李子傲，李貴賓

1快軌建設管理有限公司，北京

2中油國際管道公司(西北管道項目)，北京

1.引言

隨著近年來天然氣在市場發(fā)展下和實際需求量的不斷提高，輸氣量不斷增加，通常以管道為主要輸送方式，實際運輸所需要的各種設備較多，設備工作消耗的能量較大，導致生產(chǎn)成本增加，這是國際上共同面臨研究解決的問題，經(jīng)過研究分析管道行業(yè)一方面要積極采用國內(nèi)外先進的輸氣工藝和節(jié)能技術(shù)，引進先進的管理系統(tǒng)，另一方面提高員工的節(jié)能意識和國際接軌，來提高完善我國天然氣長輸管道節(jié)能工作。

為節(jié)約能源實現(xiàn)經(jīng)濟環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，國家先后通過了《中華人民共和國節(jié)約能源法》(中華人民共和國主席令第七十七號)、《國務院關(guān)于加強節(jié)能工作的決定》(國發(fā)(2006) 28 號)等法律法規(guī)。天然氣長輸管道雖然是輸送天然氣的一種經(jīng)濟高效的輸送方式，尤其是大輸量和長距離輸送其經(jīng)濟性更為顯著，但采用天然氣長輸管道輸送天然氣的同時也消耗大量能源。為滿足國家節(jié)能法規(guī)要求，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，在長輸管道建設中采取節(jié)能措施，尤其像中哈C 線工程這樣擁有8 座壓氣站，1300 多公里的大口徑輸氣管道工程更顯得尤為重要。在中哈C 線工程積極地應用各項節(jié)能技術(shù)，以推動天然氣管道節(jié)能工作的發(fā)展。

2.中哈C 線工程概況

中亞–中國天然氣管道C 線工程(哈國段)起點位于哈烏邊境，沿A/B 線并行敷設至中國境內(nèi)的霍爾果斯。線路全長1302.75 km，全線管線采用X80 材質(zhì)、直徑1219 mm 的鋼管，管道外防腐采用3PE，內(nèi)涂層采用雙組份液態(tài)環(huán)氧樹脂，設計壓力9.81 MPa。其中哈烏邊境～阿克布拉克段長度309.5 km，設計輸量200 × 108Nm3/a；阿克布拉克～霍爾果斯段長度993.25 km，設計輸量250 × 108Nm3/a。中哈C 線工程共設置壓氣站8 座，計量站2 座(分別設在CCS1 壓氣站和霍爾果斯計量站)，清管站8 座、線路截斷閥室64 座，其中RTU 閥室43 座。中哈C 線與AB 線跨接8 處，下氣點11 處。壓氣站可實現(xiàn)氣體除塵(除液)、增壓、壓力越站、全越站、工藝氣冷卻、站循環(huán)、燃料氣(自用氣)供應、氣質(zhì)分析、放空和排污等功能要求。

3.中哈C 線管道耗能分析

利用管道輸送天然氣須消耗大量能源，天然氣長輸管道的能耗可分為直接能耗和間接能耗。直接能耗是指壓縮機組能耗、燃料氣消耗以及管道阻力損失等在天然氣輸送過程中產(chǎn)生的能耗。這類能耗可以通過采用新工藝、新技術(shù)、新設備予以降低，但不能消除。間接能耗是指天然氣放空、泄漏等所導致的直接損失，這類能耗在理論上可以消除[1][2]。中哈C 線工程通過減少管道摩阻，優(yōu)化管道工藝，采用壓降小的設備、節(jié)能壓縮機組及采用減少放空工藝、壓縮機余熱利用等節(jié)能措施，來減少管道的直接能耗和間接能耗，達到節(jié)能效果。中哈C 線工程站場主要耗能設備包括壓縮機組、空氣壓縮機、燃氣發(fā)電機、空冷器、燃氣鍋爐等。

4.節(jié)能措施

1) 優(yōu)化輸送工藝

①站場設置和管徑的選取

相同管徑下，設計壓力越高，綜合能耗越低[3][4]；在相同設計壓力下，管徑越大，綜合能耗越低。設計壓力越高、管徑越大，綜合能耗越低[5][6]。但在相同設計壓力下，管徑的選取通過項目投資、綜合耗能、運行成本等經(jīng)濟技術(shù)比選來最終確定。項目設計壓力為9.81 Mpa，其烏哈邊境～阿克布拉克段長度309.5 km，設計輸量為200 × 108Nm3/a；阿克布拉克～霍爾果斯段長度993.25 km，設計輸量250 × 108Nm3/a。對各管徑方案進行經(jīng)濟比選，結(jié)果如表1 所示。

