管道工程設計問(wèn)題的改進(jìn)建議論文
關(guān)鍵詞：天然氣管道；設計方案；應力分析；第三方破壞；ANSYS軟件；壓力站場(chǎng)
隨著(zhù)我國市場(chǎng)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，天然氣能源的需求也不斷地增長(cháng)。天然氣的有效開(kāi)發(fā)利用，離不開(kāi)天然氣輸氣管道的輸送.從某種程度上看，天然氣管道設計水平的高低直接影響著(zhù)天然氣的運輸安全。因此，提升天然氣管道的設計水平和管理水平，是保證我國天然氣行業(yè)健康發(fā)展的必要條件。
一、壓縮機組設計工況與運行工況偏離問(wèn)題及解決措施
壓縮機供貨商在投標文件中提供的性能曲線(xiàn)一般局限于有限個(gè)水力工況點(diǎn)參數。對于多壓氣站的長(cháng)輸管道，由于下游用氣市場(chǎng)數據不斷更新，逐年的輸量臺階和壓縮機站投運方案也隨之不斷變化，用戶(hù)在壓縮機組招標期間提供給壓縮機供貨商的計算參數與實(shí)際輸量有較大的差別。在壓縮機運轉時(shí)，某些工作點(diǎn)甚至有可能進(jìn)入喘振線(xiàn)或超過(guò)最大和最小轉速曲線(xiàn)。因此，在設計階段確定了壓縮機站的布站方案，而在壓縮機組采辦過(guò)程中，以及管道的投產(chǎn)和運行階段需要對各站壓縮機組開(kāi)展適應性研究，以指導工程做出合理的投產(chǎn)調整計劃。壓縮機組的適應性分析，是將壓縮機組供貨商提供的壓縮機性能參數和燃氣輪機性能參數輸入已建的仿真模型，通過(guò)仿真軟件自動(dòng)計算，將壓縮機組特性參數擬合成新的曲線(xiàn)圖譜；并根據新的曲線(xiàn)圖譜進(jìn)行不同輸量的水力計算，找到管路特性曲線(xiàn)和壓縮機特性曲線(xiàn)、燃氣輪機性能曲線(xiàn)的工作點(diǎn)，確定不同輸量工況下水力系統的工作點(diǎn)是否在機組的性能曲線(xiàn)安全工作區內；并計算出壓縮機的效率、耗氣量、壓縮機轉速、及燃氣輪機耗功等實(shí)際工作參數。壓縮機組的適應性分析是一項十分重要的.工作，對壓縮機組的評標、管道運行狀態(tài)的分析和啟停機模擬都有很高的實(shí)際價(jià)值，其重要性應受到后續建設的天然氣管道項目組的重視。
二、數字化設計移交問(wèn)題及解決措施
在天然氣管道工程設計方面，國內目前普遍使用基于二維設計軟件AutoCAD，利用計算機輔助設計功能，快速繪制圖紙。與曾經(jīng)使用的手繪方式相比，其雖然提高了計算、繪圖的效率，但其成果僅僅為圖面上和報告上的內容，無(wú)法直觀(guān)地體現出多張圖紙和報告乃至工程內各專(zhuān)業(yè)各設備之間的關(guān)系。交付給業(yè)主、施工方的設計藍圖也是各專(zhuān)業(yè)的圖紙文件和計算報告，工程實(shí)施時(shí)仍需專(zhuān)業(yè)化的工程師進(jìn)行審讀、串接以指導施工。整個(gè)交付過(guò)程并未發(fā)揮出計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)所帶來(lái)的數字化優(yōu)勢。針對上述問(wèn)題，國內外各大設計單位在進(jìn)行工程設計時(shí)，陸續引用市面上的主流數字化設計軟件進(jìn)行工程設計。管道行業(yè)工藝專(zhuān)業(yè)的主流數字化設計軟件包括SPID、PDMSSP3D等，各設計軟件側重點(diǎn)不同，但都具備唯一成果庫，能形成整套三維數字化設計成果，各軟件規模普遍比較巨大，十分昂貴，并且無(wú)法將成果以直觀(guān)的方式移交給業(yè)主及施工單位。因此，設計單位應自主設計多終端數字化設計移交系統，以手機、瀏覽器和計算機多終端形式移交至業(yè)主方及施工方，且硬件需求應在市面各終端常用硬件的性能之內，其主要技術(shù)包含數字化設計移交平臺的開(kāi)發(fā)構架技術(shù)和數據的提取及再生成技術(shù)，為工程在設計階段的準確性、施工階段的可指導性和交付階段的整合性提供保證。
三、天然氣管道應力變形及解決措施
為保障天然氣管道的安全，我國從管道的設計、制造和安裝到使用，制定了一系列的國家標準。但是，在管道的施工及投產(chǎn)運營(yíng)過(guò)程中，往往會(huì )出現一些設計時(shí)未考慮的外部載荷的作用使管道發(fā)生變形，因此，在管道設計中必須全面考慮應力的影響，才能更真實(shí)地反應管道的受力狀態(tài)。在管道設計時(shí)如何預估管道的受力及對方案進(jìn)行安全性評價(jià)，成為亟待解決的問(wèn)題。在設計方案交付施工前，應對方案進(jìn)行完整的應力分析并校驗通過(guò)�？