天然氣輸氣管道設(shè)計與管理

1、一、天然氣概況1、天然氣定義：從地下開采出來的可以燃燒的氣體2、天然氣來源：氣田氣，油田氣。3、天然氣組成：60%90%為甲烷和乙烷，10%40%的丙，丁，戊烷及重?zé)N，在工標(biāo)狀態(tài)下只有甲、乙、丙、丁烷為氣態(tài)，其余都為液態(tài)。二、輸氣管道概況1、輸氣管道分類：礦場集氣管道，干線輸氣管道，城市配氣管網(wǎng)礦場集氣管線采氣管線集氣管線干線輸氣管道長輸管道輸配站附屬設(shè)施壓氣站分輸站清管球站閥室城市輸配管網(wǎng)配氣管網(wǎng)及支管門站（配氣站）調(diào)壓室儲氣庫2、世界著名大型輸氣管道:前蘇聯(lián)烏連戈依中央輸氣管道，全系統(tǒng)由6條輸氣干線組成，最著名的屬亞馬爾輸氣管道。該管道在蘇聯(lián)境內(nèi)長4451km，建設(shè)了41座壓縮機站和2座冷

2、卻站，經(jīng)西西伯利亞地區(qū)穿越水域945km，穿越河流700余處。3、中滄線是中國第一次采用燃?xì)廨啓C驅(qū)動離心壓縮機輸送油田伴生氣的輸氣管線。4、西氣東輸管線包括：青海澀北至甘肅蘭州（2000年開工，02年竣工投產(chǎn)），重慶忠縣至武漢（2000年開工），塔里木至上海（02年7開工，全長400多千米，管徑1016mm，操作壓力10MPa）5、中國未來十年管網(wǎng)總體布局：兩縱，兩橫，四樞紐(在北京，上海，信陽和武漢設(shè)立調(diào)度中心或分調(diào)度中心)，五氣庫（在北京，上海，大慶，山東，和南陽建立地下儲氣庫）6、管道防腐技術(shù)：從簡單的人工除銹刷漆發(fā)展到外涂層與陰極保護和犧牲陽極相結(jié)合的聯(lián)合保護。自1964年開始使用陰極

3、保護到今天，所有的輸氣管道上都建有陰極保護站，單站保護長度可達(dá)5080km.輸氣管道的主要工藝設(shè)備包括壓縮機組，閥門，計量設(shè)備和調(diào)壓設(shè)備。三、天然氣的性質(zhì)1、天然氣的分類（1）按礦藏特點分：純氣藏天然氣（在天然氣開發(fā)過程中，不論何階段流體在地層中均成氣體，采出地面后可能有部分液體析出），凝析氣藏天然氣（礦藏流體在地層原始狀態(tài)呈氣態(tài)，但開采到一定階段，隨地層壓力減小有部分烴類在地層中呈液態(tài)析出），油田伴生天然氣（與原油共存，開采時與原油同時被采出，經(jīng)油氣分離得到的天然氣）（2）按烴類組分關(guān)系分：干氣（地層中呈氣態(tài)，開采出后在管線設(shè)備中也不會有液態(tài)烴析出），濕氣（地層中呈氣態(tài)，在一般地面設(shè)備的溫度

4、、壓力下有液態(tài)烴析出），富氣（丙烷級以上烴類含量大于100 ml/m3），貧氣（丙烷級以上烴類含量小于100 ml/m3）（3）按硫化氫、二氧化碳含量分：酸性天然氣（含有顯著地以上成分，要經(jīng)過處理才能達(dá)到管輸商品天然氣的標(biāo)準(zhǔn)的天然氣），潔氣（以上含量甚微，不需凈化處理的天然氣）2、工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：20（293.15K），1.01325105Pa，這是中國計量氣體體積流量采用的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：0（273.15K），1.01325105Pa3、理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRTP氣體壓力，PaVm kg或n kmol氣體體積，m3n氣體千摩爾數(shù)，kmolR氣體常數(shù)，Kj/(kgk)T氣體溫度，k實際氣體狀

