天然气管道工程设计中输气效率系数的取值 6页

垫型鎏鲨!!星塾堂兰!塑塑盐堕三一文章编号：1000．824l(2015)08．0863．06天然气管道工程设计中输气效率系数的取值李青青1董平省2陆美彤2王溟2高磊21．中国石油石油天然气管道局西北石油管道公司(西北应急抢险中心)，陕西西安7100182．中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000摘要：天然气管道输气效率系数表征管道实际运行情况偏离理想计算条件的程度，其取值对管道的实际输送能力和管道工程的建设投资、运行维护费用等具有重大影响。为了保证管道在经济最优的情况下，在运行阶段依然能够达到设计输量，需要合理确定管道的输气效率系数。结合工程实例，对C01ebrook—White(C-W)、潘汉德尔B等较为常见的几种水力摩阻计算公式进行了理论研究和对比分析；基于GB50251—2003输气管道工程设计规范中对采用潘汉德尔B摩阻计算公式时输气效率系数E的取值规定，校核了我国当前设计中采用C-w水力摩阻计算公式时，输气效率系数值取1的合理性；通过对输气效率系数的分析研究，给出了管径、管壁粗糙度及雷诺数不同的管道工程，在输气效率系数值取1的基础上所应做出的适当调整。(图6，表3，参9)关键词：输气效率系数；水力摩阻；C-W；潘汉德尔；雷诺数；相对粗糙度中图分类号：TE832文献标识码：Adoi：10．6047巧．issn．1000—8241．2015．08．013Gastransmissionemciencycoe佑cientValueinpipeUneengineeringdesignLIQingqin91，DONGPingshen92，LUMeiton91，、7l出气NGHa02，GAOLei21．NonhwestPe呦1e哪P峨lineco叫)any删or曲ⅣestcmEmerg∞cyR印airc∞t神，chillaPe仃Dle哪Pipel证圮Bure{u)(iaIl，Sllaa面，7l0018；2．C№P咖le啪PipeliIleEngille曲gcoIpo碰吣Lang胁g，H妇i，065000Abstract：GastransmissionemciencycoemcientofgaspipelineexpressesthedegreeofdeViationfbmtheidealcoInputationalconditionsforactIlalopemtionofthepipeline．ItsValueaffbctssign访cantlyactIlaltransmissioncapacityofmepipeline，aswe¨astheconstmctioninvestmentandoperationandmaintenancecostofthepipeline．InordertoensurcthatmepipelinecanmailltainitsdesignthIUughputduringoperation11ndcrtheoptimaleconomiccircumstances，itisnecessarytorationallydcte咖inetheg船仃锄smissione伍ciencycoe伍cientvalue．IntllispapeT，ta：kingmespeci6cprojectasanexample，theoreticalresearch眦dcomp锄tiveanalysisareconductedonseVeralcommonhydraulic伍ctioncomputationalfomulaslikeColebrook-white(C—w)andPanhandle-B．AccordingtothereleVantspecificationsinGB50251—2003Codef．orDesignofGasTtansmissionPipelineEngineeringonEvalueusedinPanhandle-Bf}ictioncomputationalfomuIa，therationalityoftal(inggastrallsmissionemciencycoemcientValueas1intheC-WhydraulicfHctioncomputationalfomulausedinrelevantdesigninChinanowisVeri6ed．