3.3 工艺计算与分析

3.3.1  设计和计算所需的主要基础资料和数据，是由管道建设单位根据工程建设条件和任务提出的。本条所列举的各项资料是输气管道设计和计算必不可少的。不具备这些资料和数据，管道输气工艺设计便无法进行。

    在有压气站的输气管道工艺计算中，沿线自然环境条件，如站场海拔高程、大气压、环境温度、沿线土壤传热系数等，都是必备的资料。当要利用管道储气调峰时，动态模拟计算还需要用户的用气特性曲线和数据。

3.3.2  输气管道工艺计算采用输气管道基本公式，是考虑到管道设计中计算技术的发展，现阶段已有条件进行复杂和更加精确的计算。

    本规范公式系按气体动力学理论并根据气体管路中流体的运动方程、连续性方程和气体状态方程联立解导而得，其结果可由下列基本方程表达：

    假定dh＝0作为水平管系，则上述表达娇捎孟铝蟹匠瘫硎荆�

    再将上述方程经计算和简化，即得计算水平管的基本公式如下：

    当输气管道沿线地形平坦，任意两点的相对高差小于200m，输气压力不高时，按水平管公式计算误差很小，可忽略不计。此时可采用水平管基本公式(1)计算。但是在输气压力较高时，即使相对高程小于200m，气柱造成的压力也较大，如在6.4MPa压力下，相对密度0.6的天然气200m气柱造成的压力达0.1MPa。为了说明式(1)的使用条件，条文中增加了“不考虑高差影响时”的限制条件。

     当输气管道沿线地形起伏，任意两点的相对高差大于200m对输气量有影响时，应按式(2)计算。

    将长度为L的输气管道视为由数段高差不同且坡度为均匀向上或向下的若干直管管段组成。设各管的长度为L₁、L₂、L₃……L_n，压力为P_H、P₁、P₂、P₃……P_K，高程为h_H、h₁、h₂、h₃……h_K。如设起点高程为h_H＝0，则各直线管段的高差为△h₁＝h₁—h_H，△h₂＝h₂—h₁，△h₃＝h₃—h₂……△h＝h_K—h_H，通过上述基本方程进行运算和简化后则可得下式：

    式中：q_v——气体的流量(P₀＝0.101325MPa，T0＝293K)(㎡/d)；

          C——计算常数，C＝πT₀R_a/4P₀，其中，T₀＝293K，R_a为空气的气体常数，在标准状态下，R_a＝287.1m2/(S²·K)，P₀＝0.101325MPa；

          P_H、P_K——计算管段起点和终点压力(MPa)；

          α——系数(m^-1)，，其中，g为重力加速度，取9.81m/s²，Ra为空气的气体常数，在标准状态下，Ra＝287.1m²/(S²·K)；

          △h——计算管段起点和终点间高差(m)；

          d——管道内径(cm)；

          λ——水力摩阻系数；

          Z——气体压缩因子；

          △——气体相对密度；

          T——气体温度(K)；

          n——输气管道计算管段内按沿线高差变化所划分的计算段数；

          h_i、h_i-1——各划分管段终点和起点的标高(m)；

          L_i——各划分段长度(km)。

    式(1)和式(2)中各参数符号的计量单位除说明之外，见表1，当各参数单位予以给定时，可得C值，见表1。

表1

    式(2)分子中(1＋a△h)一项表示输气管道终点与起点的高差对流量的影响，分母中一项表示输气管沿线地形(沿线中间点的高程)对流量的影响。

    天然气在标准状态下，假设ρ_G＝0.7kg/m³，100m气柱相当压力为700Pa，可以忽略不计。但在地形起伏、高差大于200m的情况下，造成输气量误差较大，则不能忽略。如压力为7.5MPa、压缩因子为0.87时，ρ_G＝60.3kg/m³，高差为1000m时即相对于0.603MPa的压力，这样的压力就不能忽略。因此，凡是在输气管线上出现有比管线起点高或低200m的点，就必须在输气管道水力计算中考虑高差对输量的影响。

    将式(3.3.2-1)和式(3.3.2-2)按法定符号和法定计量单位进行转换，则得本规范正文中所列的公式。

    当输气管道中气体流态为阻力平方区时，根据目前我国冶金、制管、施工及生产管理等状况，工艺计算推荐采用附录A给出的公式(原为Panhandle B式)。

    附录A公式中引入一个输气效率系数E，其定义为：

    式中：Q_φ——气体实际流量(m³/d)；

          Q——气体计算流量(m³/d)。

    输气效率系数E等于输气管道实际输气量与理论计算输气量之比，表明管道实际运行情况偏离理想计算条件的程度。设计时选取E值应考虑计算条件与管道实际运行条件的差异，以保证运行一段时间后管道实际输气量能满足设计任务输气量。美国一般取E＝0.9～0.96。

    E值的大小主要与管道运行年限、管内清洁程度、管径大小、管壁粗糙情况等因素有关。若气质控制严格，管内无固、液杂质聚积，内壁光滑无腐蚀时E值较高。当管壁粗糙度和清洁程度相同时，大口径管道相对粗糙度较小，故E值比小口径管道高。

    我国管道施工水平及气体的气质控制与世界先进水平尚有差距，运行条件与设计条件也不尽相符。本规范推荐输气管道公称直径为300mm～800mm时，E值为0.8～0.9，大于800mm时，E值为0.91～0.94。

3.3.4  由于输气管道工程规模扩大，系统复杂性提高，供气范围大，对供气可靠性的要求提高。不稳定工况对安全、平稳供气影响很大，不稳定工况主要来自供用气的不均衡性和管道系统故障，如管线破裂漏气、压缩机组故障停运等。为了分析不稳定工况对供气可靠性的影响，需要模拟各种不稳定工况条件下各节点工艺参数和储气量，以便分析管道的供气和调峰能力、事故自救能力和应采取的对策。

    对用气不均衡性的动态计算，应提供一个波动周期内每小时用气量的变化数据(或负荷系数)，一般以一周为一周期。如果是事故工况，主要是计算出管道能维持供气的时间，时间长短随事故地点、事故性质而变化，故条文中对计算周期不作具体规定。

3.3.5  目前我国输气管道工艺分析主要借助软件计算，由于输气工艺分析计算的软件较多，如有国际知名公司开发的，也有自主开发的软件，因此要求在使用前需经工程实践验证，以保证计算结果的可靠性。