【文章內(nèi)容簡介】 化問題。國外經(jīng)驗表明：能耗最優(yōu)化研究可以使輸氣管道的運行能耗在一定程度上降低。 目前，國外涉足油氣管道行業(yè)的專業(yè)軟件開發(fā)公司已經(jīng)擁有了干線輸氣管道或官網(wǎng)優(yōu)化運行的商品軟件，這些優(yōu)化軟件已經(jīng)在國外一些干線 輸氣管道或者管網(wǎng)上得到了應用。近些年來，國外的輸氣管道優(yōu)化運行方面的發(fā)展趨勢是干線輸氣管道上推廣應用這項技術，并將進一步研究管網(wǎng)優(yōu)化運行技術和非穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行技術。 美國的 Stoner公司研究開發(fā)了主要用于氣體穩(wěn)態(tài)官網(wǎng)設計的軟件 SWS和模擬長輸管道動態(tài)工況運行的仿真軟件 SPS。 SPS設置了理想化的調(diào)壓器模型，可以方便的模擬管道系統(tǒng)的控制。 二十世紀八十年代以來，我國已經(jīng)引進了多個商業(yè)化的輸氣管道放著軟件，如TGNET、 SPS等。目前，國際上的主流輸氣管道仿真軟件幾乎在我國獲得了不同程度的應用。管道設計單位在國 內(nèi)率先使用輸氣管道仿真軟件，目前這類軟件已經(jīng)成為我國輸氣管道設計的必備工具。 隨著我國經(jīng)濟事業(yè)的快速發(fā)展，天然氣的開發(fā)與建設事業(yè)也得到了快速的發(fā)展。國內(nèi)最長的輸氣管道 —— 西氣東輸管道投產(chǎn)運行，接著川氣東送管道建設投產(chǎn)，致使我國的天然氣管網(wǎng)輸送系統(tǒng)日趨龐大、復雜。管網(wǎng)系統(tǒng)的復雜性主要體現(xiàn)在：氣源壓力大、輸送流量大，輸送距離長，支路、環(huán)路以及壓氣站增多等方面，這些必然給管道的安全經(jīng)濟管理帶來挑戰(zhàn)，管理者要隨時了解、掌握和調(diào)整管道的運行狀態(tài)，以達到安全、經(jīng)濟運行的目的，而要對這樣的一個復雜系統(tǒng)做出精確的運行管理是 一件非常困難的工作，因此必須對輸氣管道系統(tǒng)進行模擬和研究。為此，本文在管道初步設計計算的基礎上，建立了新京天然氣管道系統(tǒng)物理模型，對新京管道系統(tǒng)的運行工況展開了模擬分析，了解和掌握了新京管道系統(tǒng)的運行規(guī)律，提供合理經(jīng)濟的運行方案。 應用仿真模擬軟件進行模擬是必要的。這是上中下游平穩(wěn)運行的需要，也是提高經(jīng)濟效益的需要，更是提高調(diào)度管理水平的需要。當然，在突發(fā)情況發(fā)生時，如果有了預第 1 章前言 3 先的模擬，處理事件的能力、效率和預防工作都可以很迅速的完成。 RealPipe 是一款由中石油管道科技研究中心自主研發(fā)的管道模擬仿真 軟件。RealPipe管道仿真軟件提供了一個圖形化的集成環(huán)境用來完成氣體和液體管網(wǎng)的建模，并對模型進行水力、熱力瞬態(tài)分析。 RealPipe通過圖形建模工具構建包含邊界、罐、泵、壓縮機、閥門、管段的油氣輸送管網(wǎng)的物理模型，通過后臺的預處理過程將建好的圖形化模型和管道的流動控制方程、設備的特性方程、分支點的控制方程、外部邊界（氣源、罐、分輸站等）以及流體的狀態(tài)方程建立映射，形成一個復雜的數(shù)值系統(tǒng)，然后通過仿真計算引擎進行動態(tài)求解。在仿真運行時， RealPipe會隨著時間的變化計算管網(wǎng)內(nèi)在數(shù)值空間上的壓力、流量 、溫度、密度、流速和其它變量，并通過設備圖形、動態(tài)曲線、動態(tài)報表等方式來展示這些物理量的分布和變化細節(jié)。 在模型建立后，用戶需要對模型的全局參數(shù)和元件參數(shù)進行配置，模型通過驗證后才可進行仿真運行。