西气东输管道总体工艺方案设计.doc

油气储运工程专业

长输管道设计课程报告

课程设计名称：西气东输管道总体工艺方案设计

班 级 储运XX-X班
组 号 第x组
姓 名 风一样的男子
同组成员 XXX XXX
学 号 1234567
指导老师 XX

2015年3月

题目：西气东输管道总体工艺方案设计
一、基本设计条件
1）年工作天数：350天
2）气体标准状态：压力101325 Pa，温度20℃
3）设计输量：（100+k×10）×108 Nm3/a，其中k为每位学生所在小组的组号
4）管道长度：3894 km
5）设计压力10MPa（绝）
6）管材等级：X70
7）管外径：1016mm
8）管内壁粗糙度：采用内涂层，管内壁粗糙度取10μm。
9）设计地温
由于管道线路距离比较长，沿线气象及地温情况变化大，以沿线线路走向近处的气象站点提供的-1.6m处土壤年平均地温作为设计地温，根据变化幅度将全线共分为六段，详见表1。
表1 西气东输管道沿线设计地温（℃）
地名
里程
(km)
间距
(km)
夏季
平均地温
夏季最热月
平均地温
年
平均地温
冬季
平均地温
轮南首站
0
503
24.5
25.2
17.0
8.8
鄯哈界
503
170
20.4
21.1
12.5
4.6
湖东工区
673
1352
17.1
17.6
10.7
3.9
甘塘镇
2025
185
15.4
15.9
10.4
4.7
大水坑
2210
674
19.9
20.5
13.9
7.7
山西河南界
2884
1010
21.9
22.6
15.8
9.6
上海末站
3894

10）沿线总传热系数K值
将全线大致分为四段，分别取不同的总传热系数。
轮南—红柳段（0－1055 km），取1.27 W/（m2·℃）；
红柳—武威段（1055－1839 km），取1.53 W/（m2·℃）；
武威—淮阳段（1839－3274 km），取1.18 W/（m2·℃）；
淮阳—上海段（3274－3894 km），取2.16 W/（m2·℃）。
11）压缩机(不包括首站压缩机)的压比推荐值为1.45。
12）站内压降
每座压气站站内压降取0.2MPa，其中压缩机入口段压降取0.15MPa，出口段压降取0.05MPa。
13）压气站出站温度：考虑压缩机出口气体冷却，统一取50℃。
14）气源供气条件：轮南供气压力6.5 MPa（绝），供气温度20 ℃。
15）所输天然气的相对密度为0.6。
16）所输天然气的平均压缩因子为0.9。
17）管段输气效率为0.95。
18）管道终点的允许最低压力为4.5MPa。
19）全线均按一类地区考虑。
20）假设没有支线。
21）压缩机的效率取85％。
22）燃气轮机的效率取30％。
23) 天然气热值取34 MJ/m3。

二、设计任务
1）自主开发一个无分支输气管道的总体工艺方案设计的计算机软件。
2）针对上述基本设计条件，利用所开发的软件进行总体工艺方案设计。
3）绘制首站（配置2套燃气轮机—离心压缩机组）的原理工艺流程图。
4）针对你的设计方案，试讨论如何进行西气东输管道总体工艺方案设计的优化？（选作）
可尝试比选三组管径Φ1016 mm，Φ1219 mm，Φ914 mm；
假设X70管材的价格是8000元/吨，每个压气站投资取5亿元，自耗气价格取1.6元/m3。

三、基本设计要求
1）采用Colebrook公式计算管段的水力摩阻系数。
2）管段水力、热力计算按一定的空间步长分段进行。
3）热力计算时要考虑节流效应，气体比热和节流效应系数可取近似值。
4）末段储气能力尽可能大。
5）总体工艺设计方案必须包括管径、管壁厚度、管材等级、设计压力、压气站位置、压比、进/出站压力、进/出站温度、压气站的耗气量、末段储气能力等。

四、课程设计报告的内容及形式要求
1）必须详细写出所采用的设计方法和步骤，描述方式要便于理解。
2）必须包括所编制的工艺方案设计软件的源程序（打印版）。
3）必须包括软件的直接输出结果（即工艺设计方案）并要求打印，输出格式要便于理解并尽可能美观。
4）必须包括首站工艺流程图。可用计算机绘制，也可手工绘制，但必须规范，不允许徒手绘制。
5）应对设计结果、设计方法和软件编制方法进行必要的讨论。
6）必须有计算机打印的报告封面，封面格式可自行设计，但必须包括设计题目、班级、学号、学生姓名、组号，同组同学姓名、指导教师姓名、完成时间等信息，并尽可能美观大方。
7）报告装订次序：封面，设计任务书，设计方法和步骤，源程序，输出结果，分析与讨论，工艺流程图。

