“雙碳”戰(zhàn)略下城鎮(zhèn)燃氣高壓輸配系統(tǒng)升壓校核

＊盧錦忠 賴樂年 柯杰貞

（中海廣東天然氣有限責(zé)任公司 廣東 519015）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及“雙碳”戰(zhàn)略的提出，天然氣具有低碳、清潔環(huán)保及經(jīng)濟性等優(yōu)勢，我國工業(yè)和居民對天然氣需求不斷增長[1]，部分早期建設(shè)城燃管網(wǎng)設(shè)計壓力和運行壓力較低，無法滿足天然氣市場發(fā)展需求。基于石油天然氣管網(wǎng)改革和國家管網(wǎng)集團成立的背景，為實現(xiàn)優(yōu)勢互補、資源整合、減少管輸環(huán)節(jié)、降低管輸成本等目標(biāo)，廣東、福建、浙江等地區(qū)出現(xiàn)城燃企業(yè)和長輸管道企業(yè)合并的現(xiàn)象?？紤]企業(yè)合并重組后公司管理制度的統(tǒng)一，提升管網(wǎng)供氣能力，有必要研究提高管網(wǎng)設(shè)計、運行壓力的可行性。

唐曉杰[2]通過隱患整改的實踐，闡述了將某城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)從0.1MPa提升至0.4MPa的具體做法；范譯[3]等采用對中壓B級管道（0.2MPa）重新進行強度復(fù)驗的方法，研究將其提升至中壓A級管道（0.4MPa）的施工方案；支曉曄[4]等從安全風(fēng)險分析的角度較系統(tǒng)地提出了提高現(xiàn)有管網(wǎng)輸氣能力的方法；錢煒[5]提出中壓調(diào)壓站和低壓管網(wǎng)升壓的經(jīng)濟性分析。以上學(xué)者主要側(cè)重于低、中壓燃氣管網(wǎng)在設(shè)計壓力范圍內(nèi)升壓具體實施方案和安全風(fēng)險角度的研究，暫無對高壓或超高壓燃氣管網(wǎng)升壓的系統(tǒng)性研究。本文系統(tǒng)地研究了珠三角某城鎮(zhèn)燃氣高壓輸配管網(wǎng)，提出了高壓燃氣管網(wǎng)提高設(shè)計壓力和運行壓力的具體方案，為行業(yè)內(nèi)管網(wǎng)升壓提供參考。

1.綜合評估流程

珠三角某城鎮(zhèn)燃氣高壓輸配系統(tǒng)已建成管網(wǎng)約126km，輸配系統(tǒng)流程見圖1，執(zhí)行《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》[6]（簡稱“燃規(guī)”），設(shè)計壓力4.0MPa，現(xiàn)狀運行壓力3.5MPa，主管道為508×11.9mm，材質(zhì)為L360直縫埋弧焊鋼管，主要有兩個氣源點：MZ分輸站和NL分輸站。

該高壓輸配系統(tǒng)于2019年被某長輸管道運營公司并購，為提升供氣能力，實現(xiàn)公司的統(tǒng)一管理，提出了設(shè)計壓力由4.0MPa提升至4.4MPa和運行壓力由3.5MPa提升至3.8MPa以上的需求。依據(jù)該燃氣管網(wǎng)的參數(shù)、安裝和運行情況等，為提高結(jié)合行業(yè)的做法[7-8]，按《輸氣管道設(shè)計規(guī)范》[9]（簡稱“輸規(guī)”）相關(guān)規(guī)定對已建高壓輸配系統(tǒng)進行校核，并制定了城鎮(zhèn)燃氣高壓輸配系統(tǒng)升壓綜合評估流程（圖2）。

首先校核管網(wǎng)相關(guān)材質(zhì)、壁厚等，二是校核管線路由、安全距離等，三是校核閥室設(shè)置等，四是校核場站總圖及工藝流程，五是采用TGNET軟件進行升壓模擬仿真，最后對相關(guān)設(shè)施提出改造建議。

2.校核方法及評估情況

(1)管道及管件升壓校核

①現(xiàn)狀管道及管件參數(shù)。該城燃管網(wǎng)設(shè)計壓力4MPa，管材L360，直管規(guī)格主要為D323.9～D508、壁厚9.5～11.9mm，彎管規(guī)格主要為D323.9×10.3mm、D508×11.9mm。

②管道、彎管壁厚計算。根據(jù)輸規(guī)，計算管道直管段和彎管的計算壁厚，其中彎管壁厚如公式（1）（2）所示：

式中：δw—彎管壁厚，mm；δz—直管壁厚，mm；M—壁厚增大系數(shù)；R—曲率半徑，mm；D—管道直徑，mm。

計算得出直管段、熱煨彎管的計算壁厚（表1）：當(dāng)管道設(shè)計壓力由4.0MPa提高到4.4MPa時，現(xiàn)狀高壓管道和彎頭材質(zhì)、壁厚、規(guī)格滿足輸規(guī)的要求。