在仿真運行過程中，用戶可以隨時通過設備圖形、交互命令等方式對管網(wǎng)系統(tǒng)進行動態(tài)設置，對設備進行操作、對輸出結果的形式進行配置。 根據(jù)國情，近幾年我國管道發(fā)展的目標是：改造舊管道與新建管道統(tǒng)籌兼顧，增加天然氣管道建設投資，合理布局，配套成網(wǎng)，管道建設可適度超前。今后我國天然氣管道輸送戰(zhàn)略是：以國內(nèi)各大氣田、各主要消費地 連接的天然氣管網(wǎng)為主，積極開發(fā)利用本國天然氣資源，參與世界天然氣資源的再分配，加速我國天然氣工業(yè)的發(fā)展，形成由不同等級、不同規(guī)模組成的生產(chǎn)與消費相接的天然氣管輸網(wǎng)絡。我國天然氣管網(wǎng)的形成，需要經(jīng)過幾十年的努力才能實現(xiàn)。 第一步是我國東部、西部、中部天然氣管道的建設，三大氣區(qū)基本形成連接各氣區(qū)干線及支線，便于區(qū)域間天然氣輸量的調(diào)節(jié)。環(huán)形管線與支線將成為整個管輸網(wǎng)絡的重要組成部分。 第二步，用主干線將分散的西部、中部、東部區(qū)域性管網(wǎng)連接起來，形成我國天然氣管網(wǎng)。 第三步，將主要消費地與主干管網(wǎng)連接，實現(xiàn)天然氣資 源的多元化，打到國內(nèi)天然氣產(chǎn)需平衡、協(xié)調(diào)供應。積極開發(fā)利用沿海氣田天然氣資源，并將我國海上天然氣管道與陸上輸氣管道聯(lián)通。從而將國內(nèi)各氣田用管道有機地聯(lián)系在一起，形成國內(nèi)四通八達、從橫交錯的天然氣灌輸系統(tǒng)。 綜上所述，經(jīng)過 20— 30 年的努力，我國天然氣管網(wǎng)將基本完善，國內(nèi)將形成幾縱第 1 章前言 4 橫的主干管道及其連通管道，并與西伯利亞及中亞的國際天然氣管道連接。 第 2 章設計概述 5 第 2 章設計概述 設計依據(jù) 設計原則 （ 1）嚴格執(zhí)行國家、行業(yè)的有關規(guī)范和標準，并參照有關國際先進的標準和規(guī)范； （ 2）工程盡量采用先進的技術，努力吸取國內(nèi)外的先進科技成果； （ 3）工程設計本著一次規(guī)劃，分期實施的原則，做到工程建設近、遠期相結合，充分利用資金，節(jié)約投資； （ 4）以氣源為基礎、市場為導向，處理好供給與利用之間的關系； （ 5）優(yōu)選工藝方案，達到先進適用、經(jīng)濟合理、適應性強； （ 6）線路走向合理、貼近市場，盡量減少干線長度； （ 7）管道設計要確保能長期安全、平穩(wěn)的運行； （ 8）適應線路的自然環(huán)境氣候，確保生產(chǎn)運行安全可靠，能保護環(huán)境、防止污染、節(jié)約能源、少占土地。 管道設計依據(jù)和規(guī)范 （ 1） 《輸氣管道工程設計規(guī)范》（ GB502512020，中國計劃出版社） （ 2） 《油氣集輸與礦場加工》（馮叔初 主編，中國石油大學出版社） （ 3） 《輸氣管道工程》（王志昌 主編，石油工業(yè)出版社） （ 4） 《干線輸氣管道實用工藝計算方法》（苗承武 主編，石油工業(yè)出版社） （ 5） 《石油地面工程設計手冊》（第五冊（天然氣長輸管道工程設計）石油大學出版社） （ 6） 《天然氣管道輸送技術》（黃春芳 主編，中國石化出版社） （ 7） 《天然氣工程手冊》（四川石油管理局 編，石油工業(yè)出版社） （ 8） 《輸氣管道設計與管理》（李玉星 姚光鎮(zhèn) 主編，中國石油大學出版社） 輸氣管道設計原始資料 新京管線：在寧夏中衛(wèi)設置分輸站，分輸氣量為 50 億立方米 /年，在陜西榆林設置進氣站，用于代輸陜甘寧的天然氣，代輸量 80 億立方米 /年。 