第六章 长距离输气管道及城市输配气工程

第六章长距离输气管道及城市输配气工程22019/8/11概述：燃气发展和应用情况32019/8/1142019/8/11一、天然气的组成与用途工业与民用燃气：天然气、人工煤气、液化石油气和沼气用途：火力发电厂、民用、汽车、化工原料来源：气田气、石油伴生气、凝析气田气、煤层气。主要成分：甲烷、乙烷、丙烷和丁烷第一节天然气的储运销一体化系统52019/8/11二、基本概念（一）标准状态与标准体积天然气计量的标准状态：20℃，1标准大气压（101325Pa)城市燃气行业的标准状态：0℃，1标准大气压（101325Pa)美国天然气行业：60ºF（15.6℃)，1标准大气压（101325Pa)标准状态下的体积称标准体积。62019/8/11（二）天然气组成的表示方法体积分数：各种组分的分体积在天然气的总体积中所占的比例；是温度、压力的函数。摩尔分数：各种组分的摩尔数在天然气的总摩尔数中所占的比例。1摩尔纯物质的质量在数量上等于该物质的分子量，单位：克。质量分数：各种组分的质量在天然气的总质量中所占的比例。72019/8/11（三）天然气的密度与相对密度密度：单位体积天然气的质量，温度、压力的函数。相对密度：相同温度、压力下天然气的密度与干空气的密度之比。因天然气不是理想气体，其相对密度是温度压力的函数。通常指标准状态的相对密度。气田气：0.58～0.62，伴生气：0.7～0.8582019/8/11（四）天然气的粘度粘度是输配气管道计算的重要基础数据。气体粘性产生机理：两层气体之间摩擦和两层之间分子的热交换。由于气体粘性的产生机理与液体不完全相同，因而具有与液体粘度不同的特点：液体的粘度随温度升高而降低，与压力基本无关；对于气体来说，当压力不高时气体粘度随温度升高而升高，当压力升高到某一限度时，气体粘度随温度升高而下降（对于甲烷，该临界压力约为10MPa）。相同温度下，压力越高，天然气的粘度越大。92019/8/11（五）天然气的节流效应正节流效应和负节流效应正节流效应：节流后压力下降、温度下降。负节流效应：节流后压力下降、温度升高。注：理想气体不存在上述节流效应.102019/8/11（六）天然气的含水量和露点含水量：标准单位体积干气所含的水蒸汽质量，单位kg/Nm3。进入干线管道的含水量不应超过96～128mg/Nm3天然气水露点：天然气在一定压力下析出液态水时的最高温度；天然气烃露点：天然气在一定压力下析出液态烃时的最高温度。112019/8/11三、天然气供气系统的组成及特点（一）天然气一体化供气系统从气田的井口装置开始，经矿场集气系统、气体净化系统、干线输气管道、再通过配气管网到用户，天然气所通过的所有环节构成了一个统一的、一体化的储、运、销系统。它是一个密闭的、连续的水力系统。天然气一体化体现在气源、管线建设和用户的统一方面；也体现在其运行的安全性和可靠性方面。122019/8/11（二）天然气供气系统的组成气田矿场集输管网（见第二章）天然气净化处理厂长距离干线输气管道或管网城市输配气管网储气库132019/8/11一、长距离输气管道的组成第二节长距离输气管道的组成及勘察设计142019/8/11152019/8/11162019/8/11172019/8/11182019/8/11192019/8/11二、输气管道工艺设计输气管道工艺设计主要包括管段的水力与热力计算、管段设计压力与压气站压比的确定、压气站的布站、压缩机组的配置、各种工艺站场的流程设计等方面的内容。根据输气管道的运行参数(流量、压力、温度等)是否随时间变化，可以将输气管道的工况分为稳态工况与非稳态工况(也叫瞬态工况)。严格地讲，输气管道的工况在大多数情况下都是非稳态的，但在工程设计中通常先按稳态工况对输气管道进行水力和热力计算，然后再按非稳态工况进行校核。202019/8/11输气管道水力计算的基本任务是确定管道流量与沿线压力分布的关系。