外邊界條件下的天然氣管道順序輸送壓力特性研究

蔣 慶

(北京市燃氣集團有限責任公司 教育技能中心，北京 100006)

天然氣在管道傳輸過程中，管道順序傳輸時壓力的大小會直接影響天然氣的輸送效果[1-2]。我國現有天然氣輸送管道[3-4]的管道壓力通常為10～12 MPa，壓氣站出口壓力通常為11.5 MPa，但是管道運行時的輸送壓力值一直未能得到論證。依據相關研究結果可知，天然氣管道輸送壓力與管道設計壓力值越接近越有利。因此，對天然氣傳輸管道壓力特性展開具體分析，不但能夠合理的確定天然氣預留裕量，還是規避管道運輸故障的關鍵。

針對天然氣管道傳輸特性，徐海良等[5]建立了歐拉模型，分析管道中天然氣流速、氣相體積以及管道壓力損失梯度，獲取了管道的壓力損失規律，完成了管道傳輸壓力特性分析。程伯明等[6]通過對管道壓力的實施監測，獲取管道壓力與填充工藝參數之間的關系，計算管道輸送時的絕對壓力值以及壓力降，從而獲取管道傳輸壓力特性。李宏泉等[7]基于管道應力分布規律驗證管道數值分析模型，依據模型驗證結果獲取管道周邊壓力分布特征。

但是上述研究者在分析管道壓力特性時，未能通過建立的天然氣傳輸管道有限元模型對管道軸向壓力損失梯度特性展開分析。因此，在上述幾種壓力特性研究方法的基礎上，提出外邊界條件下的天然氣管道順序輸送壓力特性研究。經過實驗證明，所提方法能夠精準有效的完成天然氣管道輸送壓了特性分析。

1 建立天然氣輸送管道有限元模型

借助有限元軟件[8-9]建立天然氣輸送管道的有限元模型，具體結構如圖1所示。

圖1 天然氣輸送管道有限元模型Fig.1 Finite element model of natural gas transmission pipeline

1.1 模型初始值設定

模型建立時，設定天然氣輸送管道的外邊徑長度為508 mm，管道壁厚度7.9 mm，管道每根長度15 m，管道密度設定8.5 g/cm2，管道鋼材最低屈服強度值設定340 MPa，彈性模量設定210 GPa，泊松比[10]設定0.3。天然氣管道有限元模型建立后，依據八節六面劃分形式，對模型實施劃分，管道兩端對稱約束，內壁施加壓力載荷，以此確定管道內部的極限承壓內壓值。

1.2 外邊界條件

根據上述建立的天然氣輸送管道有限元模型，確定天然氣輸送時的外邊界條件。天然氣在傳輸管道中外邊界條件主要指管道內溫度與壓力之間的邊界條件。由于天然氣在輸送管道中的形成水合物邊界條件[11]存在一定范圍，具體邊界條件見表1。

表1 天然氣輸送管道外邊界條件參數Tab.1 Parameters of outer boundary conditions of natural gas transmission pipeline

2 天然氣管道順序輸送壓力特性分析

以某地天然氣輸送管道為例，選定該地天然氣輸送管道管道全線只有1座首站和1座末站，二者距離2 000 km，中間無任何分輸站，年輸送量340×105t，天然氣輸送時，氣溫變化會對特性分析結果產生影響，所以在對天然氣管道順序輸送壓力特性展開分析[12]前，將天然氣輸送時間設定為同年3月至5月。待檢測管道如圖2所示。

圖2 天然氣傳輸管道Fig.2 Natural gas transmission pipeline

2.1 天然氣成分分析

在對天然氣展開管道輸送壓力特性分析前，需要詳細了解天然氣的組成成分[13]。具體見表2。

表2 天然氣組成成分以及相關含量Tab.2 Composition and related content of natural gas

分析表2可知，天然氣主要成分為甲烷[14]，還含有少量得到乙烷、丁烷、戊烷[15]，以及極少量的氬、氦、氮、氧等元素。

2.2 不同管道直徑下輸送壓力模擬

測試的管道1直徑150 mm，管道2直徑350 mm，管道3直徑550 mm，管道4直徑600 mm。忽略氣體流動過程中的局部壓力損失，天然氣管道順序輸送壓力云圖如圖3所示。

圖3 不同管道直徑下管道截面總壓云圖Fig.3 Total pressure cloud of pipe section under different pipe diameters

從圖3中可以看出，管道內直徑越大，天然氣傳輸壓力越小，說明天然氣管道壓力會隨著管道直徑的增加而有所緩解。

2.3 天然氣順序輸送時管道沿線壓力分析

在上述模擬計算的基礎上，獲取天然氣壓力輸送時沿線壓力變化情況，結果如圖4[16]所示。由圖4可知，管道輸送距離變大，會縮減天然氣的輸送壓力，壓力與輸送距離之間呈非線性規律變化。