Throughanalyticstudyonthegastransmissionef!ficiencycoefncient，properadjustmentsthatshouldbemadeforthepipeprojectswithdifferentpipediaIneters，pipewallrougllIlessaIldReyIloldsnuⅡlbersgivengas订aIlsmissione伍ciencycoe伍cientValueoflareproposed．(6Figures，31’ables，9References)Keywords：gastransmissione缳ciencycoefficient，hydmulic箭ction，Colebrook—White(C·w)，Panhandle，Re)，IloldsmlInber，relativeroughness随着工业化和城市化进程的加快，我国对天然气能源的需求不断增加。2013年，我国天然气表观消费总量达到1670×108m3，据预测，到2015年，我国天然气消费总量将达到2600×108m3，天然气管道总里程将达到11×104km。管道运输虽然具有输量大、占地少、安全可靠等诸多优点，但其自身消耗的天然气约旦鳖当堕堕回!!!!!：!：!!兰!!竺旦塑当望丝丝!!塑!!鱼!竺!些：!竺塑竺!型!!!：!!!!：堡：垫!!!!堕：!!丝：!!!：!竺!r—丽\n设计与施工2015年8月第34卷第8期j由乞储连占其输送总量的6％～8％。以2013年为例，约有近100×108m3的天然气消耗于输送环节，因此，管道自身的节能降耗问题值得重视。对天然气长输管道系统进行优化设计是实现管道节能降耗的有效途径，其中管道输气效率系数E是一项重要的基础参数，其取值不仅直接影响管道的输气能力，还会对工程的建设投资及管道将来的运行、维护费用产生较大影响。以下结合工程实例，在调研不同国家输气管道规范的基础上，通过对摩阻计算公式进行理论研究和对比分析，确定管道工程设计中输气效率系数E的取值。1输气管道水力计算1．1水力计算基本公式在等温、稳态流动工况下，考虑管道高程差时，输气管道水力计算基本公式为[川：Q=c=署去压一篆㈩式中：Q为标况下的输气流量，m3／s；加为管道起点的绝对压力，Pa；趣为管道终点的绝对压力，Pa；D为管道内径，m；A为水力摩阻因数。Z为天然气在管段平均运行温度和压力下的压缩因子：△为天然气相对密度；丁为天然气平均运行温度，K；L为所取管段长度，m；△S为管道终点与起点的高程差m；S为第i段管道终点的高程，m；Li为第i段管道的长度，m；咒为输气管道沿线计算的分管段数。输气管道水力计算是输气管道设计的重要部分，目前国内外实际工程应用的或已发表的水力计算公式多种多样，这主要是由于水力摩阻因数旯的计算式不同所致(表1)。表1各水力摩阻计算公式对比将上述不同的摩阻因数表达式代入输气管道基本流量方程中，即可得到国内外采用的不同输气流量计算公式。其中，C—W公式最为成功，可用于整个紊流区的计算。大量的实验数据和现场实测数据均证明了C—W的正确性H。71。GB50251—2003输气管道工程设计规范中首推采用C—W公式进行摩阻计算。1．2不同摩阻公式计算结果差异分析以C-W公式为基准，对表1中所列公式进行分析，其结果表明：根据目前输气管道常用的管径及绝对粗糙度取值，计算得到的相对粗糙度多处于0．36～6．7。取占为O．00001，O．00003，O．000048，O．ooO067，采用6种常用水力摩阻表达式计算水力摩阻因数(图1～图4)，结果表明：①由于Moody公式是根据C—W公式导出的显式函数，因此二者在任意雷诺数和相对粗糙度的范围内，吻合度均较好(英国多使用M00dy公式进行水力摩阻计算)。②随着雷诺数的增大，C-W、Moody及潘汉德尔A、B四个公式计算的水力摩阻因数值逐渐降低。其中，潘汉德尔B公式的下降趋势最为缓慢，而C喝，公式会在雷诺数为105～106时有个过渡，当雷诺数大于某一值后，随雷诺数的变化极为缓慢；相对i磊]塑坐垒!!!竺2竺：塑竺\n李青青，等：天然气管道工程设计中输气效率系数的取值设计与施工O035O030囊O025藿o020乓0．015O010㈣s}====∑354O4．