基于SPS的水力計(jì)算在天然氣長輸管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：通過水力計(jì)算軟件SPS對長沙聯(lián)通工程進(jìn)行正反輸兩種工況的水力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了該工程的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)，很好地實(shí)現(xiàn)了理論計(jì)算與工程實(shí)際的結(jié)合。

關(guān)鍵詞：SPS;水力計(jì)算;天然氣;應(yīng)用

0? ? 引言

天然氣長輸管道的水力計(jì)算是管道建設(shè)前的重要環(huán)節(jié)，只有通過水力計(jì)算得出準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)，才能保證管道建設(shè)滿足設(shè)計(jì)需求，同時(shí)管道又具有一定的經(jīng)濟(jì)性。目前國內(nèi)長輸管道的水力計(jì)算工具應(yīng)用較多的為德國GL公司的SPS（Stoner Pipeliner Simulator），可根據(jù)不同的約束條件和邊界條件，計(jì)算長輸管道的水力、熱力參數(shù)。該軟件自1997年引入中國后，被用于西氣東輸、蘭成渝、澀寧蘭、冀寧聯(lián)絡(luò)線、西二線、中緬、中亞、西三線西段/東段等多條大中型長輸管道的工程設(shè)計(jì)。該軟件是國際上被廣泛認(rèn)同的長輸管道水力、熱力計(jì)算軟件。

長沙聯(lián)通工程是國家發(fā)改委2019年天然氣基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通重點(diǎn)工程，該工程通過新建約10 km天然氣長輸管道，實(shí)現(xiàn)中石化新疆煤制氣管道與中石油潛湘支線、長沙支線在湖南長沙境內(nèi)互聯(lián)互通，從而提高管道運(yùn)行靈活性和安全性。長沙聯(lián)通工程是兩湖地區(qū)連接干線管道和下游支線的重要工程，對于滿足下游市場需求和提高冬季保供能力具有重要意義。

在滿足設(shè)計(jì)輸量的前提下，通過對聯(lián)通工程進(jìn)行水力計(jì)算，得到長輸管道計(jì)算管徑以及管線各節(jié)點(diǎn)的壓力、溫度等參數(shù)，是長輸管道設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。本文以中石化新疆煤制氣管道接氣點(diǎn)壓力、溫度為設(shè)計(jì)初始參數(shù)，應(yīng)用SPS軟件對長沙聯(lián)通工程在不同工況下進(jìn)行水力計(jì)算，確定了輸氣管道設(shè)計(jì)管徑以及管道末點(diǎn)安沙分輸清管站的設(shè)計(jì)壓力、溫度等參數(shù)，以此作為本工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)。另外，本工程存在反輸工況，通過對反輸工況的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了本工程設(shè)計(jì)管徑選取的合理性。最后，對本工程在不同壓力工況下最大輸量進(jìn)行了核算。

1? ? 流量、壓力的計(jì)算

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50251—2015）的規(guī)定，水力計(jì)算管道沿線高程相差不大。為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，考慮輸氣管道縱斷面高差的影響，水力計(jì)算公式選擇如下：

式中，qv為氣體流量（P0=0.101 325 MPa，T0=293 K）（m3/d）;P1為輸氣管道計(jì)算段的起點(diǎn)壓力（絕壓）（MPa）;P2為輸氣管道計(jì)算段的終點(diǎn)壓力（絕壓）（MPa）;α為系數(shù)（m-1），α=0.068 3（γ/ZT）;Δh為輸氣管道終點(diǎn)和起點(diǎn)的標(biāo)高差（m）;d為輸氣管道內(nèi)直徑（cm）;λ為水力摩阻系數(shù);Z為氣體壓縮因子;γ為氣體的相對密度;Tm為氣體平均溫度（K）;L為輸氣管道計(jì)算段長度（km）;n為輸氣管道的計(jì)算段數(shù);hi、hi-1為各分管段終點(diǎn)和起點(diǎn)的標(biāo)高（m）;Li為各分管段長度（km）。

水力摩阻系數(shù)采用Colebrook公式計(jì)算：

式中，k為管內(nèi)壁絕對粗糙度（m）;d為管內(nèi)徑（m）;Re為雷諾數(shù)。

2? ? 沿線溫度計(jì)算

式中，tx為輸氣管道沿線任意點(diǎn)的氣體溫度（℃）;t0為輸氣管道埋深處的土壤溫度（℃）;t1為輸氣管道計(jì)算段起點(diǎn)的氣體溫度（℃）;e為自然對數(shù)底數(shù)，e=2.718;x為輸氣管道計(jì)算段起點(diǎn)至沿線任意點(diǎn)的長度（km）;J為焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)（℃/MPa）;ΔPx為x長度管段的壓降（MPa）。

式中，K為輸氣管道中氣體到土壤的總傳熱系數(shù)[W/（m2·℃）];D為輸氣管道外徑（m）;γ為氣體的相對密度;Cp為氣體的定壓比熱[J/（kg·℃）]。

3? ? 工況分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，管道起點(diǎn)干線運(yùn)行壓力為5.6～7.95 MPa，管道終點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行壓力為4.0～5.39 MPa。

（1）當(dāng)管道起點(diǎn)來氣至管道末點(diǎn)的壓力高于6.2 MPa時(shí)，來氣壓力調(diào)壓至6.2 MPa注入西三線長沙支線及忠武線潛湘支線，這種情況下，中石化來氣越接近6.2 MPa，該工況越不利，工程上為簡化分析，按照管道起點(diǎn)來氣壓力為6.3 MPa時(shí)進(jìn)行核算;

