低壓煤層氣環(huán)狀集輸管網(wǎng)的管徑計算

李樹清1，李 軻2

（1.中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司華北分公司，河北任丘 062552；2.中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司北京分公司，北京 100085）

0 引言

煤層氣礦場集輸管道的起點是各個井場，終點為集氣站，它是由許許多多的單井管道、集氣支線、集氣支干線、集氣主干線等組成的一個復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)。

礦場集輸管網(wǎng)從形式上分主要有直線式、放射式、環(huán)狀式三種；從形狀上講主要有枝狀、環(huán)狀、放射狀三種。

煤層氣管道水力計算的任務(wù)是：根據(jù)計算流量和規(guī)定的壓力損失來計算管徑，進而決定管道的金屬耗量和投資；或是演算已有管道的流量和壓力損失，以充分發(fā)揮管道的輸送能力。

本文主要闡述對復(fù)雜環(huán)狀集輸管網(wǎng)的管徑進行計算的方法。

1 基本原理

1.1 環(huán)狀管網(wǎng)管徑計算公式的推導(dǎo)

煤層氣的礦場集輸壓力較低，一般在0.3～

1.1 MPa（絕），管道輸送壓力接近于城市燃氣管網(wǎng)的高、中壓管道。因此其水力計算可以按照城市燃氣高、中壓管道的計算方法進行，對于中、高壓燃氣管道有：

式中P1——管道起點壓力/MPa（絕）；

Pn+1——管道終點壓力/MPa（絕）；

L——各管段的計算長度/km；

λ——各管段的摩阻力系數(shù)；

Q0——各管段內(nèi)氣體的流量/（m3/h）；

d——管道的內(nèi)徑/cm；

ρ——氣體相對密度；

T——氣體溫度/K；

T0——標準狀況下的熱力學(xué)溫度，273.15 K。

如圖1所示，假定：

圖1 環(huán)狀管網(wǎng)計算簡圖

（1）管道的起、終點地形高差不大于200 m。

（2）環(huán)形集氣管網(wǎng)由同徑管組成。

（3）上半環(huán)各管段天然氣流量為Q1～Qn，它們通過A、B、……、I點輸至O點。下半環(huán)各管段天然氣流量為q1～qn，它們通過A、b、……、j點輸至O點。

（4）A點為上、下兩個半環(huán)管道的起點 （零點），其壓力為P1。O點為上下兩個半環(huán)管道的匯合點，也就是環(huán)網(wǎng)的終點，此點壓力為Pn＋1。

根據(jù)上述假定，我們就可以將環(huán)形管網(wǎng)的上、下半環(huán)分別按直線支狀管網(wǎng)來考慮，這個支狀管網(wǎng)的干線是由同徑管組成的。

上、下兩個半環(huán)的氣體按圖1所示方向流動，因此A-B-O和A-b-O管段的壓差相等，因起、終點在同一處，壓力平方差必然相等。

將式 （1）變形整理得：

將以上第1段至第n段公式的兩邊相加得：

1.2 環(huán)狀管網(wǎng)計算起點與終點位置的確定方法

任意環(huán)形管網(wǎng)如圖1所示，環(huán)上各節(jié)點的進出氣量用V表示，在環(huán)上任選一點A為環(huán)網(wǎng)的計算起點，干線主出口點O為環(huán)網(wǎng)的計算終點。用虛線連接A、O點，將環(huán)狀管網(wǎng)分成上下兩個半環(huán)，上下兩個半環(huán)來的氣體在O點匯合流入進站總干線。通常環(huán)網(wǎng)上的各個節(jié)點在設(shè)計方案的前期是已知的，也就是說終點 （O點）位置是已知的，而環(huán)網(wǎng)的計算起點 （A點）位置則是未知的，A節(jié)點的上下半環(huán)流量分配也是未知的。一般是先根據(jù)上半環(huán)的線路總長大致等于下半環(huán)的線路總長，上半環(huán)的總流量大致等于下半環(huán)的總流量來初步選取，然后再經(jīng)過適當?shù)挠嬎闩卸ê筮M行調(diào)整。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，環(huán)網(wǎng)上輸出的流量等于輸入的流量，對于任意節(jié)點即有：

