一种在役鼓风式空冷器对不同天然气适应性的评价方法

1.本发明属于油气管道技术领域，涉及一种在役鼓风式空冷器对不同天然气适应性的评价方法。


背景技术：

2.在天然气管道输送行业，天然气在进入长距离输送管道之前，通常会经过输气站场中的压缩机对其进行增压，增压后天然气温度通常会有所升高。如果直接将高温天然气通入输气管线，可能会面临输气管道防腐层受高温损坏，管道腐蚀速度加快，最终导致管道发生腐蚀泄漏事故等风险。对于输气站场，通常在压缩机出口设置有空冷器，对从压缩机出来的高温天然气进行冷却降温，可以起到防止输气管道防腐层受高温损坏的作用，助力输气管线的安全稳定运行。
3.常见的空冷器有鼓风式、板式以及复合型蒸发式三种，天然气输送站场通常使用主要由翅片管、翅片管箱以及风机组成的鼓风式空冷器，风机将冷空气吹经翅片管箱，经翅片管的换热作用实现翅片管中高温天然气的冷却。在输气站场的运作过程中，可能面临输送的天然气气体组成发生变化的情况，此时天然气比热容、导热系数等换热物性以及压缩机出口天然气温度都将发生变化，此时在役空冷器能否将天然气冷却到目标温度，即对新天然气的适应性未知。若采用实验方法对在役空冷器对不同天然气的适应性进行评价，将面临着实验成本高、可能产生未知事故后果的问题。在输气管线输送天然气组分越发多样的趋势下，寻找一种经济、合理、便捷、准确的在役鼓风式空冷器对不同天然气适应性的评价方法，对于节省输气管线运营成本、保护输气管道防腐层、助力输气管线安全稳定运行具有重要的现实意义。
4.据调查，在现有的专利中，专利cn208333163u《一种智能增湿鼓风式空冷器》设计了一种可以在风机上方对冷源空气进行加湿的智能增湿鼓风式空冷器；cn208503112u《一种鼓风式空冷器风圈》设计了一种能降低风机动压进而减小电机能耗的鼓风式空冷器风圈；cn113834681a《一种蒸发式空冷器组的动态节能评估方法及评估系统》公开了一种能对空冷器组实时最低能耗参数进行预测的方法。但目前尚未有一种能对在役鼓风式空冷器对输气管线输送的不同组分天然气的适应性进行快速低成本评价的方法，考虑到输气管线改输不同组分天然气后采用实验方法对在役空冷器适应性进行评价时产生的高昂成本以及面临的未知风险，故本专利对于降低在役空冷器进行对不同天然气适应性评价时的成本及风险，进而助力输气管线安全稳定运行是有必要的。
5.数据采集与监视控制系统(简称scada系统)当前在天然气输送行业中应用广泛，可以对站场分析小屋得到的天然气组分及输气管线沿线各处压力表及温度表读数进行远程监测及读取，还可以在中央控制室基于监测到的数据使用提前设置的判断逻辑对管线工况进行一定的判断，具有数据采集快、分析快、能掌控全局等优点。因此，可使用数据采集与监视控制系统实施本方法，以实现本方法的高效便捷应用。


技术实现要素：

6.本发明是为了解决当天然气输送管道输送的天然气组分发生改变时，站场在役鼓风式空冷器能否将新天然气冷却到原本目标温度，即对新天然气的适应性未知的问题，而提出一种基于天然气输送管线数据采集与监视控制系统能便捷获得管线各处的压力和温度数据以及能快速进行计算的优点，进行在役鼓风式空冷器对不同天然气的适应性进行评价的方法。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：
8.上述的一种在役鼓风式空冷器对不同天然气适应性的评价方法，包括以下步骤：
9.步骤1，利用数据采集与监视控制系统取得管线输送的原天然气与新天然气的组分以及空冷器入口处各天然气的温度信息；
10.步骤2，根据天然气组分及空冷器入口处天然气的温度信息计算天然气的比热容；
11.步骤3，根据经过单个空冷器的天然气流量及空冷器入口处天然气的温度信息计算将天然气冷却到目标温度所需热负荷；
12.步骤4，根据空冷器结构参数，计算空冷器翅片管传热系数；
13.步骤5，根据计算出的总热负荷和空冷器传热系数，计算空冷器风机最大开度条件下所需换热面积；
14.步骤6，结合已知在役空冷器的设计换热面积，评价空冷器对天然气的适应性。
15.步骤1中，所述的利用数据采集与监视控制系统取得管线输送的原天然气与新天然气的组分以及空冷器入口处各天然气的温度信息，包括原天然气和新天然气的组成、各组成所占摩尔分数及空冷器入口处各天然气的温度。
