输气场站高流速工况分析与管控措施研究

白鑫，万小芸，张科

陕西省天然气股份有限公司（陕西 西安 710016）

随着国内天然气工业蓬勃发展，城市燃气产业规模扩大迅速，居民及各类工业用户用气量逐年攀升，长输天然气干线分输场站向城市燃气门站的输配气量逐渐趋近于场站设计分输能力[1]。在我国北方地区采暖季天然气输配运行存在峰谷比大、瞬时流量高的特点，部分地区输气峰谷比可达5.8∶1[2-3]。高峰时段瞬时输气量甚至超过场站设计分输能力，增大了输气生产运行的不可控性，安全运行风险大幅增加，因此高峰时段天然气分输场站气体流速成为一个重要安全运行监控指标[4-5]。国家标准GB/T 35068—2018《油气管道运行规范》规定：天然气分输场站进站管线至分离器上游阀门间的工艺管气体流速不宜超过15 m/s，不应超过20 m/s；经调压之后压力低于2.5 MPa，出站处流速不应超过25m/s[6]。文章以国家标准中有关气体流速的规定要求入手，结合输气场站实际运行特点与管内气体流动分析，总结得出了气体流速的计算公式，对高流速运行工况的危害与形成机理进行了分析，并提出了解决思路与已采取的一些管控措施，对于有效监控天然气输配过程中的气体流速，确保场站生产运行安全平稳有着重要意义。

1 流速计算公式的推导

工艺管线内的天然气流速可通过气体状态方程、质量守恒定律和管内流体连续性方程整合得出。根据质量守恒定律，通过微元体控制面Ⅰ与控制面Ⅱ（图1）的质量相等[7]。

图1 管内流动微元体示意图

式中：M为气体质量，kg；x为管道轴向距离，m；τ为流体流动时间，s；ρ为流体密度，kg/m3；u为管道内气体流速，m/s；F为管道截面积，m2。

在时间dτ内，流入微元体的气体质量M增加量可表示为：

在输气管道中，管道横截面积F保持不变，若假设气体密度不随流动改变，则可得出流动过程中气体流速维持不变。

根据理想气体状态方程与管道流量积分方程[8-9]

式中：P为操作条件下的气体绝对压力，MPa；V为气体体积，m3；n为气体的物质的量，mol；Z为气体压缩系数；R为摩尔气体常数，8.31 J/(mol·K)；T为操作条件下的气体的绝对温度，K；r管道内径半径，m；Q为工况下的气体流量，m3/d。

代入标准状态参数，可得到流速计算公式：

式中：qv为标况下的气体流量，m3/d；D为管道内径，m。

该计算公式目前已在陕西省天然气部分关键场站站控系统进行了运用，经与超声波流量计的流速测量数据参照对比误差较小。天然气流速的定量计算对于场站安全生产监管、输配气量调整以及长输管网调度管理、输气生产计划量下达均有着重要的指导意义。

2 高流速运行危害

在输气量较大、管内气体流速高的情况下，站内部分工艺管线单位管段内的进气量、外输气量以及瞬时管存量呈紧平衡状态。根据实际生产运行经验，分输场站天然气流速过高对场站设备设施危害严重，具体体现在以下几个主要方面：

1）产生严重噪声。高流速运行工况会产生持续性低频率、高分贝噪声，长期以往将会严重危害场站工作人员听力，同时对周围居民正常生活造成较大干扰，违反职业健康相关要求[10-13]，形成噪声污染。

2）设备异常振动。高流速运行工况会导致输气管线出现异常振动，严重影响设备设施的安全运行寿命与仪器仪表的监测精度，同时大幅增加场站设备泄漏的风险[14]。

3）加剧设备冲刷。高流速气体会加剧对如弯头、截止阀、调压阀、流量调节阀等管件的冲刷，长期运行会造成管壁减薄和阀门密封失效，影响正常输气生产[15]。

4）加剧管道内腐蚀。气体流速过高，在特定工况下可能会形成冲击流，管道内壁的腐蚀产物持续不断的被高速气流带走，新的金属面不断裸露，从而造成腐蚀加速，在气体中含水、含硫，或者管道安装存在应力情况下，高流速冲击很大程度上会增大管道腐蚀开裂风险[16]。

在冬季高峰期间，受限于国内天然气供需紧张的整体形势，陕西省内长输天然气管网运行压力整体较低，针对一些体量较大或者处于管网末端的用户输气生产过程中出现高流速运行的风险普遍较大（图2）。

图2 冬季高峰期间宝鸡市、西安市配气流速、噪声变化曲线

结合近年来冬季高峰运行情况，陕西省天然气下辖的西安分输站、宝鸡分输站在干线运行压力较低且用气高峰时段的瞬时流量较大情况下，易导致分输场站工艺区高流速运行，部分高峰时段存在瞬时超流速运行的情况（图2），两站最高噪声接近90 dB，严重影响场站员工及周边群众的正常工作生活，调压支路工艺管道振动严重，多次因管线异常振动导致阀门操作手轮松动的情况，此外，长期振动还会增大工艺管线取压管丝扣、针型阀等设备发生意外泄漏的风险。

