李樹清1，李 軻2

（1.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘 062552；2.中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085）

0 引言

煤層氣礦場集輸管道的起點是各個井場，終點為集氣站，它是由許許多多的單井管道、集氣支線、集氣支干線、集氣主干線等組成的一個復雜的管網系統(tǒng)。

礦場集輸管網從形式上分主要有直線式、放射式、環(huán)狀式三種；從形狀上講主要有枝狀、環(huán)狀、放射狀三種。

煤層氣管道水力計算的任務是：根據計算流量和規(guī)定的壓力損失來計算管徑，進而決定管道的金屬耗量和投資；或是演算已有管道的流量和壓力損失，以充分發(fā)揮管道的輸送能力。

本文主要闡述對復雜環(huán)狀集輸管網的管徑進行計算的方法。

1 基本原理

1.1 環(huán)狀管網管徑計算公式的推導

煤層氣的礦場集輸壓力較低，一般在0.3～

1.1 MPa（絕），管道輸送壓力接近于城市燃氣管網的高、中壓管道。因此其水力計算可以按照城市燃氣高、中壓管道的計算方法進行，對于中、高壓燃氣管道有：

式中P1——管道起點壓力/MPa（絕）；

Pn+1——管道終點壓力/MPa（絕）；

L——各管段的計算長度/km；

λ——各管段的摩阻力系數(shù)；

Q0——各管段內氣體的流量/（m3/h）；

d——管道的內徑/cm；

ρ——氣體相對密度；

T——氣體溫度/K；

T0——標準狀況下的熱力學溫度，273.15 K。

如圖1所示，假定：

圖1 環(huán)狀管網計算簡圖

（1）管道的起、終點地形高差不大于200 m。

（2）環(huán)形集氣管網由同徑管組成。

（3）上半環(huán)各管段天然氣流量為Q1～Qn，它們通過A、B、……、I點輸至O點。下半環(huán)各管段天然氣流量為q1～qn，它們通過A、b、……、j點輸至O點。

（4）A點為上、下兩個半環(huán)管道的起點 （零點），其壓力為P1。O點為上下兩個半環(huán)管道的匯合點，也就是環(huán)網的終點，此點壓力為Pn＋1。

根據上述假定，我們就可以將環(huán)形管網的上、下半環(huán)分別按直線支狀管網來考慮，這個支狀管網的干線是由同徑管組成的。

上、下兩個半環(huán)的氣體按圖1所示方向流動，因此A-B-O和A-b-O管段的壓差相等，因起、終點在同一處，壓力平方差必然相等。

將式 （1）變形整理得：

將以上第1段至第n段公式的兩邊相加得：

1.2 環(huán)狀管網計算起點與終點位置的確定方法

任意環(huán)形管網如圖1所示，環(huán)上各節(jié)點的進出氣量用V表示，在環(huán)上任選一點A為環(huán)網的計算起點，干線主出口點O為環(huán)網的計算終點。用虛線連接A、O點，將環(huán)狀管網分成上下兩個半環(huán)，上下兩個半環(huán)來的氣體在O點匯合流入進站總干線。通常環(huán)網上的各個節(jié)點在設計方案的前期是已知的，也就是說終點 （O點）位置是已知的，而環(huán)網的計算起點 （A點）位置則是未知的，A節(jié)點的上下半環(huán)流量分配也是未知的。一般是先根據上半環(huán)的線路總長大致等于下半環(huán)的線路總長，上半環(huán)的總流量大致等于下半環(huán)的總流量來初步選取，然后再經過適當?shù)挠嬎闩卸ê筮M行調整。

根據質量守恒定律，環(huán)網上輸出的流量等于輸入的流量，對于任意節(jié)點即有：

在起點 （A點）有：

設Q1=X，則：

上半環(huán)起終點壓力平方差：

下半環(huán)起終點壓力平方差：

無論是上半環(huán)還是下半環(huán)，起終點同在一處，壓力平方差必然相等，所以有：

起始點位置 （A點）的選擇與計算判定需要先試設Q1=X值，然后進行試算判定：

1.3 管道定性參數(shù)的確定

1.3.1 管道平均溫度的確定

根據輸油、氣管道溫度變化規(guī)律以及已有的工程經驗可以知道：氣體輸送管道的平均溫度是無限接近于地溫的。因此，筆者建議按以下方式來計算煤層氣集氣管道的平均溫度，其計算誤差完全可以滿足工程設計的要求：

