天然气长输管道瞬态工况设计计算书

天然气长输管道瞬态工况设计计算书（含停输再启动分析）工程名称：××天然气长输管道工程设计阶段：初步设计文件编号：GS-SS-2026-001设计类型：瞬态工况及停输再启动计算编制单位：××管道工程设计研究院有限公司编制日期：2026年10月编制审核批准

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1工程背景本计算书针对××天然气长输管道工程开展瞬态工况设计计算及停输再启动专项分析。该管道为干线输气管道，起于首站压气站，终于末站城市门站，设计输送规模为年输量120×10⁸m³，设计压力10.0MPa，管道全长约200km，采用Φ1016×14.6mm直缝埋弧焊钢管。天然气长输管道在实际运行过程中，常因检修、事故、调峰等原因需要进行停输操作，停输后再启动过程涉及复杂的瞬态水力热力耦合问题。停输期间管内气体由于散热导致温度降低、压力变化，再启动时需克服较大的启动压差，若启动方案不当可能造成水击超压、压缩机喘振或管道振动等安全风险。因此，开展瞬态工况分析及停输再启动计算，对保障管道安全经济运行具有重要工程意义。1.2设计依据本计算书编制主要依据以下标准规范及设计文件：表1.2-1主要设计依据标准一览表序号标准/文件名称标准编号1输气管道工程设计规范GB50251-20152天然气管道运行规范SY/T5922-20243石油天然气工程制图标准SY/T0003-20124油气输送管道穿越工程设计规范GB50423-20135天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法GB/T11062-20206输气管道工程设计规范附录A水力摩阻系数手算公式GB50251-20151.3设计范围与内容本计算书的设计范围覆盖首站至末站全线约200km管段，主要计算内容包括：（1）稳态水力计算：基于GB50251-2015规范公式，计算设计工况下管道沿线压力、温度分布及输送能力；（2）瞬态工况分析：建立一维非定常流动数学模型，采用特征线法求解，分析流量波动、压力变化等瞬态过程；（3）停输工况分析：模拟不同停输时长下管内气体温降、压降规律，确定安全停输时间；（4）再启动工况分析：计算启动所需最小压力、启动流量恢复曲线，提出最优启动方案；（5）安全核验：进行管道强度校核、水击压力分析及越站工况验算，评估安全余量。2基础设计参数2.1管道基本参数管道采用直缝埋弧焊钢管（L485M），管材屈服强度485MPa，设计系数0.72。主要几何参数如下表所示。表2.1-1管道主要几何参数表参数名称符号数值单位备注管道外径D1016mm—管壁厚度δ14.6mm—管道内径d986.8mmd=D-2δ管道总长L200.0km首站至末站管材等级—L485M—API5L屈服强度σs485MPa最小屈服强度设计压力P设计10.0MPa表压管道敷设方式—埋地—埋深1.2m内壁绝对粗糙度K0.045mm新管取低值2.2天然气物性参数输送介质为净化天然气，其典型组分及物性参数如下表所示。天然气摩尔质量取17.8g/mol，相对密度0.62，绝热指数1.30。表2.2-1天然气组分及物性参数表组分摩尔分数yi（%）摩尔质量Mi（g/mol）临界温度Tc,i（K）临界压力Pc,i（MPa）甲烷CH₄94.2016.043190.64.599乙烷C₂H₆2.8530.070305.34.872丙烷C₃H₈0.5544.097369.84.248异丁烷i-C₄0.0858.123408.13.648正丁烷n-C₄0.0758.123425.23.796氮气N₂1.2528.013126.23.398二氧化碳CO₂1.0044.010304.27.382合计/加权值100.0017.80——根据Kay混合规则，天然气拟临界温度和拟临界压力计算如下：TP2.3计算工况设定本计算书设定以下典型工况进行分析：表2.3-1计算工况设定表工况编号工况名称首站出口压力（MPa）末站进站压力（MPa）设计流量（10⁸m³/a）工况1额定工况10.04.0120工况2最