Table 1.Basic technical and economic indicators表1.基本技術(shù)經(jīng)濟指標

通過經(jīng)濟技術(shù)比選結(jié)果可知，方案1 費用現(xiàn)值最低，總自耗氣量適中。項目采取了方案1，即設置8座壓氣站，設計壓力為9.81 MPa、管徑為1219 mm。

壓氣站具體分布情況見表2。

Table 2.Setting table of compressor stations in Kazakhstan表2.哈薩克斯坦境內(nèi)壓氣站設置表

② 空冷系統(tǒng)

輸氣溫度過高將導致輸氣效率下降。降低管道的輸送溫度，可以提高管道的平均運行壓力，減少管道的沿程摩阻，降低壓縮機組的能耗。為降低管道的輸送溫度，空冷器的投資和耗電均需增加。如果管道因降低輸送溫度所節(jié)約的燃料氣消耗費用，比增設空冷器所增加投資和空冷器耗電所增加的費用之和高，則管道降溫輸送是經(jīng)濟節(jié)能的[5]。

中亞C 線哈國段壓氣站出站溫度根據(jù)哈薩克斯坦的環(huán)境氣象參數(shù)及當?shù)匾?guī)范，按照氣體的最佳年平均冷卻溫度應比室外年平均計算氣溫高10℃～15℃的原則，經(jīng)過多方案比選論證，50℃出站方案經(jīng)濟性最好，技術(shù)可行，最終推薦采用50℃出站溫度。其它項目也證實50℃出站溫度最經(jīng)濟、更節(jié)能[5]。

根據(jù)各工況計算結(jié)果，進行空冷器設計選型，空冷器數(shù)量需滿足最大換熱負荷工況需求。各壓氣站最大換熱負荷工況下空冷器設置見表3。

中哈C 線空冷器區(qū)工藝氣空冷系統(tǒng)主要由電機驅(qū)動的風扇和冷卻器構(gòu)成，并設置旁通管路，當壓縮機出口溫度低于設定值或檢修時，天然氣由旁通管路越過空冷器，當壓縮機出口溫度高于設定值時，空冷器系統(tǒng)進口閥門打開，旁通管路閥門關(guān)閉，同時自動啟動空冷器電機，對天然氣進行冷卻降溫?？绽淦髅考苡? 臺電機驅(qū)動風扇，電機采用變頻電機，各電機單獨控制，可根據(jù)天然氣溫度選擇全開或開一臺電機的運行方式。為方便檢修維護，1 個空冷器構(gòu)架設為1 組，每組空冷器的進口匯管設置電動球閥。為方便空冷器檢修時放空，減少檢修氣體放空損耗，每組空冷器設置獨立的放空管路，并接至站內(nèi)放空系統(tǒng)。

50℃出站溫度的選取、旁通管路的設計、變頻電機的選取及每臺單獨控制啟停等措施的應用，都很好的起到節(jié)能的作用。

③站場自用氣管道節(jié)點的選取

根據(jù)規(guī)范SY/T 6567-2010 天然氣輸送管道系統(tǒng)經(jīng)濟運行規(guī)范的要求，壓氣站自用氣應采用進站供氣，減少節(jié)流損失[7]。C 線站場自用氣主要為燃料氣，一路燃料氣起源引自清管站，另一路引致站內(nèi)管道。引自清管站的燃料氣起源為進站管道，作為備用氣源。站內(nèi)燃料氣氣源為過濾分離以后的天然氣，確保了燃料氣的潔凈，也在壓縮機進口管道上，減少節(jié)流損失，符合SY/T 6567-2010 所規(guī)定節(jié)能的要求。

Table 3.Air cooler setting table for each compressor station表3.各壓氣站空冷器設置表

④ 與AB 線聯(lián)合運行工藝

C 線與AB 線設計8 條跨接線，管徑914 mm，跨接工藝的設計，不但提到了整個管廊帶三條管道運行的可靠性，提高安全運行系數(shù)，而且當管道較低數(shù)量工況運行時，三條管道聯(lián)合運行，將節(jié)約運行能耗，節(jié)省能源。