2.4 天然氣輸送管道軸向壓力損失梯度分析

對天然氣輸送管道展開壓力損失梯度[17]計算時，需要在固定輸送管段下，通過不同參數組合結果，計算天然氣管道的輸送三相流。設定天然管道管內直徑為α、天然氣顆粒直徑描述成βm，顆粒體積標記δs，流速描述成vl，氣相體積表述εg，氣泡直徑標記Qg，計算結果如圖5所示。

在圖5中，管道1中，α=1 dm，δs=0.1，εg=0.05，vl=40 dm/s；在管道2中，α=1 dm，δs=0.1，εg=0.05，vl=30 dm/s ；管道3中，α=3.5 dm，δs=0.3，εg=0.22，vl=32 dm/s；管道4中，α=4.5 dm，δs=0.15，εg=0.06，vl=32 dm/s。

圖4 天然氣管道沿途輸送壓力變化情況Fig.4 Changes of natural gas transmission pressure along pipeline

圖5 天然氣輸送管道軸向壓力損失梯度測試結果Fig.5 Test results of axial pressure loss gradient of natural gas transmission pipeline

依據天然氣管道壓力損失梯度值計算結果可知，任意一組組合參數，壓力損失梯度都是從天然氣管道入口處開始下降，特別在管道軸向距離為2 m之前，壓力損失梯度幅值下降迅速，6～12 m時趨于平穩狀態。通過分析可知，天然氣順序輸送過程中，管道入口壓力損失梯度值下降急速，主要是因為天然氣顆粒進入管道時受重力影響較大，導致天然氣顆粒流速降低，顆粒聚集在管道端口處，顆粒與顆粒之間出現碰撞，從而導致管道壓力損失變大。隨著天然氣的運輸，天然氣固相顆粒體積降低，導致顆粒在徑向力作用下，顆粒距離平穩，壓力減小，壓力梯度[18]逐漸穩定。

2.5 流速對天然氣管道輸送壓力的影響

設定天然氣管道管徑為550 mm，測試該管道在不同工作情況下，管道壓力與天然氣流速[19]之間的變化規律，結果如圖6所示。

圖6 天然氣流速對管道壓力的影響Fig.6 Influence of natural gas flow rate on pipeline pressure

圖6中，管道1、管道3以及管道5為管道內天然氣固液2流，管道2、管道4、管道6為管道內天然氣固液氣3相流。其中，管道2參數為βm=0.04 dm,δs=0.45,εg=0.05，Qg=0.1 dm；管道4參數為βm=0.03 dm,δs=0.35,εg=0.05，Qg=0.1 dm；管道6的參數分別為βm=0.02 dm,δs=0.20,εg=0.05，Qg=0.1 dm；而管道1、管道3、管道5的天然氣顆粒直徑分別為0.02、0.03、0.04 dm，顆粒體積分別為0.2、0.3、0.2 dm3。

依據圖5研究結果可知，天然氣垂直輸送時的天然氣流速大于天然氣顆粒的沉降速度。天然氣的固相顆粒對管道壓力的影響不及天然氣流速對管道壓力的影響。天然氣氣相對天然氣固相有減阻作用，這主要是因為天然氣以三相流開展傳輸時[20]，會有少量氣泡夾雜在天然氣顆粒與管道內壁之間，從而使天然氣黏度、管道內壁切應力以及內摩擦阻力減小，從而降低傳輸壓力。

從圖5中能夠看出，獲取的曲線規律基本相同，管道傳輸天然氣時，管道壓力損失梯度會隨著天然氣的流速先降低再升高。并且中間存在最低值區間以及最佳速度區間。最佳速度區間的存在，說明天然氣傳輸時的流速對管道壓力存在兩面性。天然氣流速小于最佳流速區間時，天然氣對傳輸管道的作用力明顯，天然氣顆粒與液體之間的滑移增加，會提升管道壓力損失梯度。顆粒傳輸速度較低時，固相下降明顯顆粒碰撞幾率增加，同樣會提升傳輸管道的壓力損失。

3 結語

綜上所述，外邊界影響下天然氣管道順序傳輸壓力特性研究結果如下。

(1)天然氣管道壓力會隨著傳輸距離的增大而有所減小。

(2)天然氣管道軸向壓力損失梯度會隨著傳輸距離的增加而趨近平緩。

(3)天然氣傳輸管道的壓力損失梯度會依據傳輸管道直徑的增加而有所降低，天然氣傳輸過程中，為縮減傳輸管道壓力損失梯度，會以水合物形式對天然氣實施傳輸。天然氣傳輸管道壓力損失梯度會隨著天然氣流速的增加而出現先增大后減小的現象。