在起點 （A點）有：

設(shè)Q1=X，則：

上半環(huán)起終點壓力平方差：

下半環(huán)起終點壓力平方差：

無論是上半環(huán)還是下半環(huán)，起終點同在一處，壓力平方差必然相等，所以有：

起始點位置 （A點）的選擇與計算判定需要先試設(shè)Q1=X值，然后進行試算判定：

1.3 管道定性參數(shù)的確定

1.3.1 管道平均溫度的確定

根據(jù)輸油、氣管道溫度變化規(guī)律以及已有的工程經(jīng)驗可以知道：氣體輸送管道的平均溫度是無限接近于地溫的。因此，筆者建議按以下方式來計算煤層氣集氣管道的平均溫度，其計算誤差完全可以滿足工程設(shè)計的要求：

式中tMcp——煤層氣集輸管道的平均溫度/℃；

t1——煤層氣集輸管道起點的氣體溫度/℃；

t0——煤層氣集輸管道周圍土壤的溫度/℃，

由于相關(guān)規(guī)范要求輸氣管道終點溫度必須高于地溫3～5℃，因此t0值應(yīng)加上此值。

1.3.2 管道平均壓力的確定

輸氣管道的平均壓力按以下公式計算：

式中Pcp——輸氣管道的平均壓力/MPa（絕）；

P1——輸氣管道的起點壓力/MPa（絕）；

P2——輸氣管道的終點壓力/MPa（絕）。

2 工程計算示例 （見圖2）

2.1 已知條件

已知某煤層氣田礦場集氣工程，現(xiàn)有井場40個，其中叢式井場36個，單井式井場4個，總井數(shù)175口，建集氣站2座 （1號集氣站為10萬m3/d，2號集氣站為 36.25萬 m3/d）。井口壓力 0.3 MPa（絕），井口溫度20℃，煤層氣組成見表1。

圖2 集氣管網(wǎng)系統(tǒng)計算簡圖

表1 某煤層氣田的某區(qū)塊煤層氣組成

管道的終點壓力：要求進集氣站的壓力不低于0.15 MPa （絕）。

當?shù)氐販兀?1.6 m深處平均地溫10.7℃。

管網(wǎng)情況：通過現(xiàn)場踏勘選線與勘察測量得到系統(tǒng)分布、管網(wǎng)情況、線路長度等，如圖2所示（圖中Q指氣量，L指管段線路長度）。

要求計算集氣環(huán)網(wǎng)主干線的管徑。

2.2 計算簡圖

在作管徑計算之前，首先按照已知條件進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)整理，繪出計算簡圖 （見圖2）便于后續(xù)計算。

2.3 確定環(huán)狀管網(wǎng)起點與終點的壓力

由系統(tǒng)計算簡圖可以看出系統(tǒng)中各管段的長度。分別在上下兩個半環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中選取距離集氣站距離最遠的單井為計算起點，以集氣站為計算終點。根據(jù)這個起、終點線路總體長度及系統(tǒng)允許壓降來確定系統(tǒng)中各接點的壓力。

系統(tǒng)的允許壓降：

式中 ΔP——從井場至集氣站整個管網(wǎng)系統(tǒng)的允許壓降 （采氣井井口的允許回壓）/MPa （絕）；

PJ——井場外輸起點壓力/MPa（絕）；

PZ——集氣站進站的允許最低壓力/MPa（絕）。

即： ΔP=PJ-PZ=300-150≤150 （kPa）（絕）

從圖2可以看出：環(huán)上最長支線為保1-05井場至g點，管段長度l=1 005+1 221=2 226（m）。所以經(jīng)綜合考慮，上下兩半環(huán)均取最遠單井至環(huán)網(wǎng)干線的支線管段長度lQ-A=2 226 m來進行管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點壓力的確定計算。計算時各管段的長度都考慮1.1的系數(shù)。系統(tǒng)各管段長度及各節(jié)點壓力的確定及計算結(jié)果見表2和表3。