5、態(tài)方程：PV=ZRTZ壓縮因子，在工標(biāo)或是標(biāo)態(tài)下認(rèn)為Z=14、露點定義：在壓力一定的情況下，逐漸降低氣體溫度，當(dāng)天然氣中水蒸氣開始凝結(jié)時的溫度。（壓強高，露點低；壓強低，露點高）5、節(jié)流定義：當(dāng)管道管徑突然變小，引起能量損失而使壓強降低的情況。節(jié)流變化會引起溫度變化，若溫度隨壓強降低而降低，則為節(jié)流正效應(yīng)又稱冷卻效應(yīng)；若溫度隨壓強降低而升高，則為節(jié)流負(fù)效應(yīng)又稱熱效應(yīng)。6、天然氣的燃燒性質(zhì)：華白數(shù)：符號為Ws，單位為kJ/m3，華白數(shù)越大，天然氣燃燒性能越好。燃燒勢：符號為CP無單位四、天然氣的凈化凈化目的：去除其中的固體雜質(zhì)、凝析液、水、酸性氣體及其他有害物質(zhì)。凈化意義：不但保證安全、穩(wěn)定、高

6、效的完成天然氣的輸送任務(wù)，而且變廢為寶，使資源得到充分利用。凈化的工藝過程：除塵，脫水，脫硫，脫二氧化碳，酸氣回收，尾氣處理等過程1、 除塵灰塵來源：地下粉屑，施工臟、焊渣，腐蝕產(chǎn)物灰塵危害：管道磨損，管道堵塞灰塵脫離器的原理：過濾，離心力，吸附，碰撞，粘滯，重力（1） 重力式分離器：分為立式和臥室兩類。由分離，沉降，除霧，儲存四部分組成。（2） 旋風(fēng)分離器：又稱離心式分離器（最常用），優(yōu)點：處理能力大，分離效果好，可將大于5微米的塵?；救コ?。（3） 循環(huán)分離器（4） 多管旋風(fēng)分離器（5） 過濾分離器2、 脫水水的危害：內(nèi)腐蝕，減小流通面積，生成水化物（1） 低溫分離法：利用節(jié)流效應(yīng)，一般適

7、用于高壓氣田，天然氣降壓后仍高于輸送壓力，同時又使輸送溫度得以降低，是經(jīng)濟合理的，但是由于低溫分離后天然氣中的水蒸氣仍處于該溫度下的飽和態(tài)，仍有可能在輸氣管道上某點析出，造成冰堵，因此，該方法不能直接用于長輸管道，一般只用作輔助措施。（2） 溶劑吸收法：露點有一定的降低，最適合先脫硫后脫水。甘醇類脫水劑主要包括二甘醇(DEG),三甘醇（TEG）和四甘醇（對于溫度很高的原料氣脫水特別有效）（3） 固體吸附法：脫水效果最好，也是脫水的最后一道工序3、 脫硫，二氧化碳硫的危害：有毒，內(nèi)腐蝕，在成鋼的輕質(zhì)開裂（1） 化學(xué)吸收法：以可逆反應(yīng)為基礎(chǔ)，以堿性溶劑為吸收劑，溶劑與原料氣中的酸性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

8、而生成某種化合物，吸收了酸氣的富液在升溫和降低壓力的條件下，化合物分解放出酸氣使吸收劑再生。（2） 物理吸收法（3） 干式床層法（使用最多）（4） 氧化還原法脫硫方法的選擇： 基本條件：原料氣組成、壓力、溫度、氣量 凈化目的：要求的凈化氣凈化度、壓力、溫度 內(nèi)部因素：消耗指標(biāo)、“三廢”產(chǎn)生與處理、操作技術(shù)水平 經(jīng)濟因素：基建、設(shè)備投資與運營費用五、氣體管流基本方程為了求得p、v、T，必須有4個方程式，即連續(xù)性方程，運動方程，能量方程，氣體狀態(tài)方程1、 連續(xù)性方程Av=qm=常數(shù)上式表示管道任意截面的質(zhì)量流量相等。由于輸氣管道的壓力降集中于后半部分，所以輸氣管道中若截面積相等，則末端速度大于起點

