天然氣長輸管道設計節(jié)能分析
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摘要：從管道輸送設計入手，通過工藝方案和設備的選擇來降低管道輸送能耗，指出用管道內(nèi)涂層來降低摩阻能耗，選擇高壓輸送來確定輸送工藝，在條件允許的情況下選擇合適的壓氣站壓縮機驅動方案，根據(jù)輸氣量的變化，合理選擇壓氣站的數(shù)量，通過不斷優(yōu)化輸氣工藝，優(yōu)選設備的方式，降低天然氣輸送過程中產(chǎn)生的能耗。
天然氣管道輸送能耗可分為直接能耗和間接能耗。燃料消耗、燃氣在輸送過程中與管道設備摩阻產(chǎn)生的能量消耗，壓縮機組在運行的過程中消耗的燃料統(tǒng)稱為直接能耗。這種能耗能通過一定的方法來降低，比如優(yōu)化燃氣輸送工藝、降低摩阻、降低壓降損失等方法，但不能完全消除。天然氣被無效地釋放，管線或者設備密閉不嚴導致天然氣泄漏統(tǒng)稱為間接能耗。如果管線、設備能做到完全密封，那么間接能耗是可以完全消除的，但在實際生產(chǎn)中很難做到管線、設備完全密封的狀態(tài)。就如何降低直接能耗、減少間接能耗，本文從長輸管道的設計角度來分析。
1降低長輸管道直接能耗
1.1確定輸送工藝方案
縱觀長輸管道的發(fā)展歷程，高壓、長距離、輸量大是當今天然氣輸送管道技術的發(fā)展方向。通過高壓輸送天然氣，可以提高密度、降低流速、從而降低摩阻，提高輸送效率。同時，天然氣密度增加，可以增加天然氣的可壓縮性，進而降低了壓縮能耗，壓縮效率提高，這樣，壓氣站就不需要很高的配置來提供大的能耗，只需要低配置的壓氣站來完成作業(yè)，節(jié)約了配置所需要的能耗。當然，最終的輸送方案，包括管道設計壓力和管徑，需要由項目投資、運行成本和綜合能耗來確定。通過對在不同的設計壓力下，對不同管徑的輸氣工藝進行對比得出，在管進不變的情況下，天然氣輸送壓力越低，綜合能耗越高；在壓力不變的情況下，管徑越小，綜合能耗越高。綜上所述，在長輸管道的設計中，高壓力和大管徑可以有效降低能耗。但是在實際生產(chǎn)中，管徑不能無限放大，壓力也不能無限增高，這就需要綜合考慮項目的綜合成本和綜合風險承擔能力和控制能力。有研究表明，當天然氣輸送管道管徑越大，則當管道發(fā)生爆炸事故后，爆炸破壞力影響的范圍就越大，影響范圍大小在數(shù)值上跟管徑大小成正比關系，與輸送壓力數(shù)值平方根成正比關系。可以看出，管徑大小對輸氣管道爆炸危害范圍的影響要明顯大于輸送壓力對爆炸危害范圍的影響，所以，管徑越大，所產(chǎn)生的爆炸安全隱患就越大。我們在確定輸送方案的同時，既要考慮輸送效率和降低能耗，也要考慮輸送管道的安全性能和輸送過程中產(chǎn)生的風險。
1.2降低摩阻
天然氣在輸送管道內(nèi)沿途產(chǎn)生的摩阻是產(chǎn)生能耗的重要組成部分。眾所周知，天然氣在管道內(nèi)流動的流態(tài)對流體產(chǎn)生摩阻的大小有很重要的關系，但是還有一個很重的影響因素就是輸送管道內(nèi)壁的粗糙度。如果管道內(nèi)壁足夠光滑，則能有效減少摩阻消耗，從而減少壓縮機輸送功率和壓氣站數(shù)量。在日常生產(chǎn)中，管壁內(nèi)涂層可以有效降低管壁粗糙度，從而降低摩阻，降低輸送能耗。然而管道內(nèi)涂層必然要產(chǎn)生費用，所以，在保證設計要求的前提下，可以綜合考慮采用內(nèi)涂層減少摩阻后，在其他設備或者性能的節(jié)省費用與涂層產(chǎn)生的費用進行對比分析，如果節(jié)省的費用比涂層產(chǎn)生的費用要低，則沒必要使用涂層技術；如果節(jié)省的費用被涂層產(chǎn)生的費用要高，則可以考慮用涂層技術或者考慮選擇何種涂層技術。有研究表明，采用管道內(nèi)涂層技術，可以有效提高輸送能力，提高輸送效率。伴隨著壓氣站數(shù)量的增加和輸送管道長度的增加，有內(nèi)涂層的輸送管道在節(jié)能和提效方面就有更明顯的優(yōu)勢。在國外，采用內(nèi)涂層的輸氣管道在輸送天然氣過程中，可以增加5%~20%的輸氣量，同時，由于摩阻的減少，能有效減輕管道磨損程度，減少清理管道的次數(shù)，有效延長管道的使用年限。
