地温对天然气管道工艺系统优化设计的影响

李玉江

摘要：天然气在世界范围内都是一种十分重要的能源，与人们的日常生活之间存在着密切的关系。随着人们对天然气需求量的不断增加，对天然气管道的也提出了更高的要求。在设计天然气管道工艺系统时，不可以忽视地温对其产生的影响。笔者针对优化设计天然气管道工艺系统的必要性进行了探究与分析，并提出了地温对天然气管道工艺系统优化设计的影响，希望对天然气管道系统的优化设计具有一定的帮助。

关键词：地温;天然气管道;系统优化

引言：随着社会的不断发展，天然气资源被大力开发与广泛应用，在家庭中、汽车中、工业中均得到了广泛的应用。而管道是输送天然气最为经济、安全、可靠的方式。为了保证管道在输送天然气方面表现出的重要价值，就必须加强对天然气工艺系统设计的优化，在具体优化设计的过程中，需要着重的分析地温对其产生的影响。

一、优化设计天然气管道工艺系统的必要性

天然气属于一种优质的清洁能源，若想对我国现有的能源结构做出优化，就需要增加天然气在整体能源中的比重。增加天然气能源的使用，不单单可以更好的保护环境，同时还可以缓解能源供应压力。近些年，随着天然气能源的不断发展，天然气管网工程逐渐增多，管道的直径也越来越大，管道输送压力也明显提高，天然气用户也在随之不断增多，天然气在国民经济发展中的重要作用越来越突出。随着天然气能源开发与利用步伐的不断加快，天然气管道将逐渐的形成全国一张网的管道格局。

在建设天然气管道的过程中，用户、设备以及气源的变化都会影响管道的顺利建设，并且天然气管网本身就比较复杂，再加之天然气能源的特殊性，就需要更加系统的、合理的建设天然气管道[1]。所以说非常有必要加强对天然气管道工艺系统设计的优化。这也是设计人员在设计时需要面对的重点问题之一。我国在优化设计天然气管道工艺系统时，可以借鉴国外的一些先进经验，通过消化、吸收，将其内化成为适合我国实际情况的天然气管道工艺系统设计思路与方法，以此制定出更加合理的优化设计方案。

二、地温对天然气管道工艺系统优化设计的影响

（一）全面的认识天然气管道内的水合物

在利用管道输送天然气能源的过程中，通常会出现水合物，其形成的主要原因就在于当管道内的压力降低或者上升到一定的程度后，管道内组成天然气的水蒸气、液态水这两个成分将随之进入饱和状态，这时就会形成冰状、凝析状和游离状的天然气水合物。其会附着在金属管道的表面，造成管道输送天然气的面积不断减少，从而加快节流情况的出现[2]。如果不及时对这一问题加以处理，将会导致管道出现憋压的情况，最终导致管道发生破损，甚至还可能会整体天然气管道工艺系统造成影响。而引发这一效应的最根本的原因就在于天然气管道的周边的地温较低。例如：在管道系统输送天然气的过程中，如果管道内的温度比其所处环境的地温高时，管道系统就会将热量传递给周边的土壤，再加之节流效应的影响，这就会致使管道系统中天然气的温度比地温低。当天然气自身的温度下降以后，其将对管道中的气体传递热量。当管道系统中天然气的最低温度比天然气水露点低时，这时就会形成凝析状、游离状的水合物，管道输送天然气的效率也将大大降低。

