降低天然氣長輸管道能耗措施

盧東林（中國石油西部管道獨山子輸油氣分公司）

引言

天然氣因自身熱值高、安全環(huán)保、經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)領(lǐng)域，但是由于天然氣的產(chǎn)區(qū)主要集中在人煙較少的地方，而天然氣的消費區(qū)主要是東部沿海城市，為解決天然氣的供需不平衡，長距離天然氣運輸管道應(yīng)運而生。目前國內(nèi)的輸氣管道處于發(fā)展的高峰期，已建成管線長達8.5×108m，各種類型管道比例如圖1所示。

圖1 不同類型管道所占比例

在“十二五”規(guī)劃期間，國內(nèi)將會繼續(xù)修建大量管道，如表1所示。隨著國內(nèi)輸氣管線的不斷增多，天然氣管道的耗能問題也逐漸成為制約其發(fā)展的一個重要因素，因此，開展天然氣長輸管線耗能問題的研究是非常有意義的。

表1 管道長度

1 天然氣管道的耗能特點

天然氣的能耗主要集中在管道運輸過程中，分為直接能耗、間接能耗兩種形式[1]。直接能耗主要是由壓縮機組、管道阻力等氣體運輸途中產(chǎn)生的，而間接能耗是由天然氣運輸過程中管道漏氣、氣體放空等產(chǎn)生的。從這兩種天然氣管道能耗的形式來看，間接能耗是可以通過先進的技術(shù)、完善的設(shè)備來消除的，直接能耗雖然也可以通過新材料、新技術(shù)等來減少，但是并不能徹底消除。因此要想快速有效地降低長距離輸氣管道的能耗，必須從減少壓縮機組能耗、降低輸氣管道阻力等方面入手，針對性地提出解決方法和措施。

2 降低輸氣管道直接耗能措施

2.1 降低壓縮機組的能耗

壓縮機在整個天然氣長距離運輸系統(tǒng)中扮演著不可替代的角色，是整個輸氣系統(tǒng)的動力提供者，也是整個系統(tǒng)中能耗最高的設(shè)備，因此采取有效措施降低壓縮機組的能耗對降低整個長距離輸氣管道的能耗具有重要意義。降低壓縮機組能耗的主要措施分為三個方面。

2.1.1 選擇合理的壓縮機組

長距離天然氣輸氣系統(tǒng)中常用的空氣壓縮機分往復(fù)式、離心式兩種。兩種不同形式的壓縮機使用的范圍不同，往復(fù)式壓縮機由于周期性的往復(fù)運動導(dǎo)致其損耗配件較多，在排量小、壓比高的條件下使用具有顯著優(yōu)勢。離心式壓縮機自身不進行往復(fù)運動，在排量大、壓比低的條件下具有優(yōu)勢?？紤]天然氣長距離輸氣管道運行過程穩(wěn)定，損耗配件較少，管道維修頻率較低等情況，在管道系統(tǒng)運行期間易采用離心式壓縮機。另外，空氣壓縮機的核心設(shè)備是電動機、燃氣輪機，在電力資源充足的地區(qū)易選用電動機，在電力資源匱乏的地區(qū)易選用燃氣輪機[2]。

2.1.2 優(yōu)化運行過程

當(dāng)長距離輸氣管道輸送的天然氣量比較均衡時，壓縮機的能耗較低；當(dāng)天然氣管道內(nèi)輸送的天然氣量波動較大時，壓縮機的能耗就會顯著升高。因此，在天然氣長距離輸送系統(tǒng)中應(yīng)盡可能地保證輸送氣體量均勻，避免出現(xiàn)較大幅度的變化?？梢钥紤]在天然氣的消費區(qū)修建調(diào)峰作用的地下儲氣庫、地上儲油罐等大型天然氣存儲設(shè)備，這樣就可以有效地調(diào)節(jié)長距離輸氣管道的輸氣量，大大降低壓縮機的能耗，進而降低整個輸氣系統(tǒng)的能耗。

2.1.3 季節(jié)性地修整壓縮機

國外相關(guān)管道雜志的研究表明，對于離心式壓縮機進行季節(jié)性的修整，定期更換氣動部件可有效減少壓縮機的能源消耗。國內(nèi)熊光德的研究同樣證明了這一點，因此要從壓縮機的使用環(huán)境和條件出發(fā)，對壓縮機的相應(yīng)配件進行及時更換，以降低天然氣長距離輸氣系統(tǒng)的能耗。

2.2 降低沿程摩阻

由于天然氣從偏遠的產(chǎn)區(qū)輸送到消費區(qū)經(jīng)歷了長距離的管道，管道的沿程阻力是相當(dāng)大的，這就使得整個管道運輸能耗較大。輸氣管道的沿程摩阻由輸送氣體的流動狀態(tài)和管道內(nèi)壁的粗糙程度決定，紊流、層流的摩阻系數(shù)是不同的，但是由于輸氣管道的輸氣相對穩(wěn)定，在此就不需考慮氣體流動狀態(tài)的影響，只需考慮管內(nèi)壁的粗糙度。

美國曾做過一個關(guān)于輸氣管道內(nèi)壁粗糙程度對沿程壓降的影響，實驗對象是一根使用多年的管道，通過對管道進行清洗和涂抹保護層處理，對比涂抹前后管道的內(nèi)壁對輸送氣體的摩阻大小[3]。實驗結(jié)果表明，涂抹保護層后的管道內(nèi)壁粗糙度、摩擦系數(shù)大幅度下降。工程中常用的降低管道內(nèi)壁粗糙度的方法是在輸氣管道的內(nèi)壁涂抹保護層，從而達到降低沿程摩阻、降低輸氣系統(tǒng)能耗的目的。