具体来说，就是在已知管段两端压力的前提下计算其流量，或者在已知管段流量及管段某一端压力的前提下计算该管段的沿线压力分布。此外，在管道的流量和沿线各点(起点和终点除外)的压力均为未知、但管道沿线的压气站运行方案已知的情况下，通过沿线各管段与全线各压气站的匹配计算可以确定这些管段与压气站的流量与压力。1、输气管道水力计算212019/8/11输气管道水力计算LZZTTPdQPP0000520222162.1P1—管道起点燃气的绝对压力，Pa；P2—管道终点燃气的绝对压力，Pa;P0—标准大气压，P0=101325Pa；λ—燃气管道的水力摩阻系数；Q0—燃气管道的计算流量，Nm3/s；d—燃气管道的内径，m；ρ0—标准状况下燃气管道的密度，kg/Nm3；T—燃气的绝对温度，K；T0—标准状态绝对温度，T0=273.15K；Z—燃气的压缩因子；Z0—标准状况下燃气的压缩因子；Z0=1L—燃气管道的计算长度，m。输气管道应采用：高压、低温的输送方式。222019/8/112、输气管道热力计算输气管段的热力计算主要有两个目的：为同一管段的水力计算服务;预测管段中出现凝析液和水合物情况。232019/8/11根据输气管段的流量公式：在其它条件一定的前提下，输气管段的流量取决于整个管段中气体的平均温度，而这一平均温度又取决于整个管段沿轴向的温度分布。另一方面，输气管段的稳态温度分布又取决于该管段的流量。因此，输气管段的水力计算与热力计算实际上是相互耦合的一对问题。为了求出一个输气管段的流量与沿线温度分布，需要联立求解输气管段的流量关系式和温度分布关系式。由于这两个关系式中的气体物性取决于气体温度和压力，故要进行精确的联立求解是相当困难的。242019/8/11为此，在工程上通常采用近似解法，即：先假定输气管段的平均温度，按该温度计算输气管段中气体的物性参数并计算输气管段的流量，然后根据该流量求出输气管段沿线的温度分布及平均温度，若该平均温度与假设的平均温度之差满足工程精度的要求，则计算结束；否则，以计算出的平均温度作为新的假设平均温度，并重复前面的计算过程，直到输气管段平均温度的假设值与新的计算值之差满足工程上的精度要求为止。252019/8/11三、输气管中水合物的形成规律及预防措施（一）水合物的基本概念天然气中某些组分与液态水在一定温度、压力下所形成的外形像冰霜的物质。节流处最易形成。262019/8/11（二）形成水合物的条件温度、压力、水分条件。临界温度：高于此温度不会形成水合物。272019/8/11（三）形成水合物的必要条件必须有液态水与天然气接触（水分条件）；天然气中水蒸气分压等于或超过在水合物体系中与天然气的温度对应的水的饱和蒸汽压（压力条件）；天然气温度必须等于或低于其在给定压力下的水合物的形成温度（温度条件）。282019/8/11形成水合物的外因高流速、气流扰动或压力脉动；出现小的水合物晶体；天然气中含有硫化氢和二氧化碳。因为这两种气体比烃类气体更容易溶于水。292019/8/11（四）防止水合物形成及消除水合物的方法1、干燥脱水2、添加水合物抑制剂----降低水合物形成温度，破坏形成水合物的温度条件；吸收天然气中水蒸气，破坏形成水合物的水分条件。甲醇、乙二醇、二甘醇等。3、加热---使温度提高到水合物形成温度以上。4、清管—清除液态水和已经形成的水合物。5、降压－用于事故后解除。302019/8/11四、干线输气管道的工艺方案设计（一）工艺方案设计的基本步骤1、确定各管段的管材、管径、设计压力和管道壁厚。2、确定每个压气站在设计流量下的压比。3、设每个压气站的出口压力等于所在位置管段的设计压力。4、根据管道末段储气量的要求，确定末段管径和长度，并确定最后压气站的位置。5、确定压气站的数量和位置。6、确定压缩机组的配置方案。312019/8/11（二）管道末段的储气能力管道末段指管道最后一个压气站到管道终点的管段。