CN111310359B - 一种超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法，属于天然气管道设计技术领域。步骤一，收集乙烷管道的基础数据；步骤二，建立以乙烷输送管道年折合费用最低为目标函数，包含超临界乙烷稳定输送约束在内的超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计模型；步骤三，确定优化参数及其可行域；步骤四，对乙烷管道设计参数进行计算；步骤五，得到目标函数值；步骤六，改变优化参数得到目标函数值集合，通过经济比较得到最小值，所对应流速即为最优流速。本发明提出的超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法具有计算流程清晰、操作方便、计算速度快的特点，为超临界乙烷长距离输送管道的安全、经济高效设计和运行管理提供指导。

Description

一种超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法

技术领域

本发明属于天然气管道设计技术领域，尤其涉及一种超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法。

背景技术

乙烷是一种重要的化工原料，可用于合成乙烯、聚乙烯、制作制冷剂等。对于大量乙烷的长距离陆上输送，管道输送是最方便和经济的输送方式。乙烷由于较低的临界温度和临界压力，具有在超临界相区进行输送的条件，但是国内外尚未形成超临界乙烷长距离输送管道的设计标准和规范，对于超临界乙烷管道的最优流速设计研究鲜见于报道，其设计主要参考天然气、石油制品输送管道的相关标准。

结合附图1对乙烷相态进行解释，A点是乙烷的临界点，临界压力、临界温度分别为4.88MPa和32℃，其相态一共有三种，气相、液相、超临界相。当乙烷压力小于4.88MPa温度大于32℃或压力温度处于AB曲线下方，此时乙烷为气相；当乙烷压力大于4.88MPa温度小于32℃或压力温度处于AB曲线上方，此时乙烷为液相；当乙烷压力大于4.88MPa且温度大于32℃，此时乙烷为超临界相。AB曲线是乙烷相态包络线，表示液相与气相的分界线，其余两条虚线分别表示超临界相与液相乙烷的分界线，以及超临界相与气相乙烷的分界线。

超临界乙烷的物性介于两者之间，例如超临界相乙烷密度较小与液相，远大于气相，而粘度较大于气相，远小于液相。在管道输送过程中密度决定了输送效率，密度越大输送效率越高；而粘度决定了输送过程中压力的损失大小，粘度越大，压力损失越大。因此，超临界乙烷由于其高密度低粘度的特性，将成为主要的管道输送方式。但是，超临界输送存在以下隐患：1.运行压力温度高，管道输送风险大；2.超临界乙烷在运行过程中极易发生相变，即变为液相或气相，形成多相流，会导致更大的压力损失和流动安全问题的产生。并且，如果一直保证乙烷处于超临界输送的话，管道会始终处于高温高压下运行，在长达数百公里的管道上一直处于这个状态运行，无疑会增加巨大的能耗费用和安全隐患，这是得不偿失的。

目前现有的长输管道最优流速设计方法主要参考天然气原油管道设计方法进行设计，其输送压力温度较低，对于超临界乙烷的这种特殊性不再适用，所以需要开发一种新的设计方法。同时，通过调研已建的超临界输送管道，发现其运行压力始终大于临界压力，而运行温度可以低于临界温度，即乙烷不仅在超临界区运行，也可以在压力高于临界压力的液相区运行。基于此，通过对乙烷的物性参数进行研究，如密度，粘度，压缩因子等参数，发现当压力大于临界压力时，乙烷的物性参数随温度呈连续性变化，没有发生突变。而一旦出现压力降低到临界压力之下，物性参数就会发生较大突变。基于此，本发明提出了一种超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法，既降低了施工成本，又降低了能耗，为超临界相乙烷输送管道的安全、经济高效设计和运行管理提供指导。

发明内容

本发明提供了一种根据超临界乙烷高温高压输送且易相变的特性，引入超临界乙烷稳定输送约束，确定超临界乙烷长距离输送管道最优流速的方法，克服了现有天然气、原油管道最优流速设计方法无法适用于超临界乙烷长距离输送管道的设计问题。

上述的一种超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法，包括以下步骤：

步骤一，收集超临界乙烷长距离输送管道的基础数据，包括输送介质组分、管道长度、管道输量、环境温度、最低进站压力，和经济数据，包括征地费用、管材费用、保温层费用、防腐层费用、中间站建设费用、维护费用、电价；

