中國北方天然氣分輸站場加熱負荷的一個優化點

王浩(中國石油天然氣管道工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110031)

0 引言

輸氣管道運行壓力與分輸用戶用氣壓力相差較大，天然氣分輸站場需進行調壓，調壓閥后會形成較大的節流溫降，導致閥后以及出站天然氣溫度過低，天然氣溫度過低會產生冰堵等諸多不利影響。所以，調壓前需加熱，天然氣分輸站場常用的加熱設備有電加熱器、水套爐、真空爐或熱水鍋爐等。加熱負荷選擇過大，造成投資浪費，且存在設備運行效率低、故障率偏高等問題。

1 我國北方用氣特點

天然氣用氣市場主要有城市燃氣、天然氣發電、工業燃料和化工原料等類型。工業燃料和化工原料用氣市場相對穩定，天然氣發電項目和城市燃氣用氣量與居民生活、公服、采暖、天然氣汽車、城市管網供氣的小工業用戶等各類用戶的季節性需求有較大關聯[1,2]。這些用量在用氣市場中的占比大，是導致北方用氣不均勻性的主要原因。以黑龍江省、河北省和山東省為例，其不均勻系數參考圖1。由圖1可知，以上三個典型北方大省冬季用氣不均勻系數明顯大于其他季節，其中12月份的用氣不均勻系數最大。

圖1 三省各行業月不均勻系數

2 我國北方地溫特點

我國北方最冷月一般為12月～次年2月，埋地天然氣管線管頂埋深一般為-1.2～-2.5m，表1為我國幾個北方城市地溫資料[3]，管道埋深處最冷月一般為1月～次年4月，說明管道埋深處地溫最低月份較環境最低溫月份有延遲。

結合北方天然氣用氣的變化特點來看，12月～次年1月是北方用氣的高峰月，用氣量最大；而管道埋深處地溫最低月一般為2月～3月。用氣高峰月地溫取值偏低是導致天然氣分輸站場設計加熱負荷普遍偏大的主要原因。所以，在北方天然氣管道設計過程中，考慮到用氣不均勻特點和管道埋深處地溫變化特點之間的對應關系，對加熱負荷計算的準確性是十分必要的。

表1 我國幾個北方城市地溫表 單位：℃

3 加熱負荷優化計算

本文以哈爾濱市某輸氣管道為例，進行加熱負荷優化分析。該管道長36km，管徑D457mm，設計壓力6.3MPa，設計年輸量9.82×108Nm3/a。采用首站加熱、計量調壓后分輸出站工藝，出站壓力P0為6.2MPa、出站溫度T0為0℃。哈爾濱市最大凍土深度-1.97m，管道管頂最小覆土深度為-2.0m。逐月不均勻系數如表2所示。

表2 月不均勻系數

3.1 原加熱負荷計算

根據年輸量計算均月均日、高月均日和低月均日輸量，均月均日、冬季高峰月高月均日輸量和夏季低峰月低月均日輸氣量分別為280.6×104Nm3/d、544.3×104Nm3/d 和101.0×104Nm3/d。

進站壓力、溫度計算。計算采用輸氣管網穩態模擬軟件PIPELINE STUDIO 3.6版本。軟件中水力摩阻系數采用科爾布魯克(Colebrook)計算公式，管道內壁粗糙度取30μm[4]，傳熱系數取1.75W/(m2℃)[5]，管道埋深處冬季平均地溫取1℃，夏季平均地溫取13℃，首站出站壓力P0為6.2MPa，出站溫度T0為0℃。計算采用工藝模擬軟件 HYSYS V10版本，狀態方程選擇PR方程，計算結果見表3所示，最大計算熱負荷為1357kW。

表3 原加熱負荷計算結果表

3.2 加熱負荷優化計算

根據原熱負荷計算結果，高月均日熱負荷遠大于均月均日、低月均日熱負荷，優化計算僅對12月～次年4月熱負荷進行計算。根據年輸量計算逐月均日輸氣量見表4所示，管道沿線地溫取值見表5所示，其他計算參數與原計算選取參數相同，計算結果見表6所示。最大計算熱負荷為1125kW，較原計算負荷降低17.1%。

表4 逐月均日輸量表 單位：×104m3/d

表5 管道沿線地溫表 單位：℃

表6 熱負荷優化計算結果表

4 結語

本文通過對北方城市供氣特點和地溫變化規律進行分析證實，用氣高峰月地溫取值偏低是導致天然氣分輸站場設計加熱負荷普遍偏大的主要原因。通過逐月計算方式，可以對天然氣分輸站場加熱負荷進行優化，案例說明可優化負荷17.1%。降低加熱設備功率選型，能夠降低工程投資約28萬元。加熱設施長期低負荷運行存在加熱效率低、故障率高等缺點，優化加熱設施熱負荷，可在一定程度上解決以上問題，有利于生產單位維護、管理，降低勞動強度，提高經濟效益。