以煤氣替代天然氣的燃料氣管網設計優化

1 引言

天然氣作為清潔高效的優質燃料資源，具有熱值高、無污染等優點，被廣泛應用在工業、民用等各個領域[1]。某油田目前向下游各注氣站鍋爐輸送天然氣作為燃料， 但是由于天然氣價格較高，長期采用天然氣作為下游注氣站的燃料成本較高，不符合企業發展方向。 為降低成本，該油田決定采用煤制氣來部分或全部替代天然氣。煤氣的有效成分主要為CO 和H2，燃燒后產生的尾氣清潔環保，不會對環境造成二次污染。 以煤氣替代天然氣時，雖然煤氣熱值（12 171 kJ/Nm3）較天然氣熱值（34 930 kJ/Nm3）有所降低，但是運行成本會下降[2-3]。 用煤氣替代天然氣時，為保證熱值不變，所需的氣量增大，為確保替代后的流量負荷能夠滿足現有管網的設計要求， 需要對不同配氣方案下各管線的流量及流速等進行核算， 并從中選擇出較優的方案。

該油田分為東線和西線，本文以西線輸氣管網為例進行分析。 西線管道設計壓力為2.4MPa（G），設計輸氣量為25 億m3/a。

2 設計原則

2.1 流量的確定

為保證煤氣替代天然氣后燃氣的熱值不變， 煤氣的替代量可以根據煤氣與天然氣的熱值來確定。 該油田現有的天然氣及擬替代煤氣的組成如表1 所示。

表1 天然氣及煤氣組成

其中， 現有天然氣熱值為34 930 kJ/Nm3， 煤氣熱值為12 171 kJ/Nm3，二者之間的熱值之比為2.87。 本設計中擬采用以下4 種煤氣替代天然氣方案：方案一：全煤氣；方案二：3/4煤氣+1/4 天然氣；方案三：1/2 煤氣+1/2 天然氣；方案四：1/4煤氣+3/4 天然氣。 在核算不同配氣方案時，可以根據各方案中煤氣及天然氣配比確定出燃氣的流量， 從而進行流速與壓降的核算。

2.2 流速與壓降的確定

在計算管網前，首先要確定原管線的最大流量負荷，以便在后續方案對比中作為方案選取的依據。

在計算最大負荷流量時考慮兩種計算依據， 一是管線最大流速， 二是管線最大壓降。 本文取25 m/s 作為管網最大流速，壓降計算則采用Aspen Plus 軟件進行模擬，得到管線的最大流量負荷。

計算出管網的最大流量負荷后， 再通過不同配氣方案中煤氣與天然氣的配比，得到各配氣方案的流量，通過與最大流量負荷對比，確定出較優的配氣方案，滿足原管網的設計負荷要求。

3 現有管網的設計負荷計算

現有的管網信息如表2 所示。

表2 現有的管網信息

根據上述管線信息，并結合其設計原則，計算出現有管網最大流速及最大壓降下的流量負荷，計算結果如表3 所示。

表3 各管線最大流量負荷

考慮到管線流速不宜過高，并且要滿足壓降的要求，因此在選取最大流量負荷時， 選用最大流速和最大壓降下流量負荷的較小者。

從表3 中可以看出，除特大五站、特大八站及特大十站之外， 其他注氣站在最大流速下計算得到的流量均小于最大壓降下計算得到的流量。 因此，除特大五站、特大八站及特大十站取最大壓降下得到的流量負荷外， 其余注氣站均取最大流速下的流量負荷。

4 各配氣方案的管網計算

本文擬采用4 種替代方案，各方案計算結果如下。

4.1 方案一：全煤氣替代

以煤氣全部替代天然氣，計算結果如表4 所示。

表4 方案一管網計算結果

從表4 的結果可以看出，當煤氣全部替代天然氣時，除特大六站及特大七站外，其余注氣站的流速均超過30 m/s，因此方案一對于原管網的設計負荷而言過大。

4.2 方案二：3/4 煤氣+1/4 天然氣替代

將煤氣與天然氣按照3∶1 的比例混合， 計算結果如表5所示。

表5 方案二管網計算結果

從表5 的結果可以看出， 特大五站和特大十站的流速較高，超過了30 m/s。 與方案一相比，由于降低了煤氣比例，流量降低，相應的管線流速降低，因此，對于原管網而言，采用煤氣與天然氣混合的方案較全煤氣方案更為合理。

4.3 方案三：1/2 煤氣+1/2 天然氣替代

當煤氣與天然氣比例為1∶1 時，各管線的計算結果如表6所示。

表6 方案三管網計算結果

從表6 的結果可以看出，當煤氣比例繼續降低，管網流速也同步降低，與方案二相比，僅特大十站的流速超過30 m/s。可以看出方案三基本能夠滿足原管網的設計負荷。

4.4 方案四：1/4 煤氣+3/4 天然氣替代

當煤氣與天然氣比例為1∶3 時，各管線的計算結果如表7所示。

表7 方案四管網計算結果

從表7 的計算結果可以看出， 當進一步降低煤氣與天然氣比例至1∶3 時， 至各注氣站的管線流速及流量負荷下降，各站的管線流速及流量負荷滿足原管網的設計要求。

通過對4 種方案的計算，可以看出當采用方案一時，多數管線無法滿足設計要求，需要鋪設新的管線，這顯然是不經濟的做法。 采用煤氣與天然氣混合的方式，可以有效降低管線的流速及流量，管網設計更為合理。 對比表5～表7 的計算結果可以看出，方案四的流速及流量更為合理，能夠滿足設計的同時節約成本。

為進一步分析不同方案對各注氣站管線的影響， 對各注氣站在不同方案下得到的流速/ 設計流速、流量/ 最大流量負荷做曲線，經過研究可知，隨著煤氣配比的降低，各注氣站的流量及流速降低。 以流速/ 設計流速、流量/ 最大負荷流量之比為1.2 時為警戒紅線，當超出警戒紅線時，則該管網負荷已超出原設計負荷，該方案不可取。 制約煤氣配比的主要是特大五站和特大十站，這兩個注氣站的輸送距離較遠，且輸送的燃氣流量較大， 故不宜采用煤氣配比過高的方案。 采用方案四時，特大五站和特大十站的流速、流量均可滿足原管網的設計負荷，這說明煤氣在混合燃氣中所占比例應控制在25%以下，即可滿足原管網的設計要求。

5 結語