天然气输气管道设计及管理.doc

一、天然气概况
1、天然气定义：从地下开采出来的可以燃烧的气体
2、天然气来源：气田气，油田气。
3、天然气组成：60%～90%为甲烷和乙烷，10%～40%的丙，丁，戊烷及重烃，在工标状态下只有甲、乙、丙、丁烷为气态，其余都为液态。
二、输气管道概况
1、输气管道分类：矿场集气管道，干线输气管道，城市配气管网
矿场集气管线
采气管线
集气管线

干线输气管道
长输管道
输配站
附属设施
压气站
分输站
清管球站
阀室

城市输配管网
配气管网及支管
门站（配气站）
调压室
储气库

2、世界著名大型输气管道:前苏联乌连戈依——中央输气管道，全系统由6条输气干线组成，最著名的属亚马尔输气管道。该管道在苏联境内长4451km，建设了41座压缩机站和2座冷却站，经西西伯利亚地区穿越水域945km，穿越河流700余处。
3、中沧线是中国第一次采用燃气轮机驱动离心压缩机输送油田伴生气的输气管线。
4、西气东输管线包括：青海涩北至甘肃兰州（2000年开工，02年竣工投产），重庆忠县至武汉（2000年开工），塔里木至上海（02年7开工，全长400多千米，管径1016mm，操作压力10MPa）
5、中国未来十年管网总体布局：两纵，两横，四枢纽(在北京，上海，信阳和武汉设立调度中心或分调度中心)，五气库（在北京，上海，大庆，山东，和南阳建立地下储气库）
6、管道防腐技术：从简单的人工除锈刷漆发展到外涂层与阴极保护和牺牲阳极相结合的联合保护。自1964年开始使用阴极保护到今天，所有的输气管道上都建有阴极保护站，单站保护长度可达50～80km.
输气管道的主要工艺设备包括压缩机组，阀门，计量设备和调压设备。
三、天然气的性质
1、天然气的分类
（1）按矿藏特点分：纯气藏天然气（在天然气开发过程中，不论何阶段流体在地层中均成气体，采出地面后可能有部分液体析出），凝析气藏天然气（矿藏流体在地层原始状态呈气态，但开采到一定阶段，随地层压力减小有部分烃类在地层中呈液态析出），油田伴生天然气（与原油共存，开采时与原油同时被采出，经油气分离得到的天然气）
（2）按烃类组分关系分：干气（地层中呈气态，开采出后在管线设备中也不会有液态烃析出），湿气（地层中呈气态，在一般地面设备的温度、压力下有液态烃析出），富气（丙烷级以上烃类含量大于100 ml/m3），贫气（丙烷级以上烃类含量小于100 ml/m3）
（3）按硫化氢、二氧化碳含量分：酸性天然气（含有显著地以上成分，要经过处理才能达到管输商品天然气的标准的天然气），洁气（以上含量甚微，不需净化处理的天然气）
2、工程标准状态：20℃（293.15K），1.01325×10^5Pa，这是中国计量气体体积流量采用的标准
标准状态：0℃（273.15K），1.01325×10^5Pa
3、理想气体状态方程：PV=nRT
P——气体压力，Pa
V——m kg或n kmol气体体积，m^3
n——气体千摩尔数，kmol
R——气体常数，Kj/(kg·k)
T——气体温度，k
实际气体状态方程：PV=ZRT
Z——压缩因子，在工标或是标态下认为Z=1
4、露点定义：在压力一定的情况下，逐渐降低气体温度，当天然气中水蒸气开始凝结时的温度。（压强高，露点低；压强低，露点高）
5、节流定义：当管道管径突然变小，引起能量损失而使压强降低的情况。
节流变化会引起温度变化，若温度随压强降低而降低，则为节流正效应又称冷却效应；若温度随压强降低而升高，则为节流负效应又称热效应。
6、天然气的燃烧性质：
华白数：符号为Ws，单位为kJ/m3，华白数越大，天然气燃烧性能越好。
燃烧势：符号为CP无单位
四、天然气的净化
净化目的：去除其中的固体杂质、凝析液、水、酸性气体及其他有害物质。
净化意义：不但保证安全、稳定、高效的完成天然气的输送任务，而且变废为宝，使资源得到充分利用。
净化的工艺过程：除尘，脱水，脱硫，脱二氧化碳，酸气回收，尾气处理等过程
1、 除尘
灰尘来源：地下粉屑，施工脏、焊渣，腐蚀产物
灰尘危害：管道磨损，管道堵塞
灰尘脱离器的原理：过滤，离心力，吸附，碰撞，粘滞，重力
（1） 重力式分离器：分为立式和卧室两类。由分离，沉降，除雾，储存四部分组成。
（2） 旋风分离器：又称离心式分离器（最常用），
优点：处理能力大，分离效果好，可将大于5微米的尘粒基本去除。
（3） 循环分离器
（4） 多管旋风分离器
（5） 过滤分离器
2、 脱水
水的危害：内腐蚀，减小流通面积，生成水化物
（1） 低温分离法：利用节流效应，一般适用于高压气田，天然气降压后仍高于输送压力，同时又使输送温度得以降低，是经济合理的，但是由于低温分离后天然气中的水蒸气仍处于该温度下的饱和态，仍有可能在输气管道上某点析出，造成冰堵，因此，该方法不能直接用于长输管道，一般只用作辅助措施。
（2） 溶剂吸收法：露点有一定的降低，最适合先脱硫后脱水。甘醇类脱水剂主要包括二甘醇(DEG),三甘醇（TEG）和四甘醇（对于温度很高的原料气脱水特别有效）
（3） 固体吸附法：脱水效果最好，也是脱水的最后一道工序
3、 脱硫，二氧化碳
硫的危害：有毒，内腐蚀，在成钢的轻质开裂
（1） 化学吸收法：以可逆反应为基础，以碱性溶剂为吸收剂，溶剂与原料气中的酸性组分发生化学反应而生成某种化合物，吸收了酸气的富液在升温和降低压力的条件下，化合物分解放出酸气使吸收剂再生。
（2） 物理吸收法
（3） 干式床层法（使用最多）
（4） 氧化还原法
脱硫方法的选择：
① 基本条件：原料气组成、压力、温度、气量
② 净化目的：要求的净化气净化度、压力、温度
③ 内部因素：消耗指标、“三废”产生与处理、操作技术水平
④ 经济因素：基建、设备投资与运营费用
五、气体管流基本方程
为了求得p、ρ、v、T，必须有4个方程式，即连续性方程，运动方程，能量方程，气体状态方程
1、 连续性方程
ρAv=qm=常数
上式表示管道任意截面的质量流量相等。
由于输气管道的压力降集中于后半部分，所以输气管道中若截面积相等，则末端速度大于起点速度。
2、 运动方程：实际上是压力梯度方程，总压力梯度由重力、摩擦力和动能压降梯度构成。
六、输气管道水力计算
1、水平输气管道的体积流量基本公式（来自于连续方程）