五、参考书目
李玉星，姚光镇. 输气管道设计与管理. 中国石油大学出版社，2008
输气管道工程设计规范（GB50251-2003）

《长输管道工艺课程设计》任务书

一、时间计划

第九组任务时间分配
日期
任务
3月10日
讨论设计思路与设计任务书，明确任务分配
3月11日
学习新的布站方法，即基于站间管道分段水力热力计算的正向推移法，为后续编程理论准备
3月12日
利用已知参数，编程利用迭代法计算水力摩阻系数
3月13日
编程计算壁厚、管道内径、压气站进出站压力
3月14日
编程实现最优末端长度的计算，开始布站的计算
3月15日
利用周末时间完成布站计算及实现程序，确定站址
3月16日
计算各压气站自耗气，进行技术经济分析
3月17日
对前面工作汇总，进行总体工艺方案设计，并对三种不同管径的管子技术经济比较，确定最优管径
3月18日
绘制首站的原理工艺流程图，同时进行课程设计报告
3月19日
各自整理课程设计报告，排版，打印。
3月20日
制作PPT，准备答辩

二、设计方法和步骤
根据设计要求，绘制了计算流程图如下：

三、具体计算步骤
3.1计算管壁厚度
按照我国《输气管道工程设计规范》（GB 50251—1994），输气管道直管段管壁厚度按下式计算：
（1）

计算步骤：
1） 将各个已知量代入（1）式，得到理论厚度。

2） API 5L标准向上取圆整，得到实际厚度。
全线选用外径为1016mm的内涂层钢管，按照API SPEC 5L规范，对应于该管径的管壁厚度系列为7.9，8.7，9.5，10.3，11.1，11.9，12.7，14.3，15.9，17.5，19.1，20.6mm，根据计算得的壁厚14.61mm，向上圆整得：。
3.2计算管道内径
由圆管几何关系得到：
（2）

计算步骤：
将外径、壁厚代入（2）式，得到内径。

3.3计算中间站进出站压力
计算公式及步骤：
1）确定压气站出站压力。
根据设计压力10MPa确定，压气站出站压力等于设计压力为10MPa，即下式中的
2）确定压气站进站压力。
压缩机出口压力 ， MPa。
压缩机入口压力 ，MPa。
进站压力，MPa。
其中。
① 首站进站压力和压比
首站轮南供气压力6.5MPa(绝)，即首站进站压力。
压缩机出口压力。
压缩机入口压力。
首站压比。
②其他压气站进站压力和压比
根据压缩机压比推荐值1.45，确定压气站压比。
压缩机出口压力。
压缩机入口压力。
进站压力。
3.4利用Colebrook公式计算管段的水力摩阻系数
计算公式：
（3）
（4）
（5）

步骤：
1）利用（4）式计算出Re代入（3）式；
3）利用（5）式计算出实际水力摩阻系数。
3.5计算最优末段长度
计算公式：
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）
（11）

布站合适性判断式：
①
计算步骤：
1）将和 代入（8）式，得，即平均温度的初始值；
2）将代入（7）式，得系数；
3）将代入（6）式，得；
4）将代入（9）式，得；
5）用传热系数K，定压比热容Cp等参数代入（10）式，计算得参数；
6）将和代入（11）式，得；
7）将和代入判断①式，判断是否成立。若成立则令，若否，则令并从步骤2）开始重新计算，直到满足判断①式。
3.6计算压气站耗气量
计算公式：
（12）
（13）
（14）