2) 選擇節(jié)能設備

①壓縮機的選取

由于中亞地區(qū)電力供應系統(tǒng)相對緊張，可靠性較差，因此從可靠性上考慮，確定全線所有壓氣站采用燃氣輪機驅(qū)動壓縮機組。機組備用是天然氣長輸管道上最普遍的一種備用方式，即在各壓氣站設置一套備用的燃壓機組及其相應的輔助設施，其主要優(yōu)點是壓氣站的運行可靠性最高。C 線全線壓氣站采用機組備用的方案，每座壓氣站設一臺備用機組。不僅保證在設計輸量下燃氣壓機組始終能在較高效率區(qū)域工作，中間輸量下供氣的可靠性。而且當站內(nèi)機組因維修停機或失效停機時，啟動備用機組，保證了輸氣可靠性。

在壓縮機的選擇上，選擇了ROLLS-ROYCE 的RB211-G62 DLE 壓縮機組和GE 的PGT25+DLE 壓縮機組，壓縮機效率在88%以上，燃機ISO 效率40%以上(ROLLS-ROYCE 為40.1%，GE 為41.1%)，壓縮機效率均處于國際領先水平，有利于節(jié)能降耗。

② 空冷器、旋風分離器和過濾分離器

在空冷器、旋風分離器和過濾分離器等具有壓力損失的設備選型上，在滿足工藝要求的前提下，盡可能選擇天然氣通過壓降小的設備，中哈C 線站場選用的空冷器在額定工況下正常操作的壓降不大于0.7 MPa、旋風分離器在額定工況下正常操作的壓降不大于0.05 MPa、過濾分離器在額定工況下正常操作的壓降不大于0.01 MPa。

③對于空壓機的選型，通過對站場儀表風用氣進行計算，并要求GE 廠家提供具有耐高溫性能的UCP1，并把UCP1 放置于儀表間，避免了AB 線需要增加儀表風對UCP1 進行冷卻的問題，大大節(jié)省了儀表風壓縮空氣的用量，使得站場壓縮空氣用量降到1000 m3/h以下，電機由初設的165 KW 變?yōu)?32 KW，電機采用變頻電機，有效的節(jié)約了站場電能消耗。

3) 減少管道摩擦阻力

輸氣管道采用內(nèi)涂層，可以使管道內(nèi)表面光滑、降低粗糙度、減小水力摩阻系數(shù)，從而達到提高管道輸氣量[8][9]；在相同輸氣量條件下，可以降低壓縮機需用功率，既能減少機組建設的投資費用，又能減少投運后壓縮機的能耗費用和維護費用[10]。

為節(jié)約能源，中哈C 線管道采取了內(nèi)涂層采用雙組份液態(tài)環(huán)氧樹脂。壓縮機組與管道組成的水力系統(tǒng)中，壓縮機組提供的壓力能等于管道所消耗的能量，而管道消耗的能量主要是管道沿程摩阻所消耗的能量，管道采用減阻內(nèi)涂層后，可減小管道內(nèi)壁粗糙度，從而減少因管道沿程摩阻消耗的能量。管道設內(nèi)涂層，輸送壓降小，提高管道的輸送能力，減少壓縮機組輸送功率，隨著管道長度的增加，壓氣站配置數(shù)量的遞增，管道設內(nèi)涂層，燃料氣消耗減少更明顯，從而進一步提高輸氣量[5]。

國內(nèi)某工程對采取內(nèi)涂層和不采用內(nèi)涂層進行了經(jīng)濟技術(shù)比選，比選結(jié)果如表4：

Table 4.Energy saving and economic comparison of inner coating表4.內(nèi)涂層節(jié)能經(jīng)濟比選

由表4 可知，采取上述節(jié)能措施需要增加工程建設投資31,557 萬元。但是每年可以節(jié)省天然氣消耗量約2885 × 104m3，同時每年可以節(jié)省運行費用約4933 萬元。以上充分證明了管道內(nèi)涂層具有顯著的節(jié)能作用。管道內(nèi)涂層不但具有減少氣阻，節(jié)約能源的作用，還具有防腐的功能，從而延長管道的使用年限。

