(dòng)機(jī)為整個(gè)輸氣系統(tǒng)提供動(dòng)力，輸氣管道系統(tǒng)一般采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)為系統(tǒng)提供能量，下面具體介紹其工藝計(jì)算方法。

（1）驅(qū)動(dòng)機(jī)有效輸出功率：

（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)實(shí)際有效能耗：

式中：Wpp為驅(qū)動(dòng)機(jī)實(shí)際有效能耗，MJ。

（3）燃?xì)廨啓C(jī)效率：

電動(dòng)機(jī)效率：

式中：ηr為燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)效率；ηd為電動(dòng)機(jī)效率。

2 工程案例

已知國(guó)內(nèi)某條天然氣管道輸送系統(tǒng)，全長(zhǎng)175 km，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力4.0 MPa，當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?0 kPa，環(huán)境溫度25℃。全線設(shè)置兩個(gè)壓氣站和一個(gè)接收末站，其中首站和第二個(gè)壓氣站之間管道長(zhǎng)度為146 km，管道采用DN450無縫焊管；第二個(gè)壓氣站和末站之間，管道長(zhǎng)度為29 km，管道采用DN250無縫焊管。

在穩(wěn)定工況下，首站的基本參數(shù)如下：天然氣流量為168萬m3/d，采用三臺(tái)（兩用一備）燃?xì)廨啓C(jī)與三臺(tái)（兩用一備）同型號(hào)的單級(jí)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，來氣壓力即壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力為2.30 MPa，天然氣的進(jìn)口溫度為30℃；第二個(gè)壓氣站的基本參數(shù)如下：天然氣流量為50萬m3/d，采用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)（一用一備）與兩臺(tái)（一用一備）同型號(hào)的單級(jí)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行；末站進(jìn)口壓力為1.81 MPa。該天然氣化學(xué)成分的摩爾分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 天然氣化學(xué)成分的摩爾分?jǐn)?shù)

（1）確定其運(yùn)行工況：

解得：PQ1=3.0 MPa，PZ2=2.3 MPa，PQ2= 3.1 MPa，T進(jìn)1=49℃；T進(jìn)2=50℃。即第一段管段的進(jìn)口壓力為3.0 MPa（首站壓縮機(jī)的出口壓力）、進(jìn)口溫度49℃（首站壓縮機(jī)的出口溫度），第一段管道出口壓力2.3 MPa；第二段管段的進(jìn)口壓力3.1MPa（中間站壓縮機(jī)的出口壓力）、進(jìn)口溫度50℃（中間站壓縮機(jī)的出口溫度）。

（2）能耗對(duì)比（見表2）：

在該條輸氣管道的能耗預(yù)測(cè)中，最大絕對(duì)誤差出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)機(jī)的能耗預(yù)測(cè)上，這是因?yàn)樵陬A(yù)測(cè)中默認(rèn)首站燃?xì)廨啓C(jī)的效率為40%，而一般燃?xì)廨啓C(jī)的效率都比較低，該輸氣管道系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際效率僅為31.84%，所以導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值差距很大。另外，中間站驅(qū)動(dòng)機(jī)的預(yù)測(cè)能耗與實(shí)際能耗的相對(duì)誤差最大，這一方面是由于預(yù)測(cè)能耗時(shí)默認(rèn)電動(dòng)機(jī)的效率為90%，但在該管道系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的實(shí)際效率僅為59.06%；另一方面是由于管道系統(tǒng)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)輸量，且電動(dòng)機(jī)未配備調(diào)速裝置，所以導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值差距最大。

表2 某輸氣系統(tǒng)年能耗對(duì)比

由于壓縮機(jī)的效率較高，運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，因而首站和中間站壓縮機(jī)組的實(shí)際能耗與預(yù)測(cè)能耗偏差很小。

第一段管道的壓降預(yù)測(cè)值與實(shí)際值差距較大，見表3。主要考慮到以下引入誤差的原因：其一，在計(jì)算中忽略了周圍溫度及管道自身徑向、軸向溫降引起的天然氣黏度變化的影響；其二，計(jì)算中忽略了管道高程差的影響；其三，未考慮局部水頭損失。以上三點(diǎn)也是導(dǎo)致第二段管道預(yù)測(cè)能耗與實(shí)際能耗出現(xiàn)差距的主要原因。

表3 管道壓降對(duì)比

3 結(jié)論

采用工藝計(jì)算法，在對(duì)國(guó)內(nèi)某條天然氣管道輸送系統(tǒng)的能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)機(jī)的效率較低，因而最大誤差出現(xiàn)在對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)的能耗預(yù)測(cè)上；而壓縮機(jī)的效率較高，運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，因而壓縮機(jī)組的實(shí)際能耗與預(yù)測(cè)能耗偏差很小。工藝計(jì)算法作為天然氣管道系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)的主要手段之一，其計(jì)算量大，且由于某些參數(shù)是通過回歸分析或利用軟件等手段獲得，導(dǎo)致預(yù)測(cè)能耗與實(shí)際能耗偏差較大。但目前常用的很多統(tǒng)計(jì)分析方法受統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量和準(zhǔn)確度的影響較大，不能適用于各種工況。因此，基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析法和基于管道運(yùn)行原理的工藝計(jì)算法，在可行性、可靠性、適應(yīng)性上各有其優(yōu)點(diǎn)及不足。

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Energyconsumption prediction calculation for naturalgas pipeline based on process calculation principle

KANG Yong，LIU Xiaoliang
Xi'an Petroleum University，Xi'an 710065，China

The common prediction methods of energy consumption for oil and gas pipelines are the statistical analysis method and the process calculation method.The domestic researches stress on energy consumption of oil pipeline rather than gas pipeline.This paper uses the process calculation method to calculate energy consumptions of driving machine and compressor set，pressure drop in each calculational pipeline section for a domestic practical pipeline，and compares them with the annual energy consumption and real pressure drop.The results show that the maximum error in energy consumption prediction of the pipeline appears in that of the driving machine due to its low efficiency；the small energy consumption prediction error appears in the compressor set due to its high efficiency and steady running.It is pointed out that the process calculation method has larger amount of calculation work and sometimes bigger energy consumption error because some parameters are acquired from regression analysis or software application；On the other hand，many statistical analysis methods are unsuitable for various working conditions，because they are affected by statistical sample quantity and accuracy.So for the statistical analysis method and the process calculation method，each has its own advantage and disadvantage.

naturalgas pipeline；energy consumption prediction；process calculation method；statisticalanalysis method

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.002

康 勇（1957-），男，山西柳林人，教授，1985年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣儲(chǔ)運(yùn)工程及石化裝備的教學(xué)與科研工作。Email：ykang@xsyu.edu.cn

2016-12-21