以煤氣替代天然氣的燃料氣管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化

1 引言

天然氣作為清潔高效的優(yōu)質(zhì)燃料資源，具有熱值高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、民用等各個領(lǐng)域[1]。某油田目前向下游各注氣站鍋爐輸送天然氣作為燃料， 但是由于天然氣價格較高，長期采用天然氣作為下游注氣站的燃料成本較高，不符合企業(yè)發(fā)展方向。 為降低成本，該油田決定采用煤制氣來部分或全部替代天然氣。煤氣的有效成分主要為CO 和H2，燃燒后產(chǎn)生的尾氣清潔環(huán)保，不會對環(huán)境造成二次污染。 以煤氣替代天然氣時，雖然煤氣熱值（12 171 kJ/Nm3）較天然氣熱值（34 930 kJ/Nm3）有所降低，但是運(yùn)行成本會下降[2-3]。 用煤氣替代天然氣時，為保證熱值不變，所需的氣量增大，為確保替代后的流量負(fù)荷能夠滿足現(xiàn)有管網(wǎng)的設(shè)計要求， 需要對不同配氣方案下各管線的流量及流速等進(jìn)行核算， 并從中選擇出較優(yōu)的方案。

該油田分為東線和西線，本文以西線輸氣管網(wǎng)為例進(jìn)行分析。 西線管道設(shè)計壓力為2.4MPa（G），設(shè)計輸氣量為25 億m3/a。

2 設(shè)計原則

2.1 流量的確定

為保證煤氣替代天然氣后燃?xì)獾臒嶂挡蛔儯?煤氣的替代量可以根據(jù)煤氣與天然氣的熱值來確定。 該油田現(xiàn)有的天然氣及擬替代煤氣的組成如表1 所示。

表1 天然氣及煤氣組成

其中， 現(xiàn)有天然氣熱值為34 930 kJ/Nm3， 煤氣熱值為12 171 kJ/Nm3，二者之間的熱值之比為2.87。 本設(shè)計中擬采用以下4 種煤氣替代天然氣方案：方案一：全煤氣；方案二：3/4煤氣+1/4 天然氣；方案三：1/2 煤氣+1/2 天然氣；方案四：1/4煤氣+3/4 天然氣。 在核算不同配氣方案時，可以根據(jù)各方案中煤氣及天然氣配比確定出燃?xì)獾牧髁浚?從而進(jìn)行流速與壓降的核算。

2.2 流速與壓降的確定

在計算管網(wǎng)前，首先要確定原管線的最大流量負(fù)荷，以便在后續(xù)方案對比中作為方案選取的依據(jù)。

在計算最大負(fù)荷流量時考慮兩種計算依據(jù)， 一是管線最大流速， 二是管線最大壓降。 本文取25 m/s 作為管網(wǎng)最大流速，壓降計算則采用Aspen Plus 軟件進(jìn)行模擬，得到管線的最大流量負(fù)荷。

計算出管網(wǎng)的最大流量負(fù)荷后， 再通過不同配氣方案中煤氣與天然氣的配比，得到各配氣方案的流量，通過與最大流量負(fù)荷對比，確定出較優(yōu)的配氣方案，滿足原管網(wǎng)的設(shè)計負(fù)荷要求。

3 現(xiàn)有管網(wǎng)的設(shè)計負(fù)荷計算

現(xiàn)有的管網(wǎng)信息如表2 所示。

表2 現(xiàn)有的管網(wǎng)信息

根據(jù)上述管線信息，并結(jié)合其設(shè)計原則，計算出現(xiàn)有管網(wǎng)最大流速及最大壓降下的流量負(fù)荷，計算結(jié)果如表3 所示。

表3 各管線最大流量負(fù)荷

考慮到管線流速不宜過高，并且要滿足壓降的要求，因此在選取最大流量負(fù)荷時， 選用最大流速和最大壓降下流量負(fù)荷的較小者。

從表3 中可以看出，除特大五站、特大八站及特大十站之外， 其他注氣站在最大流速下計算得到的流量均小于最大壓降下計算得到的流量。 因此，除特大五站、特大八站及特大十站取最大壓降下得到的流量負(fù)荷外， 其余注氣站均取最大流速下的流量負(fù)荷。

