干线输气管道的工况分析与末段储气

1,第八章干线输气管的工况分析与末段储气,干线输气管是由压气站与站间管路组成的统一的水动力学系统。压气站的出口压力就是该站间管路的起点压力，该站间管路的终点压力就是下一个压气站的进口压力，两者的工况就是这样密切相关。为了简单起见，本章讨论的是以稳定流（也就是静态分析）为基础，以一条没有沿途分气的管道为例进行。讨论所得的结论对不稳定流（动态）也具有相似的意义。,2,第一节多个压气站与干线输气管的联合工作,干线输气管存在多个压气站，每个站都要消耗一部分气体，整条管线的输气量是逐段下降的，但就任一压气站而言，压气站的生产能力仍然等于随后一个站间的输气量。假设：输气管为水平管；输气量不随时间而变，为稳定流；各站特性不同；站间管路的D、L不同；各站燃气轮机用气量为来气量的某一固定百分比，即一定。,3,如图8-5的干线输气管，每站的自用气量可以认为与输气量成正比，即自用气量q=（1-M）Q。设首站与第一站间的输气量为Q，第二站与第二站间的输气量为MQ，第三站与第三站间的输气量为M2Q，x站与x站间的输气量为Mx-1Q，最后一个站与最后一段管路的输气量为Mn-1Q。,4,站1,站2,站3,图8-5干线输气管工况示意图,站n-1,站n,Q,5,根据公式（7-31）和（7-46）得各站的特性方程，综合如下首站第一站间第二站第二站间第三站第三站间x站x站间最后一站最后一段（末段）管路,（8-13）,6,由于干线输气管为统一的水动力学系统，上述特性方程就组成了（8-13）方程组。令yi=Bi+Cili，由方程组中的每一对方程中可解出各站的进口压力与首站进口压力的关系：任一站的进口压力与首站进口压力的关系通式为,(8-14),（8-15）,7,同理可得任一站出口压力与首站进口压力的关系通式对于最后一段输气管（x=n+1），由式（8-15）可得末段的终点压力,(8-16),相当于PZn+1,8,所以干线输气管系统的起始流量为,（8-17）,9,如果压缩机站是同一类型的，站间管路的长度和管径也相同（末段例外），即A1=A2=An=AB1=B2=Bn=BC1=C2=Cn-1=Cl1=l2=ln-1=ly1=y2=yn-1=y所以,yn-1=yyn且yyn,10,11,式（8-17）改写为如果不考虑各站的自用气量，M=1，则,（8-18）,（8-19）,12,若从首站的排出管汇开始计算，那么式（8-13）中减去第一个方程，则式（8-17）、（8-18）和（8-19）相应为,（8-20）,13,（8-21）,（8-22）,和,14,式（8-20）、（8-21）和（8-22）适用于首站没有压缩机车间的情况。从式（8-17）至式（8-22）可以得出，干线输气管系统的输气量Q首先取决于输气首站的压力pZ1或pQ1，由于A1，首站进、出口压力pZ1或pQ1稍有下降，对整条管道系统的输气量都会有较明显的影响。相反，输气管的终点压力pZ，即使在较大范围内变化，对整个系统输气量的影响也不大。站数愈多，pZ1、pQ1的影响愈大，pZ的影响愈小。,15,式（8-15）、（8-16）可用于确定任意一站进出口压力。若全线各站类型一致，站间管路相同，该二式可简化为,（8-23）,（8-24）,16,若M=1，则由上述公式可知，即使站间管路一样，各压气站类型相同，各站的吸入压力pZX和排出压力pQX也不相同。其根本原因除存在自用气外，关键在于末段管路和末段的终点压力与其它站间也不同。,（8-25）,（8-26）,17,前述任意站进口压力的平方值pZX2和出口压力的平方值pQX2的有关公式，如式（8-15）、（8-16）、（8-23）、（8-24）、（8-25）、（8-26）都是以首站进口压力pZ1为基准推导而得。若以末段的终点压力pZ为基准，则pZX2和pQX2的公式如下,（8-27）,（8-28）,18,如果全线站间管路相同，各站类型一致，则,（8-29）,（8-30）,19,若略去自用气，M=1，则,（8-31）,（8-32）,20,第六节末段储气(extremitygasstorage),干线输气管末段的起点就是最后一个压气站的出口，终点就是城市配气站(distributionstation)的进口，终点压力就是城市配气站进站压力。