大输量工况10.03.5140工况3最小输量工况8.03.060工况4停输24h再启动——0→恢复工况5停输48h再启动——0→恢复工况6停输72h再启动——0→恢复3稳态水力计算3.1基本水力计算公式根据GB50251-2015《输气管道工程设计规范》第3.3.2条，当输气管道纵断面相对高差Δh≤200m且不考虑高差影响时，输气管道水力计算采用如下基本公式：q式中：qv——气体流量（P₀=0.101325MPa，T=293K），m³/d；E——输气管道效率系数，取0.92（d>800mm）；d——管道内径，m；P₁、P₂——计算段起点、终点压力（绝压），MPa；λ——水力摩阻系数；Z——天然气压缩因子；T——天然气平均温度，K；L——计算段长度，km；Δ——天然气相对密度。3.2水力摩阻系数计算根据GB50251-2015第3.3.2条第3款，水力摩阻系数宜采用Colebrook公式计算：1式中：K——钢管内壁绝对粗糙度，m，取0.045mm=4.5×10⁻⁵m；d——管道内径，m，取0.9868m；Re——雷诺数，无量纲。雷诺数计算公式为：Re=式中：v——气体平均流速，m/s；ρ——气体密度，kg/m³；μ——气体动力粘度，Pa·s。经迭代计算，额定工况下管道雷诺数Re约为4.2×10⁷，处于完全湍流区。根据Colebrook公式迭代求解，水力摩阻系数λ=0.0128。3.3压缩因子计算天然气压缩因子采用Dranchuk-Purvis-Robinson（DPR）方法计算。对比温度和对比压力分别为：TP根据DPR状态方程，迭代求解得额定工况下天然气压缩因子Z=0.865。3.4稳态工况计算结果基于上述公式和参数，对三种典型稳态工况进行水力计算，结果如下表所示。表3.4-1稳态水力计算结果汇总表工况流量（10⁴m³/d）起点压力（绝压MPa）终点压力（绝压MPa）平均流速（m/s）压缩因子Z额定工况328811.0135.0138.20.865最大输量383611.0134.5139.50.858最小输量16449.0134.0134.10.879计算结果表明：额定工况下管道全线压降约6.0MPa，平均流速8.2m/s，处于经济流速范围（5~10m/s）内。最大输量工况下终点压力仍可满足下游分输压力要求（≥3.5MPa绝压）。4瞬态工况分析基本理论4.1瞬态流动控制方程天然气长输管道瞬态流动为一维非定常可压缩流体流动，其控制方程组由连续性方程、动量方程和能量方程组成。4.1.1连续性方程一维可压缩流动的连续性方程表达为：∂ρ式中：ρ——气体密度，kg/m³；v——气体流速，m/s；x——沿管道轴向距离，m；t——时间，s。4.1.2动量方程考虑摩阻和重力影响的动量方程为：∂(ρv)式中：p——气体压力，Pa；λ——摩阻系数；d——管道内径，m；g——重力加速度，9.81m/s²；θ——管道倾角。4.1.3能量方程考虑与环境热交换的能量方程为：∂式中：cv——定容比热，J/(kg·K)；cp——定压比热，J/(kg·K)；Kh——总传热系数，W/(m²·K)；Tg——环境温度，K。4.2数学模型与求解方法上述偏微分方程组采用特征线法（MethodofCharacteristics,MOC）进行求解。特征线法将双曲型偏微分方程转化为沿特征线的常微分方程组，具有精度高、稳定性好的优点。管道瞬态流动存在两组特征线：CC式中：a——声波在天然气中的传播速度，m/s。对于天然气管道，a约为380~420m/s。4.3边界条件设定瞬态计算的边界条件设置如下：（1）首站出口边界：压力控制或流量控制模式，根据运行方案设定；（2）末站进站边界：压力控制，设定下游分输压力要求；（3）初始条件：以稳态计算结果作为瞬态计算的初始场；（4）时间步长：根据CFL条件确定，取Δt=1.0s；（5）空间步长：将管道离散为200个计算节点，Δx=1000m。5停输工况分析5.1停输过程温降计算管道停输后，管内气体停止流动，由于管壁与周围土壤之间存在温差，气体通过管壁向土壤散热，温度逐渐降低。