55O5．56．O6．57O7．58O85log如图ls=0．0000l时，6种常用水力摩阻表达式对比logRP图2s=0．00003时，6种常用水力摩阻表达式对比O035O030彝0—025妊O020世善O．Ol500103．54O45O56O657O758O85logRe图3占=0．000048时，6种常用水力摩阻表达式对比109恐图4s=0．000067时，6种常用水力摩阻表达式对比粗糙度越大，越容易到达稳定区域。③苏联两个公式仅为相对粗糙度的单值函数，故在旯彘坐标图上，表现为两条横线。苏联近期公式计算结果更为保守；随着相对粗糙度的不断增大，二者的差异逐渐减小。在雷诺数较小的区域，苏联的两个计算公式与C—W的计算结果相去甚远，但在雷诺数较大的混合摩擦区和水力光滑区，三者结果较为接近，这也论证了苏联近期公式适用于小管径、大流速、管壁粗糙的流动工况。④由于潘汉德尔A、B两个公式仅仅为雷诺数的函数，与相对粗糙度无关，因此当s发生变化时，两图像并不上下偏移，在雷诺数较小的区域，潘汉德尔A公式较为准确；在雷诺数较大的区域，潘汉德尔B公式较为准确；但潘汉德尔B公式与C-W公式比较而言，仍具有一定的偏差，且该偏差随着相对粗糙度s的增大而逐渐增大。2输气效率系数2．1输气效率系数的定义GB50251—2003中给出了输气效率系数的概念：输气效率系数E为输气管道的实际输气量与理论计算输气量之比，表明管道实际运行情况偏离理想计算条件的程度，其计算式为：Q．A仁亏2石@)U以式中：q为输气管道的实际流量；九为运行后管道实测水力摩阻因数。式(2)虽给出了输气效率系数的物理意义，但后半部分却是错误的比例关系，因为Q与允并非线性相关。通过式(1)可以看到，当除流量Q和水力摩阻因数旯以外的变量为恒定值时，二者之间的比值应满足如下关系：E=鲁2庄㈤E=÷=．f÷(3)管道的输气能力和水力摩阻因数均随时间而变化，引入输气效率系数E是为了表征管道内壁的清洁程度对管段输气能力的影响。如果管道输送介质为含有水蒸气和H，S气体的湿气，则水合物的生成、管内壁的腐蚀和生锈、凝析液和水在低洼处的沉积旧。等，均会导致式(3)中的丑。急剧增大。因此，考虑一个小于1的输气效率系数，实质上是对管道输气量的修正，即在塑竖堕塑竺211：!!竺厂—丽\n———鲨型型竖2015年8月第34卷第8期油乞储适设计中考虑一个富裕量，保证摩阻因数增大后，管道仍有能力达到目标输量。部分摩阻计算公式，如潘汉德尔A、潘汉德尔B以及苏联近期输气管道计算公式，直接将输气效率系数E作为A的一部分，对其进行修正no。其他摩阻因数计算公式并未明确表明需引入E，但多个国家在管道流量计算时，均考虑了输气效率系数，以保证管道在设计阶段输气能力具有一定的富裕量。2．2各国输气效率系数的取值GB50251—2003中规定，当采用以潘汉德尔B式导出的流量公式，且输气管道公称直径介于DN300～DN800时，E值取0．8～0．9；大于DN800时，E值取0．91～0，94。哈萨克斯坦《石油天然气工业干线管道工艺设计要求》中规定水力效率取0．95(在有合适依据条件下，可以取其他数值)。美国《气体加工工程数据手册》中，对于采用AGA、威莫斯、潘汉德尔A、潘汉德尔B等摩阻计算公式进行水力计算时，流量公式中也均引入了输气效率系数：对于采用潘汉德尔A式导出的流量公式，E值取0．92；对于采用潘汉德尔B式导出的流量公式，E值取0，88～0．94；其他公式的E取值没有明确规定。法国煤气工业技术协会《天然气输配手册》中，给出了输气效率系数的计算式：E=O．7938+0．9555d一2．174扩+2．731∥一1．692∥+0．4007矿一9．636×10～P+0．23l6×lO～P2—0．2228∥×10一P3(4)输气效率系数的取值不仅影响管道输送能力，而且对管道建设的直接投资和运行维护费用也有很大影响。以西气东输二线管道为例，干线长4240km，管径1219mm，运行压力12MPa，年输量为300×108m3。假设保持其余设计参数不变，当输气效率系数由1调整为0，95时，西二线需新增3座压气站，按照当时的汇率水平，管道建设投资需增加约18×108元。此外，输气效率系数调整为0．95后，一方面管道运行的平均压力提高，压缩机组总功率降低；另一方面，由于站场机组负荷率变低，单位功率的燃气耗率将增加。