步骤二，建立以超临界乙烷长距离输送管道年折合费用最低为目标函数，包含超临界乙烷稳定输送、管道稳定性和管道强度约束在内的乙烷输送管道最优流速设计模型，具体模型如下所示：

目标函数如下式所示：

minF＝(F_Li+F_Pi)·E+F_Lj+F_Pj+F_Pk (1)

式中：F——管道总费用，万元/年；

F_Li——管道投资，万元；

F_Pi——建站投资，万元；

F_Lj——管道运行维护费用，万元/年；

F_Pj——泵站运行维护费用，万元/年；

F_Pk——能耗费用，万元/年；

E——折算系数。

目标函数中各部分具体内容如下所示：

(1)管道建设投资F_Li

式中：a₀——土地建设费用系数，万元/km；

a₁——管道的施工费用系数，万元/(m.km)；

a₂——管材的费用系数，万元/(t.km)；

a₃——管道的外防腐费用系数，万元/m²；

D——管道的外径，m；

δ——管道壁厚，m；

ρ——管材密度，t/m³；

L——管道长度，km；

D_B——保温层外直径，m；

a_w——保温层价格，万元/m³。

(2)管道维护费用F_Lj

式中：c₀——管道的年运行维护因子，yr^-1。

(3)泵站建设投资F_Pi

式中：b₀——站场的建设费，万元；

b₁——与设备功率有关的设备投资系数，万元/kW；

N——压缩机站功率，kW；

m——压气站的数量。

泵站功率可按下式计算：

式中：Q_i——输送温度下，第i站泵的排量，m³/s；

ρ_l——输送温度下的液体密度，kg/m³；

H——输量Q_i时泵的扬程，m；

η_i——输量Q_i时泵的效率。

(4)泵站维护费用F_Pj

式中：c₁——站场的年运行维护因子，yr^-1。

(5)能耗费用F_Pk

式中：η——能耗附加系数；

Y——电价，￥/(kW·h)；

H_d——年运行天数，d。

(6)折算系数E

式中：y——管道的设计寿命，年；

i——内部收益率，一般取为0.12～0.15，1/a。

约束条件如下所示：

(7)超临界乙烷稳定输送约束条件

超临界乙烷稳定输送约束是指，超临界乙烷在输送工程中任一点的压力要大于乙烷的临界压力。约束条件如下式所示：

P_critical＜P_x (9)

式中：P_x——管道某一温度所对应的运行压力；

P_critical——该温度所对应的输送乙烷的临界压力。

(8)强度约束

在管道运行过程中，管道运行压力必须小于等于管道的最大允许操作压力。管道强度约束具体形式如下式所示：

式中：P——管道的设计压力(取起点压力的1.2倍)；

σ_s——管材最低屈服强度，MPa；

F——强度设计系数。

(9)管道稳定性约束

长距离液相管道在埋地时需要考虑管道横截面向的失稳，稳定性约束条件如下式：

式中：E_p——管径与壁厚的比例限制值，一般取80～120之间。

(10)管径规格约束

管道所使用的管材均是按照一定的标准系列(如API制造标准或者GB9711-2017)制造的，所以管径并不是连续变量，而是与规范相适应的离散值，所以管道管径应在相关的标准中选取规定的管径值。

式中：

——标准管的外径参数集合。

步骤三，确定优化参数，包括管道材料、起点压力、管道直径、是否设置保温层及其厚度，及各个参数的可行域；

步骤四，根据步骤一中的基础数据和步骤三的优化参数(在参数的可行域任意选取一组参数)，通过壁厚计算公式、水力热力公式计算管道运行的压降和温降，再结合步骤二中的约束条件对整条超临界乙烷管道进行计算，得到管径、泵站数、增压功率、保温层等参数，形成一组设计方案；

壁厚计算公式：

式中δ——管道计算壁厚，mm；

c——腐蚀裕量，通常取1mm；

[σ]——管材许用应力，MPa。

水力计算公式：

式中：h——管道沿程摩阻损失，m(液柱)；

Q——管道输量，m³/s；

ν——管道介质的运动粘度，m²/s；

d——管道内径，m；

β、m——与流态有关的常数。

热力计算公式：

T_L＝(T₀+b)+[T_R-(T₀+b)]e^-aL (15)