9、速度。2、 運動方程：實際上是壓力梯度方程，總壓力梯度由重力、摩擦力和動能壓降梯度構(gòu)成。六、輸氣管道水力計算1、水平輸氣管道的體積流量基本公式（來自于連續(xù)方程）C0常數(shù)，0.0384T夏季溫度，K水力摩擦因數(shù)*天然氣對空氣的相對密度（工標(biāo)下）2、雷諾數(shù)定義：表征流體流動情況的無量綱數(shù)，以Re表示。Re=3、局部摩阻干線輸氣管道一般處于阻力平方區(qū)，因此局部阻力對輸氣管道流量的影響較大，必須考慮由于閥門，彎頭，三通，過濾器等引起的局部摩阻。但實際生活中，通常不單獨計算，而是使水力摩阻系數(shù)增加5%，作為對局部摩阻的考慮4、 輸氣管道壓力分布與平均壓力 靠近起點的管段壓力降比較緩慢，距離起點越遠(yuǎn)，壓力

10、降越快，在前3/4的管段上壓力損失1/2，另一半壓力損失在后1/4的管段上。平均壓力：當(dāng)輸氣管道停輸時，起點高壓端的氣體逐漸流向低壓端，終點壓力逐漸上升，最后整條管道的壓力達(dá)到某一個平均值，該數(shù)值即為平均壓力Pcp。Pcp=設(shè)輸氣管道剛剛停輸時，距離起點Xcp處的壓力等于最后的平均壓力，則有，Pz從0變化至PQ時，Xcp從0.55L變化至0.5L。工程上近似取Xcp=0.5L,所以前0.5L的管段可采用等強度管，采用不同壁厚的管子。而輸氣管道后一半管路要安平均壓力選擇壁厚。七、管道內(nèi)涂層優(yōu)點：1、增大輸氣量2、擴大增壓站的間距，減少增壓站的數(shù)目3、節(jié)約管材費用和施工費用4、防止內(nèi)壁腐蝕，減少管

11、道事故，保證輸送天然氣的高質(zhì)量5、減少維護費用，清管頻率明顯下降6、有助于管道檢測內(nèi)涂層用涂料的性能要求1、良好的防腐蝕性能2、耐壓性。能承受水壓試驗和輸送介質(zhì)的壓力，可承受壓力的反復(fù)變化。3、易于涂裝。在常溫和常濕條件下，采用普通噴涂技術(shù)即可施工。4、化學(xué)穩(wěn)定性。能耐壓縮機潤滑油、醇類、汽油等的腐蝕，在輸送的天然氣極可能產(chǎn)生的凝集物中呈化學(xué)中性。5、良好的粘結(jié)性及耐彎曲性。要求涂層附著力強，在管道儲運、現(xiàn)場彎管、敷設(shè)和運行、清管過程中不脫落。6、耐磨性和硬度。應(yīng)具有足夠的硬度，能承受管道內(nèi)沙粒、腐蝕物和清管器所造成的磨損。7、耐熱性?？紤]到管道的外腐蝕層（環(huán)氧粉末噴涂時的管壁溫度在230左右

12、），內(nèi)涂層應(yīng)能承受外敷的高溫。8、涂層光滑。具有減阻作用的內(nèi)涂層漆膜表面應(yīng)光滑，摩阻因數(shù)要小。美國氣體協(xié)會認(rèn)為環(huán)氧樹脂涂料最適合于輸氣管道的內(nèi)涂層。八、輸氣管道熱力計算 1、天然氣水合物及生成條件天然氣水合物：由碳?xì)浠衔锖退M成的一種復(fù)雜的但又不穩(wěn)定的白色結(jié)晶體。生成條件：必須處于適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο?，必須處于或低于水汽的露點出現(xiàn)“自由水”,有凝結(jié)核存在。防止水合物生成的措施：提高天然氣流動溫度（通常在配氣站采用）；降壓降低壓力至給定溫度時水合物的生成壓力以下（用于干線輸氣管道）；干燥脫除天然氣中的水分（根本辦法）；向氣流中加入抑制劑（阻化劑）。九、壓氣站與干線輸氣管道聯(lián)合系統(tǒng) 1、首站進站壓