经综合测算，压气站年均耗气量增加约3500×104m3，折合人民币约8500×104元。由于增加3座站场，平均每年还将增加约4000×104元的人员成本及维修成本。可见，输气效率系数的取值影响重大。因此，应审慎确定E的取值，既要保证管道输量的富裕能力，又要使得经济效益最大化。3中国输气管道设计中E的取值3．1中国输气管道雷诺数分布通过调研我国西气东输管道、陕京天然气管道、冀宁联络线、忠武天然气管道等的基础参数，计算出中国主要气体管道运行状态的雷诺数(表2)。我国各管道的实际雷诺数位于1×107～8×107，且各自满足胁，<胁<胁。，流态均处于混合摩擦区，这与文献[9]中给出的结论一致。表2中国主要气体管道基础参数及其雷诺数3．2根据C二w公式和潘汉德尔B公式确定E值输气管道规范GB50251—2003仅针对以潘汉德尔B摩阻计算式导出的流量公式，给出了输气管道效率系数犀。的推荐取值。然而在中国当前管道设计中，所选用的水力摩阻计算式却为C—W，因此需要对根据C—W摩阻计算式导出的流量公式的k值进行确定。结合计算所得国内输气管道雷诺数的分布区间，以C—W公式为基准，假设E．。取1，反算潘汉德尔B公式所应采取的输气效率系数值点墨。。使用潘汉德尔B公式进行水力计算所应采用的输气效率系数昧。值与GB50251—2003中的规定吻合较好(表3)。由此可以证明，当采用C-W公式进行水力计算时，输气效率系数值可取1。\n李青青，等：天然气管道工程设计中输气效率系数的取值设计与施工表3以c—w式为准，校核潘汉德尔B式输气效率系数雷诺数(×107)以C-W为准，点0。=1，潘汉德尔B公式输气效率系数‰修正值s=0．OOO01s=O．00003￡=0．000048占=O．0000674粗糙度及管径对输气能力的影响4．1绝对粗糙度对输气能力的影响以西气东输二线管道为例，管道外径1219mm，初设阶段所取的绝对粗糙度为10um。采用C—W公式，根据式(3)计算管段的输气效率系数。根据输气效率系数随雷诺数、粗糙度的变化情况(图5)，当管径和粗糙度保持不变时，随着雷诺数的增大，输气效率系数的取值逐渐降低，但该影响较为微弱，在雷诺数较小的水力光滑区和混合摩擦区范围内的降低趋势略小于阻力平方区；然而输气效率系数E随着绝对粗糙度的增大而明显减小。目前西二线反算的管道绝对粗糙度约为6um，由图5可得平均输气效率系数取值为1．028，即管道设计初期持有2．8％的富裕能力。然而，当管道绝对粗糙度由10岬变为15岬时，平均输气效率系数下降为97．48％。4681012141618202224262830323436384042绝刈目l糙度um图5输气效率系数随雷诺数、粗糙度变化取值4．2管径对输气能力的影响中国输气干线管道中，管径主要有1422mm，1219m，1016mm，914mm，711r11n1和610mm等。根据各管道所用管材类型、输送压力等级及所穿越的地区条件等，计算出其对应的内径。当胁=5．8×107时，比较主要管径的输气效率系数随相对粗糙度的变化(初设阶段，绝对粗糙度取10um)。根据输气效率系数随管径、粗糙度的变化情况(图6)，绝对粗糙度相同时，输气效率系数随管径的减小而减小，且该趋势在较大的粗糙度区间更为明显。假设运行阶段，管道的绝对粗糙度为20岬，则1219mm管道和610mm管道的输气效率系数取值相差O．86％。由此可知，在管道设计阶段，应针对管道管径、输量、流动区间等具体情况考虑不同的输气效率系数取值。绝对目l糙度／um图6输气效率系数随管径、粗糙度变化取值：兮舛∞∞叭∞呻％卯％％舛％昵叭帅∞\n5结论(1)目前中国输气管道流态多处于混合摩擦区，而非阻力平方区。常用的水力摩阻计算公式中，Moody公式的计算结果和C-W最为接近，精度较高；苏联前期公式误差较大，已不适用于现阶段涂敷有内涂层、粗糙度较小的管道；苏联近期公式适用于小管径、大流速、全紊流的流动工况。潘汉德尔A公式适用范围过窄，亦不推荐使用：潘汉德尔B应严格选取输气效率系数进行校正。(2)中国管道设计所采用的水力摩阻因数计算公式一般为C_W公式，由GB50251—2003中的相关规定并结合C-W与潘汉德尔B公式的计算结果对比可知，当采用以C-W摩阻计算式导出的流量公式时，取1具有一定的合理性。此外，目前大型输气管道设计时所取的管壁粗糙度为10岬(实际约为6岬)，已经考虑了部分裕量。