天然气增压输送管道节能技术研究

王明军 杜晓春

（1.中国石化华北分公司油气田建设处，河南 郑州 450006；2.中国石油西南油气田公司输气管理处，四川 成都 610213）

0 引言

管道输送是天然气的主要运输方式，天然气管道已经形成国际性、全国性或地区性网络，构成了规模庞大的供气系统。大型天然气管道输送系统的能耗和损耗很大，可以用简单输气效率来衡量输气管道的经济性，它是交付与接收的天然气能量之比，世界先进水平的简单输气效率在99%以上。我国天然气管道输送技术相对落后，随着国民经济的持续发展及对能源的需求不断提高，发展天然气管道节能技术有很深远的经济意义。

1 输气工艺参数和能耗指标的关系

根据输气管道的常用公式，压气站输气所需功率表示为［1］：

式中，N为压气站输气所需功率，kW；ηl为压气站驱动耗能相对换算效率；λd为设计的水力摩阻系数；G为天然气的质量流量，kg／s；z为压气站天然气的平均压缩系数；R为气体常数，8 314.3／气体摩尔质量，m2／（s2·K）；T为压气站天然气平均温度，K；μ为天然气的质量速度，kg／（m2·s）；P为两压气站间天然气的平均压力，MPa；D为管道内径，mm；l为管线的长度，km；E为管段直线部分的水力效率。

式中，λr为管道中的实际摩阻系数；Q∅为管道实际输量，m3／d；Qd为管道设计输量，m3／d。

压气站功率与输气干线主要工艺指标间的关系表示为：

式中，Q为天然气体积流量，104m3／a；P1为管线起点压力，MPa。

2 天然气节能降耗的主要途径

2.1 提高天然气输送压力

式（2）表明，减小输气管道的输量（D和l保持不变），输气功率和起点压力都要下降，并且起点压力比输气功率下降的幅度更大，这样压气站的整个输气能耗也会升高。从物性方面考虑，提高管道压力使管道中的天然气密度增大，管道中天然气的实际流速将减小，线路摩擦消耗的能量也就减少了，因此提高管道的工作压力将是节能的一个主要途径。以直径为1 020 mm的管道为例［1］83，如果将工作压力从5.5 MPa提高到10 MPa，单位投资将降低38%。

2.2 降低天然气输送温度

由于压气站所需功率与温度的平方成正比，降低输送温度就会使能耗迅速降低。但不能盲目降低管道内天然气的温度，因为温度过低会在管道中产生水合物以致于堵塞管道，影响天然气管道的正常、安全运行。

2.3 提高管道的水力效率

管道的水力状况对压气站的能耗影响很大。如果保持输量不变，随着水力效率的下降，能耗将明显升高。在现实条件下，当压气站功率有限时，降低管道水力效率会造成输量下降。由式（3）可知，提高管道的实际输送量使其满负荷运转是提高管道水力效率的有效方法，这就需要在管道建设前做好市场需求分析，抓好天然气市场的开拓，使管道的建设规划符合实际需求。此外，通过降低管道摩阻系数也能有效提高管道水力效率。

2.4 提高压气站效率

1）优化压缩机组运行状态。为了保证输气机组用最低的消耗完成所给定的输气任务，可通过对运行机组负荷的最优化分配和机组配合方案的最优化来实现。例如对串连或并联机组的负荷进行分配，使技术性能好的机组多承担一些任务。由于输气管线的供气不均衡性使压气站负荷也不均衡，可以发展压气站输气设备自动控制系统实现对压缩机组和管道的监控，从而自动调节压缩机状态使其达到最优运行。

2）提高压缩机组效率。压气站的原动机主要有燃气轮机、电动机和柴油机。燃气轮机和柴油机的热效率在30%左右，而电动机的效率可达到90%以上，且受工况变化影响较小。因此在电力供应充足且电价低的地区应优先考虑以电动机为原动机，可大大提高机组效率。

3）合理利用燃气机组废气余热。许多压气站地处偏远地区，远离电网，燃气轮机安装功率占压气站原动机总功率的70%以上。燃气轮机的主要缺点是效率低，可以设置余热回收装置将压缩机组余热回收用于压气站居住区及临近地区的供暖以及热水供应，或者借助再生器再生利用热能，这样可以使燃气机组效率提高到50%以上。

2.5 减小压气站的天然气损失量

据统计，俄罗斯输气管道天然气损失的主要形式及所占比例［1］96如表1所示。压气站连接管线和干线管道连接的不密闭造成了大量的天然气损失，因此应当加强高压下管道连接方法的研究。另外，除尘器吹扫损失的气量也很大，损失气量与吹扫汇管口径、吹扫持续时间、除尘器内部压力及除尘器输量有关。利用吹扫气比较简单的方案是，将吹扫气引入分离器，分离出水分和机械杂质，净化后的天然气进入储罐，回收利用的天然气可以作为压气站本身工艺用气或提供用户用气。

表1 俄罗斯输气管道主要天然气损失形式表

输气机组的起动、停车时有大量的天然气放空。为减少输气机组起停时的天然气损失，可以用引射器吸取放空管的天然气，进入引射器后的天然气可以通向燃料气管汇或起动气管汇。

3 结论

1）能源紧缺已经成为制约我国经济发展的瓶颈，为适应我国天然气工业的发展，发展输气管道节能技术具有重大意义。

2）管道输送节能技术的主要方向：大力开发高压输气管道密闭连接技术；研究新型管材，提高管道强度，提高输送压力；采用管道内涂层技术，使用智能清管设备，降低管道摩阻损失。

［1］李长俊.天然气管道输送［M］.北京：石油工业出版社，2000.