长输管道线路与分输站的设计研究

李萌

（中国石油集团东北炼化工程有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110167）

长输管道线路的规划设计是管道建设工作的首要任务，其中，分输站场的选址工作是构成管道设计、建设、管理的基本条件。目前，采用的主流线路优化理论为模糊集合理论，该理论是基于长输管道线路选择体系中的集对分析评价原理。长输管道的线路选择应先考虑的因素，有技术可行性、经济合理性、规划线路对周围环境的影响等。基于上述因素与实践的证明，还需听取管道、地质等专家的意见。

1 线路选择的评价指标

1.1 线路长度

在管线的规划设计阶段，管线铺设的长度取决于项目的建设资金，应事先做好线路规划选取最优路线，避免管线多余的穿越，从而节省建设资金。

1.2 公路密度

该指标表示管道沿途走向的交通状况，能够反映出今后管道在建设、检查、维修时的便利性，见式（1）。

1.3 铁路密度

该指标是表示管道沿途交通状况的另一个参考指标，在有大口径管材运输时，常规公路运输困难，可考虑该指标。

理想的的管道线路应包含在附近公路和铁路的辐射范围里，管线沿途的走向中，公路和铁路密度越大，说明交通条件越好。

1.4 机械化铺管率

现代化管线建设的标志就是作业装备的机械化，管道和分输站的建设尽可能采用机械化铺设，提高效率的同时可达到节约投资的效果，见式（3）。

1.5 穿跨越障碍数

该指标表示线路横穿公路、铁路、山谷、河流、乡镇的数量。在规划设计管线时，应尽量选择穿越数量最少、跨越难度最低的障碍。

1.6 坡度系数

该指标表示管道沿途的地势起伏程度，是反映出管道建设难度和工程量大小的直接参数，它可以通过三维地理信息系统（结合GIS分析功能）得到线路纵向剖面图，然后，利用圆滑曲线公式计算出坡度系数，见式（4）。

式中，ζ为坡度系数；n为曲线拐点数；i为曲线拐点序号；αi是第i点的坡度角；Li为第i点的管线长度。在管线设计中，如果不可避免必须跨越山川时，对应此参数指标应提前对该地区做好高难度施工准备。

1.7 连通度

该指标表示管线通过节点（产品用户）的连通情况，可以反映出管线在宏观布局下的稳定性，连通度越好，代表管线网越稳定。

连通度越高，越能体现出该区域用户设施的完备性越好，有利于减少支管的施工。

1.8 活动水平

该指标表示人在规划管线周围的活跃状况，活动水平越大，表示管线附近的人口密度越大，横穿城镇的数量越多，无人活动值取20，活动水平最高值是0，活动水平是个综合考虑的指标，不宜过高或过低，其值适中最为理想。

完整的线路工程建设工艺流程，见图1。

长输管道作为连续性很强的工程，管道线路和分输站场的设计与布局应紧密结合上述因素，按照“以点为主、点线结合、全线反馈”的原则综合考虑，将线路的设计工作与周边环境紧密结合统筹考虑，避免因疏忽大意造成管道泄漏，引发火灾与爆炸事故，造成不必要的损失。

图1 线路工程建设工艺流程

2 分输站场的设计

在长输管道的布站中，应考虑到天然气需求量受季节性变化的影响因素，忽略下游市场对天然气需求的变化会导致一定经济效益的损失，灵活性也较差。分输站场主要功能为分输气量，天然气在站场内实现过滤分离、计量、调压后供给终端用户。目前，国内外长输管道分输站场的设计采用等压比布站方法，即每个分输站的设计压力相同。下面通过对平面的布置、流程优化、设备选型方面着手，解决分输站设计的难题。

