高压燃气管道输气量计算探讨

邢春雷

德州市人防工程质量监督站

1 概述

近十年是国内高压天然气管道建设的高峰期，山东地区随着中石油泰青威管线、中石化济青二线的逐步建成投产，下游有一批向城市供气的高压支线需建设，这些高压管线设计需根据市场需求进行水力计算，确定合理输气量及管线规格。通常，在计算的时候，人们会根据末端工况压力以及流速这两点作为计算依据。末端工况流速控制在20m/s以下，而末端压力则以满足用户需求为原则来判断，这些凭借经验收集上来的数据虽然可以作为人们分析的依据，但是这些数据往往也会让人们在分析时忽略输送过程的状态分析，从而造成计算数据不准确。上述问题关键是管道流速，也就是工程中常见的高压燃气管道“壅塞”流动现象，“壅塞”在流体输送工程中较为常见，比如城市高压外环末端、门站调压站高压输气短管、CNG槽车加气或卸气过程等，这些问题已经有相关学者做了大量的研究，文献[1]从等温、绝热流动这两点做了全面的分析，提出了在这两种不同流动下计算燃气管道流量的办法；文献[2，3]分别对喷管内气体流动的壅塞现象、截面直管的气粉流等方面做了解析。通过对相关资料的收集，当前，我国对天然气管道壅塞这一问题的研究还不够充分。

2 壅塞流动现象

天然气管道的壅塞流动是一种因传递受到阻碍而产生的现象，当高压输气管道两端压差很大的时候，伴随着压力的不断下降，天然气的流速会增大，发生膨胀，当流速变大到声速时就不会再继续增加，而此时流量也不会再变大，这种时候就会产生壅塞[1]。

3 高压燃气管道输气量计算数学模型

燃气是一种可压缩流体，一般情况下高压燃气管道内的燃气流动是不稳定的，要想计算其水力情况就得先了解天然气的运动状态。而用户用气量变化情况和上游压送站运行工况这些因素又直接影响了天然气在管道内的流动状态。

根据《输气管道工程设计规范》、《城镇燃气设计规范》，设计压力等于或高于2.5MPa的燃气管线，则采用《输气管道工程设计规范》中的公式计算。因此，根据规范中的内标准，起、终点高差不同，给出以下两个计算公式：

（1）当管道纵断面高差≤200m 时，简化后输气量计算公式为：

式中：

qv——流量，P0= 0.101325MPa，T=293K，单位，m3/d；

P1——计算管段起点压力（绝压，MPa）；

P2——计算管段终点压力（绝压，MPa）；

d——管道内径（cm）；

Z——气体压缩因子；

Δ——气体相对密度；

T——管道内平均气体温度（K）；

L——管道长度（m）。

E—— 输气管道效率系数（当管道公称直径为DN300～DN800 时，E为0.8～0.9；当管道公称直径大于800mm，E为0.91～0.94）。

（2）当管道纵断面高差大于200m 时，需要考虑输气管道纵断面的相对高差影响时，简化后输气量计算公式为：

式中：

α——系数（m-1）；

Ra——空气的气体常数，在标准状况下（P0=0.101325MPa，T=293K），Ra=287.1m2/(s2·K)；

Δh——计算段的终点和起点标高差（m）；

n——分管段数；

hi——各分管段终点标高（m）；

hi-1——各分管段起点标高（m）；

Li——各分管段长度（km）；

g——重力加速度，g=9.81m/s2。

为了便于计算，本文以公式（2）为模型来计算。

4 输气量计算存在的问题及注意事项

在实践过程中，在进行城镇高压管线的水力计算时要按照公式（2）进行，主要有以下几个问题极易被忽视：

（1）一般而言，城镇高压燃气管线涉及的距离比较短，压力较高；公式（2）通常会被作为长输管线公式，但是，长输管线具有压降大、距离长等特点，这与城镇管线的特点不符，因此，在计算时要特别注意。

（2）城镇燃气管道建设的地理位置与长输管线相比要复杂，进而管道的输送效率也会比较低。

通过以上分析，在短距离情况下，城镇高压燃气管线按规范选取的输气效率，可能会导致输气量计算结果不准确，出现偏大的情况。

实例：一条在不考虑管道高程差的高压A天然气管线：起点压力3.6MPa、钢级L360、规格D406.4×7.1、长约10km，以此计算其输送能力。

根据以上公式（2）：

当输气效率E的取值为0.8 时，得出qv为19.7×104Nm3/h，末端压力是3.0MPa，末端最大流速是14.62m/s。根据以往的经验来看，计算的终端压力较大且裕量也较高，终端流速也平稳适中时，普遍会被认为计算结果可靠。但如果忽略了核算末端的标况流速时，就不符合工程的热力学原理。

当在管道末端燃气还没有出现壅塞流动现状时，但此时标况流速已超过声速，这时在利用公式（2），根据设计经验计算时要注意以下几点：

当门站调压站内的高压管线在500m 以内时，在利用公式（2）计算水力时，要充分考虑其压降小、距离短的因素，选取声速的30%～50%，用以控制管内的流速。

（1）当工作压力大于4.0MPa的高压管线时，要考虑压力对气体的影响。

（2）对于距离较短的城镇高压管线，由于这些管线沿线需要避让很多外界因素，此时就要根据管径的实际大小，做好对末端流速的控制，合理选取输气效率。

5 结束语

通过以上相关资料的分析，可以看出，设计人员会根据末端压力和流速两个指标来作为计算城镇高压燃气管道输气量的依据，但是，由于这种计算过程太过简单，很容易造成结果不准确的现象。因此，为了获得更加合理、准确的计算结果，计算人员要在综合考虑相关计算经验的基础上，一方面要在校准核算流速后再合理选取输气量效率，另一方面要根据不同压力工况，选取速值合理裕量。通过这种方式才能提高计算的准确性。