终点流量就是配气站向城市的供气量。末段终点压力的变化，实际上只对最后一个压气站的进、出站压力产生影响，对输气管的系统流量并没有什么影响。可认为最后一个压气站是以不变的流量向末段供气。即末段起点的流量是不变的。,21,表9-4某输气管末段夜间的实际操作数据,22,从表中数据可以看出：末段终点流量增大时，末段起、终点压力都要减小，相反，终点流量减小时，末段起、终点压力都要增大。这说明城市气体消耗少时，向城市的供气量小于干线的流量（也就是末段起点的流量），多余的气体积存在末段管路中，使末段的压力上升；城市气体消耗多时，向城市的供气量大于干线的流量，不够的气体由末段中积存的气体来弥补，使末段压力下降。,23,末段各处的压力和流量随着城市耗气的多少而时刻变化着，这个变化是受着一定限制的，即末段起点的最高压力等于或小于最后一个压气站的出口压力p1max，末段终点的最低压力p2min应不低于配气站所要求的供气压力。末段的压力变化范围决定了末段的储气能力。,24,输气管末段的气体处于不稳定流动状态，为简化起见，下面的讨论与计算是以稳定流动状态为基础的，以连续替换法作近似计算，计算结果其储气能力比实际小1015%。还应指出：除末段外，其它管段只要存在压力变化也就有储气能力，但没有末段那样明显而已。,25,一、输气管末段储气能力计算城市用气量是随时间而变化的，而气源供气一般变化不大。这样就必须解决用气与供气的不平衡问题。末段储气可以作为解决日不平衡的措施之一。所需储气容积的计算参见下图。,26,27,图中a、b两点的用气量等于干线的供气量，也就是干线末端起点的流量，从b点开始，供气量多于用气量，多余的气体积存于末段，末段的压力也开始上升，故b点开始储气时，末端起点和终点压力都为最低值，即p1min和p2min，平均压力为,（9-3）,28,从a点开始，储气结束，用气量开始多于供气量，逐步从末段中取出气体以弥补不足，故在a点，末段起点和终点压力都为最高值，即p1max和p2max，随后，伴随着从末段中取出气体以弥补不足，压力逐渐降低。故a点，末段的平均压力为,（9-4）,29,对于a、b两点，用气量等于供气量，近似认为是稳定流动，可得末段起、终点压力平方差：由表4-1，采用我国法定单位，C0=0.03848,（9-5）,（9-6）,30,储气开始时，终点的最低压力p2min应不低于配气站要求的最低供气压力，故p2min为已知，此时储气结束时，起点最高压力应不超过最后一个压气站的最大出口压力或管路的强度，故p1max为已知，则,（9-7）,（9-8）,31,a-储气结束时的压力曲线；b-储气开始时的压力曲线,32,根据输气管末段储气开始和结束时的平均压力ppjmin和ppjmax，可求得储气开始和结束时末端管道中的存气量为末段输气管的储气能力为,(9-10),(9-9),(9-11),33,式中Vmin储气开始时末段管道中的存气量，m3；Vmax储气结束时末段管道中的存气量，m3；V末段管道的几何体积，m3；Z1、Z2相应为储气开始和结束时平均压力与平均温度下的压缩因子，可近似认为Z1=Z2=Z；T1、T2相应为储气开始和结束时末段的平均温度，可近似认为T1=T2=T，K；p0工程标准状况下的压力，p=101325Pa；Z0p0、T0下的压缩因子，Z0=1；T0工程标准状况下的温度，T0=293K。,34,二、末段储气的最优长度,将式（9-3）、（9-4）、（9-7）和式（9-8）代入式（9-11），最后得保证末段最大储气能力时的最优末端长度可由下述条件得出：,(9-12),(9-13),35,即故最优末段长度将式（9-6）代入得,(9-15),(9-14),36,将式（9-14）代入式（9-12）得末段的最大储气能力为,(9-16),(9-17),37,根据式（9-5）和（9-14）可以证明，在最优末段长度的条件下：同理亦得,（9-18）,38,上式说明，在最优末段长度的条件下，末段终点的最高压力等于起点的最低压力。如果设末段的最大长度为,39,则末段的最优长度为上述最大长度的二分之一，即lZ,b=0.5lZmax。此时可由图9-20中看出末段长度变化时，储气能力的变化。