校核上下兩半環(huán)的計算閉合壓差：

即閉合壓差在±5%之內(nèi)，表明計算是符合要求的。由此，可確定環(huán)網(wǎng)干線的起、終點壓力如下：

表2 系統(tǒng)各管段長度

表3 系統(tǒng)各管段節(jié)點壓力計算結(jié)果

起點壓力P1=275 kPa（絕）

終點壓力P2=180 kPa（絕）

2.4 環(huán)網(wǎng)干線管徑計算

2.4.1 確定環(huán)網(wǎng)管道的流動定性操作參數(shù)

（1）管道的平均溫度。取管道的起點溫度t1=20℃，管道周圍的地溫t2=10.7℃，由式 （12）計算得到：

（2）管道的平均壓力。取輸氣管道的起點壓力P1=275 kPa（絕），終點壓力P2=180 kPa（絕），

由式 （13）得到：

（3）確定各管段氣體在流動定性操作條件（Pcp=0.231 MPa、tMcp=15.8℃）下的物性參數(shù)，由HYSYS軟件計算得到，見表4。

2.4.2 確定環(huán)網(wǎng)的起點位置

上、下半環(huán)各節(jié)點的氣體流量、各管段的輸氣量和長度見表5、6。

表4 各管段操作參數(shù)

表5 上半環(huán)各管段Q2L計算

表6 下半環(huán)各管段q2l計算

設(shè)管段 L1的流量 Q1=X=5 552 m3/d。管段l1的流量q1=VA－X=17 500-5 552=11 948 （m3/d）。

由式 （5）～ （11）計算得到：

計算結(jié)果判定：上下半環(huán)的壓力平方差幾乎相等，即閉合差在±5%之內(nèi)，說明環(huán)網(wǎng)的計算起點選擇正確，起始管段L1的流量假設(shè)Q1=X=5 552 m3/d正確。

2.4.3 確定環(huán)網(wǎng)干線的管徑

（1）計算摩阻系數(shù)λ值。有關(guān)中、高壓輸氣管道的流速Vm、雷諾數(shù)Re、流態(tài)判別、摩阻系數(shù)λ的計算公式，在相關(guān)的專業(yè)書籍或規(guī)范中都能查到，本文在此不再復(fù)述。首先計算管道流速Vm、雷諾數(shù)Re，并進行流態(tài)判別，而后根據(jù)流態(tài)判定結(jié)果選擇對應(yīng)的摩阻系數(shù)λ計算公式進行計算。管道內(nèi)壁當量絕對粗糙度?。簁=（0.1～0.2）mm=（1～2）×10-4m，初設(shè)管徑d=0.232 m，λ值計算結(jié)果見表7、表8。

表7 上半環(huán)各管段摩阻系數(shù)λ值計算結(jié)果

表8 下半環(huán)各管段摩阻系數(shù)λ值計算結(jié)果

氣體的相對密度ρ=0.564（見表4）；氣體的溫度T=273.15+15.8=288.95 K；標況下的熱力學(xué)溫度T0=273.15 K。

（3）計算結(jié)果判定。因環(huán)網(wǎng)干線管徑的計算結(jié)果d=0.232 m取3位有效數(shù)與預(yù)先初選假定值d=0.232 m幾乎相等，即閉合差在±5%之內(nèi)，說明計算結(jié)果合理，滿足要求，不需要再重新試算。

3 計算體會

煤層氣礦場集氣管網(wǎng)是由枝狀、環(huán)狀、放射狀等子管網(wǎng)組成的一個復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)。