16.步骤2中，所述的根据天然气组分及空冷器入口处天然气的温度信息计算天然气比热容，计算的步骤如下：
17.s21，利用已知温度t，计算各天然气组分气体比热容ci，其计算式见(1)式：
[0018][0019]
式中，c为气体比热容，t为空冷器入口处天然气的温度，a、b、d、e、f为计算系数，下标i表示对应不同天然气组分气体；
[0020]
s22，基于s21中所计算得出的天然气不同组分气体比热容ci，结合各组分气体所占摩尔分数yi，计算天然气整体比热容c，其计算式见(2)式：
[0021][0022]
式中，c为天然气整体比热容，ci为天然气各组分比热容，由s21得出，yi为天然气各组分所占摩尔分数；
[0023]
步骤3中，所述的根据经过单个空冷器的天然气流量及空冷器入口处天然气的温度信息计算将天然气冷却到目标温度所需热负荷，计算步骤及内容如下：
[0024]
s31，使用天然气输送管线数据采集与监视控制系统实时读取经过单个空冷器的天然气质量流量w；
[0025]
s32，基于步骤1中得知的输气站场空冷器入口处天然气温度t1，结合经过单个空
冷器的天然气质量流量w，计算将天然气冷却到目标温度t2所需热负荷q，其计算式见(3)式：
[0026]
q＝w
·
c(t
1-t2)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
式中，q为将天然气冷却到目标温度所需热负荷，w为经过单个空冷器的天然气质量流量，t1为空冷器入口处天然气温度，t2为天然气目标冷却温度；
[0028]
步骤4中，所述的根据空冷器结构参数，计算空冷器翅片管传热系数，其计算步骤及内容如下：
[0029]
s41，根据翅片管翅根直径dr和翅片管内径di，计算翅片管以每米管的对数平均直径为准的表面积am，其计算式见(4)式：
[0030][0031]
式中，am为翅片管以每米管的对数平均直径为准的表面积，dr为翅片管翅根直径，di为翅片管内径；
[0032]
s42，根据每米翅片管上的翅片数nf、翅片厚度ts、翅片外径df和翅根直径dr，计算每米翅片管的翅片表面积af和每米翅片管无翅片部分表面积ar，其计算式分别见(5)、(6)式：
[0033][0034]ar
＝πdr(1-nf·
ts)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0035]
式中，af为每米翅片管的翅片表面积，ar为每米翅片管无翅片部分表面积，df为翅片外径，nf为每米翅片管上的翅片数，ts为翅片厚度，dr同上；
[0036]
s43，根据s42计算出的每米翅片管的翅片表面积af和每米翅片管无翅片部分表面积ar，计算翅片热阻rf，其计算式见(7)式：
[0037][0038]
式中，rf为翅片热阻，h0为翅片管外侧界膜传热系数，ar、af同上；
[0039]
s44，根据s41至s43的计算结果，计算空冷器翅片管传热系数k，其计算式见(8)式：
[0040][0041]
式中，k为空冷器翅片管传热系数，λ为翅片管管金属的导热系数，h0、ar、af、am、ts同上；步骤5中，所述的根据计算出的总热负荷和空冷器传热系数，计算空冷器风机最大开度条件下所需换热面积，其计算步骤及内容如下：
[0042]
s51，根据已知空气入口温度t1、空气比热容ca、热负荷q和空冷器风机最大风量w
amax
，计算空气出口温度t2，其计算式见(9)式：
[0043][0044]
式中，t1为空气入口温度，t2为空气出口温度，w
amax
为空冷器风机最大风量，ca为空
气比热容，q同上；
[0045]
s52，根据天然气入口温度t1、天然气冷却目标温度t2、空气入口温度t1和空气出口温度t2，计算有效平均温差系数a、b，其计算式分别见(10)、(11)式：
[0046]
a＝[(t
1-t2)2 (t
2-t1)2]
0.5
ꢀꢀꢀ
(10)
[0047]
b＝[(t
1-t2)
1/1.7
(t
2-t1)
1/2
]
1.7
ꢀꢀꢀ
(11)
[0048]
式中，a、b为有效平均温差系数，t1、t2、t1、t2同上；
