低压煤层气环状集输管网的管径计算

2012-10-29李树清1轲2

石油工程建设 2012年6期

关键词：半环集气站环网

李树清1，李轲2

（1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘 062552；2.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085）

0 引言

煤层气矿场集输管道的起点是各个井场，终点为集气站，它是由许许多多的单井管道、集气支线、集气支干线、集气主干线等组成的一个复杂的管网系统。

矿场集输管网从形式上分主要有直线式、放射式、环状式三种；从形状上讲主要有枝状、环状、放射状三种。

煤层气管道水力计算的任务是：根据计算流量和规定的压力损失来计算管径，进而决定管道的金属耗量和投资；或是演算已有管道的流量和压力损失，以充分发挥管道的输送能力。

本文主要阐述对复杂环状集输管网的管径进行计算的方法。

1 基本原理

1.1 环状管网管径计算公式的推导

煤层气的矿场集输压力较低，一般在0.3～

1.1 MPa（绝），管道输送压力接近于城市燃气管网的高、中压管道。因此其水力计算可以按照城市燃气高、中压管道的计算方法进行，对于中、高压燃气管道有：

式中P1——管道起点压力/MPa（绝）；

Pn+1——管道终点压力/MPa（绝）；

L——各管段的计算长度/km；

λ——各管段的摩阻力系数；

Q0——各管段内气体的流量/（m3/h）；

d——管道的内径/cm；

ρ——气体相对密度；

T——气体温度/K；

T0——标准状况下的热力学温度，273.15 K。

如图1所示，假定：

图1 环状管网计算简图

（1）管道的起、终点地形高差不大于200 m。

（2）环形集气管网由同径管组成。

（3）上半环各管段天然气流量为Q1～Qn，它们通过A、B、……、I点输至O点。下半环各管段天然气流量为q1～qn，它们通过A、b、……、j点输至O点。

（4）A点为上、下两个半环管道的起点（零点），其压力为P1。O点为上下两个半环管道的汇合点，也就是环网的终点，此点压力为Pn＋1。

根据上述假定，我们就可以将环形管网的上、下半环分别按直线支状管网来考虑，这个支状管网的干线是由同径管组成的。

上、下两个半环的气体按图1所示方向流动，因此A-B-O和A-b-O管段的压差相等，因起、终点在同一处，压力平方差必然相等。

将式（1）变形整理得：

将以上第1段至第n段公式的两边相加得：

1.2 环状管网计算起点与终点位置的确定方法

任意环形管网如图1所示，环上各节点的进出气量用V表示，在环上任选一点A为环网的计算起点，干线主出口点O为环网的计算终点。用虚线连接A、O点，将环状管网分成上下两个半环，上下两个半环来的气体在O点汇合流入进站总干线。通常环网上的各个节点在设计方案的前期是已知的，也就是说终点（O点）位置是已知的，而环网的计算起点（A点）位置则是未知的，A节点的上下半环流量分配也是未知的。一般是先根据上半环的线路总长大致等于下半环的线路总长，上半环的总流量大致等于下半环的总流量来初步选取，然后再经过适当的计算判定后进行调整。

根据质量守恒定律，环网上输出的流量等于输入的流量，对于任意节点即有：

在起点（A点）有：

设Q1=X，则：

上半环起终点压力平方差：

下半环起终点压力平方差：

无论是上半环还是下半环，起终点同在一处，压力平方差必然相等，所以有：

起始点位置（A点）的选择与计算判定需要先试设Q1=X值，然后进行试算判定：

1.3 管道定性参数的确定

1.3.1 管道平均温度的确定

根据输油、气管道温度变化规律以及已有的工程经验可以知道：气体输送管道的平均温度是无限接近于地温的。因此，笔者建议按以下方式来计算煤层气集气管道的平均温度，其计算误差完全可以满足工程设计的要求：

式中tMcp——煤层气集输管道的平均温度/℃；

t1——煤层气集输管道起点的气体温度/℃；

t0——煤层气集输管道周围土壤的温度/℃，

由于相关规范要求输气管道终点温度必须高于地温3～5℃，因此t0值应加上此值。

1.3.2 管道平均压力的确定

输气管道的平均压力按以下公式计算：

式中Pcp——输气管道的平均压力/MPa（绝）；

P1——输气管道的起点压力/MPa（绝）；

P2——输气管道的终点压力/MPa（绝）。

2 工程计算示例（见图2）

2.1 已知条件

已知某煤层气田矿场集气工程，现有井场40个，其中丛式井场36个，单井式井场4个，总井数175口，建集气站2座（1号集气站为10万m3/d，2号集气站为 36.25万 m3/d）。井口压力 0.3 MPa（绝），井口温度20℃，煤层气组成见表1。