埋地管道停输温降计算采用如下模型：T(t)-T式中：T(t)——停输t时刻气体温度，K；T₀——土壤恒温层温度，K，取283.15K（10℃）；Ti——停输初始气体温度，K；Kh——总传热系数，W/(m²·K)，埋地管道取1.2W/(m²·K)。简化整理得：T(t)=T5.2停输过程压降规律停输后，由于气体温度降低，在管道密闭条件下，气体压力随温度降低而下降。根据理想气体状态方程（考虑压缩因子修正）：P停输过程中，管道内气体质量不变，体积不变，因此：P式中：下标1表示停输初始时刻，下标2表示停输t时刻。5.3停输时间与压力分布关系基于上述温降和压降模型，对24h、48h、72h三种停输工况进行计算，结果如下表所示。表5.3-1不同停输时长工况参数变化表停输时长（h）气体温度（℃）压力（绝压MPa）密度（kg/m³）压缩因子Z温降幅度（℃）0（初始）15.08.065.20.86501213.27.8564.80.8681.82411.87.7264.50.8713.23610.77.6264.20.8744.3489.97.5464.00.8765.1609.37.4863.80.8785.7728.87.4363.60.8806.2计算结果表明：停输72h后，管内气体温度由15℃降至8.8℃，降幅6.2℃；压力由8.0MPa降至7.43MPa，压降0.57MPa。温降和压降速率均随时间逐渐减缓，呈现指数衰减规律。5.4不同停输时长工况对比对停输24h、48h、72h三种典型工况进行对比分析，结果如下表所示。表5.4-1不同停输时长工况对比表对比项目停输24h停输48h停输72h终点压力（绝压MPa）7.727.547.43压力降幅（MPa）0.280.460.57气体温度（℃）11.89.98.8温降幅度（℃）3.25.16.2安全评价安全安全需关注建议可直接启动缓慢升压启动需分段启动6再启动工况分析6.1再启动水力模型停输后再启动过程为典型的瞬态流动过程。再启动初期，管道内气体处于静止状态，首站开始增压后，压力波以声速沿管道向下游传播，推动管内气体加速流动。再启动水力模型基于一维非定常流动方程组，以停输结束时刻的温度、压力分布作为初始条件，首站边界设定为升压曲线，末站边界设定为压力控制。6.2启动压力计算再启动所需最小启动压力需克服管道沿程摩阻损失及终点背压。启动压力计算公式为：P式中：P启动——启动所需首站压力（绝压），MPa；P₂,终点——末站进站压力要求，MPa；Q——启动流量，m³/s；C——单位换算系数。6.3启动流量恢复过程再启动过程中，流量从0逐步恢复至额定流量。根据瞬态模拟，不同停输时长下的启动流量恢复曲线特征如下表所示。表6.3-1不同停输时长启动过程参数表启动工况启动时间（min）最大升压速率（MPa/min）峰值水击压力（MPa）流量恢复时间（min）安全评价停输24h后启动300.158.2145安全停输48h后启动450.128.1560较安全停输72h后启动600.108.0890需监控6.4最优启动方案推荐基于瞬态计算结果，推荐以下再启动方案：（1）停输24h以内：可按正常启停操作流程，以0.15MPa/min升压速率启动，30min内完成升压，45min恢复至额定流量；（2）停输24~48h：采用缓慢升压方案，升压速率控制在0.12MPa/min以内，45min完成升压，60min恢复流量；（3）停输48h以上：采用分段升压方案，先升压至50%设计压力，稳压15min后继续升压，全程监控管道压力和温度变化；（4）启动过程中，首站出站压力不得超过设计压力的1.1倍（11.0MPa表压），末站进站压力不得低于3.5MPa绝压。7安全核验7.1管道强度校核根据GB50251-2015第4.2.1条，管道环向应力应满足：σ式中：σθ——环向应力，MPa；P——设计压力，MPa；D——管道外径，mm；δ——管壁厚度，mm；Φ——设计系数，取0.72；σs——管材最小屈服强度，MPa。代入参数计算：σ许用应力：[σ]=Φ·σσθ=347.9MPa≤[σ]=349.2MPa，强度校核合格，安全裕度为0.37%。7.2水击压力分析再启动过程中，由于阀门快速开启或流量突变可能产生水击压力。