计算步骤：
按照（12）（13）（14）的顺序分别计算第i站的绝热压头、压缩机总功率以及耗气量。
3.7确定压气站位置
计算公式：
（15）
（16）

计算步骤：
1）将设计流量转化成，与首站进站温度代入1.6步骤，进行耗气量的计算，然后 减去首站耗气量得到首站出站时的流量。
2）将和代入（15）式，计算出。
3）将和，以及代入（16）式，计算出。
4）将所计算的和代入（15）式，计算出。
5）将所计算、和代入（16）式，计算出。
6）按照前面所示步骤计算，直至（进站压力，由1.3步骤中计算）。此时j值即为第一段站间距的公里数。
7）然后i+1，返回第1）步，利用，获得下一站的出站流量。并将代入1.4步骤得到。将新的和代入下一段。
8）按照前面所示步骤计算出每一段的公里数，直至倒数第二站。而末站的位置由末段长度确定：总长3894km减去最优末段长度得到末站的位置。设末站距首站的距离为，则正向布站的距离最大也为，当倒数第二站距首站的距离超过时，跳出循环，结束正向布站，显示初步布站结果。
3.8调整压气站位置
②

利用判断②式判断，若符合则布站结束。若不符合，则适当调节各站压比（同时根据新的压比求出新的进站压力），使得符合判断②式。
3.9计算末端储气能力
计算公式：
（17）
（18）
（19）
（20）
（21）

计算步骤：
1） 利用（18）—（21）式计算得
2） 将带入（17）式得到最终实际的末端储气能力。

四、源程序
主函数：
%主函数
clc;clear all;
global D Z C0 Cp Di delta %定义常量
d=0.9842; %内径
D=1.016; %外径
Z=0.9; %压缩因子
delta=0.6; %相对密度
C0=0.03848; %常数
Cp=2500; %定压比热容取2500
Di=3.0; %节流效应系数
Qa=190*10^8; %设计年输量
QS=Qa/(350*24*3600); %设计输量
ZC=3894e3; %管道总长
Step=1000; %计算步长

%初始化
Q(1)=QS; %站间体积流量m^3/s，首站进站流量为Q（1）
Lb=round((ZC-computLZ(QS))/1000)*1000; %倒数第二站至首站距离,取整
T1(1)=293.15; %首站进站温度
P1(1)=6.5e6; %首站进站压力
XZYB=zeros(1,100); %压比增加量

for n=1:10000
L=0; %L为计算点至首站长度
for i=1:100 %压气站站点
distance(i)=0;
position(i)=0;
P(i,1)=10e6; %第i站出站压力
T(i,1)=50+293.15; %第i站出站温度
Q(i+1)=Q(i)-computGU(Q(i),T1(i),computYB(i)+XZYB(i));
%i站出站流量，即为i和i+1站间管段

for j=1:1000 %站间计算段
C=computlamda(Q(i+1))*Z*T(i,j)*delta/(C0^2*d^5);
P(i,j+1)=(P(i,j)^2-C*1000*Q(i+1)^2)^0.5;

distance(i)=distance(i)+1000;
L=L+1000;
position(i)=L/1000;
a=computK(L)*pi*D/(Q(i+1)*0.6*1.206*Cp);
T(i,j+1)=computT0(L)+(T(i,j)-computT0(L))*exp(-a*1000)- ...
Di/1e6/a/1000*(P(i,j)-P(i,j+1))*(1-exp(-a*1000));
%判断是否布站
if (P(i,j+1)<=7.081e6)
break;
end
end

T1(i+1)=T(i,j+1);
NN=i;
%判断是否布站至末站位置
if (L>=Lb)
break;
end
end
%计算
LPJ=L-distance(NN-1); %倒数第二站到首站的距离
LPJ=LPJ/(NN-2); %首站至倒数第二站的平均长度
LYP=Lb-(L-distance(NN-1)); %倒数第二站与末站间的距离

%判断末站位置是否合适
if abs(LPJ-LYP)<1e3
break;
end
%改变压比
if (LPJ-LYP<0)
XZYB=XZYB+0.001;
else XZYB=XZYB-0.001;
end
%首站压比不改变
XZYB(1)=0;
%计算倒数第二站至末站的温度分布
L=L-distance(NN-1);
for j=1:1000
C=computlamda(Q(NN))*Z*T(NN-1,j)*delta/(C0^2*d^5);
P(NN-1,j+1)=(P(NN-1,j)^2-C*1000*Q(NN)^2)^0.5;
L=L+1000;
a=computK(L)*pi*D/(Q(NN)*0.6*1.206*Cp);
T(NN-1,j+1)=computT0(L)+(T(NN-1,j)-computT0(L))*exp(-a*1000)- ...
Di/1e6/a/1000*(P(NN-1,j)-P(NN-1,j+1))*(1-exp(-a*1000));
if (L==Lb)
break;
end
end
%更新末站进站温度和出站流量
T1(NN)=T(NN-1,j);
Q(NN+1)=Q(NN)-computGU(Q(NN),T1(NN),computYB(NN)+XZYB(NN));
Lb=round((ZC-computLZ(Q(NN+1)))/1000)*1000;

end
%末站位置
position(NN)=Lb/Step;
position(NN+1)=ZC/Step;
distance(NN)=Lb-sum(distance)+distance(NN);
distance(NN+1)=ZC-Lb;