图2 集气管网系统计算简图

表1 某煤层气田的某区块煤层气组成

管道的终点压力：要求进集气站的压力不低于0.15 MPa （绝）。

当地地温：-1.6 m深处平均地温10.7℃。

管网情况：通过现场踏勘选线与勘察测量得到系统分布、管网情况、线路长度等，如图2所示（图中Q指气量，L指管段线路长度）。

要求计算集气环网主干线的管径。

2.2 计算简图

在作管径计算之前，首先按照已知条件进行相应的数据整理，绘出计算简图（见图2）便于后续计算。

2.3 确定环状管网起点与终点的压力

由系统计算简图可以看出系统中各管段的长度。分别在上下两个半环网系统中选取距离集气站距离最远的单井为计算起点，以集气站为计算终点。根据这个起、终点线路总体长度及系统允许压降来确定系统中各接点的压力。

系统的允许压降：

式中 ΔP——从井场至集气站整个管网系统的允许压降（采气井井口的允许回压）/MPa （绝）；

PJ——井场外输起点压力/MPa（绝）；

PZ——集气站进站的允许最低压力/MPa（绝）。

即： ΔP=PJ-PZ=300-150≤150 （kPa）（绝）

从图2可以看出：环上最长支线为保1-05井场至g点，管段长度l=1 005+1 221=2 226（m）。所以经综合考虑，上下两半环均取最远单井至环网干线的支线管段长度lQ-A=2 226 m来进行管网系统节点压力的确定计算。计算时各管段的长度都考虑1.1的系数。系统各管段长度及各节点压力的确定及计算结果见表2和表3。

校核上下两半环的计算闭合压差：

即闭合压差在±5%之内，表明计算是符合要求的。由此，可确定环网干线的起、终点压力如下：

表2 系统各管段长度

表3 系统各管段节点压力计算结果

起点压力P1=275 kPa（绝）

终点压力P2=180 kPa（绝）

2.4 环网干线管径计算

2.4.1 确定环网管道的流动定性操作参数

（1）管道的平均温度。取管道的起点温度t1=20℃，管道周围的地温t2=10.7℃，由式（12）计算得到：

（2）管道的平均压力。取输气管道的起点压力P1=275 kPa（绝），终点压力P2=180 kPa（绝），

由式（13）得到：

（3）确定各管段气体在流动定性操作条件（Pcp=0.231 MPa、tMcp=15.8℃）下的物性参数，由HYSYS软件计算得到，见表4。

2.4.2 确定环网的起点位置

上、下半环各节点的气体流量、各管段的输气量和长度见表5、6。

表4 各管段操作参数

表5 上半环各管段Q2L计算

表6 下半环各管段q2l计算

设管段 L1的流量 Q1=X=5 552 m3/d。管段l1的流量q1=VA－X=17 500-5 552=11 948 （m3/d）。

由式（5）～（11）计算得到：

计算结果判定：上下半环的压力平方差几乎相等，即闭合差在±5%之内，说明环网的计算起点选择正确，起始管段L1的流量假设Q1=X=5 552 m3/d正确。

2.4.3 确定环网干线的管径

（1）计算摩阻系数λ值。有关中、高压输气管道的流速Vm、雷诺数Re、流态判别、摩阻系数λ的计算公式，在相关的专业书籍或规范中都能查到，本文在此不再复述。首先计算管道流速Vm、雷诺数Re，并进行流态判别，而后根据流态判定结果选择对应的摩阻系数λ计算公式进行计算。管道内壁当量绝对粗糙度取：k=（0.1～0.2）mm=（1～2）×10-4m，初设管径d=0.232 m，λ值计算结果见表7、表8。

表7 上半环各管段摩阻系数λ值计算结果

表8 下半环各管段摩阻系数λ值计算结果

气体的相对密度ρ=0.564（见表4）；气体的温度T=273.15+15.8=288.95 K；标况下的热力学温度T0=273.15 K。

（3）计算结果判定。因环网干线管径的计算结果d=0.232 m取3位有效数与预先初选假定值d=0.232 m几乎相等，即闭合差在±5%之内，说明计算结果合理，满足要求，不需要再重新试算。

3 计算体会

煤层气矿场集气管网是由枝状、环状、放射状等子管网组成的一个复杂管网系统。

低压煤层气的集输采用环状集输管网工艺，在国内尚属首创。它类似于城市燃气管网，所不同的只是气体的流向相反。城市燃气环网的气体流向是由内向外，即：城市门站→环网主干线→支干线→调压站→支线→进户管道→燃气用户；而低压煤层气集输环网的气体流向则是由外向内，即：井场→单井管道→ （或支干线）→环网干线→主干线→集气站→外输。

在如此复杂的管网计算中，计算时需要特别注意以下三点。