式中：T_L——距起点L处温度，℃；

T_R——管道起点温度，℃；

T₀——周围介质温度，℃；

a、b——热力参数。

步骤五，将步骤四计算所得的参数带入到步骤二中的目标函数(2)～(7)中得到目标函数值Q₁；

步骤六，通过改变步骤三中的优化参数(管道材料、起点压力、管道直径、保温层)，即在可行域中选取另一组数据，再进行步骤四和步骤五的计算。循环此步骤直到可行域中数据选择完，可得到n组的目标函数值{Q₁，Q₂，…，Q_n}，通过比较得到最小目标函数值Q_min，所对应方案的流速即为最优流速。

本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：

建立了超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计模型，增加了超临界乙烷稳定输送约束条件，能够得到超临界乙烷管道设计的最优流速，保证超临界乙烷在输送过程中不会发生相变，从而避免出现管道气阻、段塞流等流动安全问题，且管道建设费用合理。本发明方法计算流程清晰、操作方便、计算速度快，计算结果符合实际情况，为超临界乙烷管道的设计提供了可靠的依据。

附图说明

图1为本发明计算超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法相态包络图。

图2为本发明计算超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法步骤图。

图3为本发明计算超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法步骤四流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供一种超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，收集超临界乙烷长距离输送管道的基础数据，包括输送介质组分、管道长度、管道输量、环境温度、最低进站压力，和经济数据，包括征地费用、管材费用、保温层费用、防腐层费用、中间站建设费用、维护费用、电价；

步骤二，建立以超临界乙烷长距离输送管道年折合费用最低为目标函数，包含超临界乙烷稳定输送、管道稳定性和管道强度约束在内的乙烷输送管道最优流速设计模型，具体模型如下所示：

目标函数如下式所示：

minF＝(F_Li+F_Pi)·E+F_Lj+F_Pj+F_Pk (16)

式中：F——管道总费用，万元/年；

F_Li——管道投资，万元；

F_Pi——建站投资，万元；

F_Lj——管道运行维护费用，万元/年；

F_Pj——泵站运行维护费用，万元/年；

F_Pk——能耗费用，万元/年；

E——折算系数。

目标函数中各部分具体内容如下所示：

(1)管道建设投资F_Li

式中：a₀——土地建设费用系数，万元/km；

a₁——管道的施工费用系数，万元/(m.km)；

a₂——管材的费用系数，万元/(t.km)；

a₃——管道的外防腐费用系数，万元/m²；

D——管道的外径，m；

δ——管道壁厚，m；

ρ——管材密度，t/m³；

L——管道长度，km；

D_B——保温层外直径，m；

a_w——保温层价格，万元/m³。

(2)管道维护费用F_Lj

式中：c₀——管道的年运行维护因子，yr^-1。

(3)泵站建设投资F_Pi

式中：b₀——站场的建设费，万元；

b₁——与设备功率有关的设备投资系数，万元/kW；

N——压缩机站功率，kW；

m——压气站的数量。

泵站功率可按下式计算：

式中：Q_i——输送温度下，第i站泵的排量，m³/s；

ρ_l——输送温度下的液体密度，kg/m³；

H——输量Q_i时泵的扬程，m；

η_i——输量Q_i时泵的效率。

(4)泵站维护费用F_Pj

式中：c₁——站场的年运行维护因子，yr^-1。

(5)能耗费用F_Pk

式中：η——能耗附加系数；

Y——电价，￥/(kW·h)；

H_d——年运行天数，d。

(6)折算系数E

式中：y——管道的设计寿命，年；

i——内部收益率，一般取为0.12～0.15，1/a。

约束条件如下所示：

(7)超临界乙烷稳定输送约束条件

超临界乙烷稳定输送约束是指，超临界乙烷在输送工程中任一点的压力要大于乙烷的临界压力。约束条件如下式所示：

P_critical＜P_x(24)