式中tMcp——煤層氣集輸管道的平均溫度/℃；

t1——煤層氣集輸管道起點的氣體溫度/℃；

t0——煤層氣集輸管道周圍土壤的溫度/℃，

由于相關規(guī)范要求輸氣管道終點溫度必須高于地溫3～5℃，因此t0值應加上此值。

1.3.2 管道平均壓力的確定

輸氣管道的平均壓力按以下公式計算：

式中Pcp——輸氣管道的平均壓力/MPa（絕）；

P1——輸氣管道的起點壓力/MPa（絕）；

P2——輸氣管道的終點壓力/MPa（絕）。

2 工程計算示例 （見圖2）

2.1 已知條件

已知某煤層氣田礦場集氣工程，現(xiàn)有井場40個，其中叢式井場36個，單井式井場4個，總井數(shù)175口，建集氣站2座 （1號集氣站為10萬m3/d，2號集氣站為 36.25萬 m3/d）。井口壓力 0.3 MPa（絕），井口溫度20℃，煤層氣組成見表1。

圖2 集氣管網系統(tǒng)計算簡圖

表1 某煤層氣田的某區(qū)塊煤層氣組成

管道的終點壓力：要求進集氣站的壓力不低于0.15 MPa （絕）。

當?shù)氐販兀?1.6 m深處平均地溫10.7℃。

管網情況：通過現(xiàn)場踏勘選線與勘察測量得到系統(tǒng)分布、管網情況、線路長度等，如圖2所示（圖中Q指氣量，L指管段線路長度）。

要求計算集氣環(huán)網主干線的管徑。

2.2 計算簡圖

在作管徑計算之前，首先按照已知條件進行相應的數(shù)據整理，繪出計算簡圖 （見圖2）便于后續(xù)計算。

2.3 確定環(huán)狀管網起點與終點的壓力

由系統(tǒng)計算簡圖可以看出系統(tǒng)中各管段的長度。分別在上下兩個半環(huán)網系統(tǒng)中選取距離集氣站距離最遠的單井為計算起點，以集氣站為計算終點。根據這個起、終點線路總體長度及系統(tǒng)允許壓降來確定系統(tǒng)中各接點的壓力。

系統(tǒng)的允許壓降：

式中 ΔP——從井場至集氣站整個管網系統(tǒng)的允許壓降 （采氣井井口的允許回壓）/MPa （絕）；

PJ——井場外輸起點壓力/MPa（絕）；

PZ——集氣站進站的允許最低壓力/MPa（絕）。

即： ΔP=PJ-PZ=300-150≤150 （kPa）（絕）

從圖2可以看出：環(huán)上最長支線為保1-05井場至g點，管段長度l=1 005+1 221=2 226（m）。所以經綜合考慮，上下兩半環(huán)均取最遠單井至環(huán)網干線的支線管段長度lQ-A=2 226 m來進行管網系統(tǒng)節(jié)點壓力的確定計算。計算時各管段的長度都考慮1.1的系數(shù)。系統(tǒng)各管段長度及各節(jié)點壓力的確定及計算結果見表2和表3。

校核上下兩半環(huán)的計算閉合壓差：

即閉合壓差在±5%之內，表明計算是符合要求的。由此，可確定環(huán)網干線的起、終點壓力如下：

表2 系統(tǒng)各管段長度

表3 系統(tǒng)各管段節(jié)點壓力計算結果

起點壓力P1=275 kPa（絕）

終點壓力P2=180 kPa（絕）

2.4 環(huán)網干線管徑計算

2.4.1 確定環(huán)網管道的流動定性操作參數(shù)

（1）管道的平均溫度。取管道的起點溫度t1=20℃，管道周圍的地溫t2=10.7℃，由式 （12）計算得到：

（2）管道的平均壓力。取輸氣管道的起點壓力P1=275 kPa（絕），終點壓力P2=180 kPa（絕），

由式 （13）得到：

（3）確定各管段氣體在流動定性操作條件（Pcp=0.231 MPa、tMcp=15.8℃）下的物性參數(shù)，由HYSYS軟件計算得到，見表4。

2.4.2 確定環(huán)網的起點位置

上、下半環(huán)各節(jié)點的氣體流量、各管段的輸氣量和長度見表5、6。

表4 各管段操作參數(shù)

