輸氣場站高流速工況分析與管控措施研究

白鑫，萬小蕓，張科

陜西省天然氣股份有限公司（陜西 西安 710016）

隨著國內(nèi)天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展，城市燃氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大迅速，居民及各類工業(yè)用戶用氣量逐年攀升，長輸天然氣干線分輸場站向城市燃氣門站的輸配氣量逐漸趨近于場站設計分輸能力[1]。在我國北方地區(qū)采暖季天然氣輸配運行存在峰谷比大、瞬時流量高的特點，部分地區(qū)輸氣峰谷比可達5.8∶1[2-3]。高峰時段瞬時輸氣量甚至超過場站設計分輸能力，增大了輸氣生產(chǎn)運行的不可控性，安全運行風險大幅增加，因此高峰時段天然氣分輸場站氣體流速成為一個重要安全運行監(jiān)控指標[4-5]。國家標準GB/T 35068—2018《油氣管道運行規(guī)范》規(guī)定：天然氣分輸場站進站管線至分離器上游閥門間的工藝管氣體流速不宜超過15 m/s，不應超過20 m/s；經(jīng)調(diào)壓之后壓力低于2.5 MPa，出站處流速不應超過25m/s[6]。文章以國家標準中有關氣體流速的規(guī)定要求入手，結合輸氣場站實際運行特點與管內(nèi)氣體流動分析，總結得出了氣體流速的計算公式，對高流速運行工況的危害與形成機理進行了分析，并提出了解決思路與已采取的一些管控措施，對于有效監(jiān)控天然氣輸配過程中的氣體流速，確保場站生產(chǎn)運行安全平穩(wěn)有著重要意義。

1 流速計算公式的推導

工藝管線內(nèi)的天然氣流速可通過氣體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒定律和管內(nèi)流體連續(xù)性方程整合得出。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過微元體控制面Ⅰ與控制面Ⅱ（圖1）的質(zhì)量相等[7]。

圖1 管內(nèi)流動微元體示意圖

式中：M為氣體質(zhì)量，kg；x為管道軸向距離，m；τ為流體流動時間，s；ρ為流體密度，kg/m3；u為管道內(nèi)氣體流速，m/s；F為管道截面積，m2。

在時間dτ內(nèi)，流入微元體的氣體質(zhì)量M增加量可表示為：

在輸氣管道中，管道橫截面積F保持不變，若假設氣體密度不隨流動改變，則可得出流動過程中氣體流速維持不變。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程與管道流量積分方程[8-9]

式中：P為操作條件下的氣體絕對壓力，MPa；V為氣體體積，m3；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；Z為氣體壓縮系數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)，8.31 J/(mol·K)；T為操作條件下的氣體的絕對溫度，K；r管道內(nèi)徑半徑，m；Q為工況下的氣體流量，m3/d。

代入標準狀態(tài)參數(shù)，可得到流速計算公式：

式中：qv為標況下的氣體流量，m3/d；D為管道內(nèi)徑，m。

該計算公式目前已在陜西省天然氣部分關鍵場站站控系統(tǒng)進行了運用，經(jīng)與超聲波流量計的流速測量數(shù)據(jù)參照對比誤差較小。天然氣流速的定量計算對于場站安全生產(chǎn)監(jiān)管、輸配氣量調(diào)整以及長輸管網(wǎng)調(diào)度管理、輸氣生產(chǎn)計劃量下達均有著重要的指導意義。

2 高流速運行危害

在輸氣量較大、管內(nèi)氣體流速高的情況下，站內(nèi)部分工藝管線單位管段內(nèi)的進氣量、外輸氣量以及瞬時管存量呈緊平衡狀態(tài)。根據(jù)實際生產(chǎn)運行經(jīng)驗，分輸場站天然氣流速過高對場站設備設施危害嚴重，具體體現(xiàn)在以下幾個主要方面：

1）產(chǎn)生嚴重噪聲。高流速運行工況會產(chǎn)生持續(xù)性低頻率、高分貝噪聲，長期以往將會嚴重危害場站工作人員聽力，同時對周圍居民正常生活造成較大干擾，違反職業(yè)健康相關要求[10-13]，形成噪聲污染。

2）設備異常振動。高流速運行工況會導致輸氣管線出現(xiàn)異常振動，嚴重影響設備設施的安全運行壽命與儀器儀表的監(jiān)測精度，同時大幅增加場站設備泄漏的風險[14]。