%计算首站至门站的温度压力分布
for i=1:(NN+1)
P(i,1)=10e6; %第i站出站压力
T(i,1)=50+293.15; %第i站出站温度
Q(i+1)=Q(i)-computGU(Q(i),T1(i),computYB(i)+XZYB(i));

for j=1:1000
C=computlamda(Q(i+1))*Z*T(i,j)*delta/(C0^2*d^5);
P(i,j+1)=(P(i,j)^2-C*1000*Q(i+1)^2)^0.5;
L=position(i)*Step-distance(i)+j*Step;
a=computK(L)*pi*D/(Q(i+1)*0.6*1.206*Cp);
T(i,j+1)=computT0(L)+(T(i,j)-computT0(L))*exp(-a*1000)- ...
Di/1e6/a/1000*(P(i,j)-P(i,j+1))*(1-exp(-a*1000));
if (L==(position(i)*Step))
break;
end
end

T1(i+1)=T(i,j+1);
P1(i+1)=P(i,j+1);
end
%求压力温度分布
aaaa=size(P);
M=0;
MM=0;
for i=1:aaaa(1)
for j=1:aaaa(2)
if (P(i,j)~=0)
M=M+1;
PFB(M)=P(i,j);
end

if (T(i,j)~=0)
MM=MM+1;
TFB(MM)=T(i,j);
end
end
end

%末端储气能力
V=computMDCQNL(Q(NN+2));

%输出结果

for i=1:33 %压气站位置
if (i==1)
BZ(i,1)=0;
else BZ(i,1)=position(i-1);
end
%压比
if (i==33)
BZ(i,2)=0;
else BZ(i,2)=computYB(i)+XZYB(i);
end
%进站压力
BZ(i,3)=P1(i);
%出站压力
if (i==33)
BZ(i,4)=PFB(max(size(PFB)));
else BZ(i,4)=10e6;
end
%进站温度
BZ(i,5)=T1(i);
%出站温度
if (i==33)
BZ(i,6)=TFB(max(size(PFB)));
else BZ(i,6)=T(i,1);
end
%耗气量
if (i==33)
BZ(i,7)=0;
else BZ(i,7)=Q(i)-Q(i+1);
end
end

子函数：
%计算压比
function [ YaBi ] = computYB( i )
if i==1
YaBi=(10+0.05)/(6.5-0.15);
else
YaBi=1.45;
end
end
%计算地温
function [ T0 ] = computT0( L )

if(L>=0&&L<503000)
T0=17.0+273.15;
elseif(L>=503000&&L<=673000)
T0=12.5+273.15;
elseif(L>=673000&&L<=2025000)
T0=10.7+273.15;
elseif(L>=2025000&&L<=2210000)
T0=10.4+273.15;
elseif(L>=2210000&&L<=2884000)
T0=13.9+273.15;
else
T0=15.8+273.15;
end
end
%计算末端储气能力
function [ V ] = computMDCQNL( Q )
global D Z C0 Cp delta Di
d=0.9842; %内径
TQ=323.15; %出站温度
T0=295.75; %土壤温度
K=2.16; %传热系数
P1max=10e6; %设计压力
P2min=4.5e6; %末站进站最小压力
Tp0=5/12*TQ+7/12*T0; %迭代初始值
C=computlamda(Q)*Z*Tp0*delta/(C0^2*d^5);
LZ=(P1max^2-P2min^2)/(2*C*Q^2);
P2max=(P1max^2-C*LZ*Q^2)^0.5;
M=Q*0.6*1.206;
a=2.16*pi*D/(M*Cp); %定压比热熔取2500
Tp1=T0+(TQ-T0)*(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ)-Di*(P1max/1.0e6-P2max/1.0e6)* ...
(1-(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ));
for i=1:1000
if abs(Tp1-Tp0)<0.1
break;
end
Tp0=Tp1;
C=computlamda(Q)*Z*Tp0*delta/(C0^2*d^5);
LZ=(P1max^2-P2min^2)/(2*C*Q^2);
P2max=(P1max^2-C*LZ*Q^2)^0.5;
Tp1=T0+(TQ-T0)*(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ)-Di*(P1max/1.0e6-P2max/1.0e6)* ...
(1-(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ));
end