表1 管道、管件壁厚計算表

③管道強度校核。根據(jù)燃規(guī)的要求，受約束的埋地直管段軸向應(yīng)力計算和當(dāng)量應(yīng)力校核按輸規(guī)中公式（3）～（5）計算：

式中，σz—鋼管軸向應(yīng)力，MPa；μ—泊桑比，取0.3；σh—環(huán)向應(yīng)力，MPa；P—鋼管設(shè)計壓力，MPa；d—鋼管內(nèi)部直徑，cm；δn—鋼管壁厚，cm；E—彈性模量，MPa，碳鋼按2.1×105；α—膨脹系數(shù)，℃-1，對碳鋼≈1×10-5；t1—鋼管埋地溫度，取25℃；t2—鋼管工作溫度，取10℃；σe—當(dāng)量應(yīng)力，MPa；σs—材料最小屈服強度，MPa。

計算得出直管段、彎管的計算壁厚（表2），設(shè)計壓力提升至4.4MPa之后，計算出σe均小于0.9σs，滿足公式（5）要求，因此，所選的管材和壁厚滿足規(guī)范要求。

表2 管道強度校核表

④管道穩(wěn)定性校核。根據(jù)輸規(guī)，按公式（6）～（9）計算鋼管徑向穩(wěn)定性：

式中，△x—水平軸向變形量，m；D—鋼管直徑，m；Z—變形滯后系數(shù)，取1.5；K—基床系數(shù)；W—單位鋼管的豎向載荷，N/m；Dp—平均直徑，mm；E—彈性模量，N/m2；I—單位鋼管的慣性矩，m4/m；Es—土壤變形模量，N/m2；Wy—單位鋼管永久荷載，N/m；Wh—作用鋼管的活載荷，N/m；δn—鋼管壁厚，m。

經(jīng)計算，△x/D≤0.03，已建管道滿足穩(wěn)定性要求。

⑤管道敷設(shè)路由。該管網(wǎng)主要位于城市三級地區(qū)，與周圍建構(gòu)筑物的最小凈距不小于8m。根據(jù)輸規(guī)對已建管網(wǎng)路由進行校核，管道沿線5m范圍內(nèi)未見有建、構(gòu)筑物，管道路由滿足選線要求。

⑥閥室設(shè)置及工藝校核。A.閥室設(shè)置間距校核。輸規(guī)中關(guān)于相鄰截斷閥的間距應(yīng)滿足以下要求：一級地區(qū)不宜大于32km；二級至四級地區(qū)每級遞減8km，如因特殊情況造成受限的閥室間距可做部分調(diào)增。經(jīng)校核，已建高壓輸配管道設(shè)置有閥室14座，其中13座閥室間距均滿足上述要求，MZMZ至14#閥室的管線長度約13.5km，該段管線經(jīng)過四級地區(qū)（建設(shè)期為三級地區(qū)），因此，需增設(shè)1座閥室。B.閥室放空管管徑計算。天然氣線路放空時間通常為8～12h，根據(jù)流量壓力曲線，天然氣放空高峰小時量約占整個放空量的25%。天然氣閥室間隔為8km左右，按運行壓力為4MPa，計算管道放空量約為5.9萬立方米，首小時放空量約為1.48萬立方米。計算結(jié)果如下：由于1#～2#閥室、2#～3#閥室、2#～4#閥室的區(qū)間設(shè)置單放散，計算放散管管徑為0.16m，而1#、3#、4#閥室放空管管徑為DN100，放空管管徑小于計算管徑，1#、3#、4#閥室放空管需改造為DN200。其余閥室放散管管徑均為DN200，滿足要求。