[0049]
s53，根据s52计算出的有效平均温差系数a、b，计算空气有效平均温差δt，其计算式见(12)式：
[0050][0051]
式中，δt为空气有效平均温差，a、b同上；
[0052]
s54，根据s53计算出的空气有效平均温差δt，结合热负荷q和空冷器翅片管传热系数k，计算冷却天然气所需空冷器换热面积ar，其计算式见(13)式：
[0053][0054]
式中，ar为冷却天然气所需空冷器换热面积，q、k、δt同上；
[0055]
步骤6中，所述的结合已知在役空冷器的设计换热面积，评价空冷器对天然气的适应性，根据步骤5中计算得到的冷却天然气所需空冷器换热面积ar与已知空冷器设计换热面积aa之间的数量关系，对空冷器对天然气的适应性情况作出评价，评价步骤及结果如下：
[0056]
s61，若ar《aa，说明在役鼓风式空冷器可以将天然气冷却到目标温度，仅需将空冷器风机转速进行适当调整即可，空冷器对天然气的适应性好；
[0057]
s62，若ar＝aa，说明在役鼓风式空冷器在风机最大转速条件下恰好可以将天然气冷却到目标温度，但出于尽可能不使空冷器满负荷运作的目的，建议适当降低进入空冷器天然气的流量，空冷器对天然气的适应性中等；
[0058]
s63，若ar》aa，说明在役鼓风式空冷器在风机最大转速条件下也不能将天然气冷却到目标温度，需要降低进入空冷器天然气的流量或启用备用空冷器，空冷器对天然气的适应性差。
[0059]
本发明采用以上技术方案，可以达到以下有益效果：
[0060]
(1)本发明提供的一种在役鼓风式空冷器对不同天然气适应性的评价方法，能够评价在役鼓风式空冷器对输气管线输送的不同天然气的适应性，能适应输气管线输送计划的调整；
[0061]
(2)本发明提供的一种在役鼓风式空冷器对不同天然气适应性的评价方法，采用理论公式对不同天然气需要的空冷器换热面积进行计算，进而评价在役鼓风式空冷器对天然气的适应性，克服了输气管线改变输送介质后，采用实验方法对在役鼓风式空冷器适应性进行评价时会产生高昂成本以及面临未知风险的缺点；
[0062]
(3)本发明提供的一种在役鼓风式空冷器对不同天然气适应性的评价方法，能够结合天然气输送管线中的数据采集与监视控制系统进行实施，流程简便、数据处理难度小，可以在短时间内产生评价结果，为指导输气站场在役鼓风式空冷器运作方案的调整提供了
新的技术方法。
附图说明
[0063]
图1是本发明一种在役鼓风式空冷器对不同天然气适应性的评价方法流程图。
[0064]
图2是本发明中提到的利用数据采集与监视控制系统读取本评价方法所需数据流程图。
[0065]
图3是本发明所述方法结合数据采集与监视控制系统进行实现的流程图。
具体实施方式
[0066]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例中的附图，对本发明作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0067]
如图1所示，一种在役鼓风式空冷器对不同天然气适应性的评价方法，包括以下步骤：
[0068]
步骤1，利用数据采集与监视控制系统取得管线输送的原天然气与新天然气的组分以及空冷器入口处各天然气的温度信息；
[0069]
步骤2，根据天然气组分及空冷器入口处天然气的温度信息计算天然气的比热容；
[0070]
步骤3，根据经过单个空冷器的天然气流量及空冷器入口处天然气的温度信息计算将天然气冷却到目标温度所需热负荷；
[0071]
步骤4，根据空冷器结构参数，计算空冷器翅片管传热系数；
[0072]
步骤5，根据计算出的总热负荷和空冷器传热系数，计算空冷器风机最大开度条件下所需换热面积；
[0073]
步骤6，结合已知在役空冷器的设计换热面积，评价空冷器对天然气的适应性。
[0074]
具体实施例
[0075]
某地区的一条输气管线，因能源生产方案调整，有两种新的组分不同的天然气可能会替换原有天然气进行输送。输气站场在役鼓风式空冷器结构参数如表1。
[0076]
表1在役鼓风式空冷器结构参数
[0077][0078][0079]