（2）原安沙分輸清管站與忠武線潛湘支線連接管徑為DN600及DN500，按照流速不高于15 m/s，滿足2 000×104 m3/d輸氣能力要求，最低要求分別為5.8 MPa和8.3 MPa;

（3）當(dāng)管道起點(diǎn)來氣壓力低于6.2 MPa時(shí)，按照管道起點(diǎn)來氣壓力為5.6 MPa注入西三線長沙支線及忠武線潛湘支線，管道末點(diǎn)壓力按不低于現(xiàn)忠武線潛湘支線最高運(yùn)行壓力5.39 MPa計(jì)。

綜上所述，本工程管徑比選按照以下方案進(jìn)行：

（1）管道起點(diǎn)來氣分別為6.3 MPa，管道末點(diǎn)壓力不低于6.2 MPa;

（2）管道起點(diǎn)來氣分別為5.6 MPa，管道末點(diǎn)壓力不低于5.39 MPa。

根據(jù)以上分析，對上述方案進(jìn)行管徑比選。

（1）不利工況1：當(dāng)管道起點(diǎn)來氣壓力大于6.3 MPa時(shí)，為保證進(jìn)管道末點(diǎn)壓力大于6.2 MPa，在設(shè)計(jì)輸量工況條件下分別對輸氣管道管徑為D711 mm、D813 mm、D914 mm三種方案進(jìn)行計(jì)算比選。

由表1、圖1～3可知，D711 mm管徑方案在設(shè)計(jì)輸量工況下不能滿足輸送要求，D813 mm和DN914 mm管徑方案均能滿足本工程設(shè)計(jì)要求。

（2）不利工況2：當(dāng)管道起點(diǎn)來氣壓力低于5.6 MPa時(shí)，為保證管道末點(diǎn)壓力大于5.39 MPa，在設(shè)計(jì)輸量工況條件下分別對輸氣管道口徑為D711 mm、D813 mm、D914 mm三種方案進(jìn)行計(jì)算比選。

由表2、圖4～6可知，D711 mm管徑方案在設(shè)計(jì)輸量工況下不能滿足輸送要求，D813 mm和D914 mm管徑方案均能滿足本工程設(shè)計(jì)要求。

綜上分析，D813 mm與D914 mm管徑方案均能滿足本工程設(shè)計(jì)要求，但D813 mm管徑方案投資較低，故本工程推薦D813 mm管徑方案。

4? ? 反輸工況核算

本工程為互聯(lián)互通工程，存在反輸工況，即由安沙分輸清管站反輸給石潭村閥室。新疆煤制氣管道干線運(yùn)行壓力為5.6～7.95 MPa，西三中管道運(yùn)行壓力5.4～8.5 MPa。新疆煤制氣管道運(yùn)行壓力不低于5.6 MPa，西三中管道接氣壓力越接近5.6 MPa工況越不利，本工程選擇接氣壓力5.8 MPa，在設(shè)計(jì)輸量工況條件下對輸氣管道管徑進(jìn)行核算。

由表3、圖7可知，石潭村閥室進(jìn)站壓力5.64 MPa，大于5.6 MPa，同時(shí)管道流速7.23 m/s，小于15 m/s，滿足要求。

綜上所述，本工程選擇D813 mm作為設(shè)計(jì)管徑，在設(shè)計(jì)輸量2 000×104 m3/d的情況下，正反輸兩種工況均能滿足設(shè)計(jì)要求，因此，本工程選擇D813 mm管徑是合理的。

5? ? 最大輸氣能力分析

本文對新建管道年均溫度工況下最大輸氣能力分別按照正反輸兩種工況進(jìn)行了分析，在滿足管道始末端運(yùn)行參數(shù)的前提下，計(jì)算管道最大輸氣能力。

在正輸工況下，中石化管道起點(diǎn)接氣壓力為7.95 MPa、6.9 MPa，管道末點(diǎn)進(jìn)站壓力為6.2 MPa，該工況下年均溫度本工程最大輸量如表4所示。

中石化管道起點(diǎn)接氣壓力為6.2 MPa、5.6 MPa、管道末點(diǎn)進(jìn)站壓力為5.39 MPa，該工況下本工程年均溫度本工程最大輸量如表5所示。

由表5可知，本工程在極端工況，即管道起點(diǎn)壓力5.6 MPa、管道終點(diǎn)壓力5.39 MPa的情況下，管道最大輸氣能力為94.64×104 Nm3/h（2 271.36×104 Nm3/d），滿足本工程設(shè)計(jì)輸量2 000×104 Nm3/d的要求。

在反輸工況下，西三線管道—中石化管線反輸接氣壓力8.5 MPa、進(jìn)站壓力7.95 MPa以及接氣壓力6.2 MPa、進(jìn)站壓力5.6 MPa時(shí)年均溫度工況最大輸氣能力如表6所示。

由表6可知，本工程在極端工況下，即管道起點(diǎn)壓力6.2 MPa、管道終點(diǎn)壓力5.6 MPa情況下，管道最大輸氣能力為145×104 Nm3/h（3 480×104 Nm3/d），滿足本工程設(shè)計(jì)輸量2 000×104 Nm3/d的要求。

6? ? 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用水力計(jì)算軟件SPS對本工程在不同工況下管徑進(jìn)行比選，選擇D813 mm作為聯(lián)通管徑，最低輸氣能力為2 271.36×104 Nm3/d，能夠滿足設(shè)計(jì)輸量2 000×104 Nm3/d的要求，因此選擇D813 mm管徑是合理的。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡介：李強(qiáng)（1980—），男，遼寧阜新人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：天然氣管道工藝設(shè)計(jì)。