式中：P_x——管道某一温度所对应的运行压力；

P_critical——该温度所对应的输送乙烷的临界压力。

(8)强度约束

在管道运行过程中，管道运行压力必须小于等于管道的最大允许操作压力。管道强度约束具体形式如下式所示：

式中：P——管道的设计压力(取起点压力的1.2倍)；

σ_s——管材最低屈服强度，MPa；

F——强度设计系数。

(9)管道稳定性约束

长距离液相管道在埋地时需要考虑管道横截面向的失稳，稳定性约束条件如下式：

式中：E_p——管径与壁厚的比例限制值，一般取80～120之间。

(10)管径规格约束

管道所使用的管材均是按照一定的标准系列(如API制造标准或者GB9711-2017)制造的，所以管径并不是连续变量，而是与规范相适应的离散值，所以管道管径应在相关的标准中选取规定的管径值。

式中：

——标准管的外径参数集合。

步骤三，确定优化参数，包括管道材料、起点压力、管道直径、是否设置保温层及其厚度，及各个参数的可行域；

步骤四，根据步骤一中的基础数据和步骤三的优化参数(在参数的可行域任意选取一组参数)，通过壁厚计算公式、水力热力公式(12)、(13)计算管道运行的压降和温降，再结合步骤二中的约束条件对整条超临界乙烷管道进行计算，得到管径、泵站数、增压功率、保温层等参数，形成一组设计方案；

壁厚计算公式：

式中δ——管道计算壁厚，mm；

c——腐蚀裕量，通常取1mm；

[σ]——管材许用应力，MPa。

水力计算公式：

式中：h——管道沿程摩阻损失，m(液柱)；

Q——管道输量，m³/s；

ν——管道介质的运动粘度，m²/s；

d——管道内径，m；

β、m——与流态有关的常数。

热力计算公式：

T_L＝(T₀+b)+[T_R-(T₀+b)]e^-aL (30)

式中：T_L——距起点L处温度，℃；

T_R——管道起点温度，℃；

T₀——周围介质温度，℃；

a、b——热力参数。

步骤五，将步骤四计算所得的参数带入到步骤二中的目标函数(2)～(7)中得到目标函数值Q₁；

步骤六，通过改变步骤三中的优化参数(管道材料、起点压力、管道直径、保温层)，即在可行域中选取另一组数据，再进行步骤四和步骤五的计算。循环此步骤直到可行域中数据选择完，可得到n组的目标函数值{Q₁，Q₂，…，Q_n}，通过比较得到最小目标函数值Q_min，所对应方案的流速即为最优流速。

下面结合具体实例对本发明的应用原理作进一步描述。

例：TLM管道的超临界乙烷的成分为96％乙烷，2％甲烷，2％丙烷，管道总长度为200km，管道输量为2286t/d，起点温度为293.15K，环境温度为283.15K。以本发明所给出的方法，计算超临界乙烷管道的最优流速。

步骤一，收集TLM管道的基础数据：输送乙烷的组成为2％CH₄，96％C₂H₄，2％C₃H₈；管道总长度为200km，管道输量为2286t/d，起点温度为293.15K，环境温度为283.15K，其余基本参数见下表。

基本参数	参数取值
		泵机效率	0.8
年工作日	350
		管道设计寿命	20年
土地建设费用系数	52.0639万元/km
		管道施工费用系数	0.8244683万元/(mm.km)
管材费用系数	0.62万元/t
		外防腐费用系数	8万元/(mm.km)
内涂层费用系数	4万元/(mm.km)
		站场建设费用	42.32万元
与功率有关的设备投资系数	7.19万元/kW
		管道的年运行维护因子c<sub>0</sub>	0.03
站场的年运行维护因子c<sub>1</sub>	0.05

步骤二，建立超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计模型。

步骤三，确定优化参数为管道材料、起点压力、管道直径、是否设置保温层及其厚度，其可行域分别为：{管道材料|L245，L360，20#}、{起点压力，MPa|7，8，9}、{管道直径D，mm|159，219，273，323.9，355.6，406.4，457，508，D∈Z}、{保温层厚度，mm|0，20，40}，确定第一种方案为：管道材料为L245钢，起点压力为9.0MPa，管道直径219mm，保温层厚度20mm。