3）加劇設備沖刷。高流速氣體會加劇對如彎頭、截止閥、調(diào)壓閥、流量調(diào)節(jié)閥等管件的沖刷，長期運行會造成管壁減薄和閥門密封失效，影響正常輸氣生產(chǎn)[15]。

4）加劇管道內(nèi)腐蝕。氣體流速過高，在特定工況下可能會形成沖擊流，管道內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物持續(xù)不斷的被高速氣流帶走，新的金屬面不斷裸露，從而造成腐蝕加速，在氣體中含水、含硫，或者管道安裝存在應力情況下，高流速沖擊很大程度上會增大管道腐蝕開裂風險[16]。

在冬季高峰期間，受限于國內(nèi)天然氣供需緊張的整體形勢，陜西省內(nèi)長輸天然氣管網(wǎng)運行壓力整體較低，針對一些體量較大或者處于管網(wǎng)末端的用戶輸氣生產(chǎn)過程中出現(xiàn)高流速運行的風險普遍較大（圖2）。

圖2 冬季高峰期間寶雞市、西安市配氣流速、噪聲變化曲線

結合近年來冬季高峰運行情況，陜西省天然氣下轄的西安分輸站、寶雞分輸站在干線運行壓力較低且用氣高峰時段的瞬時流量較大情況下，易導致分輸場站工藝區(qū)高流速運行，部分高峰時段存在瞬時超流速運行的情況（圖2），兩站最高噪聲接近90 dB，嚴重影響場站員工及周邊群眾的正常工作生活，調(diào)壓支路工藝管道振動嚴重，多次因管線異常振動導致閥門操作手輪松動的情況，此外，長期振動還會增大工藝管線取壓管絲扣、針型閥等設備發(fā)生意外泄漏的風險。

3 危害的形成機理原因分析

高流速引起的如振動、噪聲等各類問題與天然氣在管道內(nèi)的流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變密切相關。低流速下輸氣管道中氣體流型較為穩(wěn)定（圖3(a)），但隨著流速的增大，流體流線開始發(fā)生變化（圖3(b)），管內(nèi)氣體出現(xiàn)由紊流水力光滑區(qū)向混合摩擦區(qū)以及阻力平方區(qū)的過渡，慣性力對流場的影響開始大于黏滯力，流體流動趨于紊亂，流場中形成較多不規(guī)則小型渦流（圖3(c)）。管道內(nèi)部流體質(zhì)點互相混合、碰撞最終在流場中形成體量較大的漩渦體（圖3(d)），漩渦體在其側(cè)壓差作用下出現(xiàn)跨流層移動現(xiàn)象。隨著氣體的高速流動，管道內(nèi)部流場形成了具有脈動性的紊流，這種現(xiàn)象加劇了流場內(nèi)流體質(zhì)點摻混從而形成流體內(nèi)部的切向應力，該應力被稱為紊流附加應力[17-20]。脈動性的紊流附加應力沖擊管壁從而引起管道的出現(xiàn)一定頻率的機械振動。此外，當氣體流經(jīng)閥門、法蘭、彎頭、三通、焊縫、管道接口墊環(huán)、儀器儀表接口的瞬間，高速流動的氣體加劇了對管壁的沖刷及噪音，在管壁附近形成的渦流，則很大程度上加劇了管道地振動。

圖3 管內(nèi)氣體流動狀態(tài)變化示意圖

4 場站高流速工況控制措施及消除方法

高流速運行工況所引起各類危害控制與消除措施，本質(zhì)上是消除或盡可能降低管內(nèi)氣體流型過度轉(zhuǎn)變的過程，從噪聲、振動等危害的形成機理入手，結合實際場站運行管理經(jīng)驗，提出以下4個方面的管控措施：

1）提升管道運行壓力、增大管線管徑，提高管道儲輸能力，降低外輸量變化對管道瞬時管存量的影響，穩(wěn)定輸配氣運行工藝。

2）優(yōu)化場站設計，提高站內(nèi)施工質(zhì)量，盡量減少彎頭、墊環(huán)、變徑等管件設置；嚴格把關工藝管線焊縫，消除焊口錯邊、焊縫過溢的情況；在重要儀器儀表，如計量、監(jiān)控設備等位置嚴格執(zhí)行國家標準安裝整流裝置，確保各類監(jiān)控參數(shù)采集正常。

3）針對調(diào)壓后壓力小于2.5 MPa 的管線進行技術改造，在輸氣管線內(nèi)部增設扼制流型過度轉(zhuǎn)變的整流套管，對管輸氣體實現(xiàn)再次整流、分流，維持管道內(nèi)氣體流動形態(tài)穩(wěn)定，減少氣流異常擾動，消除管道內(nèi)的紊流附加應力，確保氣體流態(tài)穩(wěn)定。