现根据本发明方法对在役鼓风式空冷器对两种新天然气的适应性进行评价，实施步骤如下：步骤1，利用数据采集与监视控制系统取得管线输送的原天然气与新天然气的组
分以及空冷器入口处各天然气的温度信息，取得的原天然气及两种新天然气的组分如表2所示：
[0080]
表2输气管线原输送天然气及可能进行输送的两种新天然气的组分
[0081]
组成ch4c2h6c3h8i-c4h
10
n-c4h
10
i-c5h
12
n-c5h
12
h2n2co2原天然气95.565％2.16％0.35％0.084％0.0609％0.020％0.0241％0％0.659％1.05％天然气170.565％27.16％0.35％0.084％0.0609％0.020％0.0241％0％0.659％1.05％天然气280.565％2.16％0.35％0.084％0.0609％0.020％0.0241％15％0.659％1.05％
[0082]
三种天然气在标准状况(20℃，101kpa)下的输量均为1000
×
104m3/d，同时取得原本输送的天然气空冷器入口温度为67.52℃，天然气1空冷器入口温度为72.65℃，天然气2空冷器入口温度为63.29℃。
[0083]
步骤2，根据天然气组分及空冷器入口处天然气的温度信息计算天然气的比热容，公式(1)中常见气体的各计算系数值见表3：
[0084]
表3公式(1)中常见气体各计算系数值
[0085]
组分ab
×
10-3d×
10-6e×
10-10f×
10-14
t
min
/kt
max
/ko20.221724-0.020520.030639-0.108610.130606501500h23.1996170.392786-0.293451.090069-1.387871551223h2o0.447642-0.02190.030496-0.056620.027722501500no20.146150.0376530.017707-0.108670.162378501500h2s0.237448-0.023230.038812-0.113290.144841501500n20.254098-0.016620.015302-0.0310.015167501500co0.252843-0.01540.016079-0.034340.017573501500co20.158843-0.033710.148105-0.96622.073832501000so20.414420.0147120.026964-0.148820.230436501500ch40.118071-0.211410.339276-1.164321.389612501500c2h60.538285-0.024570.291402-1.281031.813482501500c3h80.2646120.1260840.18143-0.918911.35485501500i-c4h
10
0.1603040.2387360.091593-0.594050.909645501500n-c4h
10
0.0996870.2665480.054073-0.429270.669582001500i-c5h
12
0.099070.382449-0.02756-0.143040.2956772001500n-c5h
12
0.1118290.2285150.086331-0.544650.818452001500
[0086]
计算出三种天然气各组分在空冷器入口处的比热容及由公式(2)计算出的天然气总比热容结果见表4：
[0087]
表4天然气各组分及整体在空冷器入口处的比热容计算结果
[0088]
[0089][0090]
步骤3，根据经过单个空冷器的天然气流量及空冷器入口处天然气的温度信息计算将天然气冷却到目标温度所需热负荷，由数据采集与监视控制系统读取到的经过单个空冷器的输气管线质量流量w及由公式(3)计算出的天然气所需热负荷结果见表5：
[0091]
表5各天然气所需热负荷计算
[0092]
参数原天然气天然气1天然气2质量流量w81.75926kg/s98.77315kg/s71.56250kg/s天然气初始温度t167.52℃72.65℃63.29℃目标冷却温度t255℃55℃55℃需要的热负荷q2379861.828w3886650.068w2444974.846w