(3)管道投入运行之后，管壁绝对粗糙度往往由于生锈、内腐蚀、水合物与沉积物的生成等原因而逐渐变大，输气效率系数E随着绝对粗糙度的增大而明显减小，且雷诺数越大、管径越小，该降低趋势越明显，因此设计人员在管道设计初期，应根据管道具体参数等适量调整E的取值。参考文献：[1]李长俊．天然气管道输送[M]．北京：石油工业出版社，2008．[2]lI印H腿删AB．管道水力摩阻系数的计算[J]．油气储运，1999，18(2)：26—28．[3]曾伟．关于输气公式和水力摩阻系数公式的讨论[J]．天然气工业，1989，9(5)：64—67．[4]郑永刚，王明皓，毛洪光，等．输气管道摩阻系数研究进展[J]．油气储运，1998，17(10)：卜6．[5]吴玉国，陈保东，郝敏．输气管道摩阻公式评价[J]．油气储运，2003，22(1)：17—22．[6]SLETFJERDINGE，GUDMUNDSSONJS，SJOENK．Flowexperi工rlentswithhighpressurenaturalgasincoatedandplainpipes，camparison0ftransportcapacity[C]．Denver：PSIG30thAnnualMeeting，1998．[7]冯良，夏星星，庞志辉，等．天然气管道稳流水力计算公式的比较与分析[J]．上海煤气，2010，58(5)：20—23．[8]杨晓鸿，朱薇玲．粗糙度对输气管道摩阻系数的影响[J]．石油化工设备，2005，34(1)：25—28．[9]张福坤，吴长春，左丽丽．输气管道水力摩阻因数计算[J]．油气储运，2010，29(3)：181—186．(收稿日期：2014一06—19；修回日期：2015—04—22：编辑：潘红丽)作者简介：李青青，助理工程师，1988年生，2015年硕士毕业于中国石油大学(北京)油气储运工程专业，现主要从事油气长输管道设计与管理工作。LIQingqin岛assistantengineer，bornin1988，graduatedfromChinaUniversityofPetroleurn(Beijing)，oil＆gasstorageandtransportationengineering，in2015，engagedinthedesignandmana群盯1entoflorl驴distanceoilandgaspipelines．Tel：15652914205，Enmil：tsinglainey@163．com下期要目中国石油油气管道设备国产化现状和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯谭东杰，等泄漏油品在地下水中的迁移转化规律及模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯杨永健，等油气管道典型地质灾害危险性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯钟威，等盐穴储气库单腔长期注采运行分析及注采压力区间优化——以金坛盐穴储气库西2井腔体为例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯杨海军，等基于复合作业量的天然气管输定价模型试验研究-一以西气东输二线为例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯李志学，等加气站LNG低温储罐设计液位计比选及优化方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯何才宁大型储罐底圈罐壁轴向应力的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯吴龙平，等油气管道斜拉索跨越设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯左雷彬，等海底管道临时管跨允许最大跨长的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯闫宏生，等压缩机进气滤芯反吹除霜方法的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯张轩，等