以煤气替代天然气的燃料气管网设计优化

1 引言

天然气作为清洁高效的优质燃料资源，具有热值高、无污染等优点，被广泛应用在工业、民用等各个领域[1]。某油田目前向下游各注气站锅炉输送天然气作为燃料， 但是由于天然气价格较高，长期采用天然气作为下游注气站的燃料成本较高，不符合企业发展方向。 为降低成本，该油田决定采用煤制气来部分或全部替代天然气。煤气的有效成分主要为CO 和H2，燃烧后产生的尾气清洁环保，不会对环境造成二次污染。 以煤气替代天然气时，虽然煤气热值（12 171 kJ/Nm3）较天然气热值（34 930 kJ/Nm3）有所降低，但是运行成本会下降[2-3]。 用煤气替代天然气时，为保证热值不变，所需的气量增大，为确保替代后的流量负荷能够满足现有管网的设计要求， 需要对不同配气方案下各管线的流量及流速等进行核算， 并从中选择出较优的方案。

该油田分为东线和西线，本文以西线输气管网为例进行分析。 西线管道设计压力为2.4MPa（G），设计输气量为25 亿m3/a。

2 设计原则

2.1 流量的确定

为保证煤气替代天然气后燃气的热值不变， 煤气的替代量可以根据煤气与天然气的热值来确定。 该油田现有的天然气及拟替代煤气的组成如表1 所示。

表1 天然气及煤气组成

其中， 现有天然气热值为34 930 kJ/Nm3， 煤气热值为12 171 kJ/Nm3，二者之间的热值之比为2.87。 本设计中拟采用以下4 种煤气替代天然气方案：方案一：全煤气；方案二：3/4煤气+1/4 天然气；方案三：1/2 煤气+1/2 天然气；方案四：1/4煤气+3/4 天然气。 在核算不同配气方案时，可以根据各方案中煤气及天然气配比确定出燃气的流量， 从而进行流速与压降的核算。

2.2 流速与压降的确定

在计算管网前，首先要确定原管线的最大流量负荷，以便在后续方案对比中作为方案选取的依据。

在计算最大负荷流量时考虑两种计算依据， 一是管线最大流速， 二是管线最大压降。 本文取25 m/s 作为管网最大流速，压降计算则采用Aspen Plus 软件进行模拟，得到管线的最大流量负荷。

计算出管网的最大流量负荷后， 再通过不同配气方案中煤气与天然气的配比，得到各配气方案的流量，通过与最大流量负荷对比，确定出较优的配气方案，满足原管网的设计负荷要求。

3 现有管网的设计负荷计算

现有的管网信息如表2 所示。

表2 现有的管网信息

根据上述管线信息，并结合其设计原则，计算出现有管网最大流速及最大压降下的流量负荷，计算结果如表3 所示。

表3 各管线最大流量负荷

考虑到管线流速不宜过高，并且要满足压降的要求，因此在选取最大流量负荷时， 选用最大流速和最大压降下流量负荷的较小者。

从表3 中可以看出，除特大五站、特大八站及特大十站之外， 其他注气站在最大流速下计算得到的流量均小于最大压降下计算得到的流量。 因此，除特大五站、特大八站及特大十站取最大压降下得到的流量负荷外， 其余注气站均取最大流速下的流量负荷。

4 各配气方案的管网计算

本文拟采用4 种替代方案，各方案计算结果如下。

4.1 方案一：全煤气替代

以煤气全部替代天然气，计算结果如表4 所示。

表4 方案一管网计算结果

从表4 的结果可以看出，当煤气全部替代天然气时，除特大六站及特大七站外，其余注气站的流速均超过30 m/s，因此方案一对于原管网的设计负荷而言过大。

4.2 方案二：3/4 煤气+1/4 天然气替代

将煤气与天然气按照3∶1 的比例混合， 计算结果如表5所示。

表5 方案二管网计算结果

从表5 的结果可以看出， 特大五站和特大十站的流速较高，超过了30 m/s。 与方案一相比，由于降低了煤气比例，流量降低，相应的管线流速降低，因此，对于原管网而言，采用煤气与天然气混合的方案较全煤气方案更为合理。

4.3 方案三：1/2 煤气+1/2 天然气替代

当煤气与天然气比例为1∶1 时，各管线的计算结果如表6所示。

表6 方案三管网计算结果

从表6 的结果可以看出，当煤气比例继续降低，管网流速也同步降低，与方案二相比，仅特大十站的流速超过30 m/s。可以看出方案三基本能够满足原管网的设计负荷。

4.4 方案四：1/4 煤气+3/4 天然气替代

当煤气与天然气比例为1∶3 时，各管线的计算结果如表7所示。

表7 方案四管网计算结果

从表7 的计算结果可以看出， 当进一步降低煤气与天然气比例至1∶3 时， 至各注气站的管线流速及流量负荷下降，各站的管线流速及流量负荷满足原管网的设计要求。

通过对4 种方案的计算，可以看出当采用方案一时，多数管线无法满足设计要求，需要铺设新的管线，这显然是不经济的做法。 采用煤气与天然气混合的方式，可以有效降低管线的流速及流量，管网设计更为合理。 对比表5～表7 的计算结果可以看出，方案四的流速及流量更为合理，能够满足设计的同时节约成本。

为进一步分析不同方案对各注气站管线的影响， 对各注气站在不同方案下得到的流速/ 设计流速、流量/ 最大流量负荷做曲线，经过研究可知，随着煤气配比的降低，各注气站的流量及流速降低。 以流速/ 设计流速、流量/ 最大负荷流量之比为1.2 时为警戒红线，当超出警戒红线时，则该管网负荷已超出原设计负荷，该方案不可取。 制约煤气配比的主要是特大五站和特大十站，这两个注气站的输送距离较远，且输送的燃气流量较大， 故不宜采用煤气配比过高的方案。 采用方案四时，特大五站和特大十站的流速、流量均可满足原管网的设计负荷，这说明煤气在混合燃气中所占比例应控制在25%以下，即可满足原管网的设计要求。

5 结语