天然氣管道輸送工藝的分析與探討

天然氣管道輸送工藝的分析與探討

近幾十年來(lái)，天然氣作為一種高效、清潔的能源，在世界各國(guó)引起了越來(lái)越多的利用。世界天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展。由于天然氣的不易存儲(chǔ)的特性,管道輸送成為運(yùn)輸天然氣的經(jīng)濟(jì)有效方法。世界范圍內(nèi)天然氣管道發(fā)展迅速。目前世界上已建成天然氣管道約150萬(wàn)km以上。天然氣管道已連接成國(guó)際性、全國(guó)性或地區(qū)性管網(wǎng),構(gòu)成了規(guī)模龐大的供氣系統(tǒng)。天然氣輸送管道的運(yùn)行,一方面要求安全可靠,保證對(duì)用戶連續(xù)穩(wěn)定供氣;一方面由于大型輸氣系統(tǒng)的運(yùn)行能耗和損耗很大。為降低輸氣成本,節(jié)能降耗尤為重要。天然氣輸送管道可用簡(jiǎn)單輸氣效率來(lái)衡量輸送能耗的大小。簡(jiǎn)單輸氣效率為交付與接收的天然氣能量之比。世界先進(jìn)水平的簡(jiǎn)單輸氣效率在99%以上。加拿大阿爾伯達(dá)輸氣管道年輸氣量50×109m3。簡(jiǎn)單輸氣效率提高0.6%,每年可節(jié)省2.6×108m3天然氣。節(jié)能降耗的主要途徑是降低燃料氣耗量,減少天然氣損失。1scad系統(tǒng)和poas系統(tǒng)的組成及作用輸氣管道的經(jīng)濟(jì)效益要靠長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果一條輸氣管道長(zhǎng)期在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)輸量的條件下運(yùn)行,則很難實(shí)現(xiàn)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益。在管道設(shè)計(jì)中,一般要求管道在設(shè)計(jì)輸量范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行30年左右。在近幾十年中,世界上取得良好經(jīng)濟(jì)效益的輸氣管道都有此經(jīng)驗(yàn)。除了確保輸氣量外,輸氣管道的優(yōu)化運(yùn)行是降低輸送成本的重要手段。所謂優(yōu)化運(yùn)行是使管道在能耗最小的情況下實(shí)現(xiàn)接收與交付的平衡,完成天然氣的輸送和供應(yīng)。其目標(biāo)是使系統(tǒng)總能耗最小。優(yōu)化運(yùn)行方案包括最優(yōu)調(diào)度計(jì)劃、穩(wěn)態(tài)最優(yōu)工況確定、非穩(wěn)態(tài)工況的最優(yōu)控制等。為了實(shí)現(xiàn)這一目的,硬件方面最有效的工具是SCADA系統(tǒng)。這是一個(gè)多功能的運(yùn)行管理與監(jiān)控系統(tǒng),可以對(duì)管道運(yùn)行的全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視。SCADA系統(tǒng)配以適用的軟件,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道運(yùn)行全過(guò)程進(jìn)行控制、模擬、分析、預(yù)測(cè)、計(jì)劃、調(diào)度和優(yōu)化,可以對(duì)管線及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行診斷并提出維修建議,可以執(zhí)行事故報(bào)警并采取保護(hù)措施。目前,SCADA系統(tǒng)的功能已相當(dāng)完善,并進(jìn)一步向智能化和專家系統(tǒng)的方向發(fā)展。與SCADA系統(tǒng)相伴的是POAS系統(tǒng)。這是一個(gè)過(guò)程最優(yōu)化保證系統(tǒng)。POAS的軟件功能包括:系統(tǒng)運(yùn)算模塊、實(shí)時(shí)模塊、預(yù)測(cè)模塊、報(bào)表分析、輸量平衡、泄漏監(jiān)測(cè)、泄漏定位、儀表分析、輸氣效率分析、氣體組分跟蹤、清管器跟蹤、調(diào)峰控制等。SCADA系統(tǒng)和POAS系統(tǒng)置于輸氣管道的網(wǎng)絡(luò)管理和控制中心。