第 2 章設計概述 6 天然氣的組成 組分 CH4 C2H6 CO2 N2 Mol% 管道的設計參數(shù) （ 1） 首站進站壓力： (表壓 ) （ 2） 末站進站壓力： (表壓 ) （ 3） 設計年輸送天數(shù)： 350 天 （ 4） 管道埋深處地溫：夏季 30℃，冬季 8℃，年平均地溫： 15℃。 （ 5） 管線調(diào)峰能力為日輸量的 42%。 管線設計要求及內(nèi)容 設計內(nèi)容： 新京管道工程西起新疆霍爾果斯口岸，東至北京市末站。沿線經(jīng)過新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、河北等省市自治區(qū)，設計輸量 200 億立方米 /年。主供氣源為進口中天然氣燃氣，氣體組成：甲烷 %、乙烷 %、二氧化碳 %，氮氣 %。在寧夏中衛(wèi)設置分輸，分輸氣量為 50 億立方米 /年，在陜西榆林設置進氣站，用于代輸陜甘寧的天然氣，代輸量 80 億立方米 /年。 設計要求： 針對該工程開展可行性研究以及初步設計研究，針對工程概況完成線路的選擇、管徑的優(yōu)選、壓力等級的確定、戰(zhàn)場布置等內(nèi)容，并針對工程情況開展輸氣管道工藝計算分析，具體要求如下： （ 1）針對起終點要求，根據(jù)工程量、穿跨越的情況、在電子地圖上完成線路的優(yōu)選，確定路由和高程。 （ 2）針對確定的線路，利用軟件進行工藝計算，完成不同壓力等級、不同管徑的模擬計算，并進行經(jīng)濟比較分析，確定最佳的輸氣方案。 （ 3）針對輸氣方案，分別完成下面的內(nèi) 容 : 1）進行站的工藝計算，完成工藝設計，完成各站戰(zhàn)場設備的選型計算，確定設備的型號和個數(shù)，并繪制首末站和中衛(wèi)分輸站工藝流程圖。完成設計任務。 2）為保證管道設計輸氣要求以及準確性和安全性，必須對工藝系統(tǒng)進行詳細分析。工藝系統(tǒng)分析的內(nèi)容有：內(nèi)涂層設置分析；壓氣站布置分析；管道輸送能力適應性分析；第 2 章設計概述 7 管道末端儲氣能力分析、代輸能力分析等計算，完成計算分析報告。 相關軟件介紹 選線軟件 — 谷歌地球（ Google Earth， GE） 谷歌地球（ Google Earth， GE）是一款 Google 公司開發(fā)的虛擬地球儀軟件，它把衛(wèi)星照片、航空照相和 GIS 布置在一個地球的三維模型上。利用其先進的衛(wèi)星圖像可以進行線路選擇、確定高程和測距。 本設計使用軟件版本： Google Earth 。 設計和仿真軟件 — RealPipe RealPipe 是一款由中國石油管道科技研究中心自主研發(fā)的石油天然氣管道仿真軟件，可以對天然氣、成品油、原油三種介質(zhì)管道進行仿真計算。 本設計使用軟件版本： RealPipe （ Build 2907）。 不同方案的設計思路 線路選擇思路 （ 1）輸氣管道線路選擇原則 1）線路走向應根據(jù)地形、工程地質(zhì)、沿線主要進氣、供氣點的地理位置以及交通運輸、動力等條件，經(jīng)多方案對比后確定。 2）管線敷設地區(qū)的選擇應符合我國現(xiàn)行的有關規(guī)定，線路走向應盡量避開城市規(guī)劃區(qū)、文物古跡、風景名勝、自然保護區(qū)等。 3）線路宜避開多年經(jīng)濟作物區(qū)域和重要的農(nóng)田基本設施。 4）管道不應從飛機場、鐵路車站、海港碼頭、鐵路通過，若必須通過，除征得有關部門同意外，還需要采用相應的安全保護措施。 5）管道不應從飛機場、鐵路車站、海港碼頭、鐵路通過，若必須通過，除征得有關部門同意外，還需要采用相應的安全保護措施。 6）線路應盡可能的利用現(xiàn)有的公路，方便施工和管理。同時應盡可能利用現(xiàn)有的國家電網(wǎng)供電，以降低工程費用。 7）線路應盡可能的取直，縮短線路長度，同時線路也要盡可能靠近城鎮(zhèn)和工礦企業(yè)用戶。 （ 2）地區(qū)等級劃分 管道安全保證兩種指導思想：（ 1）控制管道自身的安全性。