低壓煤層氣的集輸采用環(huán)狀集輸管網(wǎng)工藝，在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)。它類似于城市燃氣管網(wǎng)，所不同的只是氣體的流向相反。城市燃氣環(huán)網(wǎng)的氣體流向是由內(nèi)向外，即：城市門站→環(huán)網(wǎng)主干線→支干線→調(diào)壓站→支線→進戶管道→燃氣用戶；而低壓煤層氣集輸環(huán)網(wǎng)的氣體流向則是由外向內(nèi)，即：井場→單井管道→ （或支干線）→環(huán)網(wǎng)干線→主干線→集氣站→外輸。

在如此復(fù)雜的管網(wǎng)計算中，計算時需要特別注意以下三點。

3.1 關(guān)鍵節(jié)點及壓力的確定

關(guān)鍵節(jié)點及壓力確定得合理與否，直接關(guān)系到管道直徑的大小和耗鋼量，關(guān)系整個系統(tǒng)的計算及方案的合理性，關(guān)鍵的節(jié)點及壓力主要有4個：

（1）單井井場外輸壓力PJ。井場采油樹的出口壓力在0.3～1.1 MPa（絕），井場計量裝置的設(shè)計壓力一般在0.7 MPa（絕），所以井場的外輸壓力一般按最不利情況考慮，取PJ=0.3 MPa（絕）。

（2）環(huán)網(wǎng)干線起點壓力P1。單井管道的長度一般在0.5～1.5 km，最長的約2.0 km，所以考慮單井管道的壓降時，要按距離最長、距環(huán)網(wǎng)干線最遠的單井來考慮。因此在環(huán)網(wǎng)節(jié)點處的壓力一般取P1=0.275 MPa （絕）。

（3）環(huán)網(wǎng)干線終點與去集氣站主干管的支點處的節(jié)點壓力一般按P2=0.18 MPa（絕）考慮。

（4）集氣站進站壓力PZ。集氣站進站壓力主要考慮壓縮及入口參數(shù)的要求，一般集氣站壓縮機的入口壓力在0.15～0.3 MPa（絕），所以集氣站進站壓力一般按PZ=0.15 MPa（絕）考慮。

綜上所述，比較合理的系統(tǒng)壓降分配方案是：單井管道部分的總壓降ΔP約為25 kPa→環(huán)網(wǎng)干線部分的總壓降約為95 kPa→環(huán)網(wǎng)至集氣站總干線部分的總壓降約為30 kPa。

3.2 定性參數(shù)確定

管道的定性參數(shù)主要有平均壓力和平均溫度，它涉及到氣體各項物性參數(shù)的計算，確定應(yīng)當盡量準確，如果定性參數(shù)的誤差較大，將影響到氣體各項物性參數(shù)的計算誤差，從而也影響到管徑的計算誤差。

3.3 環(huán)網(wǎng)起點位置的確定及起點流量的分配

在進行環(huán)網(wǎng)干線管徑計算時，一般終點是已知的，需要特別注意的就是起點位置的確定和起點流量的分配，必須滿足式 （5）和式 （11）的條件，否則計算出來的管徑就是不正確的。

[1]《城市煤氣規(guī)劃參考資料》編寫組.城市煤氣規(guī)劃參考資料[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1984.

[2]鄧淵.煤氣規(guī)劃設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992.

[3]四川石油管理局.天然氣工程手冊（上）[M].北京：石油工業(yè)出版社，1982.

[4]《油田油氣集輸設(shè)計技術(shù)手冊》編寫組.油田油氣集輸設(shè)計技術(shù)手冊（上）[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[5]王樹立，趙會軍.輸氣管道設(shè)計與管理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[6]王熒光，裴紅，劉文偉，等.低壓、低產(chǎn)煤層氣田井口集輸工藝技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2010，36（6）：1-5.