1.3優(yōu)選離心式壓縮機的驅動方式
離心式壓縮機能提供大的計算功率，能滿足大的輸氣量的要求。所以，在天然氣長距離管道輸送工程中，一般都選用離心式壓縮機。離心式壓縮機的驅動是由原動機提供的，原動機一般有三種形式，即電動機、燃氣機和汽輪機。汽輪機要正常工作，需要給其提供穩(wěn)定的氣源，但是，在實際工程項目中，長距離天然氣管道一般都埋設在偏遠地帶，這里人煙稀少，資源匱乏，很難提供持續(xù)供氣需要的供氣系統(tǒng)。所以，在長距離輸送管道工程項目中，很少采用汽輪機作為離心式壓縮機的驅動方式。電驅動和燃氣驅動相比，具有運行簡單、節(jié)省氣耗的特點，但是，電動機驅動也需要穩(wěn)定可靠的電網(wǎng)提供電能，而且還要考慮電能消耗和供水條件。天然氣是直接從地層開采出來的自然能源，為一次能源，而電為消耗自然資源或者其他資源而產(chǎn)生的二次能源，從國家的能源政策來講，應該盡量使用一次能源，減少能源轉化次數(shù)。但是有研究表明，從節(jié)能的角度來看，電驅動比燃氣驅動更能節(jié)約能源。所以，對驅動方式方案的確定，要綜合對壓氣站的地理位置、當?shù)仉娋W(wǎng)條件、結合電價和氣加來綜合考慮。
1.4優(yōu)化壓氣站運行
輸氣管道消耗的能耗是有壓縮機組所提供的，所以，合理優(yōu)化輸氣管道運行模式可以有效降低輸送成本。在我國，天然氣輸送管道越來越多，網(wǎng)格越來越復雜，出現(xiàn)了很多地區(qū)的同一地點有雙條或者多條輸送管道并行或者聯(lián)網(wǎng)的局面。為了確保壓縮機一直工作在高效率區(qū)，可以通過合理分配壓氣站和啟動的壓縮機臺數(shù)來控制。對并列敷設的雙輸氣管道在不同輸氣量壓氣站優(yōu)化運行調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，輸氣量越低，管道聯(lián)合運行啟動的壓氣站就越少，壓縮機運行臺數(shù)越少、產(chǎn)生的氣耗也越少。因此，輸氣量越低，雙管并聯(lián)運行比兩條管道獨立運行更能節(jié)約能耗，效果明顯。
1.5燃驅壓氣站設置余熱利用系統(tǒng)
在燃驅壓氣站的運行過程中，產(chǎn)生的高溫煙氣通過余熱換熱系統(tǒng)回收高溫煙氣中的熱能?？梢栽谟酂釤崴仩t與燃氣機輪排煙管道之間設置風管，利用引風機把高溫煙氣送至余熱熱水鍋爐進行熱量交換，余熱鍋爐產(chǎn)生的熱水可以用作生活用水。在燃料氣調(diào)壓的過程中，為了防止燃料氣壓降產(chǎn)生冰堵，往往需要提前將燃料氣加熱至55~60度，這個加熱過程可以由余熱換熱裝置來完成，同時，減少了燃料氣撬對燃料氣加熱產(chǎn)生的能耗。
2減少間接能耗
在天然氣輸送管道清管過程中，可以采用密閉的清管流程，減少天然氣放空。同時，還可以設置合理的清管長度，來減少天然氣放空量。可以在氣站設置旁通管線直接把天然氣輸送到下一個站場中，這樣做的目的是為了防止站場進行檢修或者事故時，避免天然氣過多放空。使用成熟的技術手段來檢測管道泄漏，有靈敏可靠的報警系統(tǒng)和連鎖保護措施輸送管道上所有的連接部位均采用焊接方式，保障焊接質(zhì)量，避免天然氣從連接處發(fā)生泄漏。
3結束語
通過對天然氣長輸管道設計節(jié)能的研究，提高管道輸送效率，降低能耗，提高長輸管線輸氣經(jīng)濟效益，為天然氣生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造利潤和價值。
參考文獻
[1]李海建.天然氣長輸管道設計中的節(jié)能分析[J].化學工程與裝備，2017（10）：114-115.
作者：高維友 時麗謐 單位：山東中石大工程設計有限公司