4）協(xié)調(diào)下游用戶建立長效溝通機制，優(yōu)化供用氣方案，通過錯峰供氣、利用城網(wǎng)儲氣設施調(diào)峰等手段，減小峰谷差，避免局部時段的高流量運行，合理優(yōu)化運行工藝。

5 應用實例分析

針對用氣量較大且處于管網(wǎng)末端的用戶（以寶雞市為例），通過優(yōu)化運行工藝，在提升管網(wǎng)末端運行壓力的前提下，根據(jù)對工藝區(qū)各處流速測算結果，協(xié)同當?shù)爻鞘腥細夤芫W(wǎng)門站合理分配氣量供應，有效利用管網(wǎng)互聯(lián)互通程度高、分輸站點分布覆蓋率廣等特點向?qū)氹u市用戶進行多點供氣，實現(xiàn)供氣量的科學分流，消除了場站超流速運行隱患。未采取優(yōu)化調(diào)整前（2020年11月29日）在用氣晚高峰時段隨著瞬時量的增加，寶雞站進站管線天然氣流速達26.3 m/s，噪聲強度超過70 dB；采用該措施調(diào)整后（2020年12月10日）流速與噪聲均出現(xiàn)明顯降低，日運行最高流速降至15 m/s，噪聲強度降至56 dB，有效減少了設備沖刷損耗，改善了場站員工日常工作環(huán)境（圖4）。

圖4 寶雞站進站管線流速、噪聲對比曲線

針對一些體量較大、無法實現(xiàn)多點供氣分流、利用管網(wǎng)工藝調(diào)整難以降低流速的用戶，通過分析高流速輸氣引起異常噪聲、振動的產(chǎn)生機理入手，開展技術改造，在供氣支路內(nèi)部安裝套管結合外部隔音材料覆蓋，利用套管壁上的篩狀整流板（圖5）有效消除紊流脈沖性渦流，減輕紊流附加應力對管壁的沖擊。通過該技術改造，試點場站在瞬時輸氣量最高達到1 091×104m3/d工況下，成功將出站管線噪聲與振動異常降至安全可控范圍內(nèi)。2020 年冬季，在西安站同分輸量對比工況下，該技術改造應用前（2020 年12 月19 日）日最高流速20.62 m/s 對應的噪聲強度高達85 dB，經(jīng)技術改造后（2021 年1月23 日）同流速下的噪聲強度降至68 dB，各參比流速監(jiān)控節(jié)點的噪聲強度均明顯降低（表1）。

圖5 供氣支路內(nèi)篩狀整流套管

表1 西安站出站管線同流速下噪聲強度對比

6 結論與建議

本文通過對天然氣分輸場站氣體流速的分析研究，得出了天然氣流速的測算公式，確定了天然氣流速與氣體密度、運行壓力及瞬時流量的函數(shù)關系，結合生產(chǎn)運行實際，指出高流速引起的各類危害主要與流速增大過程中管道內(nèi)氣體流動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變密切相關，并從控制管內(nèi)氣體流動狀態(tài)的思路入手提出了高流速危害的消除及管控措施，同時以目前省域天然氣管網(wǎng)安全運行管理的角度提出以下幾點建議：

1）針對新建場站，在設計階段應充分考慮周邊用戶近、遠期用氣規(guī)模，合理確定輸配氣工藝管線及設備的設計與選型，同時通過工藝管線增加內(nèi)涂層、設置整流設備等輔助手段，穩(wěn)定輸配氣氣流的流動狀態(tài)，消除運行風險。

2）按照國家發(fā)改委、國家能源局《關于加快儲氣設施建設和完善儲氣調(diào)峰輔助服務市場機制的意見》（發(fā)改能源規(guī)〔2018〕637 號）有關要求，完善城市燃氣管網(wǎng)儲氣調(diào)峰設施的建設，優(yōu)化運行機制，降低輸氣場站峰谷差，穩(wěn)定生產(chǎn)運行工況。

3）對場站站控系統(tǒng)組態(tài)進行擴容升級，增設流速監(jiān)控計算模塊，整合場站工藝區(qū)實時流速并上傳至管網(wǎng)調(diào)控指揮中心SCADA系統(tǒng)，通過流速參數(shù)監(jiān)控變化的閾值定義，建立報警聯(lián)動機制，實現(xiàn)針對輸配氣流速的有效監(jiān)管。