C0——常数，0.0384
T——夏季温度，K
λ——水力摩擦因数
△*——天然气对空气的相对密度（工标下）
2、雷诺数
定义：表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示。
Re=
3、局部摩阻
干线输气管道一般处于阻力平方区，因此局部阻力对输气管道流量的影响较大，必须考虑由于阀门，弯头，三通，过滤器等引起的局部摩阻。但实际生活中，通常不单独计算，而是使水力摩阻系数λ增加5%，作为对局部摩阻的考虑
4、 输气管道压力分布与平均压力
靠近起点的管段压力降比较缓慢，距离起点越远，压力降越快，在前3/4的管段上压力损失1/2，另一半压力损失在后1/4的管段上。
平均压力：当输气管道停输时，起点高压端的气体逐渐流向低压端，终点压力逐渐上升，最后整条管道的压力达到某一个平均值，该数值即为平均压力Pcp。
Pcp=
设输气管道刚刚停输时，距离起点Xcp处的压力等于最后的平均压力，则有，Pz从0变化至PQ时，Xcp从0.55L变化至0.5L。工程上近似取Xcp=0.5L,所以前0.5L的管段可采用等强度管，采用不同壁厚的管子。而输气管道后一半管路要安平均压力选择壁厚。
七、管道内涂层
优点：
1、增大输气量
2、扩大增压站的间距，减少增压站的数目
3、节约管材费用和施工费用
4、防止内壁腐蚀，减少管道事故，保证输送天然气的高质量
5、减少维护费用，清管频率明显下降
6、有助于管道检测
内涂层用涂料的性能要求
1、良好的防腐蚀性能
2、耐压性。能承受水压试验和输送介质的压力，可承受压力的反复变化。
3、易于涂装。在常温和常湿条件下，采用普通喷涂技术即可施工。
4、化学稳定性。能耐压缩机润滑油、醇类、汽油等的腐蚀，在输送的天然气极可能产生的凝集物中呈化学中性。
5、良好的粘结性及耐弯曲性。要求涂层附着力强，在管道储运、现场弯管、敷设和运行、清管过程中不脱落。
6、耐磨性和硬度。应具有足够的硬度，能承受管道内沙粒、腐蚀物和清管器所造成的磨损。
7、耐热性。考虑到管道的外腐蚀层（环氧粉末喷涂时的管壁温度在230℃左右），内涂层应能承受外敷的高温。
8、涂层光滑。具有减阻作用的内涂层漆膜表面应光滑，摩阻因数要小。
美国气体协会认为环氧树脂涂料最适合于输气管道的内涂层。
八、输气管道热力计算
1、天然气水合物及生成条件
天然气水合物：由碳氢化合物和水组成的一种复杂的但又不稳定的白色结晶体。
生成条件：必须处于适当的温度和压力下，必须处于或低于水汽的露点出现“自由水”,有凝结核存在。
防止水合物生成的措施：①提高天然气流动温度（通常在配气站采用）；②降压——降低压力至给定温度时水合物的生成压力以下（用于干线输气管道）；③干燥——脱除天然气中的水分（根本办法）；④向气流中加入抑制剂（阻化剂）。
九、压气站与干线输气管道联合系统
1、首站进站压力Pz1对全线工况的影响
①Pz1增加，输气量增大，站数越多，对流量的影响越大
②Pz1增加，中间各站进、出站压力均提高，全线压降线抬高。
2、终点压力Pz对全线工况的影响
①Pz升高，干线流量减小，但变化量非常小
②Pz升高，沿线各压气站进、出站压力均升高，变化关系为△Pzx﹤△PQx﹤△Pz
③Pz变化对PQx，Pzx的影响，实际上只对最后一二个压气站有实际意义，对前面各站的影响很小，越靠近前面的站，PQx，Pzx的变化越小，甚至可忽略不计。
④为提高末端管路的储气能力，可以适当提高终点压力Pz，而对干线输气影响不大。
中间压气站停输对全线工况的影响
①中间压气站停输，全线输气量减小
②停输站上游各进出站压力均增加，下游减小，且越靠近停输站压力变化越大，距离越远变化越小
3、分集气对全线工况的影响
⑴对于定期分气
①分气点之前的管内流量比分气之前增大，分气点之后的管内流量比分气前减小
②定期分气将造成全线压力下降，越接近分气点的地方，压力下降越多，距分气点越远，下降越少
⑵对于定期集气
①集气点之前的管道内流量比集气前减小，集气点之后的管内流量比集气前增大
②定期集气将造成全线压力上升，越接近集气点，压力上升越多，距集气点越远压力上升越少
4、末段储气
末段储气和储气罐调节的日、时不均匀性
⑴末段储气能力计算
末段储气容积=末端管路内最高压力下的容积-最低压力下的容积