刹捎靡�3D梁?jiǎn)卧Ｐ蜑榛A的有限元分析CAESAR軟件，它是一款專(zhuān)業(yè)管道應力分析軟件，可開(kāi)展輸氣站場(chǎng)應力、約束和位移結果分析；可對處于持續工況、膨脹工況、操作工況等3種工況條件下的管道進(jìn)行工藝管道應力分析，檢查其應力是否超過(guò)規定的材料許用應力值。此外，對于某公司埋地管道受外部載荷（堆土等因素）作用已經(jīng)發(fā)生變形的問(wèn)題，可采用ANSYS軟件對管道變形進(jìn)行模擬計算，為管道的安全評估及預測提供依據。ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，該軟件具有完備的前處理功能、強勁的后處理功能以及多種可實(shí)現的的二次開(kāi)發(fā)功能。通過(guò)ANSYS建立并求解的問(wèn)題模型，可以近似模擬真實(shí)環(huán)境的應力值。借助ANSYS進(jìn)行結構強度及剛度分析，可以準確地了解整個(gè)工程結構的應力分布以及發(fā)生變形的工況。
四、燃機驅動(dòng)的壓氣站場(chǎng)余熱浪費問(wèn)題及解決措施
在天然氣管道的建設過(guò)程中，當壓氣站處在缺少電源的地區時(shí)，多采用燃氣輪機驅動(dòng)天然氣壓縮機，同時(shí)排出高達500℃的煙氣，其煙氣的熱焓約為731千焦/立方米可利用的熱焓為452～480千焦/立方米。據調查，燃氣輪機的熱能利用效率為30%～40%，其余大多數熱能以高溫煙氣的形式將熱量排放掉了。如果將煙氣中的熱能加以回收利用，既節約能源，又保護了環(huán)境，還提高了燃氣輪機的經(jīng)濟運行效益。因此，設計人員應考慮如何有效利用燃機的余熱。長(cháng)輸管線(xiàn)壓氣站一般遠離城鎮，建筑面積小，人員少，生產(chǎn)用熱、采暖用熱、空調制冷和生活熱水等負荷都不大，因此，利用燃氣輪機排放溫度為450℃～500℃的高溫煙氣加熱流經(jīng)余熱鍋爐的水，通過(guò)余熱鍋爐將燃氣輪機煙氣熱量轉換為水的熱能，冬季提供辦公室、房屋、員工宿舍和食堂等地的生活生產(chǎn)用熱，夏季提供生活熱水用熱。燃氣輪機余熱利用的多少，關(guān)系到經(jīng)濟效益的大小，應盡量做到余熱全部利用，取得最大的經(jīng)濟效益。當然，站內如何利用余熱的方案還需因地制宜，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟比選后決定。
五、天然氣管道第三方破壞及解決措施
近年來(lái)，因第三方破壞而造成的事故呈上升趨勢，給天然氣管道安全造成了嚴重的威脅。據統計，1969年至2010年期間，四川省輸氣干線(xiàn)發(fā)生事故的破壞原因中，第三方破壞占15.8%。由于管道業(yè)主對腐蝕、焊接和材料缺陷引起的管道事故十分重視，提高了腐蝕和焊接的施工質(zhì)量和驗收標準以及對優(yōu)質(zhì)鋼材的使用，使得由腐蝕、焊接和材料缺陷引起的管道失效事故在逐年降低。然而，隨著(zhù)我國城鎮化的快速發(fā)展，大量管道位于人群聚居區，人為影響因素增多，由第三方破壞引起的管道事故仍逐年增加。油氣管道第三方破壞隨機性強，不易預測和控制，因此，必須對起因進(jìn)行深入研究。從破壞管道的意圖來(lái)區分，第三方破壞一般分為兩種情形：一種是自然災害引起的破壞，另一種是非自然災害破壞。針對自然災害引起的破壞，需要在勘察選線(xiàn)時(shí)深入研究，盡量選擇地址條件穩定的地區鋪設管線(xiàn)；對于人為蓄意破壞情況，管線(xiàn)埋地深度是影響天然氣管道安全的直接因素。埋地深度越淺，管道越容易受到第三方破壞。不同地區的非自然災害破壞形式不同，建議對不同地區的第三方破壞的因素進(jìn)行細化和歸類(lèi)，分別建立模型，并加強對管道沿線(xiàn)居民安全知識的宣傳和教育，提高安全防范意識。管道安全巡檢采用人機結合的方式，采用多種方式進(jìn)行安全監視，相互補短，提高巡線(xiàn)質(zhì)量。
六、結語(yǔ)
近年來(lái)，隨著(zhù)我國天然氣資源的不斷開(kāi)發(fā)利用，天然氣長(cháng)輸管道也在快速建設。天然氣管道的設計和施工建設不僅是一項周期較長(cháng)的工程，同時(shí)也是一項較為復雜的工程，還會(huì )面臨著(zhù)許多設計施工方面的問(wèn)題。天然氣管道是保證天然氣輸送能力的重要載體，其安全性和可靠性備受關(guān)注。天然氣管道在設計建設過(guò)程中，設計方案是長(cháng)輸管道的核心和靈魂，應該對設計過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節進(jìn)行謹慎設計和反復推敲，不僅要引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)設備，同時(shí)還要積極解決現有的問(wèn)題，并且結合設計施工過(guò)程中出現的問(wèn)題，采取有效地解決措施。
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