天然气输气管线储气量的影响因素

上海液化天然气有限责任公司 李军辉

1 输气管线储气量的概念及意义

天然气作为清洁能源，在国内的应用越来越广泛，其输送主要通过管道输送至用户。在相同条件下，天然气高压管道输送时，由于其管内流速小，阻力降小，从而更节省能耗。

输气管线在设计时按照最大输气量设计，即输气管线操作流量是低于其设计最大设计流量(Qd)。当输气管线上游的供气量大于下游消耗量，管线操作压力将逐渐上升，直至上游最高操作压力，实现输气管线的储气过程；当上游的供气量小于下游消耗量，管线操作压力将逐渐降，直至下游压力到达最低操作压力，实现输气管线的消耗过程。

为说明计算管段的储气能力，首先需说明两个概念，在输气管线上游天然气停止供气(或小于操作流量的速率供气)(如输气管线设备故障)，同时保持以某一固定流量向下游输出，直至下游管线压力管线降至最低要求压力，所能提供天然气量称之为计算管段储气量(VT)；而自输气管线停止供气(或小于操作流量的速率供气)开始，直至计算输气管线压力全部降至下游要求的最低压力时所能提供的天然气的总量则称之为极端储气量(V极端)。极端储气量是理论上输气管线所能提供天然气的最大量。

输气管线的储气量在项目不同阶段有着不同的意义和作用:在管线输气在设计及建设阶段，通过选择合理的管径、长度、设计压力等，可以优化设计，节省投资；在管线投用后通过不同操作压力、温度、流量的选择，以优化操作(如通过设备的启停，实现上游输气量的阶梯状外输)；当管线发生故障(如某点故障后停止对下游供气)，根据计算的管线储气量，计算输气管线故障情况下，下游不间断输出的时间，以指导管线的维护；或者根据维护时间及输气管线的储气量计算出输气管线故障后，在规定的维护时间内可以提供的最大平均输气速率；通过对天然气储气量的分析进行气量平衡，实现天然气调峰等等。

2 管线储气量计算方法

对于已运行的输气管线，输气管线上游压力及下游压力、输送天然气组分、输送温度、管线参数(长度、管径效率系数等)是已知的，可以根据这些已知的参数套用相应公式进行计算最大允许通过的流量；当管线设计时，则根据已知参数，将相应公式变形即可计算相应的未知量。下面就计算过程进行说明:

根据已知的上游压力(pQ)及下游压力(pZ)，计算管线允许的最大输气量，以判断是否允许操作的流量范围，计算公式可以根据计算条件选择威莫斯公式、潘汉德尔A式、潘汉德尔B式(也叫潘汉德尔修正式)、前苏联公式等；对于大管径的计算推荐采用潘汉德尔B式进行计算。

式中:Qv──气体(0.101325MPa(a)，温度293.15 K)的流量，m3/d；

E──输气管线的效率系数(当管线公称直径在0.300～0.800 m时，E为0.8～0.9；当管线公称直径大于0.800 m时，E为0.91～0.94)；

D──管线内径，cm；

pQ──管线上游压力，MPa；

pZ──管线下游压力，MPa；

Z──天然气压缩因子；

Δ──天然气的相对密度；

T──天然气温度，K；

L──输气管线计算管段的长度，km。对于公式中的温度，为了简化过程，采用输气管线的平均温度进行计算。

天然气压缩因子Z的计算根据AGA8-92DC进行计算；

接下来根据输入条件及AGA8-92DC计算压缩因子，在计算压缩因子前，需要首先确定天然气组分、输送温度、压力，前两者已知，对于压力，输气管停止输气时，高压段的气体逐渐流向低压端，起点压力逐渐下降，终点压力逐渐上升，最后全线达到某一压力值，即平均压力；沿管线任一点的压力px可由下式计算:

式中:px──距离起点x(km)处的压力，MPa；pQ──起点压力，MPa；pZ──终点压力，MPa；x──距离起点距离，km；L──管线长度，km。

根据px可以推导出在计算输气量下，管线内平均压力pm:

根据pm及其他已知条件，由AGA8-92DC可计算此时的压缩因子。

根据已知条件及压缩因子，用公式(1)可计算当起点最大压力、终点最小压力时，管线允许通过的最大输送量QVmax(此处的QVmax并非管线设计流量Qd，仅指在计算压力等条件下，输气管线所能提供的最大输送量)，将QVmax与计算流量Qv比较，当前者大于后者，即可判断在此情况下管线有储气能力，具备天然气调峰的前提条件；换句话说，只有选择的计算流量小于最大输送量QVmax时，计算管段才具有储气量VT。

按已知起点压力或终点压力，反算在流量Qv下的所需要起点压力或终点压力，并根据公式(3)分别计算两种状态下平均压力pmmax及pmmin，根据两种状态下的平均压力计算管线储气量VT:

式中:VT──计算管段储气量，m3；

V──管线容积，m3；

Tb、pb──分别为基准状况的温度和压力(293.15 K，0.101325 MPa)；

T──温度，K；

pmmax及pmmin──分别为计算管段的最高和最低平均压力(绝对压力)，MPa；

Z1、Z2──分别对应pmmax及pmmin条件下的压缩因子。

根据公式(4)，当要求的固定输出流量为0时，公式中的最高平均压力及最低平均压力可认为是最高操作压力和最低操作压力，Z1、Z2分别对应此条件下的压缩因子，则此时管线储气量即为极端储气量(V极端):

3 管线储气量影响因素分析

根据以上输气管线储气量计算过程，对影响管线输气量的因素进行定性分析如下:

天然气组分对压缩因子及相对密度均有影响，在一般输气操作中，天然气的组分相对固定，所以，在本文中仅按固定组分进行分析。在分析储气量影响因素时，为简化结果，假定其中一个参数变化，其它与此不相关的参数保持不变。

3.1 管线内径D变化和管线长度变化

根据公式(5)管线内径增加→管线容积增加→极端储气量增加；同时根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，管线内径增加，在输送同等量天然气阻力降下降→pmmax增加(Z1减小)→pmmin减小(Z2增加)→计算管段储气量(VT)增加，同时极端储气量(V极端)也增加。

同样根据公式(5)，管线长度增加→管线容积增加；同时由于管线长度增加引起管线阻力降增加→pmmax减小(Z1减小)→pmmin减小(Z2增加)。

综合以上两点，当管线长度有1个限值，当在此限值以下增加时，管线储气量增加，当超过这个限值继续增加，管线储气量将减少直至为0。求取输气管线长度L特定值方法是，将已知的压力温度等条件代入公式(1)，通过公式变形即可计算出此时输气管线长度L。

3.2 输气温度T变化

根据公式(5)输气温度降低→极端储气量增加；根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，输气温度降低，在输送同等量天然气阻力降下降→pmmax增加(Z1减小)→pmmin减小(Z2增加)→计算管段储气量(VT)增加，同时极端储气量(V极端)也增加。

3.3 操作压力p变化

根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)当提高起点操作压力时，pmmax增加(Z1减小)→计算管段储气量(VT)增加，同时极端储气量(V极端)也增加；降低终点的操作压力也能有相似结果，但一般操作压力受是受限制的，故而变化范围只能控制在受限范围内。

3.4 操作流量Qv变化

当操作流量减小时，pmmax增加(Z1减小)→pmmin减小(Z2增加)→计算管段储气量(VT)增加，但极端储气量(V极端)不受操作流量的影响，保持不变。

4 计算实例

为了更直观的了解其中的关系，下面通过实例计算来进行定量说明:某管线项目在正常操作时，其管线起点天然气供气中断，在此情况下根据不同操作工况下的已知参数，对天然气储气量进行计算分析，相关参数及计算方法如下:

分析管段的天然气组成见表1。

表1 分析管段天然气组分

计算输入参数见表2(其中Zm表示根据AGA8-DC92计算在各工况平均温度、平均压力(pm)下的压缩因子)。

表2 计算输入参数

根据表1及表2数据计算平均压力、平均温度，然后可计算此条件下的天然气压缩因子Zm(计算结果见表3)。

根据表3的Zm及其它数据输入，按照公式(1)计算得到最大输送量大于计算日流量(见表3)，由此判断管线具有储气能力。

根据表2最大输气压力、最小输气压力，并按公式(1)计算最大起点压力pQmax或最小终点压力pZmin(计算结果见表3)。

根据表2数据按照公式(3)可分别计算出最大平均压力pmmax和最小平均压力pmmin(计算结果见表3)。

在进行储气量计算的最终一步，分别计算(在各工况温度，最大平均压力和最小平均压力下)压缩因子，根据AGA8-92DC提供的方法计算压缩因子；当需要精度不高时，可以采用查图或者其它计算压缩因子的方法计算(计算结果见表3)。

根据表3的数据输入，计算各工况下计算管段的储气量，计算结果见表3。

表3 各工况下计算管段的储气量

根据表2数据和表3计算结果可知:

(1)工况2与工况1相比，最大输气压力较高、最小输气压力较低、输气温度较低，计算日流量较低，而管线长度不变，输气管线储气量VT增加0.7倍；极端储气量V极端增加近0.6倍。

(2)工况3与工况1相比，管线长度增加1.8倍，其它参数不变时，输气管线储气量VT增加0.7倍，极端储气量V极端增加近1.3倍，计算储气量及极端储气量增加的倍数均小于管线容积增加的倍数。

5 计算过程偏差分析

由于在计算过程中采用平均温度，这为计算结果带来了不确定度；

本文中采用的温度、压力条件均在天然气的临界值以上，需要说明的是:天然气的温度压力均在临界值时，其压缩因子有拐点(最小值)，故在分析趋势时，天然气的温度、压力在临界值以上或以下，压缩因子或其他因素的变化趋势是不同的。

6 结语及建议

根据以上分析及定量计算结果，有如下结论及建议:

增加管线内径、降低输送温度、提高起点压力、降低终点压力、降低设定的操作流量，均可以增加输气管线储气量；反之输气管线储气量将降低。

管线长度L在某一特定值以下增加时，输气管线计算储气量增加；当超过这一特定值L继续增加时，输气管线计算储气量将减少，直至为0(当储气量为0时，对应的流量为此管线设计最大流量)。

在管线设计中，通过对管线的内径、管线长度等参数进行比选优化，但一旦管线投用，管线的内径、管线长度等很难再发生改变，故这两个参数在实际操作中，对管线气量的调节有限；

在管线操作过程中，通过调节起点或终点的操作压力、温度(如降低或升高起点的输出温度、节流降温或加热），进而达到天然气调峰或其它目的；

对于操作流量，当用户在起点停止供气期间对天然气的供应时间有要求，可以通过减少计算流量，增加天然气供气时间，同时输气管线储气量也增加；反之亦然。

综上所述，在输气管线设计中选择合适的参数，可以使输气管线操作、维护有较大的操作空间；在输气管线操作中通过天然气压力、流量、温度等的调节，可以优化操作、节省能量、气量调节等；通过天然气输气管线在不同条件下的储气量变化，可为天然气调峰、输气管线的设备维护、操作提供指导意义。