Pcpmin——末段管路平均最低压力，Pa
Pcpmax——末段管道平均最高压力，Pa
P1min——末段输气管道起点最低压力，Pa
P2min——末段输气管道终点最低压力，Pa
P1max——末段输气管道起点最高压力，Pa
P2max——末段输气管道终点最高压力，Pa
其中，末段管路终点最低压力P2min不得小于配气站要求的最低供气压力，为已知值，但起点最低压力P1min为未知值；起点最高压力P1max不应超过最后一个压气站的出口压力或是管线的承压能力，所以为已知值，但终点最高压力P2max未知。
由于供气和用气的不均衡，计算P1min，P2max应按照非稳定流态进行，这里近似安用气等于供气量进行稳定流动计算。由式

C——系数
Lz——末段管道长度，m
Q——输气管道稳定输量，m^3/s
储气开始时末段管路中的存气体积为

储气终了时末段管路存气体积为

末段储气能力为

V——末段管路几何体积，m^3
T0，P0——工程标准状况温度、压力，T0=293K,P0=1.01325×10^5Pa
Z1,Z2——储气开始和结束时气体的压缩性系数，可近似取Z1=Z2
T——末段管路气体平均温度，K.
例题
天然气长输管道末段管路为720mm×10mm管子，管长lz=150Km，管道中燃气最大允许绝对压力5.5MPa，进入城市前管道中燃气最小允许绝对压力1.3MPa，正常情况下管道流量为每日1.1×10^7m^3,求管道储气量。
解：①计算系数c

其中，c0=0.03848，D=0.7m，取Z=1，△*=0.57，T=293K.
λ的计算按前苏联近期公式：λ=0.009588,计算得c=6910.2.
②计算P1min，P2max

