天然氣增壓輸送管道節(jié)能技術(shù)研究

王明軍 杜曉春

（1.中國石化華北分公司油氣田建設(shè)處，河南 鄭州 450006；2.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610213）

0 引言

管道輸送是天然氣的主要運(yùn)輸方式，天然氣管道已經(jīng)形成國際性、全國性或地區(qū)性網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了規(guī)模龐大的供氣系統(tǒng)。大型天然氣管道輸送系統(tǒng)的能耗和損耗很大，可以用簡單輸氣效率來衡量輸氣管道的經(jīng)濟(jì)性，它是交付與接收的天然氣能量之比，世界先進(jìn)水平的簡單輸氣效率在99%以上。我國天然氣管道輸送技術(shù)相對落后，隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展及對能源的需求不斷提高，發(fā)展天然氣管道節(jié)能技術(shù)有很深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)意義。

1 輸氣工藝參數(shù)和能耗指標(biāo)的關(guān)系

根據(jù)輸氣管道的常用公式，壓氣站輸氣所需功率表示為［1］：

式中，N為壓氣站輸氣所需功率，kW；ηl為壓氣站驅(qū)動耗能相對換算效率；λd為設(shè)計的水力摩阻系數(shù)；G為天然氣的質(zhì)量流量，kg／s；z為壓氣站天然氣的平均壓縮系數(shù)；R為氣體常數(shù)，8 314.3／氣體摩爾質(zhì)量，m2／（s2·K）；T為壓氣站天然氣平均溫度，K；μ為天然氣的質(zhì)量速度，kg／（m2·s）；P為兩壓氣站間天然氣的平均壓力，MPa；D為管道內(nèi)徑，mm；l為管線的長度，km；E為管段直線部分的水力效率。

式中，λr為管道中的實際摩阻系數(shù)；Q?為管道實際輸量，m3／d；Qd為管道設(shè)計輸量，m3／d。

壓氣站功率與輸氣干線主要工藝指標(biāo)間的關(guān)系表示為：

式中，Q為天然氣體積流量，104m3／a；P1為管線起點(diǎn)壓力，MPa。

2 天然氣節(jié)能降耗的主要途徑

2.1 提高天然氣輸送壓力

式（2）表明，減小輸氣管道的輸量（D和l保持不變），輸氣功率和起點(diǎn)壓力都要下降，并且起點(diǎn)壓力比輸氣功率下降的幅度更大，這樣壓氣站的整個輸氣能耗也會升高。從物性方面考慮，提高管道壓力使管道中的天然氣密度增大，管道中天然氣的實際流速將減小，線路摩擦消耗的能量也就減少了，因此提高管道的工作壓力將是節(jié)能的一個主要途徑。以直徑為1 020 mm的管道為例［1］83，如果將工作壓力從5.5 MPa提高到10 MPa，單位投資將降低38%。

2.2 降低天然氣輸送溫度

由于壓氣站所需功率與溫度的平方成正比，降低輸送溫度就會使能耗迅速降低。但不能盲目降低管道內(nèi)天然氣的溫度，因為溫度過低會在管道中產(chǎn)生水合物以致于堵塞管道，影響天然氣管道的正常、安全運(yùn)行。

2.3 提高管道的水力效率

管道的水力狀況對壓氣站的能耗影響很大。如果保持輸量不變，隨著水力效率的下降，能耗將明顯升高。在現(xiàn)實條件下，當(dāng)壓氣站功率有限時，降低管道水力效率會造成輸量下降。由式（3）可知，提高管道的實際輸送量使其滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)是提高管道水力效率的有效方法，這就需要在管道建設(shè)前做好市場需求分析，抓好天然氣市場的開拓，使管道的建設(shè)規(guī)劃符合實際需求。此外，通過降低管道摩阻系數(shù)也能有效提高管道水力效率。

2.4 提高壓氣站效率

1）優(yōu)化壓縮機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。為了保證輸氣機(jī)組用最低的消耗完成所給定的輸氣任務(wù)，可通過對運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷的最優(yōu)化分配和機(jī)組配合方案的最優(yōu)化來實現(xiàn)。例如對串連或并聯(lián)機(jī)組的負(fù)荷進(jìn)行分配，使技術(shù)性能好的機(jī)組多承擔(dān)一些任務(wù)。由于輸氣管線的供氣不均衡性使壓氣站負(fù)荷也不均衡，可以發(fā)展壓氣站輸氣設(shè)備自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對壓縮機(jī)組和管道的監(jiān)控，從而自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)狀態(tài)使其達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行。

2）提高壓縮機(jī)組效率。壓氣站的原動機(jī)主要有燃?xì)廨啓C(jī)、電動機(jī)和柴油機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)的熱效率在30%左右，而電動機(jī)的效率可達(dá)到90%以上，且受工況變化影響較小。因此在電力供應(yīng)充足且電價低的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮以電動機(jī)為原動機(jī)，可大大提高機(jī)組效率。

3）合理利用燃?xì)鈾C(jī)組廢氣余熱。許多壓氣站地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，燃?xì)廨啓C(jī)安裝功率占壓氣站原動機(jī)總功率的70%以上。燃?xì)廨啓C(jī)的主要缺點(diǎn)是效率低，可以設(shè)置余熱回收裝置將壓縮機(jī)組余熱回收用于壓氣站居住區(qū)及臨近地區(qū)的供暖以及熱水供應(yīng)，或者借助再生器再生利用熱能，這樣可以使燃?xì)鈾C(jī)組效率提高到50%以上。

2.5 減小壓氣站的天然氣損失量

據(jù)統(tǒng)計，俄羅斯輸氣管道天然氣損失的主要形式及所占比例［1］96如表1所示。壓氣站連接管線和干線管道連接的不密閉造成了大量的天然氣損失，因此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)高壓下管道連接方法的研究。另外，除塵器吹掃損失的氣量也很大，損失氣量與吹掃匯管口徑、吹掃持續(xù)時間、除塵器內(nèi)部壓力及除塵器輸量有關(guān)。利用吹掃氣比較簡單的方案是，將吹掃氣引入分離器，分離出水分和機(jī)械雜質(zhì)，凈化后的天然氣進(jìn)入儲罐，回收利用的天然氣可以作為壓氣站本身工藝用氣或提供用戶用氣。

表1 俄羅斯輸氣管道主要天然氣損失形式表

輸氣機(jī)組的起動、停車時有大量的天然氣放空。為減少輸氣機(jī)組起停時的天然氣損失，可以用引射器吸取放空管的天然氣，進(jìn)入引射器后的天然氣可以通向燃料氣管匯或起動氣管匯。

3 結(jié)論

1）能源緊缺已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，為適應(yīng)我國天然氣工業(yè)的發(fā)展，發(fā)展輸氣管道節(jié)能技術(shù)具有重大意義。

2）管道輸送節(jié)能技術(shù)的主要方向：大力開發(fā)高壓輸氣管道密閉連接技術(shù)；研究新型管材，提高管道強(qiáng)度，提高輸送壓力；采用管道內(nèi)涂層技術(shù)，使用智能清管設(shè)備，降低管道摩阻損失。

［1］李長俊.天然氣管道輸送［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000.