13、力Pz1對全線工況的影響Pz1增加，輸氣量增大，站數(shù)越多，對流量的影響越大Pz1增加，中間各站進、出站壓力均提高，全線壓降線抬高。2、終點壓力Pz對全線工況的影響Pz升高，干線流量減小，但變化量非常小Pz升高，沿線各壓氣站進、出站壓力均升高，變化關(guān)系為PzxPQxPzPz變化對PQx，Pzx的影響，實際上只對最后一二個壓氣站有實際意義，對前面各站的影響很小，越靠近前面的站，PQx，Pzx的變化越小，甚至可忽略不計。為提高末端管路的儲氣能力，可以適當(dāng)提高終點壓力Pz，而對干線輸氣影響不大。中間壓氣站停輸對全線工況的影響中間壓氣站停輸，全線輸氣量減小停輸站上游各進出站壓力均增加，下游減小，且越靠近

14、停輸站壓力變化越大，距離越遠(yuǎn)變化越小3、分集氣對全線工況的影響對于定期分氣分氣點之前的管內(nèi)流量比分氣之前增大，分氣點之后的管內(nèi)流量比分氣前減小定期分氣將造成全線壓力下降，越接近分氣點的地方，壓力下降越多，距分氣點越遠(yuǎn)，下降越少對于定期集氣集氣點之前的管道內(nèi)流量比集氣前減小，集氣點之后的管內(nèi)流量比集氣前增大定期集氣將造成全線壓力上升，越接近集氣點，壓力上升越多，距集氣點越遠(yuǎn)壓力上升越少4、末段儲氣末段儲氣和儲氣罐調(diào)節(jié)的日、時不均勻性末段儲氣能力計算末段儲氣容積=末端管路內(nèi)最高壓力下的容積-最低壓力下的容積Pcpmin末段管路平均最低壓力，PaPcpmax末段管道平均最高壓力，PaP1min末段輸

15、氣管道起點最低壓力，PaP2min末段輸氣管道終點最低壓力，PaP1max末段輸氣管道起點最高壓力，PaP2max末段輸氣管道終點最高壓力，Pa其中，末段管路終點最低壓力P2min不得小于配氣站要求的最低供氣壓力，為已知值，但起點最低壓力P1min為未知值；起點最高壓力P1max不應(yīng)超過最后一個壓氣站的出口壓力或是管線的承壓能力，所以為已知值，但終點最高壓力P2max未知。由于供氣和用氣的不均衡，計算P1min，P2max應(yīng)按照非穩(wěn)定流態(tài)進行，這里近似安用氣等于供氣量進行穩(wěn)定流動計算。由式C系數(shù)Lz末段管道長度，mQ輸氣管道穩(wěn)定輸量，m3/s儲氣開始時末段管路中的存氣體積為儲氣終了時末段管路存

16、氣體積為末段儲氣能力為V末段管路幾何體積，m3T0，P0工程標(biāo)準(zhǔn)狀況溫度、壓力，T0=293K,P0=1.01325105PaZ1,Z2儲氣開始和結(jié)束時氣體的壓縮性系數(shù)，可近似取Z1=Z2T末段管路氣體平均溫度，K.例題天然氣長輸管道末段管路為720mm10mm管子，管長lz=150Km，管道中燃?xì)庾畲笤试S絕對壓力5.5MPa，進入城市前管道中燃?xì)庾钚≡试S絕對壓力1.3MPa，正常情況下管道流量為每日1.1107m3,求管道儲氣量。解：計算系數(shù)c其中，c0=0.03848，D=0.7m，取Z=1，*=0.57，T=293K.的計算按前蘇聯(lián)近期公式：=0.009588,計算得c=6910.2.計