4) 減少管道放空

輸氣工藝設計應減少天然氣放空[11][12]。中哈C 線采取措施及新工藝，以降低管道放空帶來的間接能耗損失。在壓氣站及清管站，凡檢修或事故停工時需要通過放空降壓或吹掃的設備都設置設放空閥；需不停輸檢修調(diào)試的設備和閥門，其放空管應末端設置隔斷閥。在系統(tǒng)截斷閥之間的管道或設備上設置放空閥；有效減少檢修時天然氣放空損耗。

清管站采取密閉清官工藝，在清管操作時，避免清管過程中天然氣的大量放空，減少清管過程中的天然氣放空損耗。

采取新的閥室節(jié)能工藝，節(jié)約了長輸管道在改線和停輸檢修事故時大量放空造成的經(jīng)濟損失，及放空過程中對環(huán)境的污染，閥室傳統(tǒng)工藝流程見圖1，長輸管道放空天然氣轉(zhuǎn)運節(jié)能技術(shù)典型工藝流程見圖2。通過在線路截斷閥旁通管線上設置移動壓縮機預留管線及操作閥門，并設置移動壓縮機組，通過多臺機組有效組合運行，實現(xiàn)天然氣從事故管段向相鄰上游或者下游的安全管段轉(zhuǎn)運。實現(xiàn)一般線路段常規(guī)檢修及事故檢修工況下天然氣有效回收，具有可觀的經(jīng)濟效益及環(huán)境效益，同時提升管道整體安全性。

以某計劃檢修管段為例，其干線管徑為1219 mm，管段長度為30 km，管內(nèi)天然氣起始壓力為7 MPa。采用4 臺750 kw 車載移動壓縮機進行作業(yè)。經(jīng)計算，本系統(tǒng)可在30 小時內(nèi)將管段壓力抽到0.6 MPa，節(jié)省天然氣約150 萬方。

在大中型河流2 側(cè)、清管站上下游及線路上按規(guī)范規(guī)定的長度設置線路截斷閥，以減少事故狀態(tài)下天然氣的放空。

5) 余熱利用

對壓縮機燃氣輪機余熱的利用主要為余熱發(fā)電和余熱鍋爐，其中余熱鍋爐應用較為成熟。中哈C 線在每個站場安裝了2 臺余熱鍋爐，對燃氣輪機余熱進行利用，當機組正常運行時，替代站內(nèi)燃氣鍋爐，為站內(nèi)提供生活用水及對站內(nèi)燃料氣進行加熱，節(jié)約燃氣約19.3 × 104Nm3/a。

Figure 1.Traditional technology process of valve station圖1.閥室傳統(tǒng)工藝流程圖

Figure 2.Typical energy saving technology of venting natural gas transportation in long distance pipeline圖2.長輸管道放空天然氣轉(zhuǎn)運節(jié)能技術(shù)典型工藝流程圖

5.結(jié)論

項目采取的節(jié)能技術(shù)措施和節(jié)能工藝不但滿足輸送工藝的要求，又有利于降低各耗能設備的能耗量，減少天然氣損耗，提高能源的利用效率。節(jié)能亮點主要體現(xiàn)以下幾個方面：

1) 該工程選定的壓縮機效率可達88%；燃驅(qū)壓氣站燃機ISO 效率可達40%以上，設備節(jié)能效率處于國際領先水平。

2) 設置余熱利用裝置，利用壓縮機組余熱，為燃料氣加熱及生活供熱等提供能源，減少電力、燃氣消耗。

3) 壓縮機組后空冷器采用50℃出站溫度，有效節(jié)約管道運行能源。

4) 采用減阻內(nèi)涂層技術(shù)，節(jié)省管道運行天然氣消耗量。

5) 優(yōu)化管徑方案，采用D1219，9.81 MPa，不但節(jié)約了管道自耗氣，還使得整個系統(tǒng)更為經(jīng)濟。

6) 采用新節(jié)能閥室工藝和密閉清管工藝，減少管道運行期間管道放空帶來的天然氣損失。

中哈C 線節(jié)能、降耗措施的應用，有力地推動天然氣管道節(jié)能工作的發(fā)展，對提高企業(yè)經(jīng)濟效益，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。