[0093]
步骤4，根据空冷器结构参数，计算空冷器翅片管传热系数，根据表2提供的在役鼓风式空冷器结构参数，计算结果如下：
[0094]
s41，根据公式(4)计算出翅片管以每米管的对数平均直径为准的表面积am＝0.073727053m2；
[0095]
s42，根据公式(5)和公式(6)计算出每米翅片管的翅片表面积af＝1.056391928m2，每米翅片管无翅片部分表面积ar＝0.056925658m2；
[0096]
s43，根据公式(7)计算出翅片热阻rf＝0.009829376m2·
k/w；
[0097]
s44，根据公式(8)计算出空冷器翅片管传热系数k＝37.36292978w/m2·
k；
[0098]
步骤5，根据计算出的总热负荷和空冷器传热系数，计算空冷器风机最大开度条件下所需换热面积，计算结果如下：
[0099]
s51，根据公式(9)计算出各天然气对应空气出口温度t2见表6：
[0100]
表6各天然气对应的空气出口温度t2[0101] 原天然气天然气1天然气2空气出口温度t233.3482787℃41.79962202℃33.71348759℃
[0102]
其中空气入口温度t1均为20℃，空气比热容ca均取1005j/kg
·
k；
[0103]
s52，根据公式(10)和公式(11)计算出各天然气对应有效平均温差系数a、b见表7：
[0104]
表7各天然气对应的有效平均温差系数a、b
[0105] 原天然气天然气1天然气2a18.30100928.04899316.024476b53.03593661.95596645.000895
[0106]
s53，根据公式(12)计算出空气有效平均温差δt见表8：
[0107]
表8各天然气对应的空气有效平均温差δt
[0108] 原天然气天然气1天然气2空气有效平均温差δt14.95868928℃16.90090409℃12.65583976℃
[0109]
s54，根据公式(13)计算将各天然气冷却到目标温度所需空冷器换热面积ar见表9：
[0110]
表9将各天然气冷却到目标温度所需空冷器换热面积ar[0111] 原天然气天然气1天然气2所需空冷器换热面积ar4258m26155m25171m2[0112]
步骤6，结合已知空冷器设计换热面积，评价空冷器对天然气的适应性，对各天然气的评价结果如下：
[0113]
对于输气管线原输送天然气，所需空冷器换热面积4258m2，小于在役空冷器设计换热面积5996m2，说明在役空冷器对原输送天然气适应性好；
[0114]
对于天然气1，所需空冷器换热面积6155m2，大于在役空冷器设计换热面积5996m2，说明在役空冷器即使在风机最大转速下也不能满足对天然气1的冷却需求，其对天然气1的适应性差，在输气管线改输天然气1时，应采取减少管线输送流量或启用备用空冷器等措施以满足天然气1的冷却需求；
[0115]
对于天然气2，所需空冷器换热面积5171m2，小于在役空冷器设计换热面积5996m2，说明在役空冷器能满足对天然气2的冷却需求，其对天然气2的适应性好，在输气管线改输天然气2时，仅需调整风机转速即可保持空冷器出口温度不变。
[0116]
若在输气管线改变输送的天然气种类时，采用实验方法评价在役空冷器对新天然气的适应性，则不仅会产生高昂的成本，还可能面临将未冷却完成的天然气通入管线下游引起管道防腐层受高温破坏，或导致天然气冷却过度而使下游管道中产生天然气水合物堵塞管道等风险后果，不利于输气管道的安全稳定运行。
[0117]
本发明提供了一种考虑不同天然气的组分及其在空冷入口处的温度和流量，基于已知的在役鼓风式空冷器结构参数和输气管线设有的数据采集与监视控制系统对在役鼓风式空冷器对不同天然气的适应性进行评价的方法。该方法实现速度快，成本低，克服了输气管线改输其他天然气时，采用实验方法对在役鼓风式空冷器适应性进行评价会导致高昂成本以及面临未知风险的不足，降低了输气管线的运行成本，并助力输气管线的安全稳定运行。
[0118]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。