水击压力升高值采用Joukowsky公式估算：ΔP=ρ·a·Δv式中：ΔP——水击压力升高值，Pa；ρ——气体密度，kg/m³；a——声波传播速度，m/s；Δv——流速变化量，m/s。代入参数：ρ=65.2kg/m³，a=400m/s，Δv=5m/s：ΔP=65.2×400×5=130400Pa≈0.13MPa水击压力升高值约0.13MPa，叠加稳态压力后最大压力为10.13MPa（表压），小于设计压力1.1倍（11.0MPa），水击安全可控。7.3越站工况分析当压气站故障停机时，管道进入越站工况运行。越站工况下，由于缺少增压，输送能力下降。经计算，越站工况下管道最大输送能力约为额定工况的65%，即约78×10⁸m³/a。表7.3-1越站工况与正常工况对比表对比项目正常工况越站工况变化幅度输送能力（10⁸m³/a）12078-35%起点压力（MPa）10.010.0不变终点压力（MPa）4.02.5-37.5%沿线压降（MPa）6.07.5+25%安全评价正常可短期运行需尽快恢复7.4疲劳强度校核管道在长期运行过程中，由于启停操作、压力波动等原因，管道金属材料承受交变应力作用，可能产生疲劳破坏。根据GB50251-2015相关要求，对管道进行疲劳强度校核。管道内压引起的环向交变应力幅为：Δσ=式中：ΔP——压力变化幅值，MPa。再启动过程中压力变化幅值约为2.0MPa。代入参数计算：Δσ=2.0×1016/(2×14.6)=69.7MPa。根据管道钢材的S-N曲线，L485钢材在应力幅69.7MPa下的疲劳寿命约为10⁶次循环。按每年启停10次计算，管道疲劳寿命可达10万年，远大于管道设计寿命30年，疲劳强度满足要求。7.5安全余量评估综合各项安全核验结果，管道系统安全余量评估如下表所示。表7.4-1安全余量评估汇总表核验项目计算值允许值安全余量评价环向应力（MPa）347.9349.20.37%合格最大工作压力（MPa）10.1311.07.9%合格水击压力升高（MPa）0.131.087%安全最小终点压力（MPa）3.53.50%临界启动升压速率（MPa/min）0.150.2025%安全8结果分析与工程指导意义8.1计算结果汇总本计算书通过对天然气长输管道稳态水力、瞬态工况、停输过程及再启动过程的系统计算，得出主要结果汇总如下：表8.1-1主要计算结果汇总表类别项目计算结果单位稳态水力额定工况输送能力12010⁸m³/a稳态水力额定工况全线压降6.0MPa稳态水力额定工况平均流速8.2m/s停输工况24h停输温降3.2℃停输工况24h停输压降0.28MPa停输工况72h停输温降6.2℃停输工况72h停输压降0.57MPa再启动24h停输后启动时间30min再启动48h停输后启动时间45min再启动72h停输后启动时间60min安全核验环向应力利用率99.6%安全核验最大水击压力0.13MPa8.2关键结论（1）管道稳态水力计算表明，额定工况下管道输送能力满足设计要求，平均流速处于经济流速范围内；（2）停输过程中，管内气体温降和压降均呈指数衰减规律，停输72h温降约6.2℃，压降约0.57MPa；（3）再启动过程中，停输时间越长，所需启动时间越长，升压速率应越缓慢；（4）管道强度校核合格，但安全裕度较小（0.37%），运行中应严格控制操作压力；（5）水击压力升高值较小，在可控范围内，但启动操作仍应缓慢平稳。8.3工程运行建议基于计算分析结果，提出以下工程运行建议：（1）日常运行中，应严格控制首站出站压力不超过10.0MPa表压，避免超压运行。由于本管道环向应力安全裕度仅为0.37%，运行压力的微小波动都可能导致应力超限，因此必须设置高精度的压力控制系统和安全联锁保护装置；（2）计划停输时间不宜超过72h，超过72h应采取保压措施或分段隔离。冬季运行时，由于环境温度较低，停输温降速率更快，应适当缩短允许停输时间；（3）再启动操作应严格按照推荐升压速率执行，严禁快速升压。启动前应进行全面的管道系统检查，确认阀门状态、仪表校验和通信系统正常；（4）启动过程中应密切监控末站进站压力，确保不低于3.5MPa绝压。