（二）通过结合数字模型的构建优化天然气管道工艺系统设计

在优化设计天然气管道工艺系统时，需要将一些模型的构建作为主要依据。为此，可以利用ANSYS软件平台建立三维坐标体系，并以此为基础构建天然气管道内部流体域数字模型和固体域数字模型。在构建完模型后，需要在常见的天然气管道输送条件下，对两种模型的各项参数做出细致化的定义，其中包括传热属性、流体性质、边界条件和初始条件等。随后利用相应的算法，获得天然气的输送数值，其中包括相同流体组分和不同流体组分的季节性地温变化。这就需要针对管道内流体域的状态变化、温度和压力进行综合分析，并在此基础上完成天然气管道输送天然气模型的构建。通过该模型的構建，可以预测管道在输送天然气时，形成水合物的条件，模拟地温的影响和压力的分布情况。在具体构建的这一模型的过程中需要注意以下几点内容：第一，对数字模型的构建做出假设，将管道的内径和外径设定为d和D，将三段不同的长度设定为L1、L2、L3，并将其组成一个整体来探究与分析，该整体主要包括管道内的固体域和流体域。第二，在针对管道系统模型进行研究时，应该站在建设性的角度进行思考与研究，以此将数字模型进行网格划分，合理的定义管道系统的基本属性[3]。第三，在构建天然气管道系统模型时，合理的设定初始条件、边界条件，随后进行相应的计算，在这一过程中还需要运用到流固耦合模型。

（三）针对天然气管道工艺系统优化设计实例的探究

为了针对地温对天然气管道工艺系统优化设计影响展开进一步深入的研究，非常有必要对优化设计实例做出研究。以西气东输天然气管道工艺系统的一部分，乌鲁木齐石化供气直线为例，该部分管道的长度近60千米，建设的起点为昌吉，重点在乌石化。管道内部温度在零摄氏度以上，输送天然气的压力在4兆帕以上。预计该管道输送天然气的总量为30×108Nm3/a。为了更好的保障该段天然气管道的输送效率，对该段的管道工艺系统做出了进一步优化设计。具体的步骤包括：第一，计算管道热力。按照天然气输送计划，调节各分天然气输送站对管道产生的压力，计算天然气进出站存在的压力差，以此获得管道起点昌吉的地温。同时根据计算结果，对乌石化这一终点站管道内的压力和温度进行模拟。保证天然气进站时的温度与在昌吉出站时的温度相一致。因为天然气出站时的压力不可以高于4兆帕，所以计算结果显示只有第三个输量台阶的出站压力与要求标准相符，其他的两个输量台阶均不符合[4]。这就必须对管道进行优化设计。第二，解决其他两个输量台阶的出站压力达不到要求标准的问题。在乌石化增加加热炉的设置，但是通过这种方法解决这一问题，将消耗较多的能源，为了减少相关成本费用的支出，建议使用其他的方法加以解决，以此优化设计天然气管道。第三，通过深入的研究与分析，可以根据地温对天然气管道运行的影响进行优化设计。首先，降低天然气在昌吉出站时的压力，以此在出站时将降低天然气的温度，这样受地温的影响，天然气达到乌石化时的温度几乎就与周边的地温相接近，同时也不会导致压力过高。该解决方法充分利用了地温对天然气管道工艺系统的影响，切实的实现了天然气管道工艺系统优化设计的目的，可以同时实现成本和能源的节约。

结束语：

综上所述，为了扩大天然气能源的利用率，保证天然气的安全、稳定运行，就必须根据地温对天然气管道的影响，对天然气管道工艺系统进行优化设计。在利用天然气管道输送天然气的过程中，地温会对管道内的天然气产生一定的影响，所以在优化设计天然气管道工艺系统时，可以通过加热设备的设置，充分利用地温对管道的影响机制。除此之外，在优化设计的过程中，还需要考虑到优化设计的成本支出和能源消耗，力争使用最少的成本费用和能源达到最优的管道设计方案。

参考文献

[1]刘国华.天然气管道无线视频监控系统的设计与应用[J].网络安全和信息化，2021（10）：78-80.

[2]肖石.长输天然气管道控制系统信息安全监测与防护分析[J].网络安全技术与应用，2021（08）：117-119.

[3]李少宇.天然气管道输配系统规划的思考[J].绿色环保建材，2021（05）：45-46.

[4]许洁，戴一伟.从系统控制理论谈天然气管道运输安全管理[J].安全、健康和环境，2021，21（02）：57-60.