4 各配氣方案的管網(wǎng)計算

本文擬采用4 種替代方案，各方案計算結(jié)果如下。

4.1 方案一：全煤氣替代

以煤氣全部替代天然氣，計算結(jié)果如表4 所示。

表4 方案一管網(wǎng)計算結(jié)果

從表4 的結(jié)果可以看出，當(dāng)煤氣全部替代天然氣時，除特大六站及特大七站外，其余注氣站的流速均超過30 m/s，因此方案一對于原管網(wǎng)的設(shè)計負(fù)荷而言過大。

4.2 方案二：3/4 煤氣+1/4 天然氣替代

將煤氣與天然氣按照3∶1 的比例混合， 計算結(jié)果如表5所示。

表5 方案二管網(wǎng)計算結(jié)果

從表5 的結(jié)果可以看出， 特大五站和特大十站的流速較高，超過了30 m/s。 與方案一相比，由于降低了煤氣比例，流量降低，相應(yīng)的管線流速降低，因此，對于原管網(wǎng)而言，采用煤氣與天然氣混合的方案較全煤氣方案更為合理。

4.3 方案三：1/2 煤氣+1/2 天然氣替代

當(dāng)煤氣與天然氣比例為1∶1 時，各管線的計算結(jié)果如表6所示。

表6 方案三管網(wǎng)計算結(jié)果

從表6 的結(jié)果可以看出，當(dāng)煤氣比例繼續(xù)降低，管網(wǎng)流速也同步降低，與方案二相比，僅特大十站的流速超過30 m/s。可以看出方案三基本能夠滿足原管網(wǎng)的設(shè)計負(fù)荷。

4.4 方案四：1/4 煤氣+3/4 天然氣替代

當(dāng)煤氣與天然氣比例為1∶3 時，各管線的計算結(jié)果如表7所示。

表7 方案四管網(wǎng)計算結(jié)果

從表7 的計算結(jié)果可以看出， 當(dāng)進(jìn)一步降低煤氣與天然氣比例至1∶3 時， 至各注氣站的管線流速及流量負(fù)荷下降，各站的管線流速及流量負(fù)荷滿足原管網(wǎng)的設(shè)計要求。

通過對4 種方案的計算，可以看出當(dāng)采用方案一時，多數(shù)管線無法滿足設(shè)計要求，需要鋪設(shè)新的管線，這顯然是不經(jīng)濟(jì)的做法。 采用煤氣與天然氣混合的方式，可以有效降低管線的流速及流量，管網(wǎng)設(shè)計更為合理。 對比表5～表7 的計算結(jié)果可以看出，方案四的流速及流量更為合理，能夠滿足設(shè)計的同時節(jié)約成本。

為進(jìn)一步分析不同方案對各注氣站管線的影響， 對各注氣站在不同方案下得到的流速/ 設(shè)計流速、流量/ 最大流量負(fù)荷做曲線，經(jīng)過研究可知，隨著煤氣配比的降低，各注氣站的流量及流速降低。 以流速/ 設(shè)計流速、流量/ 最大負(fù)荷流量之比為1.2 時為警戒紅線，當(dāng)超出警戒紅線時，則該管網(wǎng)負(fù)荷已超出原設(shè)計負(fù)荷，該方案不可取。 制約煤氣配比的主要是特大五站和特大十站，這兩個注氣站的輸送距離較遠(yuǎn)，且輸送的燃?xì)饬髁枯^大， 故不宜采用煤氣配比過高的方案。 采用方案四時，特大五站和特大十站的流速、流量均可滿足原管網(wǎng)的設(shè)計負(fù)荷，這說明煤氣在混合燃?xì)庵兴急壤龖?yīng)控制在25%以下，即可滿足原管網(wǎng)的設(shè)計要求。

5 結(jié)語