当末站压力接近下限时，应及时降低升压速率或暂停升压，待压力恢复后再继续；（5）建议定期进行管道内壁清管，保持管道效率系数在0.90以上。清管周期建议根据管道实际运行压降数据确定，一般每年1~2次；（6）建议建立管道瞬态仿真监控系统，实时监测和预测运行工况。系统应具备报警功能，当压力、温度、流量等参数超出预设范围时及时发出预警；（7）建议制定完善的停输再启动操作规程，明确各级人员职责和操作流程，并定期组织应急演练，提高操作人员的应急处置能力；（8）建议在管道关键节点增设压力和温度监测点，完善数据采集与监控系统（SCADA），为瞬态分析模型的标定和验证提供实测数据支撑。8.4技术经济分析从技术经济角度分析，本管道设计方案在安全性与经济性之间取得了较好平衡。额定工况下管道输送效率为92%，单位输量能耗约为0.0035kWh/(10⁴m³·km)，处于国内同类管道先进水平。停输再启动操作对管道运行成本的影响主要体现在三个方面：一是停输期间的压气站能耗损失，二是再启动过程中额外消耗的压缩功，三是因输量减少造成的商业损失。以停输24小时为例，直接经济损失约为12万元，间接损失约为35万元。通过优化运行方案，合理安排检修计划，尽量缩短停输时间，可以有效降低停输再启动的经济成本。建议在年度检修计划中，将停输时间控制在48小时以内，以兼顾安全性与经济性。8.5风险识别与应对措施结合瞬态工况计算结果，识别管道运行过程中的主要风险因素，并制定相应应对措施如下表所示。表8.5-1主要风险识别与应对措施表风险编号风险描述风险等级发生概率应对措施R-01启动过快导致水击超压高中严格控制升压速率，设置压力联锁保护R-02停输时间过长导致温降过大中低控制停输时间，必要时采取保压措施R-03末站压力低于下游要求中中设置压力监测报警，及时调整运行方案R-04管道摩阻增大导致输量下降低高定期清管，保持管道内壁清洁R-05压气站故障导致越站运行中低备用机组定期切换，制定应急预案R-06极端天气影响管道散热低中加强冬季运行监控，调整运行参数附录A主要符号说明本计算书中使用的主要符号及其含义如下表所示。表A-1主要符号说明表符号含义单位qv标准状态下气体体积流量m³/dP₁,P₂管道计算段起点、终点压力（绝压）MPad管道内径mD管道外径mδ管壁厚度mmλ水力摩阻系数—Z天然气压缩因子—T天然气温度KL管道计算段长度kmΔ天然气相对密度—E管道效率系数—Re雷诺数—K管道内壁绝对粗糙度mρ气体密度kg/m³v气体流速m/sμ气体动力粘度Pa·sa声波在气体中的传播速度m/sσθ管道环向应力MPaσs管材最小屈服强度MPaΦ管道设计系数—ΔP水击压力升高值MPaKh总传热系数W/(m²·K)Tg环境土壤温度Kcp,cv定压/定容比热J/(kg·K)M气体摩尔质量g/molTc,Pc临界温度、临界压力K,MPa附录B计算方法与软件说明B.1计算方法概述本计算书采用理论公式推导与数值模拟相结合的方法。稳态水力计算采用GB50251-2015规范推荐的公式，手算与软件计算相互校核。瞬态工况分析采用一维非定常流动数学模型，基于特征线法进行数值求解。B.2计算假设条件为简化计算，本计算书采用以下假设条件：（1）管道内气体为一维流动，参数沿管径方向均匀分布；（2）管道为水平敷设，不考虑地形起伏影响；（3）天然气物性参数按平均温度、平均压力取值；（4）管道内壁粗糙度保持不变，不考虑结垢和腐蚀影响；（5）埋地管道周围土壤温度恒定，取多年平均地温；（6）忽略管道弹性变形对流动的影响。B.3计算精度说明稳态水力计算的精度主要取决于摩阻系数和压缩因子的计算精度。根据工程经验，规范公式计算结果与实际运行数据的偏差一般在±5%以内。瞬态计算结果受边界条件和初始条件的影响较大，建议在工程实施前通过现场实测数据对模型进行标定和修正。本计算书的计算结果仅供设计参考，实际工程应以经审批的正式设计文件和现场实测数据为准。B.4与同类工程对比为验证本计算结果的合理性，将本工程主要设计参数与国内已建同类天然气长输管道进行对比，结果如下表所示。表B.4-1同类工程主要参数对比表对比项目本工程西气东输二线陕京线单位管道外径101612191016mm设计压力10.012.010.0