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，天然氣作為一種高效、清潔的能源，在世界各國引起了越來越多的利用。世界天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展。由于天然氣的不易存儲的特性,管道輸送成為運輸天然氣的經(jīng)濟有效方法。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km以上。天然氣管道已連接成國際性、全國性或地區(qū)性管網(wǎng),構成了規(guī)模龐大的供氣系統(tǒng)。天然氣輸送管道的運行,一方面要求安全可靠,保證對用戶連續(xù)穩(wěn)定供氣;一方面由于大型輸氣系統(tǒng)的運行能耗和損耗很大。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單輸氣效率來衡量輸送能耗的大小。簡單輸氣效率為交付與接收的天然氣能量之比。世界先進水平的簡單輸氣效率在99%以上。加拿大阿爾伯達輸氣管道年輸氣量50×109m3。簡單輸氣效率提高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)濟效益要靠長期穩(wěn)定高效運行來實現(xiàn)。如果一條輸氣管道長期在遠低于設計輸量的條件下運行,則很難實現(xiàn)預期的經(jīng)濟效益。在管道設計中,一般要求管道在設計輸量范圍內(nèi)穩(wěn)定運行30年左右。在近幾十年中,世界上取得良好經(jīng)濟效益的輸氣管道都有此經(jīng)驗。除了確保輸氣量外,輸氣管道的優(yōu)化運行是降低輸送成本的重要手段。所謂優(yōu)化運行是使管道在能耗最小的情況下實現(xiàn)接收與交付的平衡,完成天然氣的輸送和供應。其目標是使系統(tǒng)總能耗最小。優(yōu)化運行方案包括最優(yōu)調(diào)度計劃、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)。這是一個多功能的運行管理與監(jiān)控系統(tǒng),可以對管道運行的全過程進行動態(tài)監(jiān)視。SCADA系統(tǒng)配以適用的軟件,可以實現(xiàn)對管道運行全過程進行控制、模擬、分析、預測、計劃、調(diào)度和優(yōu)化,可以對管線及設備狀態(tài)進行診斷并提出維修建議,可以執(zhí)行事故報警并采取保護措施。目前,SCADA系統(tǒng)的功能已相當完善,并進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)。這是一個過程最優(yōu)化保證系統(tǒng)。POAS的軟件功能包括:系統(tǒng)運算模塊、實時模塊、預測模塊、報表分析、輸量平衡、泄漏監(jiān)測、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)絡管理和控制中心。對管道運行實行實時監(jiān)測、動態(tài)優(yōu)化。2減少輸送壓降天然氣管道輸送過程中,輸送能耗相當一部分消耗在克服管線沿程的摩擦阻力上,也即通常所說的輸送壓降。而沿程摩阻的大小除了與流態(tài)有關外,管內(nèi)壁粗糙度的大小也是一個重要因素。表1中列出了平湖油氣田海底天然氣輸送管道內(nèi)壁粗糙度對輸送壓降的影響。該管道管徑為35.56cm,全長385km。在輸送量和出口壓力一定時,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,最常用的辦法是進行管壁內(nèi)涂層。管壁內(nèi)涂層的標準多采用美國石油學會制定的RP5L2標準。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)報道,可提高輸量5%~8%,最多達18%,據(jù)測算,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m3。為了降低輸送壓降,在天然氣輸氣站場內(nèi),采用超聲波流量計替換壓降大的孔板流量計;采用全開型閥門,減小閥件阻力損失;改進管匯設計等。這些措施對降低站場輸氣壓降也是有用的。3離心式壓縮機在輸氣管道上站主導地位天然氣輸送管道上一般都設有壓氣站,它是輸氣管道系統(tǒng)的重要組成部分。壓氣站內(nèi)設有天然氣壓縮機及與之配套的原動機,用于對天然氣進行壓縮以提高壓力繼續(xù)輸送。一般來說,干線壓氣站的裝機功率都在幾萬kW以上,因而提高壓縮機組(包括壓縮機和原動機)的效率,也是降低輸氣能耗的一項重要措施。輸氣管道壓縮機可選用往復式的或離心式的。目前,往復式壓縮機的最大功率達10000kW,效率為86%~90%。離心式壓縮機的最大功率已超過25000kW,輸氣量可達300~400萬m3/h,效率為80%~84%。由于大型輸氣管道普遍向大排量、高揚程發(fā)展,因而,離心式壓縮機正逐漸取代往復式壓縮機在輸氣管道上站主導地位。壓氣站的原動機主要有電動機、柴油機和燃氣輪機。其中燃氣輪機是大排量壓縮機的主要動力。表2列出了這三類原動機的投資和效率。由表可見,在電力供應充足且電價低的地區(qū)應優(yōu)先考慮電動機為原動機,可大大提高機組效率,且電機運行效率受工況變化影響小。但由于壓縮機所需功率大,許多壓氣站又地處邊緣,遠離電網(wǎng),因而,燃氣輪機安裝功率占壓氣站原動機總功率的70%以上。燃氣輪機的主要缺點是效率低。多年來,燃氣輪機的發(fā)展方向是提高熱效率。20世紀50年代不設熱回收裝置,最大功率12000kW,效率18%~29%,發(fā)展到80年代以來,采用聯(lián)合熱力循環(huán)系統(tǒng),輸出功率26700kW,總熱效率達到45%~47%。在提高機組效率的同時,改進機組自控系統(tǒng),使其保持最優(yōu)運行工況,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程中不必要的損失,如在事故搶修或計劃維修時高壓天然氣的放空等,不僅可提高輸氣效率,而且避免對環(huán)境和安全的影響。采取的措施可以利用移動壓縮機將放空管段中的天然氣送至相鄰管段中,保持搶修或檢修時系統(tǒng)的密閉。“十五”期間,我國的天然氣管道將有