Ppjmax=2.0*(P1max+(P2max*P2max)/(P1max+P2max))/3.0;
P1min=sqrt(P2min*P2min+C*LZ*Q*Q);
Ppjmin=2*(P1min+(P2min*P2min)/(P1min+P2min))/3.0;
V=pi/4.0*d*d*LZ*293.15/Z/Tp1*(Ppjmax-Ppjmin)/101325.0;

end
%计算最优末段长度
function [ LZ ] = computLZ( Q )
global D Z C0 Cp delta Di
d=0.9842; %内径
TQ=323.15; %出站温度
T0=295.75; %土壤温度
K=2.16; %传热系数
P1max=10e6; %设计压力
P2min=4.5e6; %末站进站最小压力
Tp0=5/12*TQ+7/12*T0; %迭代初始值
C=computlamda(Q)*Z*Tp0*delta/(C0^2*d^5);
LZ=(P1max^2-P2min^2)/(2*C*Q^2);
P2max=(P1max^2-C*LZ*Q^2)^0.5;
M=Q*0.6*1.206;
a=2.16*pi*D/(M*Cp); %定压比热熔取2500
Tp1=T0+(TQ-T0)*(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ)-Di*(P1max/1.0e6-P2max/1.0e6)* ...
(1-(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ));
for i=1:1000
if abs(Tp1-Tp0)<0.1
break;
end
Tp0=Tp1;
C=computlamda(Q)*Z*Tp0*delta/(C0^2*d^5);
LZ=(P1max^2-P2min^2)/(2*C*Q^2);
P2max=(P1max^2-C*LZ*Q^2)^0.5;
Tp1=T0+(TQ-T0)*(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ)-Di*(P1max/1.0e6-P2max/1.0e6)* ...
(1-(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ));
end

end
%计算水力摩阻系数
function [ lamda ] = computlamda( Q )

d=0.9842; %内径
delta=0.6; %相对密度
miu=1.0/10^5; %动力粘度
K=1/10^6*1.05; %求当量粗糙度
Re=1.536*Q*delta/(d*miu); %雷诺数
lamda1=0.01; %迭代初始值
for i=1:1000
lamda2=1/(-2*log10(K/(3.7*d)+2.51/(Re*lamda1)))^2;
if abs(lamda1-lamda2)<1/10^5
break;
end
lamda1=lamda2;
end
lamda=lamda2;
end
%计算总传热系数
function [ K ] = computK( L )
if (L<1055e3)
K=1.27;
elseif (L>=1055e3&&L<1839e3)
K=1.53;
elseif (L>=1839e3&&L<3274e3)
K=1.18;
else
K=2.16;
end
end
%计算耗气量
function [ GU ] = computGU( Q,T,YB)
global Z
Rg=478.38; %气体状态常数
kv=1.4; %容积绝热指数
ny=0.85; %压缩机效率
nr=0.3; %燃气轮机效率
HG=34e6; %天然气热值
M=Q*0.6*1.206;
h=kv/(kv-1)*Z*Rg*T*(YB^((kv-1)/kv)-1);
W=h*M/ny;
GU=W/(nr*HG);
End

五、输出结果
由程序计算得到总体工艺设计方案。其中：管外径为1016mm, 管内径为984.2mm,管壁厚度为15.9mm、管材等级为X70、设计压力为10MPa、末段储气能力为2.334×106m3。
压气站位置、压比、进/出站压力、进/出站温度、压气站的耗气量如下表所示:
压气站点
压气站位置（km）
压比
进站压力（MPa）
出站压力(MPa)
进站温度(K)
出站温度(K)
耗气量（m^3）
1
0
1.583
6.50
10.00
293.15
343.15
3.247
2
110
1.333
7.07
10.00
318.55
343.15
2.143
3
221
1.333
7.06
10.00
318.36
343.15
2.135
4
333
1.333
7.05
10.00
318.18
343.15
2.126
5
445
1.333
7.07
10.00
318.20
343.15
2.119
6
558
1.333
7.07
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