17、算P1min，P2maxP1max=5.5106PaP2min=1.3106Pa計算平均壓力管道容積儲氣能力近似取Z1=Z2=1,T=T0,則（2）計算末段長度和管徑的方法計算末段長度和管徑時，應(yīng)考慮以下三點末段管線的儲氣能力應(yīng)滿足儲氣要求末段起點壓力不得高于壓氣站的最大工作壓力，且在管道強度允許的承壓范圍內(nèi)末段終點壓力不低于城市配氣管網(wǎng)要求的最小壓力在滿足以上三點的要求上，可以按照以下兩種方法確定末段長度和管徑1、預(yù)定末段長度和管徑，校核儲氣能力預(yù)先選定末段長度和管徑按條件確定P1max和P2min計算最低起點壓力和最高終點壓力計算末段最低、最高平均壓力計算末段儲氣能力，并與要求的儲氣能力相

18、比較，若接近，則選定的末段長度和管徑滿足要求，否則，重復(fù)上述過程，知道滿足要求。也可以靠提高起點最高壓力、增大末段最高平均壓力的方法來提高末段儲氣能力，但必須在滿足的條件下。2、預(yù)定末段長度和管徑，校核起終點壓力預(yù)定末段長度和管徑確定終點最低壓力計算起點最低壓力計算末段最低平均壓力計算儲氣開始時末段管路管內(nèi)的存氣量按工藝要求，若要求末段儲氣能力為Vs，則儲氣終了時末段管路管內(nèi)的存氣量應(yīng)為：Vmax=Vmin+Vs由計算Vs的公式反算末段最高平均壓力求得最高起點壓力根據(jù)條件校核P1max是否滿足壓氣站最高出口壓力和管子承壓能力的要求。若滿足，說明預(yù)先選定的末段長度和管徑滿足要求，否則，重新選定末

19、段長度和管徑重復(fù)上述步驟，直到滿足工藝要求除了加大末段長度和管徑、增大末段管路的幾何容積來提高末段儲氣能力，還可以提高出站壓力，增大最高平均壓力即增大Vmax，和降低最低終點壓力，減小最低平均壓力，即減小Vmin，實現(xiàn)儲氣能力的提高。但是，終點壓力是城市配氣管網(wǎng)要求的，不能降低太多，調(diào)節(jié)幅度非常有限，一般工程上不采用。十、輸氣站 清管器1、 清管球：主要用于清除管道內(nèi)積液和起隔離作用，對塊狀物體的清除效果較差2、 泡沫清管器：適合有內(nèi)涂層的管道3、 皮碗清管器：主要用于各種管道產(chǎn)前的清管掃線，還用于天然氣管線投產(chǎn)前的清管投產(chǎn)后的清掃，水壓實驗前的排氣，混輸管線的介質(zhì)隔離等天然氣流量計量天然氣流

20、量計量的特殊性1、 流動狀態(tài)直接影響流量測量精度2、 天然氣組分是變化的3、 目前使用最多的是標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計（屬于差壓式流量計）4、 由于天然氣的可壓縮性，體積流量應(yīng)規(guī)定所處狀態(tài)，中國通常采用工標(biāo)下的狀態(tài)：1.01325105Pa，293.15k十一、城市配氣與儲氣城市供氣系統(tǒng)組成：門站或配氣站，各類型的儲氣設(shè)施與儲氣庫，配氣管網(wǎng)及送到用戶用氣點的支管，各類調(diào)壓所，其他補充氣源及調(diào)壓站。1、 城市燃?xì)庖话阌糜谝韵滤膫€方面： 居民生活用氣 公共設(shè)施用氣 工業(yè)企業(yè)用氣 集中采暖用氣與未預(yù)見用氣（包括管網(wǎng)漏失和發(fā)展中未預(yù)見的供氣量，一般以總用氣量的5%計入）2、 用氣不均性 月不均勻系數(shù)k1 K1=

21、該月平均日用氣量/全年平均日用氣量設(shè)計流量以平均日用氣量最大的月的月不均勻系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn) 日不均勻系數(shù)k2 K2=該月某日用氣量/該月平均日用氣量 小時不均勻系數(shù)k3 K3=改日某時用氣量/該日平均小時用氣量配氣管網(wǎng)及其設(shè)備的通過能力以計算月的小時最大流量小時設(shè)計流量為依據(jù)，按下式計算 Q= Q設(shè)計流量，m3/hQa年用氣量，m3/n計算燃?xì)饬髁康膬煞N方法：不均勻系數(shù)法，同時工作系數(shù)法3、 門站門站任務(wù)：接受干線輸氣管道的來氣并進行計量，控制供氣壓力，氣量分配，凈化，氣質(zhì)檢測和加臭，并通過各級管網(wǎng)將氣體輸送給用戶（1） 燃?xì)庵谐粑秳┑淖钚×康囊?含CO的有毒氣體泄漏到空氣中，達(dá)到對人體允許的有害