步骤四，根据步骤一、步骤三中的基础数据通过水力热力公式再结合步骤二中的约束条件对整条超临界乙烷管道的参数进行计算，得到该条件下的计算结果如下所示，管道直径219mm，壁厚为8mm，中间站数为1，泵机功率159kW，保温层厚度20mm。

步骤五，将步骤四计算所得参数带入到步骤二中的目标函数中得到目标函数值，即第一种方案管道建设年折合费用为Q₁＝112.03828百万元。

步骤六，通过改变步骤三中的优化参数(管道材料、起点压力、管道直径、保温层)，即在可行域中选取另一组数据，再进行步骤四和步骤五的计算。循环此步骤直到可行域中数据选择完，可得到3×3×8×3＝216组的目标函数值{Q₁，Q₂，…，Q₂₁₆}，部分数据如下表所示，通过比较得到最小目标函数值Q_min＝102.96938百万元，所对应方案的流速即为最优流速v_最优＝2.3m/s。

而本方法改进的地方在于，1.涵盖了现有设计方法，例如当保温层取很大时，可以保证超临界乙烷完全处于超临界相区运行；2.允许乙烷由超临界向液相输送，但不允许其进入气相区。这样的设计方法使得其投资费用较完全在超临界运行更低，且运行更安全。

因此，本发明提出的超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法填补了国内设计的空白，弥补了现有设计方法不适用超临界乙烷的缺点，具有计算流程清晰、操作方便、计算速度快、当地建设实际的特点，为超临界乙烷长距离输送管道的安全、经济高效设计和运行管理提供指导。

Claims (1)

1.一种超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，收集超临界乙烷长距离输送管道的基础数据和经济数据；

步骤二，建立以超临界乙烷长距离输送管道年折合费用最低为目标函数，包含超临界乙烷稳定输送约束的超临界乙烷输送管道最优流速设计模型；

所建立的超临界乙烷稳定输送约束表达式如下所示：

P_critical<P_x (1)

式中：P_x——管道某一温度所对应的运行压力；

P_critical——该温度所对应的输送乙烷的临界压力；

步骤三，确定优化参数，包括管道材料、起点压力、管道直径、是否设置保温层及其厚度，及各个参数的可行域；

步骤四，根据步骤一中的基础数据和步骤三的优化参数，通过壁厚计算公式、水力热力公式计算管道运行的压降和温降，再结合步骤二中的约束条件对整条超临界乙烷管道进行计算，得到管径、泵站数、增压功率、保温层参数，形成一组设计方案；

步骤四具体实施步骤为首先根据步骤一中的基础数据和步骤三的优化参数结合壁厚计算公式计算壁厚，判断是否满足强度约束、稳定性约束和管径规格约束；在满足该约束条件后，将管道分成m等分，根据第一节点处起点温度、起点压力结合水力热力公式计算该管道下一节点处温度、压力，判断这一节点处温度、压力是否满足超临界乙烷稳定输送约束；如果不满足稳定输送约束则设置中间站加一；循环此步骤，直到整条管道计算完成，从而得到中间站数，形成一组设计方案；

壁厚计算公式：

式中：D——管道的外径，m；

δ——管道计算壁厚，m；

c——腐蚀裕量，取0.01m；

P——管道的运行压力，MPa；

[σ]——许用应力，MPa；

水力计算公式：

式中：h——管道沿程摩阻损失，m；

Q——管道输量，m³/s；

v——管道介质的运动粘度，m²/s；

L——管道长度，km；

d——管道内径，m；

β、m——与流态有关的常数；

热力计算公式：

T_L＝(T₀+b)+[T_R-(T₀+b)]e^-aL (4)

式中：T_L——距起点L处温度，℃；

T_R——管道起点温度，℃；

T₀——周围介质温度，℃；

a、b——热力参数；

步骤五，将步骤四所得的参数带入到步骤二中的目标函数中得到目标函数值Q₁；

步骤六，通过改变步骤三中的管道材料、起点压力、管道直径、保温层优化参数，即在可行域中选取另一组数据，再进行步骤四和步骤五的计算；循环此步骤直到可行域中数据选择完，可得到n组的目标函数值{Q₁，Q₂，…，Q_n}，通过比较得到最小目标函数值Q_min，所对应方案的流速即为最优流速。

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