它的原則是嚴格控制管第 2 章設計概述 8 道及其構件的強度和嚴密性，并貫穿到從設計、設備材料選用、施工、生產(chǎn)、維護到更新改造的全過程。用控制管道的強度來確保管 線系統(tǒng)的安全，從而對周圍建構筑物提供安全保證。（ 2）控制安全距離，如前蘇聯(lián)“大型管線”設計標準。它雖對管道系統(tǒng)強度有一定的要求，但主要是控制管道與周圍建筑物的距離，以此對周圍建構筑物提供安全保證。 地區(qū)等級劃分： 我國幅員遼闊，東西南北的地區(qū)特征差別甚大。根據(jù)我們多年來的工作實踐，按居民（建筑物）密度指數(shù)劃分四個地區(qū)等級，進行相應的管道設計是適宜的?！遁敋夤艿拦こ淘O計規(guī)范》采用沿管道中心線兩側各 200m范圍內(nèi)，任意劃分長度為 2km 的若干管段區(qū)域，按劃定區(qū)域內(nèi)供人居住的獨立建筑物（戶）數(shù)目（以數(shù)目多者為準）確 定居民（建筑物）密度指數(shù)。 綜上所述，用提高輸氣管道自身的安全度來保證管道周圍建構筑物的安全是積極的。 本設計中，全線地區(qū)等級設定為二級地區(qū)，對應設計系數(shù)為 。 地區(qū)等級劃分標準見表 21 表 21 規(guī)范采取的地區(qū)等級劃分標準 居民（建筑物）密度指數(shù) 地區(qū)等級 設計系數(shù) ≤ 15 一 ＜ 100 二 ≥ 100 三 四層及以上樓房普遍集中、交通頻繁、地下設施較多的地區(qū) 四 （ 3） 管道敷設 1）考慮管道的安全，便于維護，不影響交通和耕作等，輸氣管道應為埋地敷設。埋地敷設困難的特殊地段，經(jīng)設計論證后，亦可采用地上或土堤敷設等形式。 2）為保證管道完好，免受外力損傷，不妨礙農(nóng)業(yè)耕作等要求，規(guī)范規(guī)定的最小覆土層厚度是根據(jù)我國輸氣管道的建設經(jīng)驗并參照國外等有關規(guī)范而提出。 （ 4） 干線截斷閥室建設 根據(jù)《輸氣管道工程設計規(guī)范》的規(guī)定，截斷閥位置應該選擇在交通方便、地形開第 2 章設計概述 9 闊、地勢較高的地方。不同等級地區(qū)截斷閥的設置間距不同，截斷閥最大間距應符合下列規(guī)定： 一級地區(qū)為主的管段不宜大于 32km； 二級地區(qū)為主的 管段不大于 24km； 三級地區(qū)為主的管段不大于 16km； 四級地區(qū)為主的管段不大于 8km。 上述規(guī)定的閥門間距可以稍作調(diào)整，使閥門安裝在更容易接近的地方。 西氣東輸聯(lián)絡線管道所處地區(qū)等級為二級地區(qū)。 （ 5）線路構筑物 管道在通過土（石）坎、陡坡、沖溝、河溝等特殊地段時應結合環(huán)境保護的要求因地制宜設置保護管道的設施。常用方法有：石砌護坡、漿砌塊石擋土墻、毛石混凝土擋土墻、加筋土擋土墻、鋼筋混凝土擋土墻、灰土擋土坎、石砌擋土坎、混凝土擋土坎、條石（灰土、草袋）護壁、截（排）水溝、阻水墻、淤土壩、抗沖層、錨固墩等。 設計方案確定思路 （ 1）近些年來國內(nèi)外長距離天然氣管道的發(fā)展趨勢： 1）大管徑、高壓力、不斷采用新材料、新技術； 2）采用高強度、高韌性、直縫鋼管，以節(jié)省材料。本設計中，緊密結合當前我國天然氣管道技術水平和管道參數(shù)，方案組合中，設計壓力選取 8Mpa、10Mpa、 12Mpa，管徑選取超過 1000mm 的 1016mm 和 1219mm，管道材料選擇強度較高的 X80 鋼。 （ 2）不同方案，根據(jù)不同的設計壓力和城市配氣站進站所需最小壓力及設計輸氣量確定末段長度，然后根據(jù)末段長度計算調(diào)峰能力，當調(diào)峰能力達不到預期時，通過提高末段起點壓力 P1max 來達到儲氣要求； （ 3）利用軟件進行工藝計算，具體方法是采用試算法。根據(jù)設計壓力、設計壓氣站壓 比和輸氣量，考慮