P1max=5.5×10^6Pa
P2min=1.3×10^6Pa

③计算平均压力

④管道容积

⑤储气能力
近似取Z1=Z2=1,T=T0,则

（2）计算末段长度和管径的方法
计算末段长度和管径时，应考虑以下三点
①末段管线的储气能力应满足储气要求
②末段起点压力不得高于压气站的最大工作压力，且在管道强度允许的承压范围内
③末段终点压力不低于城市配气管网要求的最小压力
在满足以上三点的要求上，可以按照以下两种方法确定末段长度和管径
1、预定末段长度和管径，校核储气能力
①预先选定末段长度和管径
②按条件确定P1max和P2min
③计算最低起点压力和最高终点压力
④计算末段最低、最高平均压力
⑤计算末段储气能力，并与要求的储气能力相比较，若接近，则选定的末段长度和管径满足要求，否则，重复上述过程，知道满足要求。
也可以靠提高起点最高压力、增大末段最高平均压力的方法来提高末段储气能力，但必须在满足②的条件下。
2、预定末段长度和管径，校核起终点压力
①预定末段长度和管径
②确定终点最低压力
③计算起点最低压力
④计算末段最低平均压力
⑤计算储气开始时末段管路管内的存气量
⑥按工艺要求，若要求末段储气能力为Vs，则储气终了时末段管路管内的存气量应为：Vmax=Vmin+Vs
⑦由计算Vs的公式反算末段最高平均压力
⑧求得最高起点压力
⑨根据条件②校核P1max是否满足压气站最高出口压力和管子承压能力的要求。若满足，说明预先选定的末段长度和管径满足要求，否则，重新选定末段长度和管径重复上述步骤，直到满足工艺要求
除了加大末段长度和管径、增大末段管路的几何容积来提高末段储气能力，还可以提高出站压力，增大最高平均压力即增大Vmax，和降低最低终点压力，减小最低平均压力，即减小Vmin，实现储气能力的提高。但是，终点压力是城市配气管网要求的，不能降低太多，调节幅度非常有限，一般工程上不采用。
十、输气站
清管器
1、 清管球：主要用于清除管道内积液和起隔离作用，对块状物体的清除效果较差
2、 泡沫清管器：适合有内涂层的管道
3、 皮碗清管器：主要用于各种管道产前的清管扫线，还用于天然气管线投产前的清管投产后的清扫，水压实验前的排气，混输管线的介质隔离等
天然气流量计量
天然气流量计量的特殊性
1、 流动状态直接影响流量测量精度
2、 天然气组分是变化的
3、 目前使用最多的是标准孔板流量计（属于差压式流量计）
4、 由于天然气的可压缩性，体积流量应规定所处状态，中国通常采用工标下的状态：1.01325×10^5Pa，293.15k
十一、城市配气与储气
城市供气系统组成：门站或配气站，各类型的储气设施与储气库，配气管网及送到用户用气点的支管，各类调压所，其他补充气源及调压站。
1、 城市燃气一般用于以下四个方面：
① 居民生活用气
② 公共设施用气
③ 工业企业用气
④ 集中采暖用气与未预见用气（包括管网漏失和发展中未预见的供气量，一般以总用气量的5%计入）
2、 用气不均性
① 月不均匀系数k1
K1=该月平均日用气量/全年平均日用气量
设计流量以平均日用气量最大的月的月不均匀系数为标准
② 日不均匀系数k2
K2=该月某日用气量/该月平均日用气量
③ 小时不均匀系数k3
K3=改日某时用气量/该日平均小时用气量
配气管网及其设备的通过能力以计算月的小时最大流量——小时设计流量为依据，按下式计算
Q=
Q——设计流量，m^3/h
Qa——年用气量，m^3/n
计算燃气流量的两种方法：不均匀系数法，同时工作系数法
3、 门站
门站任务：接受干线输气管道的来气并进行计量，控制供气压力，气量分配，净化，气质检测和加臭，并通过各级管网将气体输送给用户
（1） 燃气中臭味剂的最小量的要求
① 含CO的有毒气体泄漏到空气中，达到对人体允许的有害浓度之前应能察觉。
② 无毒燃气泄漏到空气中，达到爆炸下限的20%浓度时于应能察觉
（2） 对添味剂的要求
① 具有强烈的刺鼻气味，令人不快，并区别于室内其他味道
② 添味剂及其燃烧产物对人体无害并对管道及设备无腐蚀性
③ 沸点低，易挥发，具有较高蒸汽压的液体
④ 不溶于水和天然气凝析液
⑤ 价格低廉，易于得到
目前应用较多的添味剂是乙硫醇，添加量每1000m^3气体16～20g
常用的添味剂有滴入式和起泡式两种
3、 调压站
各级压力管道之间不允许直接相连，必须经过调压装置实现不同压力级别管道的链接。
（1） 调压器的选择
① 应能满足进口燃气的最大、最小压力的要求
② 调压器的压力差，应根据调压器前燃气管道的最低设计压力与调压器后燃气管道的设计压力之差确定
③ 调压器的计算流量应安该调压器所承担的管网小时最大输送量的1.2倍确定
4、 配气管网
（1） 配气管网的分类
① 高压：A级 0.8MP﹤p≦1.6MP；B级 0.4MP﹤p≦0.8MP
② 中压：A级 0.2MP﹤p≦0.4MP；B级 0.005MP﹤p≦0.2MP
③ 低压：A级 p≦0.005MP
居民用户和小型公共建筑用户一般直接由低压管网供气。低压管网输送人工燃气时压力不大于0.002MPa；输送天然气是压力不大于0.0035MPa。
（2） 城镇燃气输配系统宜采用下列压力级制
① 一种压力的一级系统（属于低压系统，一般只适用于小城镇）
② 两种压力的两级系统（由低压和中压或高压两组管网组成）
③ 三种压力的三级系统（包括低压，中压B（或中压A）和高压B）
④ 四种压力的多级系统
5、 气体的储存
储存方式可分为地下储气库，储气罐储存，液态或固态（天然气水合物）储存以及输气管道末段储存。
地下储存：开采过的油气田，含水多孔地层，盐岩层，岩穴
储气罐
低压罐
高压罐
湿式罐
干式罐
圆筒形罐
球形罐
直立罐
螺旋罐
立式罐
卧式罐