管道壓力損失不僅僅表現(xiàn)在管道摩阻上，還包括輸氣系統(tǒng)壓氣站閥門、彎頭等局部壓力損失。為減少局部壓力損失，在輸送天然氣過程中應(yīng)盡量避免使用彎頭，易采用全開型閥門等措施。

2.3 采用先進的輸氣工藝

采用新技術(shù)、新工藝可以有效地降低天然氣長輸管線的能耗：

1）維持高壓輸氣過程。管道高壓運送天然氣能夠大大降低輸氣系統(tǒng)的能耗。高壓輸氣一方面增大了天然氣的密度，提高了輸氣效率，降低了壓縮機的能耗；另一方面高壓輸氣使天然氣在輸送過程中流速降低，進而降低了管道輸氣的沿程阻力。

2）維持富氣輸送過程。富氣輸送之所以能降低輸氣過程中的能耗是因為富氣里面含有多種氣體，導(dǎo)致輸送氣體的密度偏高，而產(chǎn)生低于常規(guī)氣體輸送過程的流速，進而使輸氣管道產(chǎn)生較低的摩阻力。在現(xiàn)代常用的輸氣方式中，富氣輸送是天然氣長距離輸送高水平技術(shù)的體現(xiàn)，該方法與其他方法相比具有兩個顯著的優(yōu)點：輸氣環(huán)保安全；輸氣效率高。

2.4 壓氣站設(shè)置余熱利用系統(tǒng)

由于天然氣輸送技術(shù)具有高壓、長距離等特點，在天然氣輸送過程中設(shè)置余熱利用系統(tǒng)，吸收壓氣站排出的高溫?zé)煔獾哪芰浚缓罄靡龑?dǎo)設(shè)備將高溫?zé)煔馀c鍋爐里的水進行換熱，被換熱的鍋爐水可以用作生活用水。設(shè)置余熱換熱裝置的目的是減小燃氣降溫導(dǎo)致冰堵的概率，從而實現(xiàn)降低管道輸氣系統(tǒng)的能耗。

3 降低輸氣管道間接耗能措施

3.1 降低天然氣放空量

在天然氣長輸管道使用過程中，難免會有檢修、搶修等工作，這就產(chǎn)生了修理管道期間出現(xiàn)天然氣放空的問題。減少天然氣放空量的措施包括：

1）設(shè)置截斷閥。天然氣長輸管道每隔一定長度配備截斷閥之后，就可以在管道維修過程中關(guān)閉上下游的截斷閥，進而降低天然氣的放空。

2）配備移動壓縮機。使用移動壓縮機輸送放空段的氣體到上下游管道時，可有效保持維修階段長輸系統(tǒng)的氣密性。

3）清管階段保持輸氣管道密閉性。在進行輸氣管道的清洗、清潔工作時應(yīng)保持管路密閉，不能停氣，否則將會導(dǎo)致管道天然氣放空。

4）設(shè)定合理的放空段長度。工程實踐經(jīng)驗表明，科學(xué)合理地設(shè)定放空段管道長度可以降低天然氣放空量，因此可以通過計算、試驗來確定合理的放空段長度。

3.2 減少天然氣泄漏

天然氣泄漏帶來的危害眾多，輕則產(chǎn)生經(jīng)濟損失，重則危及群眾的生命安全，因此無論從哪個角度來講都應(yīng)該減少天然氣泄漏事故的發(fā)生。天然氣在輸送過程中容易出現(xiàn)泄漏的位置主要集中在兩處：長輸管道和輸氣設(shè)備。導(dǎo)致輸氣管道、設(shè)備出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象的原因較多，總結(jié)如下：

1）輸氣管道在使用過程中出現(xiàn)防腐保護層破損等問題導(dǎo)致的管壁穿孔漏氣。

2）長輸管道在制造過程中存在應(yīng)力集中、未焊透等問題，當(dāng)管道在輸氣過程中受到內(nèi)部高壓氣體壓力作用時可能導(dǎo)致管道連接法蘭、管壁等位置出現(xiàn)氣體泄漏現(xiàn)象。

3）管道施工過程中一些不恰當(dāng)?shù)氖┕げ僮饕鸸艿榔茡p。

4）隨著壓縮機、閥門等使用年限的增加，天然氣輸氣設(shè)備的密封性出現(xiàn)問題引起天然氣的泄漏。

從天然氣管道泄漏的原因入手，提出相應(yīng)的解決措施：對于使用環(huán)境較差，經(jīng)常出現(xiàn)破損的輸氣管道位置要定期檢查，對于出現(xiàn)問題的管道及時進行更換；加強管道的防腐保護檢測，確保防腐層、陰極保護等措施發(fā)揮保護作用；提高管道施工人員專業(yè)技術(shù)，降低人為操作的影響。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)天然氣管道鋪設(shè)長度的不斷增大，長輸管道的能耗問題也急需解決，因此要加強輸氣管道節(jié)能降耗工作的開展。降低天然氣管道能耗必須從管道高能耗的原因入手，提出針對性的解決措施。

[1]郭揆常.天然氣輸送管道的節(jié)能降耗[J].能源技術(shù),2011,22(6):241-242,248.

[2]劉銀春,楊光,常志波,等.天然氣長輸管道的節(jié)能降耗[J].天然氣技術(shù),2007,1(6):57-59.

[3]張宗榮.國內(nèi)外管道內(nèi)壁涂層技術(shù)的綜述[J].油氣儲運,2005,4(3):41-46.