中国北方天然气分输站场加热负荷的一个优化点

王浩(中国石油天然气管道工程有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110031)

0 引言

输气管道运行压力与分输用户用气压力相差较大，天然气分输站场需进行调压，调压阀后会形成较大的节流温降，导致阀后以及出站天然气温度过低，天然气温度过低会产生冰堵等诸多不利影响。所以，调压前需加热，天然气分输站场常用的加热设备有电加热器、水套炉、真空炉或热水锅炉等。加热负荷选择过大，造成投资浪费，且存在设备运行效率低、故障率偏高等问题。

1 我国北方用气特点

天然气用气市场主要有城市燃气、天然气发电、工业燃料和化工原料等类型。工业燃料和化工原料用气市场相对稳定，天然气发电项目和城市燃气用气量与居民生活、公服、采暖、天然气汽车、城市管网供气的小工业用户等各类用户的季节性需求有较大关联[1,2]。这些用量在用气市场中的占比大，是导致北方用气不均匀性的主要原因。以黑龙江省、河北省和山东省为例，其不均匀系数参考图1。由图1可知，以上三个典型北方大省冬季用气不均匀系数明显大于其他季节，其中12月份的用气不均匀系数最大。

图1 三省各行业月不均匀系数

2 我国北方地温特点

我国北方最冷月一般为12月～次年2月，埋地天然气管线管顶埋深一般为-1.2～-2.5m，表1为我国几个北方城市地温资料[3]，管道埋深处最冷月一般为1月～次年4月，说明管道埋深处地温最低月份较环境最低温月份有延迟。

结合北方天然气用气的变化特点来看，12月～次年1月是北方用气的高峰月，用气量最大；而管道埋深处地温最低月一般为2月～3月。用气高峰月地温取值偏低是导致天然气分输站场设计加热负荷普遍偏大的主要原因。所以，在北方天然气管道设计过程中，考虑到用气不均匀特点和管道埋深处地温变化特点之间的对应关系，对加热负荷计算的准确性是十分必要的。

表1 我国几个北方城市地温表 单位：℃

3 加热负荷优化计算

本文以哈尔滨市某输气管道为例，进行加热负荷优化分析。该管道长36km，管径D457mm，设计压力6.3MPa，设计年输量9.82×108Nm3/a。采用首站加热、计量调压后分输出站工艺，出站压力P0为6.2MPa、出站温度T0为0℃。哈尔滨市最大冻土深度-1.97m，管道管顶最小覆土深度为-2.0m。逐月不均匀系数如表2所示。

表2 月不均匀系数

3.1 原加热负荷计算

根据年输量计算均月均日、高月均日和低月均日输量，均月均日、冬季高峰月高月均日输量和夏季低峰月低月均日输气量分别为280.6×104Nm3/d、544.3×104Nm3/d 和101.0×104Nm3/d。

进站压力、温度计算。计算采用输气管网稳态模拟软件PIPELINE STUDIO 3.6版本。软件中水力摩阻系数采用科尔布鲁克(Colebrook)计算公式，管道内壁粗糙度取30μm[4]，传热系数取1.75W/(m2℃)[5]，管道埋深处冬季平均地温取1℃，夏季平均地温取13℃，首站出站压力P0为6.2MPa，出站温度T0为0℃。计算采用工艺模拟软件 HYSYS V10版本，状态方程选择PR方程，计算结果见表3所示，最大计算热负荷为1357kW。

表3 原加热负荷计算结果表

3.2 加热负荷优化计算

根据原热负荷计算结果，高月均日热负荷远大于均月均日、低月均日热负荷，优化计算仅对12月～次年4月热负荷进行计算。根据年输量计算逐月均日输气量见表4所示，管道沿线地温取值见表5所示，其他计算参数与原计算选取参数相同，计算结果见表6所示。最大计算热负荷为1125kW，较原计算负荷降低17.1%。

表4 逐月均日输量表 单位：×104m3/d

表5 管道沿线地温表 单位：℃

表6 热负荷优化计算结果表

4 结语

本文通过对北方城市供气特点和地温变化规律进行分析证实，用气高峰月地温取值偏低是导致天然气分输站场设计加热负荷普遍偏大的主要原因。通过逐月计算方式，可以对天然气分输站场加热负荷进行优化，案例说明可优化负荷17.1%。降低加热设备功率选型，能够降低工程投资约28万元。加热设施长期低负荷运行存在加热效率低、故障率高等缺点，优化加热设施热负荷，可在一定程度上解决以上问题，有利于生产单位维护、管理，降低劳动强度，提高经济效益。