低压煤层气环状集输管网的管径计算讲解

低压煤层气环状集输管网的管径计算

中国石油工程设计有限公司华北分公司李树清

中国石油工程设计有限公司北京分公司李轲

摘要：本文通过对低压煤层气环状集输管网管径计算的基本原理介绍和计算示例，阐述了如何运用这些理论和公式来解决实际问题，提供了如何进行低压煤层气复杂环状集输管网管径计算的方法，以供今后类似工程设计参考借鉴。低压煤层气的集输，采用环状集输管网工艺，在国内属于首创，是一种新的尝试和创新。

关键词：低压煤层气环状集输管网管径计算

1 前言

随着常规天然气资源不断减少，能源需求不断增加,特别是对环境保护要求的日趋严格，煤层气作为巨大的潜在资源在能源消费中的地位也逐步提高。世界已有17个国家在开展煤层气勘探，美、加、澳、印等国已形成工业化规模，俄罗斯、捷克、波兰等国都在积极勘探。美国是煤层气开采最早最成功的国家，在研究、勘探、开发利用煤层气方面处于世界领先地位，尤其是圣胡安和黑勇士两个煤田的集输系统已经相当成熟。在我国，当前煤层气的勘探开发工作正在日新月异的发展，山西沁水、晋城、大宁、保德等地的煤层气勘探与开发都取得了可喜的进展，并正在逐步进行工业化开采。因此，探讨研究煤层气集输管网的水力计算方法已迫在眉睫。

煤层气矿场集输管道的起点是各个井场，终点为集气站，它是由许许多多的单井管线、集气支线、集气支干线、集气主干线等组成的一个非常复杂的管网系统。

矿场集输管网从形式上分主要有直线式、放射式、环状式三种。从形状上讲主要有枝状、环状、放射状三种。

煤层气管道水力计算的任务是：根据计算流量和规定的压力损失来计算管径，进而决定管道的投资和金属耗量；或是对已有管道演算流量和压力损失，以充分发挥管道的输送能力。因此，能否正确的进行水力计算，直接影响到输配系统的经济性和可靠性。

在管线的设计过程从中，从工艺上如何计算和确定管径是每个设计工程师首先要做的工作和必须要解决的问题。对于集输气管道，关于管径计算的基础理论和公式，在相关的专业书籍或规范中都有详尽的叙述和推导，本文在此不再复述和重复

其推演过程。本文主要阐述如何应用这些理论和公式来解决实际问题，提供如何进行这种复杂集输管道管径计算的方法。

2 基本原理 2.1 基本公式

煤层气的矿场集输压力较低，一般在0.3~1.1MPa （绝）左右，管道输送压力接近于城市燃气管网的高、中压管道。因此其水力计算可以按照城市燃气高、中压管道的计算方法进行，对于中、高压燃气管道有：

0520222194.16T T

d

Q L P P ∆=-λ………………（式2-1）

； 式中： P 1——管道起点压力kg/cm 2（绝）；

P 2——管道终点压力kg/cm 2（绝）； L ——管道的计算长度km ； Q 0——气体的流量Nm 3/h ； d ——管道的内经cm ； ∆——气体的相对密度； T ——气体的温度k ；

T 0——标况下的绝对温度273.15k ； λ——摩阻力系数；

2.2 管径计算公式推导

如图2-1，假定：

1）、管道的起、终点地形高差不大于200m 。 2）、环形集气管网由同径管组成。

3）、上半环各管段天然气流量为Q 1~Q n ，它们通过A 点、B 点、……、I 点输至O 点。下半环各管段天然气流量为q 1~q n ，它们通过A 点、b 点、……、j 点输至O 点。

4）、A 点为上、下两个半环管道的起点（零点），其压力为P 1.。O 点为上下两个半环管道的汇合点，也就是环网的终点，此点压力为P 2。

图2-1. 环形管网计算简图

根据上述假定，我们就可以将环形管网的上、下半环分别按直线支状管网来考虑，这个支状管网的干线是由同径管组成的。见图2-2所示。

图2-2. 同径管计算简图

上、下两个半环的气体按上述方向流动，因此A-B-O 和A-b-O 管段的压差相等，因起、终点在同一处，压力平方差必然相等。

将（式2-1）变形整理得：

T

T d P P L Q 0

52

2212

94.16∆-=

λ

………………（式2-2）；

根据上图2-2.，由（式2-2）可得出各管段的L Q 20值： 第1段：T T d P P L Q 0

51

2

2211

20194.16∆-=

λ

第2段：T

T d P P L Q 0

52

2

322220294.16∆-=λ，

……：……， 第i 段：T

T d P P L Q i

i i i i

52

1

22094.16∆-=+λ，

……：……， 第n 段：T

T d P P L Q n

n n n n 0

521

22094.16∆-=

+λ，

将以上第1段至第n 段公式的两边相加得：

T T d P P P P P P P P L Q n n n i i i n

i i i

052122

1

2223221222112

094.16∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⋅⋅⋅+-+⋅⋅⋅+-+-=++=∑λλλλ 整理得：∑

∑=+=-∆=

n

i i

i i n

i i i

P P T T d L Q 1

2

1

20

51

2

094.16λ………………（式2-3）

或：5

1

121212094.16⎪⎪⎪⎪⎪

⎭

⎫

⎝⎛⋅-∆=∑∑=+=T T P P L Q d n i i i i n

i i i λ………………（式2-4）

式中：P 1——管道起点压力kg/cm 2（绝）；

P 2、P 3、Pi 、P i+1 、P n ——管道中间节点压力kg/cm 2（绝）； P n+1——管道终点压力kg/cm 2（绝）； Li ——各管段的计算长度km ； Q 0i ——各管段内气体的流量Nm 3/h ； d ——管道的内经cm ；