基于SPS的水力計算在天然氣長輸管道設計中的應用

摘要：通過水力計算軟件SPS對長沙聯通工程進行正反輸兩種工況的水力計算，根據計算結果得到了該工程的設計基礎參數，很好地實現了理論計算與工程實際的結合。

關鍵詞：SPS;水力計算;天然氣;應用

0? ? 引言

天然氣長輸管道的水力計算是管道建設前的重要環節，只有通過水力計算得出準確的設計參數，才能保證管道建設滿足設計需求，同時管道又具有一定的經濟性。目前國內長輸管道的水力計算工具應用較多的為德國GL公司的SPS（Stoner Pipeliner Simulator），可根據不同的約束條件和邊界條件，計算長輸管道的水力、熱力參數。該軟件自1997年引入中國后，被用于西氣東輸、蘭成渝、澀寧蘭、冀寧聯絡線、西二線、中緬、中亞、西三線西段/東段等多條大中型長輸管道的工程設計。該軟件是國際上被廣泛認同的長輸管道水力、熱力計算軟件。

長沙聯通工程是國家發改委2019年天然氣基礎設施互聯互通重點工程，該工程通過新建約10 km天然氣長輸管道，實現中石化新疆煤制氣管道與中石油潛湘支線、長沙支線在湖南長沙境內互聯互通，從而提高管道運行靈活性和安全性。長沙聯通工程是兩湖地區連接干線管道和下游支線的重要工程，對于滿足下游市場需求和提高冬季保供能力具有重要意義。

在滿足設計輸量的前提下，通過對聯通工程進行水力計算，得到長輸管道計算管徑以及管線各節點的壓力、溫度等參數，是長輸管道設計的首要環節。本文以中石化新疆煤制氣管道接氣點壓力、溫度為設計初始參數，應用SPS軟件對長沙聯通工程在不同工況下進行水力計算，確定了輸氣管道設計管徑以及管道末點安沙分輸清管站的設計壓力、溫度等參數，以此作為本工程設計的基礎參數。另外，本工程存在反輸工況，通過對反輸工況的分析，進一步驗證了本工程設計管徑選取的合理性。最后，對本工程在不同壓力工況下最大輸量進行了核算。

1? ? 流量、壓力的計算

根據《輸氣管道工程設計規范》（GB 50251—2015）的規定，水力計算管道沿線高程相差不大。為保證計算結果的可靠性，考慮輸氣管道縱斷面高差的影響，水力計算公式選擇如下：

式中，qv為氣體流量（P0=0.101 325 MPa，T0=293 K）（m3/d）;P1為輸氣管道計算段的起點壓力（絕壓）（MPa）;P2為輸氣管道計算段的終點壓力（絕壓）（MPa）;α為系數（m-1），α=0.068 3（γ/ZT）;Δh為輸氣管道終點和起點的標高差（m）;d為輸氣管道內直徑（cm）;λ為水力摩阻系數;Z為氣體壓縮因子;γ為氣體的相對密度;Tm為氣體平均溫度（K）;L為輸氣管道計算段長度（km）;n為輸氣管道的計算段數;hi、hi-1為各分管段終點和起點的標高（m）;Li為各分管段長度（km）。

水力摩阻系數采用Colebrook公式計算：

式中，k為管內壁絕對粗糙度（m）;d為管內徑（m）;Re為雷諾數。

2? ? 沿線溫度計算

式中，tx為輸氣管道沿線任意點的氣體溫度（℃）;t0為輸氣管道埋深處的土壤溫度（℃）;t1為輸氣管道計算段起點的氣體溫度（℃）;e為自然對數底數，e=2.718;x為輸氣管道計算段起點至沿線任意點的長度（km）;J為焦耳-湯姆遜效應系數（℃/MPa）;ΔPx為x長度管段的壓降（MPa）。

式中，K為輸氣管道中氣體到土壤的總傳熱系數[W/（m2·℃）];D為輸氣管道外徑（m）;γ為氣體的相對密度;Cp為氣體的定壓比熱[J/（kg·℃）]。

3? ? 工況分析

根據實地調研，管道起點干線運行壓力為5.6～7.95 MPa，管道終點實際運行壓力為4.0～5.39 MPa。

（1）當管道起點來氣至管道末點的壓力高于6.2 MPa時，來氣壓力調壓至6.2 MPa注入西三線長沙支線及忠武線潛湘支線，這種情況下，中石化來氣越接近6.2 MPa，該工況越不利，工程上為簡化分析，按照管道起點來氣壓力為6.3 MPa時進行核算;