2.1 平面布置

根据《石油天然气工程设计防火规范（GB50183-2015）》的相关规定，天然气分输站场应划为五级，见表2。在满足规范要求的情况下，将站场划分成办公区和生产区两部分，并且分开布置；两区域防火安全距离不得小于22.5m。站场的进出口布置办公区，便于人员紧急疏散撤离。办公区内应设置发电机室、配电室、值班休息室。中间生产区内主要布置工艺设备，划分该区域为防爆区。根据进出管线的方向，生产区设备的布置应方便天然气管道的进出，尽量呈直线布置工艺设备，减少弯头。

表2 油品、液化石油气、天然气站场分级

生产区内部包括进出站阀组区和过滤分离、计量调压区。进出站阀组区应布置在进口管线后，设备布置顺序方便人员操作与维修，过滤分离器和计量调压装置布置在出口管线前，设备的布置应能满足安装与检修空间的需求。

布置办公区域时，发电机室和配电室应布置在办公区的一侧，不与其他办公区相邻。分输站的办公室、通信室、阴极保护室应集中布置在同一办公楼内，并与水源井泵房、污水处理装置之间保持安全距离。

2.2 流程设计

分输站场可分为四种功能的流程，包括正常流程、清管流程、越站流程、返输流程。越站流程比较特殊，该流程中，天然气直接输至下个站场，不进行进站加压和供气。这种流程主要用于两种情况，第一种，分输站停运，此时，切断阀关闭，天然气直接输往下个站场；第二种，下游用户出现状况，不能接收天然气，天然气需输往下个站场。反输流程表示天然气流向调转，原上游改下游，天然气反向输送。

2.3 设备选型

2.3.1 过滤

由于天然气的纯净度不同，在长距离的输送中，还会掺杂管道杂质和水分，所以在天然气进站后应先净化天然气，过滤分离杂质和水。天然气中杂质较多时，可设置联合过滤器，首先，用旋风分离器过滤较大颗粒，再用过滤分离器去除较小颗粒和水分。如果天然气较洁净，可只设置过滤分离器，节省场地占用和投资费用。

2.3.2 计量

分输站的计量精度至关重要，在计量精度上要满足来往交易对接的需求，量程范围要适宜，应考虑投产初期小流量和后期满负荷运行的大量程需求。常用的天然气计量方式主要有：孔板式、涡轮式、超声波式流量计等。孔板流量计应用广泛价格低廉，结构简单便于维护，但剂量范围较窄，在30%～80%损失较大，不能很好地满足各种流量范围；涡轮流量计量程较大，在10%～80%损失小，但当天然气流量较小时存在计量盲区；超声波流量计精度高，量程范围广，几乎没有压力损失。考虑投产初期小流量和后期满负荷运行的大量程需求。常用的天然气计量方式主要有：孔板式、涡轮式、超声波式流量计等。孔板流量计应用广泛价格低廉，结构简单便于维护，但剂量范围较窄，在30%～80%损失较大，不能很好地满足各种流量范围；涡轮流量计量程较大，在10%～80%损失小，但当天然气流量较小时存在计量盲区；超声波流量计精度高，量程范围广，几乎没有压力损失。

2.3.3 调压

分输站调压方案种类较多，可分为单台调节阀；单台调压阀+监控调压阀；单台调压阀+安全切断阀；监控调压阀+安全切断阀；三阀结合式。

单台调压阀方案流程简单，操作维护简单，但气量易波动。单台调压阀与监控调压阀组合可以实现监控与调节，安全性较好，但调压器压力需合理设定。安全切断阀与监控调节阀结合和三阀结合这两种方案安全性较高，能保证下游用户不超压，但当切断输气时，需要调整和复位切断阀。三阀结合式方案把上下游串联，实现同时监控与调压的功能，当遇到特殊情况时，也可以切断输气，以确保管道和设备安全。

3 结语

综上所述，天然气长输管道的线路和分输站设计既应从全局整体考虑又应该考虑到地形情况、季节变化、环境保护等细节问题。

在设计的过程中，满足标准、规范的同时，应选择合理的管道线路，根据实际工况选择设备，减少占地与投资，才能达到最好的运营效果。