⑦輸氣場站設(shè)計校核。A.輸氣站等級分類。該輸配系統(tǒng)原按照《城鎮(zhèn)燃氣工程設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計，若設(shè)計壓力由4.0MPa提升至4.4MPa，項目性質(zhì)由城燃管道變更為輸氣管道工程后，現(xiàn)狀門站和調(diào)壓站等級需按照《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》（簡稱“油氣防火規(guī)范”）確定，具體如下：除NLMZ為四級站外，其余7座均為五級站。B.站外區(qū)域布置防火間距校核。經(jīng)查閱圖紙和現(xiàn)場踏勘，各場站與站外建構(gòu)筑物（相鄰居住區(qū)、廠礦企業(yè)、鐵路及高速公路等）防火間距，滿足油氣防火規(guī)范表4.0.4的要求。C.站內(nèi)總平面布置校核。經(jīng)校核站內(nèi)各設(shè)施防火間距：8座場站工藝裝置區(qū)距離全廠性重要設(shè)施、輔助生產(chǎn)廠房及輔助生產(chǎn)設(shè)施的距離均滿足油氣防火規(guī)范的規(guī)定；其余5座場站工藝裝置區(qū)距離值班休息室的防火距離均滿足油氣防火規(guī)范的規(guī)定；剩余HJTYZ、CQTYZ、YNFSZ3座場站距離值班休息室不足22.5m，需將此3座站場值班休息室面朝工藝裝置區(qū)一側(cè)的墻壁改造成不低于二級防火等級的防火墻。

⑧輸氣站工藝設(shè)計校核。A.工藝設(shè)備設(shè)計校核。根據(jù)圖紙和設(shè)備臺賬，系統(tǒng)設(shè)計壓力升高到4.4MPa，現(xiàn)狀8座場站全部需更換工藝區(qū)高壓部分的工藝管道；原設(shè)計壓力低于4.4MPa的設(shè)備也必須更換。B.安全泄放設(shè)施設(shè)計校核。依據(jù)輸規(guī)第3.4.7條要求：輸氣站應(yīng)設(shè)放空立管，站場天然氣宜集中排放，高、低壓放空管道應(yīng)分別設(shè)置，并對緊急放空時間作出了要求。根據(jù)以上原則，對經(jīng)8座場站安全泄放設(shè)施校核，4座站場放空設(shè)施滿足輸規(guī)及油氣防火規(guī)范的要求；YNFSZ放空管應(yīng)遷至距離道路30m以外；CQTYZ、HJTYZ和XLTYZ需增加集中放空設(shè)施。

⑨運行壓力升壓校核。根據(jù)天然氣市場發(fā)展需要，該管網(wǎng)周邊將新增2座6F能源站和1臺9E燃氣機組，分別擬從8#閥井和ZJTYZ接氣，用氣需求量分別為7.5萬立方米/小時、4.4萬立方米/小時，用氣壓力3.2MPa、3.39MPa；1臺9E機組擬從YNFSZ接氣，用氣需求量3.9萬立方米/小時，用氣壓力2.5MPa。

管網(wǎng)現(xiàn)狀運行壓力僅3.5MPa，無法滿足新增的2座能源站和1臺9E燃氣機組的用氣需求。為提升管網(wǎng)整體輸氣能力，并考慮一定的安全余量，制定了管網(wǎng)氣源壓力從3.5MPa升壓至3.6/3.7/3.8MPa的初步方案，并采用TGNET軟件進行模擬仿真（見圖3）：建立管網(wǎng)模型，并模擬仿真，以校核升壓的可行性，評估升壓后的管輸能力。

主要結(jié)論如下：在滿足下游用氣壓力及氣量需求前提下，該管網(wǎng)兩個氣源點之一MZFSZ所需氣源壓力為不低于3.68MPa，供氣量9.85萬立方米/小時，另一個氣源點NLFSZ供氣壓力不低于3.83MPa，供氣量15萬立方米/小時。上述工況可以滿足新增2座能源站的用氣需求，但再增1臺9E機組則不可行。該管網(wǎng)運行壓力由3.5MPa提升至3.83MPa后，可提升管網(wǎng)輸氣能力11.9萬立方米/小時（折合約9.52億立方米/年）。

3.結(jié)論與建議

（1）經(jīng)校核和計算，該高壓燃氣管網(wǎng)的管道材質(zhì)、壁厚、強度等均滿足設(shè)計壓力由4.0MPa提升到4.4MPa要求。管線路由、管線埋設(shè)深度滿足《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》GB50251-2015的要求。（2）線路閥室經(jīng)相關(guān)技術(shù)改造后可滿足升壓的要求；天然氣場站經(jīng)技術(shù)改造后可滿足升壓的要求。（3）采用TGNET軟件對管網(wǎng)升壓工況進行模擬仿真，得出管網(wǎng)運行壓力可從3.5MPa提升至3.83MPa。（4）下一步需對現(xiàn)狀管網(wǎng)進行壁厚檢測、復(fù)核，實際壁厚不應(yīng)小于計算壁厚；對管網(wǎng)按4.4MPa設(shè)計壓力進行強度和嚴(yán)密性試驗。（5）建議委托具備相關(guān)資質(zhì)的單位對高壓燃氣管網(wǎng)升壓改造進行全面安全評估；管網(wǎng)由城燃管道變更為長輸管道，需與相關(guān)行業(yè)主管部門落實許可手續(xù)。