当lZ=0.5lZmax时，末段的储气能力最大；lZ减小时，管段的几何体积变小，储气能力下降；lZ增大时，在一定的流量Q下，p2max要减小，势必使ppjmax与ppjmin的差值减小，储气能力也降低。,40,41,从上面的讨论，特别从式（9-15）和（9-16）可知：在末段的起点最大压力p1max，终点的最低压力p2min和干线流量Q一定的条件下，末段的最优长度lZ,b和最大储气能力VSmax主要决定于末段的管径D；换言之，在该条件下，某一管径D就对应某一最优末段长度lZ,b和最大的储气能力VSmax。,42,设计一条新的输气管，如末段做为储气的手段之一，则计算必须从末段开始，首先决定它的长度和管径。当要求末段具有一定的储气能力VS，且p1max，p2min和Q已知时，根据公式（9-15）和（9-16）很容易计算出末段的管径D和长度lZ值。从储气角度来看是最优的，但它并不一定符合整个输气管的最优方案，或者受管材的限制不能采用，所以实际工作中，往往在满足储气和工作压力的条件下，计算新的末段长度的管径。,三、计算末段长度和管径的方法,43,其计算方法一般有两种：第一种方法：预先选定末段长度lZ和管径D，校核储气能力VS，如果储气能力不能满足储气量的要求，则另行选择，直至所选的长度与管径满足要求为止。,44,第二种方法：在预定末段长度lZ和管径D的条件下，根据所需的储气量校核起、终点压力是否在允许值的范围之内。在用第二种方法校核时，采用前面介绍的公式并不方便，必须将这些公式改写，根据式（9-5），流量公式可改写为,(9-19),45,平均压力可写为式（9-20）除以式（9-19）得,(9-20),46,以lZ代替l，分子分母同时除以P22，并将压力比代入，则上式说明在一定流量条件下，平均压力ppj与压力比之间存在一定的关系，故,(9-21),(9-23),(9-22),47,储气能力公式（9-11）可改写为该式说明了储气能力与流量之间存在一定关系，它就是确定末段长度和管径的第二种方法的基础公式。为了计算方便，还根据公式（9-21）作出了与，即与的关系图表，如表9-5和图9-21。,(9-24),48,第二种方法的公式与第一种方法是建立在同一个理论基础上，其计算步骤如下：（1）预定末段长度lZ和管径D；（2）根据公式（9-7）和式（9-3）计算储气开始时的起点压力p1min和平均压力ppjmin（p2min为已知）；,49,（3）根据式（9-9）求储气开始时末段内的存气量Vmin；（4）求储气终了时的末段存气量Vmax，它为Vmin与要求储气量之和（5）根据式（9-10）求储气终了时末段的平均压力ppjmax；,50,（6）由式（9-21）求值，并由表9-5或图8-7查得压力比值；（7）计算终点和起点的最大压力p2max和p1max(8)校核p1max是否在最后一个压气站的最高出口压力和管道强度的允许值之内。若不符合要求，则重新选定lZ和D计算。,(8-67),(8-68),51,例题8-1某管道依靠地层压力输气，中间没有压缩机站，管径6307mm，全长150Km，起点最高工作压力p1max=2.5MPa，终点最高压力p2max=1.4MPa，终点最低压力p2min=0.7MPa，试求该管道内最多能储气多少？解：1.起点最低压力p1min根据式（9-5）得,52,2.平均压力3.管道几何体积,53,4.管道最大储气量近似取p0=0.1MPa，T=T0，Z=Z0=1,54,例题8-2某设计任务规定性某城市每昼夜输送天然气5106m3，要求最大储气量为2106m3，为日输气量的40%，原设计方案采用了大量储气罐，其压缩机站布置和计算成果间图8-8。现在要求不用储气罐，而改用末段储气，试求输气管末段长度、末段管径、末段起点的最低压力p1min和起、终点的最高压力p1max、p2max。已知：天然气的相对密度，输气温度T=288K，压缩因子Z=0.93，输气管总长785Km，到城市前的最低压力p2min=1MPa，,55,末段起点最高压力不得超过压缩机出口的最高压力5.5MPa。管道摩阻系数，原设计方案的压气站出口压力为5.1MPa，管径为。解：由于原方案不能满足储气要求，必须另行确定末段的长度与管径。1.求满足储气要求的末段最优管径和最优长度由式（8-59）得,56,由式（8-58）得