基于SPS的水力计算在天然气长输管道设计中的应用

摘要：通过水力计算软件SPS对长沙联通工程进行正反输两种工况的水力计算，根据计算结果得到了该工程的设计基础参数，很好地实现了理论计算与工程实际的结合。

关键词：SPS;水力计算;天然气;应用

0    引言

天然气长输管道的水力计算是管道建设前的重要环节，只有通过水力计算得出准确的设计参数，才能保证管道建设满足设计需求，同时管道又具有一定的经济性。目前国内长输管道的水力计算工具应用较多的为德国GL公司的SPS（Stoner Pipeliner Simulator），可根据不同的约束条件和边界条件，计算长输管道的水力、热力参数。该软件自1997年引入中国后，被用于西气东输、兰成渝、涩宁兰、冀宁联络线、西二线、中缅、中亚、西三线西段/东段等多条大中型长输管道的工程设计。该软件是国际上被广泛认同的长输管道水力、热力计算软件。

长沙联通工程是国家发改委2019年天然气基础设施互联互通重点工程，该工程通过新建约10 km天然气长输管道，实现中石化新疆煤制气管道与中石油潜湘支线、长沙支线在湖南长沙境内互联互通，从而提高管道运行灵活性和安全性。长沙联通工程是两湖地区连接干线管道和下游支线的重要工程，对于满足下游市场需求和提高冬季保供能力具有重要意义。

在满足设计输量的前提下，通过对联通工程进行水力计算，得到长输管道计算管径以及管线各节点的压力、温度等参数，是长输管道设计的首要环节。本文以中石化新疆煤制气管道接气点压力、温度为设计初始参数，应用SPS软件对长沙联通工程在不同工况下进行水力计算，确定了输气管道设计管径以及管道末点安沙分输清管站的设计压力、温度等参数，以此作为本工程设计的基础参数。另外，本工程存在反输工况，通过对反输工况的分析，进一步验证了本工程设计管径选取的合理性。最后，对本工程在不同压力工况下最大输量进行了核算。

1    流量、压力的计算

根据《输气管道工程设计规范》（GB 50251—2015）的规定，水力计算管道沿线高程相差不大。为保证计算结果的可靠性，考虑输气管道纵断面高差的影响，水力计算公式选择如下：

式中，qv为气体流量（P0=0.101 325 MPa，T0=293 K）（m3/d）;P1为输气管道计算段的起点压力（绝压）（MPa）;P2为输气管道计算段的终点压力（绝压）（MPa）;α为系数（m-1），α=0.068 3（γ/ZT）;Δh为输气管道终点和起点的标高差（m）;d为输气管道内直径（cm）;λ为水力摩阻系数;Z为气体压缩因子;γ为气体的相对密度;Tm为气体平均温度（K）;L为输气管道计算段长度（km）;n为输气管道的计算段数;hi、hi-1为各分管段终点和起点的标高（m）;Li为各分管段长度（km）。

水力摩阻系数采用Colebrook公式计算：

式中，k为管内壁绝对粗糙度（m）;d为管内径（m）;Re为雷诺数。

2    沿线温度计算

式中，tx为输气管道沿线任意点的气体温度（℃）;t0为输气管道埋深处的土壤温度（℃）;t1为输气管道计算段起点的气体温度（℃）;e为自然对数底数，e=2.718;x为输气管道计算段起点至沿线任意点的长度（km）;J为焦耳-汤姆逊效应系数（℃/MPa）;ΔPx为x长度管段的压降（MPa）。

式中，K为输气管道中气体到土壤的总传热系数[W/（m2·℃）];D为输气管道外径（m）;γ为气体的相对密度;Cp为气体的定压比热[J/（kg·℃）]。

3    工况分析

根据实地调研，管道起点干线运行压力为5.6～7.95 MPa，管道终点实际运行压力为4.0～5.39 MPa。

（1）当管道起点来气至管道末点的压力高于6.2 MPa时，来气压力调压至6.2 MPa注入西三线长沙支线及忠武线潜湘支线，这种情况下，中石化来气越接近6.2 MPa，该工况越不利，工程上为简化分析，按照管道起点来气压力为6.3 MPa时进行核算;

（2）原安沙分输清管站与忠武线潜湘支线连接管径为DN600及DN500，按照流速不高于15 m/s，满足2 000×104 m3/d输气能力要求，最低要求分别为5.8 MPa和8.3 MPa;