末段储气的目的：平衡均衡供气与不均匀用气的矛盾。原理：利用气体的压缩性改变所储气体的数量。储气能力：最高压力与最低压力之间的储气容量。与管道截面积、管道长度有关，但存在最优末段长度。322019/8/11（三）管道沿线压气站布置1、压气站布置的前提条件管道入口天然气压力、温度、流量管道终点供气流量和压力管道分支点流入/流出流量每个压气站压比或压缩机组的配置压缩机组原料天然气的消耗率各管段管材、管径和壁厚管道末段的起点位置332019/8/11（三）管道沿线压气站布置（续）2、压气站布站的基本步骤区域：从管道起点到管道末段起点正方向布站：从管道起点开始反方向布站：从管道末段起点开始342019/8/11（三）管道沿线压气站布置（续）3、正方向布站的基本步骤令每个压气站的出站压力等于管道设计压力将首站设为一个压气站（来气压力大于起点设计压力时，不设首站）计算各点的温度和压力，逐步确定各站位置站位置调整352019/8/11一、压缩机组压缩机及与之配套的原动机统称为压缩机组。压缩机组功能是提高进入压气站的气体的压力，从而使管道沿线各管段的流量满足相应的任务输量的要求。干线输气管道的运行可靠性和经济性在很大程度上取决于所采用的压缩机组的性能。压气站的投资占输气管道总投资的20％～25％，其经营费用占管道总经营费用的40％～50％；压缩机组的投资占压气站投资的一半以上，压缩机组的能耗费占压气站经营费用的70％左右。第三节压缩机组与压气站362019/8/11（一）干线输气管道的压缩机类型目前在干线输气管道上采用的输气压缩机有两种类型，即往复式压缩机和离心式压缩机。从工作原理上划分，它们分别属于容积型压缩机和速度型涡轮压缩机(也叫透平压缩机)。372019/8/11382019/8/11392019/8/11402019/8/11412019/8/11422019/8/11432019/8/11442019/8/11452019/8/11462019/8/11472019/8/11离心式压缩机纵剖面结构图(1:吸气室2:叶轮3:扩压器4:弯道5:回流器6:涡室7，8:密封9:隔板密封10:轮盖密封11:平衡盘12:推力盘13:联轴节14:卡环15:主轴16:机壳17:轴承18:推力轴承19:隔板20:导流叶片)离心式压缩机482019/8/11转子叶轮492019/8/11（二）输气压缩机组的原动机类型燃气轮机燃气发动机—类似内燃机电动机502019/8/11（三）输气压缩机组的选型根据各类输气压缩机与原动机的特点以及国外干线输气管道的建设实践，输气压缩机组的选型可以参考以下原则或经验：(1)燃气轮机--离心式压缩机组和燃气发动机--往复式压缩机组是干线输气管道上最常用的两种组合，特别是大功率机组基本上都是燃气轮机--离心式压缩机组。(2)干线输气管道上的压气站具有流量大、站压比低的特点，因而一般采用离心式压缩机。往复式压缩机主要适用于中、小流量而压比较高的场合，例如气田集输管网、地下储气库的地面注气系统等。512019/8/11(3)只有在压气站距离公用电网较近、而且电价比较便宜的情况下才考虑采用电动机作为压缩机组的原动机。(4)虽然采用简单回热循环和联合热力循环可以明显提高燃气轮机的综合热效率，但采取这些措施后将使燃气轮机的初始投资大大增加，因此，是否采取这些措施应通过综合技术经济比较才能确定。522019/8/11二、压气站功能：天然气增压、清管器收发、越站旁通输送、安全放空、管路紧急截断、计量调压。组成主工艺系统：压缩机组、净化除尘设备、调压阀、流量计、天然气冷却器、事故紧急切断系统、工艺阀门和管道。辅助系统：能源系统、冷却系统、润滑密封系统、仪表、通信、通风、消防、放空系统等。532019/8/11三、压气站与管道的匹配与工况调节压缩机组水力特性与管道水力特性之间的匹配。工况调节改变压缩机转速；压气站出口节流；压气站进口节流