22、濃度之前應(yīng)能察覺。 無毒燃?xì)庑孤┑娇諝庵?，達(dá)到爆炸下限的20%濃度時于應(yīng)能察覺（2） 對添味劑的要求 具有強烈的刺鼻氣味，令人不快，并區(qū)別于室內(nèi)其他味道 添味劑及其燃燒產(chǎn)物對人體無害并對管道及設(shè)備無腐蝕性 沸點低，易揮發(fā)，具有較高蒸汽壓的液體 不溶于水和天然氣凝析液 價格低廉，易于得到目前應(yīng)用較多的添味劑是乙硫醇，添加量每1000m3氣體1620g常用的添味劑有滴入式和起泡式兩種3、 調(diào)壓站各級壓力管道之間不允許直接相連，必須經(jīng)過調(diào)壓裝置實現(xiàn)不同壓力級別管道的鏈接。（1） 調(diào)壓器的選擇 應(yīng)能滿足進口燃?xì)獾淖畲?、最小壓力的要?調(diào)壓器的壓力差，應(yīng)根據(jù)調(diào)壓器前燃?xì)夤艿赖淖畹驮O(shè)計壓力與調(diào)壓器后燃?xì)夤?/p>

23、道的設(shè)計壓力之差確定 調(diào)壓器的計算流量應(yīng)安該調(diào)壓器所承擔(dān)的管網(wǎng)小時最大輸送量的1.2倍確定4、 配氣管網(wǎng)（1） 配氣管網(wǎng)的分類 高壓：A級 0.8MPp1.6MP；B級 0.4MPp0.8MP 中壓：A級 0.2MPp0.4MP；B級 0.005MPp0.2MP 低壓：A級 p0.005MP居民用戶和小型公共建筑用戶一般直接由低壓管網(wǎng)供氣。低壓管網(wǎng)輸送人工燃?xì)鈺r壓力不大于0.002MPa；輸送天然氣是壓力不大于0.0035MPa。（2） 城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)宜采用下列壓力級制 一種壓力的一級系統(tǒng)（屬于低壓系統(tǒng)，一般只適用于小城鎮(zhèn)） 兩種壓力的兩級系統(tǒng)（由低壓和中壓或高壓兩組管網(wǎng)組成） 三種壓力的三

24、級系統(tǒng)（包括低壓，中壓B（或中壓A）和高壓B） 四種壓力的多級系統(tǒng)5、 氣體的儲存儲存方式可分為地下儲氣庫，儲氣罐儲存，液態(tài)或固態(tài)（天然氣水合物）儲存以及輸氣管道末段儲存。地下儲存：開采過的油氣田，含水多孔地層，鹽巖層，巖穴儲氣罐低壓罐高壓罐濕式罐干式罐圓筒形罐球形罐直立罐螺旋罐立式罐臥式罐例題某城市配氣系統(tǒng)，已知：計算月最大日用氣量為2800000m3/d，氣源在一日內(nèi)連續(xù)均勻供氣，每小時用氣量與日用氣量的百分?jǐn)?shù)見下表，確定所需的儲氣容積。每小時用氣量占日用氣量的百分?jǐn)?shù)小時0-11-22-33-44-55-66-77-88-99-1010-1111-12%1.91.511.402.051.582.914.125.085.185.216.326.42小時12-1313-1414-1515-1616-1717-1818-1919-2020-2121-2222-2323-24%4.904.814.754.755.827.606.164.574.483.252.772.46解：設(shè)每日氣源的供氣量為100，每小時平均供氣量為100/24=4.17.當(dāng)用氣量低于4.17時是氣體進入儲罐的周期，用氣量高于4.17時則是氣體從儲罐進入配氣管網(wǎng)的周期