對(duì)管道運(yùn)行實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化。2減少輸送壓降天然氣管道輸送過(guò)程中,輸送能耗相當(dāng)一部分消耗在克服管線沿程的摩擦阻力上,也即通常所說(shuō)的輸送壓降。而沿程摩阻的大小除了與流態(tài)有關(guān)外,管內(nèi)壁粗糙度的大小也是一個(gè)重要因素。表1中列出了平湖油氣田海底天然氣輸送管道內(nèi)壁粗糙度對(duì)輸送壓降的影響。該管道管徑為35.56cm,全長(zhǎng)385km。在輸送量和出口壓力一定時(shí),內(nèi)壁粗糙度越大,輸送壓降越大。為了減小管壁粗糙度,以減小摩阻、降低輸送能耗,最常用的辦法是進(jìn)行管壁內(nèi)涂層。管壁內(nèi)涂層的標(biāo)準(zhǔn)多采用美國(guó)石油學(xué)會(huì)制定的RP5L2標(biāo)準(zhǔn)。采用內(nèi)涂層后,在同樣的輸送溫度和壓降下,也就提高了輸氣量。據(jù)報(bào)道,可提高輸量5%~8%,最多達(dá)18%,據(jù)測(cè)算,加拿大NOVA公司在口徑D450mm以上的管道內(nèi)做涂層后,每年可節(jié)約燃料氣1600萬(wàn)m3。為了降低輸送壓降,在天然氣輸氣站場(chǎng)內(nèi),采用超聲波流量計(jì)替換壓降大的孔板流量計(jì);采用全開型閥門,減小閥件阻力損失;改進(jìn)管匯設(shè)計(jì)等。這些措施對(duì)降低站場(chǎng)輸氣壓降也是有用的。3離心式壓縮機(jī)在輸氣管道上站主導(dǎo)地位天然氣輸送管道上一般都設(shè)有壓氣站,它是輸氣管道系統(tǒng)的重要組成部分。壓氣站內(nèi)設(shè)有天然氣壓縮機(jī)及與之配套的原動(dòng)機(jī),用于對(duì)天然氣進(jìn)行壓縮以提高壓力繼續(xù)輸送。一般來(lái)說(shuō),干線壓氣站的裝機(jī)功率都在幾萬(wàn)kW以上,因而提高壓縮機(jī)組(包括壓縮機(jī)和原動(dòng)機(jī))的效率,也是降低輸氣能耗的一項(xiàng)重要措施。輸氣管道壓縮機(jī)可選用往復(fù)式的或離心式的。目前,往復(fù)式壓縮機(jī)的最大功率達(dá)10000kW,效率為86%~90%。離心式壓縮機(jī)的最大功率已超過(guò)25000kW,輸氣量可達(dá)300~400萬(wàn)m3/h,效率為80%~84%。由于大型輸氣管道普遍向大排量、高揚(yáng)程發(fā)展,因而,離心式壓縮機(jī)正逐漸取代往復(fù)式壓縮機(jī)在輸氣管道上站主導(dǎo)地位。壓氣站的原動(dòng)機(jī)主要有電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。其中燃?xì)廨啓C(jī)是大排量壓縮機(jī)的主要?jiǎng)恿Α１?列出了這三類原動(dòng)機(jī)的投資和效率。由表可見(jiàn),在電力供應(yīng)充足且電價(jià)低的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī),可大大提高機(jī)組效率,且電機(jī)運(yùn)行效率受工況變化影響小。但由于壓縮機(jī)所需功率大,許多壓氣站又地處邊緣,遠(yuǎn)離電網(wǎng),因而,燃?xì)廨啓C(jī)安裝功率占?jí)簹庹驹瓌?dòng)機(jī)總功率的70%以上。燃?xì)廨啓C(jī)的主要缺點(diǎn)是效率低。多年來(lái),燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展方向是提高熱效率。20世紀(jì)50年代不設(shè)熱回收裝置,最大功率12000kW,效率18%~29%,發(fā)展到80年代以來(lái),采用聯(lián)合熱力循環(huán)系統(tǒng),輸出功率26700kW,總熱效率達(dá)到45%~47%。在提高機(jī)組效率的同時(shí),改進(jìn)機(jī)組自控系統(tǒng),使其保持最優(yōu)運(yùn)行工況,節(jié)省能耗。4上海天然氣管道的轉(zhuǎn)變減少天然氣輸送過(guò)程中不必要的損失,如在事故搶修或計(jì)劃維修時(shí)高壓天然氣的放空等,不僅可提高輸氣效率,而且避免對(duì)環(huán)境和安全的影響。采取的措施可以利用移動(dòng)壓縮機(jī)將放空管段中的天然氣送至相鄰管段中,保持搶修或檢修時(shí)系統(tǒng)的密閉。“十五”期間,我國(guó)的天然氣管道將有