（2）原安沙分輸清管站與忠武線潛湘支線連接管徑為DN600及DN500，按照流速不高于15 m/s，滿足2 000×104 m3/d輸氣能力要求，最低要求分別為5.8 MPa和8.3 MPa;

（3）當管道起點來氣壓力低于6.2 MPa時，按照管道起點來氣壓力為5.6 MPa注入西三線長沙支線及忠武線潛湘支線，管道末點壓力按不低于現忠武線潛湘支線最高運行壓力5.39 MPa計。

綜上所述，本工程管徑比選按照以下方案進行：

（1）管道起點來氣分別為6.3 MPa，管道末點壓力不低于6.2 MPa;

（2）管道起點來氣分別為5.6 MPa，管道末點壓力不低于5.39 MPa。

根據以上分析，對上述方案進行管徑比選。

（1）不利工況1：當管道起點來氣壓力大于6.3 MPa時，為保證進管道末點壓力大于6.2 MPa，在設計輸量工況條件下分別對輸氣管道管徑為D711 mm、D813 mm、D914 mm三種方案進行計算比選。

由表1、圖1～3可知，D711 mm管徑方案在設計輸量工況下不能滿足輸送要求，D813 mm和DN914 mm管徑方案均能滿足本工程設計要求。

（2）不利工況2：當管道起點來氣壓力低于5.6 MPa時，為保證管道末點壓力大于5.39 MPa，在設計輸量工況條件下分別對輸氣管道口徑為D711 mm、D813 mm、D914 mm三種方案進行計算比選。

由表2、圖4～6可知，D711 mm管徑方案在設計輸量工況下不能滿足輸送要求，D813 mm和D914 mm管徑方案均能滿足本工程設計要求。

綜上分析，D813 mm與D914 mm管徑方案均能滿足本工程設計要求，但D813 mm管徑方案投資較低，故本工程推薦D813 mm管徑方案。

4? ? 反輸工況核算

本工程為互聯互通工程，存在反輸工況，即由安沙分輸清管站反輸給石潭村閥室。新疆煤制氣管道干線運行壓力為5.6～7.95 MPa，西三中管道運行壓力5.4～8.5 MPa。新疆煤制氣管道運行壓力不低于5.6 MPa，西三中管道接氣壓力越接近5.6 MPa工況越不利，本工程選擇接氣壓力5.8 MPa，在設計輸量工況條件下對輸氣管道管徑進行核算。

由表3、圖7可知，石潭村閥室進站壓力5.64 MPa，大于5.6 MPa，同時管道流速7.23 m/s，小于15 m/s，滿足要求。

綜上所述，本工程選擇D813 mm作為設計管徑，在設計輸量2 000×104 m3/d的情況下，正反輸兩種工況均能滿足設計要求，因此，本工程選擇D813 mm管徑是合理的。

5? ? 最大輸氣能力分析

本文對新建管道年均溫度工況下最大輸氣能力分別按照正反輸兩種工況進行了分析，在滿足管道始末端運行參數的前提下，計算管道最大輸氣能力。

在正輸工況下，中石化管道起點接氣壓力為7.95 MPa、6.9 MPa，管道末點進站壓力為6.2 MPa，該工況下年均溫度本工程最大輸量如表4所示。

中石化管道起點接氣壓力為6.2 MPa、5.6 MPa、管道末點進站壓力為5.39 MPa，該工況下本工程年均溫度本工程最大輸量如表5所示。

由表5可知，本工程在極端工況，即管道起點壓力5.6 MPa、管道終點壓力5.39 MPa的情況下，管道最大輸氣能力為94.64×104 Nm3/h（2 271.36×104 Nm3/d），滿足本工程設計輸量2 000×104 Nm3/d的要求。

在反輸工況下，西三線管道—中石化管線反輸接氣壓力8.5 MPa、進站壓力7.95 MPa以及接氣壓力6.2 MPa、進站壓力5.6 MPa時年均溫度工況最大輸氣能力如表6所示。

由表6可知，本工程在極端工況下，即管道起點壓力6.2 MPa、管道終點壓力5.6 MPa情況下，管道最大輸氣能力為145×104 Nm3/h（3 480×104 Nm3/d），滿足本工程設計輸量2 000×104 Nm3/d的要求。

6? ? 結語

綜上所述，應用水力計算軟件SPS對本工程在不同工況下管徑進行比選，選擇D813 mm作為聯通管徑，最低輸氣能力為2 271.36×104 Nm3/d，能夠滿足設計輸量2 000×104 Nm3/d的要求，因此選擇D813 mm管徑是合理的。

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[5] 輸氣管道工程設計規范：GB 50251—2015[S].

收稿日期：2020-05-06

作者簡介：李強（1980—），男，遼寧阜新人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：天然氣管道工藝設計。