3 危害的形成机理原因分析

高流速引起的如振动、噪声等各类问题与天然气在管道内的流动状态转变密切相关。低流速下输气管道中气体流型较为稳定（图3(a)），但随着流速的增大，流体流线开始发生变化（图3(b)），管内气体出现由紊流水力光滑区向混合摩擦区以及阻力平方区的过渡，惯性力对流场的影响开始大于黏滞力，流体流动趋于紊乱，流场中形成较多不规则小型涡流（图3(c)）。管道内部流体质点互相混合、碰撞最终在流场中形成体量较大的漩涡体（图3(d)），漩涡体在其侧压差作用下出现跨流层移动现象。随着气体的高速流动，管道内部流场形成了具有脉动性的紊流，这种现象加剧了流场内流体质点掺混从而形成流体内部的切向应力，该应力被称为紊流附加应力[17-20]。脉动性的紊流附加应力冲击管壁从而引起管道的出现一定频率的机械振动。此外，当气体流经阀门、法兰、弯头、三通、焊缝、管道接口垫环、仪器仪表接口的瞬间，高速流动的气体加剧了对管壁的冲刷及噪音，在管壁附近形成的涡流，则很大程度上加剧了管道地振动。

图3 管内气体流动状态变化示意图

4 场站高流速工况控制措施及消除方法

高流速运行工况所引起各类危害控制与消除措施，本质上是消除或尽可能降低管内气体流型过度转变的过程，从噪声、振动等危害的形成机理入手，结合实际场站运行管理经验，提出以下4个方面的管控措施：

1）提升管道运行压力、增大管线管径，提高管道储输能力，降低外输量变化对管道瞬时管存量的影响，稳定输配气运行工艺。

2）优化场站设计，提高站内施工质量，尽量减少弯头、垫环、变径等管件设置；严格把关工艺管线焊缝，消除焊口错边、焊缝过溢的情况；在重要仪器仪表，如计量、监控设备等位置严格执行国家标准安装整流装置，确保各类监控参数采集正常。

3）针对调压后压力小于2.5 MPa 的管线进行技术改造，在输气管线内部增设扼制流型过度转变的整流套管，对管输气体实现再次整流、分流，维持管道内气体流动形态稳定，减少气流异常扰动，消除管道内的紊流附加应力，确保气体流态稳定。

4）协调下游用户建立长效沟通机制，优化供用气方案，通过错峰供气、利用城网储气设施调峰等手段，减小峰谷差，避免局部时段的高流量运行，合理优化运行工艺。

5 应用实例分析

针对用气量较大且处于管网末端的用户（以宝鸡市为例），通过优化运行工艺，在提升管网末端运行压力的前提下，根据对工艺区各处流速测算结果，协同当地城市燃气管网门站合理分配气量供应，有效利用管网互联互通程度高、分输站点分布覆盖率广等特点向宝鸡市用户进行多点供气，实现供气量的科学分流，消除了场站超流速运行隐患。未采取优化调整前（2020年11月29日）在用气晚高峰时段随着瞬时量的增加，宝鸡站进站管线天然气流速达26.3 m/s，噪声强度超过70 dB；采用该措施调整后（2020年12月10日）流速与噪声均出现明显降低，日运行最高流速降至15 m/s，噪声强度降至56 dB，有效减少了设备冲刷损耗，改善了场站员工日常工作环境（图4）。

图4 宝鸡站进站管线流速、噪声对比曲线

针对一些体量较大、无法实现多点供气分流、利用管网工艺调整难以降低流速的用户，通过分析高流速输气引起异常噪声、振动的产生机理入手，开展技术改造，在供气支路内部安装套管结合外部隔音材料覆盖，利用套管壁上的筛状整流板（图5）有效消除紊流脉冲性涡流，减轻紊流附加应力对管壁的冲击。通过该技术改造，试点场站在瞬时输气量最高达到1 091×104m3/d工况下，成功将出站管线噪声与振动异常降至安全可控范围内。2020 年冬季，在西安站同分输量对比工况下，该技术改造应用前（2020 年12 月19 日）日最高流速20.62 m/s 对应的噪声强度高达85 dB，经技术改造后（2021 年1月23 日）同流速下的噪声强度降至68 dB，各参比流速监控节点的噪声强度均明显降低（表1）。

图5 供气支路内筛状整流套管

表1 西安站出站管线同流速下噪声强度对比

6 结论与建议

本文通过对天然气分输场站气体流速的分析研究，得出了天然气流速的测算公式，确定了天然气流速与气体密度、运行压力及瞬时流量的函数关系，结合生产运行实际，指出高流速引起的各类危害主要与流速增大过程中管道内气体流动状态的转变密切相关，并从控制管内气体流动状态的思路入手提出了高流速危害的消除及管控措施，同时以目前省域天然气管网安全运行管理的角度提出以下几点建议：

1）针对新建场站，在设计阶段应充分考虑周边用户近、远期用气规模，合理确定输配气工艺管线及设备的设计与选型，同时通过工艺管线增加内涂层、设置整流设备等辅助手段，稳定输配气气流的流动状态，消除运行风险。

2）按照国家发改委、国家能源局《关于加快储气设施建设和完善储气调峰辅助服务市场机制的意见》（发改能源规〔2018〕637 号）有关要求，完善城市燃气管网储气调峰设施的建设，优化运行机制，降低输气场站峰谷差，稳定生产运行工况。

3）对场站站控系统组态进行扩容升级，增设流速监控计算模块，整合场站工艺区实时流速并上传至管网调控指挥中心SCADA系统，通过流速参数监控变化的阈值定义，建立报警联动机制，实现针对输配气流速的有效监管。