表5 上半環(huán)各管段Q2L計算

表6 下半環(huán)各管段q2l計算

設管段 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）計算得到：

計算結果判定：上下半環(huán)的壓力平方差幾乎相等，即閉合差在±5%之內，說明環(huán)網的計算起點選擇正確，起始管段L1的流量假設Q1=X=5 552 m3/d正確。

2.4.3 確定環(huán)網干線的管徑

（1）計算摩阻系數(shù)λ值。有關中、高壓輸氣管道的流速Vm、雷諾數(shù)Re、流態(tài)判別、摩阻系數(shù)λ的計算公式，在相關的專業(yè)書籍或規(guī)范中都能查到，本文在此不再復述。首先計算管道流速Vm、雷諾數(shù)Re，并進行流態(tài)判別，而后根據流態(tài)判定結果選擇對應的摩阻系數(shù)λ計算公式進行計算。管道內壁當量絕對粗糙度?。簁=（0.1～0.2）mm=（1～2）×10-4m，初設管徑d=0.232 m，λ值計算結果見表7、表8。

表7 上半環(huán)各管段摩阻系數(shù)λ值計算結果

表8 下半環(huán)各管段摩阻系數(shù)λ值計算結果

氣體的相對密度ρ=0.564（見表4）；氣體的溫度T=273.15+15.8=288.95 K；標況下的熱力學溫度T0=273.15 K。

（3）計算結果判定。因環(huán)網干線管徑的計算結果d=0.232 m取3位有效數(shù)與預先初選假定值d=0.232 m幾乎相等，即閉合差在±5%之內，說明計算結果合理，滿足要求，不需要再重新試算。

3 計算體會

煤層氣礦場集氣管網是由枝狀、環(huán)狀、放射狀等子管網組成的一個復雜管網系統(tǒng)。

低壓煤層氣的集輸采用環(huán)狀集輸管網工藝，在國內尚屬首創(chuàng)。它類似于城市燃氣管網，所不同的只是氣體的流向相反。城市燃氣環(huán)網的氣體流向是由內向外，即：城市門站→環(huán)網主干線→支干線→調壓站→支線→進戶管道→燃氣用戶；而低壓煤層氣集輸環(huán)網的氣體流向則是由外向內，即：井場→單井管道→ （或支干線）→環(huán)網干線→主干線→集氣站→外輸。

在如此復雜的管網計算中，計算時需要特別注意以下三點。

3.1 關鍵節(jié)點及壓力的確定

關鍵節(jié)點及壓力確定得合理與否，直接關系到管道直徑的大小和耗鋼量，關系整個系統(tǒng)的計算及方案的合理性，關鍵的節(jié)點及壓力主要有4個：

（1）單井井場外輸壓力PJ。井場采油樹的出口壓力在0.3～1.1 MPa（絕），井場計量裝置的設計壓力一般在0.7 MPa（絕），所以井場的外輸壓力一般按最不利情況考慮，取PJ=0.3 MPa（絕）。

（2）環(huán)網干線起點壓力P1。單井管道的長度一般在0.5～1.5 km，最長的約2.0 km，所以考慮單井管道的壓降時，要按距離最長、距環(huán)網干線最遠的單井來考慮。因此在環(huán)網節(jié)點處的壓力一般取P1=0.275 MPa （絕）。

（3）環(huán)網干線終點與去集氣站主干管的支點處的節(jié)點壓力一般按P2=0.18 MPa（絕）考慮。

（4）集氣站進站壓力PZ。集氣站進站壓力主要考慮壓縮及入口參數(shù)的要求，一般集氣站壓縮機的入口壓力在0.15～0.3 MPa（絕），所以集氣站進站壓力一般按PZ=0.15 MPa（絕）考慮。

綜上所述，比較合理的系統(tǒng)壓降分配方案是：單井管道部分的總壓降ΔP約為25 kPa→環(huán)網干線部分的總壓降約為95 kPa→環(huán)網至集氣站總干線部分的總壓降約為30 kPa。

3.2 定性參數(shù)確定

管道的定性參數(shù)主要有平均壓力和平均溫度，它涉及到氣體各項物性參數(shù)的計算，確定應當盡量準確，如果定性參數(shù)的誤差較大，將影響到氣體各項物性參數(shù)的計算誤差，從而也影響到管徑的計算誤差。

3.3 環(huán)網起點位置的確定及起點流量的分配

在進行環(huán)網干線管徑計算時，一般終點是已知的，需要特別注意的就是起點位置的確定和起點流量的分配，必須滿足式 （5）和式 （11）的條件，否則計算出來的管徑就是不正確的。

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