例题
某城市配气系统，已知：计算月最大日用气量为2800000m^3/d，气源在一日内连续均匀供气，每小时用气量与日用气量的百分数见下表，确定所需的储气容积。
每小时用气量占日用气量的百分数
小时
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11
11-12
%
1.9
1.51
1.40
2.05
1.58
2.91
4.12
5.08
5.18
5.21
6.32
6.42

小时
12-13
13-14
14-15
15-16
16-17
17-18
18-19
19-20
20-21
21-22
22-23
23-24
%
4.90
4.81
4.75
4.75
5.82
7.60
6.16
4.57
4.48
3.25
2.77
2.46
解：设每日气源的供气量为100，每小时平均供气量为100/24=4.17.当用气量低于4.17时是气体进入储罐的周期，用气量高于4.17时则是气体从储罐进入配气管网的周期。因此，储气的理论容积应等于储罐工作曲线最高值与最低值之差。
小时
供应量累计值
用气量
气的储存量

小时
供气量累计值
用气量
气的储存量
该小时内
累计值
该小时内
累计值
1
2
3
4
5

1
2
3
4
5
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11
11-12
4.17
8.43
12.50
16.67
20.84
25.00
29.17
33.34
37.50
41.67
45.84
50.00
1.90
1.51
1.40
2.05
1.58
2.91
4.12
5.08
5.18
5.21
6.32
6.42
1.90
3.41
4.81
6.86
8.44
11.35
15.47
20.55
25.73
30.94
37.26
43.68
2.27
4.93
7.67
9.81
12.40
13.65
13.70
12.79
11.77
10.73
8.58
6.32

12-13
13-14
14-15
15-16
16-17
17-18
18-19
19-20
20-21
21-22
22-23
23-24
54.17
58.34
62.50
66.67
70.84
75.00
79.17
83.34
87.50
91.67
95.84
100.00
4,90
4.81
4.75
4.75
5.82
7.60
6.16
4.57
4.48
3.25
2.77
2.46
48.58
53.39
58.14
62.89
68.17
76.31
82.74
87.00
91.52
94.77
97.54
100.0
5.59
4.59
4.36
3.78
2.13
-1.31
-3.30
-3.70
-4.02
-3.10
-1.70
0.00
将所有的计算列入上表中，表中第2项为计算开始时算起燃气供应量累计值，第4项为从计算开始算起的用气量累计值，第2项与第4项之差即为该小时末燃气的储存量（储气设施中应有的量），在第5项中找出最大值和最小值，这俩个数值绝对值相加即为所需的理论储气容积占日用气量的百分数，即理论储气容积占日用气量的百分数为
13.70%+4.02%=17.72%
则所需储气容积为
2800000×17.72%=49616m^3