（3）当管道起点来气压力低于6.2 MPa时，按照管道起点来气压力为5.6 MPa注入西三线长沙支线及忠武线潛湘支线，管道末点压力按不低于现忠武线潜湘支线最高运行压力5.39 MPa计。

综上所述，本工程管径比选按照以下方案进行：

（1）管道起点来气分别为6.3 MPa，管道末点压力不低于6.2 MPa;

（2）管道起点来气分别为5.6 MPa，管道末点压力不低于5.39 MPa。

根据以上分析，对上述方案进行管径比选。

（1）不利工况1：当管道起点来气压力大于6.3 MPa时，为保证进管道末点压力大于6.2 MPa，在设计输量工况条件下分别对输气管道管径为D711 mm、D813 mm、D914 mm三种方案进行计算比选。

由表1、图1～3可知，D711 mm管径方案在设计输量工况下不能满足输送要求，D813 mm和DN914 mm管径方案均能满足本工程设计要求。

（2）不利工况2：当管道起点来气压力低于5.6 MPa时，为保证管道末点压力大于5.39 MPa，在设计输量工况条件下分别对输气管道口径为D711 mm、D813 mm、D914 mm三种方案进行计算比选。

由表2、图4～6可知，D711 mm管径方案在设计输量工况下不能满足输送要求，D813 mm和D914 mm管径方案均能满足本工程设计要求。

综上分析，D813 mm与D914 mm管径方案均能满足本工程设计要求，但D813 mm管径方案投资较低，故本工程推荐D813 mm管径方案。

4    反输工况核算

本工程为互联互通工程，存在反输工况，即由安沙分输清管站反输给石潭村阀室。新疆煤制气管道干线运行压力为5.6～7.95 MPa，西三中管道运行压力5.4～8.5 MPa。新疆煤制气管道运行压力不低于5.6 MPa，西三中管道接气压力越接近5.6 MPa工况越不利，本工程选择接气压力5.8 MPa，在设计输量工况条件下对输气管道管径进行核算。

由表3、图7可知，石潭村阀室进站压力5.64 MPa，大于5.6 MPa，同时管道流速7.23 m/s，小于15 m/s，满足要求。

综上所述，本工程选择D813 mm作为设计管径，在设计输量2 000×104 m3/d的情况下，正反输两种工况均能满足设计要求，因此，本工程选择D813 mm管径是合理的。

5    最大输气能力分析

本文对新建管道年均温度工况下最大输气能力分别按照正反输两种工况进行了分析，在满足管道始末端运行参数的前提下，计算管道最大输气能力。

在正输工况下，中石化管道起点接气压力为7.95 MPa、6.9 MPa，管道末点进站压力为6.2 MPa，该工况下年均温度本工程最大输量如表4所示。

中石化管道起点接气压力为6.2 MPa、5.6 MPa、管道末点进站压力为5.39 MPa，该工况下本工程年均温度本工程最大输量如表5所示。

由表5可知，本工程在极端工况，即管道起点压力5.6 MPa、管道终点压力5.39 MPa的情况下，管道最大输气能力为94.64×104 Nm3/h（2 271.36×104 Nm3/d），满足本工程设计输量2 000×104 Nm3/d的要求。

在反输工况下，西三线管道—中石化管线反输接气压力8.5 MPa、进站压力7.95 MPa以及接气压力6.2 MPa、进站压力5.6 MPa时年均温度工况最大输气能力如表6所示。

由表6可知，本工程在极端工况下，即管道起点压力6.2 MPa、管道终点压力5.6 MPa情况下，管道最大输气能力为145×104 Nm3/h（3 480×104 Nm3/d），满足本工程设计输量2 000×104 Nm3/d的要求。

6    结语

综上所述，应用水力计算软件SPS对本工程在不同工况下管径进行比选，选择D813 mm作为联通管径，最低输气能力为2 271.36×104 Nm3/d，能够满足设计输量2 000×104 Nm3/d的要求，因此选择D813 mm管径是合理的。

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[4] 彭继军，杨昭，田贯三.高压天然气管网水力计算精度的研究[J].天然气工业，2005（7）：96-98.

[5] 输气管道工程设计规范：GB 50251—2015[S].

收稿日期：2020-05-06

作者简介：李强（1980—），男，辽宁阜新人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：天然气管道工艺设计。